Когда‑то очень давно, нам в вузе преподавали на одном из предметов, что, пожалуй, единственным способом, который может проявить уровень человека — является дело. 

И достаточно большое количество людей находят в себе смелость творить удивительные вещи, зажигая своими начинаниями всех остальных — ведь, согласитесь, что идти вперёд, имея под рукой примеры, гораздо проще, чем пробивать дорогу совсем самостоятельно?;‑) 

И сегодня будет рассказ как раз о таких людях, которые имея горячее