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真·3D球形顯示器手工電子DIY教程

電子DIY 閲讀(2.76W)

真·3D球形顯示器

 

DIYer: monkeylectric 製作時間: 一個月 製作難度: ★★★★☆ GEEK指數: ★★★★☆

 

n00tron 是一種獨特的技術和藝術的表現手法。這種光線的衍生藝術通過完全的互動在球體顯示器中創作。參與者可以通過控制面板上的旋鈕和開關實時操控顯示器的繪圖算法。它老少咸宜,讓你在學習視覺暫留顯示技術的同時製作你的自己的動畫藝術作品!

希望 n00tron 能入住你家附近的博物館裏!如果你能幫助我們推廣的話,請 聯繫我們

現場表演:Maker Faire 2010、SigGraph 2010。 

1   這是什麼? 

n00tron 是:

——一台真正的三維顯示器(也被稱為體型顯示器(Volumetric display))

——顯示器的體積是球形的,直徑大約為 550 毫米

——顯示器是通過旋轉的自行車輪胎和裏面的一排燈組成的

——自行車輪胎同時繞着 2 根軸旋轉

——n00tron 非常適合燈光藝術表演,但是無法產生三維的位圖。

——n00tron 通過控制面板交互式地控制

——n00tron 使用參數簡單的繪圖算法繪製彩色的圖案(亦被稱為衍生藝術)

——控制面板有許多旋鈕,用於設定繪圖算法的基本參數

——無論老少,參與者都可以輕鬆創作他們自己的令人驚歎的三維光雕作品!

繼續閲讀,瞭解更多信息!

 

2   車輪第一根軸的電動機和驅動器都裝在這根杆子的中心。

我們用的是標準的 26 英寸自行車輪胎。我們用的是一款結實的車輪,有着實心車軸和 6 螺栓的盤形剎車架。我們用螺栓將一個 22 齒的自行車齒輪裝在了盤形剎車架上。

在車輪裏面裝着 MonkeyLectric Video Pro 的顯示器硬件。我們使用的是標準的 Video Pro 硬件,而為了生成藝術作品,自行編寫了固件。顯示器硬件是4根杆上的256顆全綵LED。

 

3   叉架車輪輪軸螺栓從左邊穿過,向右依次是電動機和端部軸承。 

電動機和驅動器的齒輪。 

車輪輪軸螺栓從這裏穿過。12 號的帶帽螺栓可以避免車軸意外彎折飛出。叉架固定車輪的方式就像自行車的前輪一樣。

我們焊接組裝了一根重型的自制叉架,用於固定車輪。叉架是非常平直的(不像普通的自行車叉架那樣有斜度)。裏面焊接了電動機的支座。叉架空心管是用壁厚 2 毫米的碳素材料製成的。整根叉架至端部的長度大約為 400 毫米,然後再加上 350 毫米長的頂部空心管道。電動機平面和輪軸固定平面是從 4.5 毫米厚的鋼板上用 cnc 水刀切割機制作的。

 

4   第一根軸的驅動器第一根軸的電動機和驅動器都裝在這根杆子的中心,固定平面位於叉架管道的當中,轉軸是內建於自行車輪胎裏的車軸。 

第一根軸的驅動電動機固定在叉架中央的平面上。固定槽讓我們能夠略微調整電動機,讓鏈條鬆緊適當,並且平衡支撐杆的質量。

完成了車輪以後,把鏈條和電動機連好,就能夠運轉起來了,之後我們可以用螺栓把配重物固定在電動機平面上,來調整軸的平衡。

第一根軸使用的是標準的自行車鏈條。

 

5   第二根軸 

第二根轉軸(“外軸”)是一根標準的自行車前撐杆。就好像是以非常快的速度旋轉自行車的把手一樣,讓叉架和前輪不停的轉啊轉。

我們不需要把整個自行車的框架連接到叉架上,而只需要一根簡單的管道就行了。它就像是自行車的車頭杆,不過車身的其餘部分統統沒有了。我們首先用的是一根長 12 英寸的 6061 鋁管,然後用車牀車出端部軸承的槽。我們儘可能選取了最結實的自行車端杆。鋁質的端管直徑為 2 英寸,壁厚 3/8 英寸。

第二根軸的電動機和第一根類似,固定在槽中,方便調節鏈條鬆緊度。用驅動器齒輪和鏈條把電動機連接到叉架管的末端。

 

6   主固定平面電動機支架。 

帶有塑料插頭的管夾。

主固定平面上支撐着:

端管軸承組件底座支撐管第二根軸的電動機

端管和底管都用螺栓和重型管夾(通常用來將大型管道固定在建築物的牆面上)固定在平面上。

主平面用的是厚度為 6 毫米的 6061 鋁材。用 CNC 水刀切割機在板材上切割出二維形狀。尺寸大約是 300 毫米 × 400 毫米。

 

7   電動機

這 2 台電動機都是從一輛舊的輪椅裏拆下來的。它們都是 24V 直流、5A 的電動機,內置的齒輪比是 10:1。輸出轉速大約為 300 轉/分鐘,和我們希望的顯示器軸轉速非常接近。

 

8   滑環滑環向旋轉的叉架管道中輸送電能。叉架管道末端的滑環向旋轉的叉架中輸送電能,驅動第一根軸的電動機。

LED 顯示器本身使用的是安裝在車輪裏的鋰離子電池,將來我們可能會加上第二個滑環,這樣所有的部件都可以使用外部電能了。

 

9   底座三角架 

標準的工業級欄杆配件。 

用緊固螺釘擰緊了的欄杆配件

底座需要承受來自旋轉的顯示器的極強的振動力。我們用標準的工業級欄杆配件製作底座。這些配件在組裝和拆卸時非常方便,只需要緊固螺釘就行了。我們可以在一個小時內完成底座的架設,而整個 n00tron 只需大約 90 分鐘即可完成。

大部分管道都是 40 號、1.5 美國線規尺寸的 6061 鋁管,也就是説外徑為 1.9 英寸,而壁厚大約為 0.1 英寸。主中央管則使用的是較厚的 80 號管材。三角底座每一側為 5 英尺,放主固定平面離地約有 5 英尺的高度。

在 4 個角下面有實心的橡膠墊腳,我們還在框架的底部周圍佈置了 100 英鎊的沙袋。三角架非常結實,不過固定平面的力可是非常大的,能夠明顯地看出讓中央管發生了彎曲。如果電動機的速度正好在某個值,那麼就可能讓整個表演道具因為共振而到處亂跑!

 

10   控制面板 

控制面板組裝在鋁質的公文包裏。看起來閃閃發亮!我們用激光切割機從一塊黑色的壓克力板上切出一塊自制的控制面板平面。在外殼中有 3 塊 Arduino,每一塊連接在 6 個模擬旋鈕和數字開關上。大部分旋鈕都是我們買來的,而開關則是從舊的廢棄硬件中找來的。 

控制面板的背面 

arduino。USB 連接到帶有無線電的筆記本電腦上。 

 

3 塊 arduino 通過 USB 連接在運行着程序的 Macbook 上。有一段簡單的腳本會讀取旋鈕和開關的狀態,然後將它們發送給串口上的 Zigbee 無線電設備。 

旋轉的顯示器硬件板載了相匹配的 Zigbee 接收器。 

11   電源

電源是雙路 30 伏的可變直流電源。每路的額定電流為 10 安。我們找到了一個可以驅動顯示器上所有的 LED 的電源,這樣我們就能在黑暗的房間裏大放光芒了!我們通常將電動機的轉速設為恆定,外軸大約為 200 轉/分鐘,而內軸大約為 250 轉/分鐘。可變電源讓我們可以隨時啟動和停止轉軸,向每一個人展示我們的設備。

 

12   完成了! 

 

 

 

 

 

 

Siggraph 2010 和 Maker Faire 2010 上的設備照片和視頻。 

13   你的功課——迴轉力

從機械學的角度講,n00tron 主要的問題在於:它會不會飛散成一百萬片碎片,把周圍的人都砸死?我們的機械工程師計算了轉軸和軸承在不同轉速下的力,給這個問題作出瞭解答。在我們所使用的雙軸配置下,無論兩根單獨的轉軸多麼平衡,都會產生非常大的迴轉力。這是任何 2 軸設計上的根本限制。內軸會在輪軸上產生上百鎊的力,外軸則略小一些。

迴轉力會沿着軸旋轉,從而導致整體架構的嚴重振動。這就是為什麼所有的部件總體上都要十分結實,以及使用了這麼大的三角底座的緣故。

下附計算過程:

n00tron_

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14   n00tron 顯示器可以顯示出浮在空中的莉亞公主嗎?

不行。要想顯示三維位圖畫面的話,顯示器從機械上就需要能夠在每秒鐘穿過球形空間中的每一個點十次。雖然這個顯示器是三維的,但在目前的轉速下,它在每個方向上的旋轉只能達到三維空間中的大約 5% 的點。它很適合創作衍生藝術,但不適合生成位圖。要生成位圖的話,各軸就需要比現在的轉速快上 10 倍或 20 倍。從最後一步中我們知道,這樣高的轉速會導致顯示器飛散成一百萬塊碎片。製作三維浮動的莉亞公主的方法有許多,但這並不是其中之一。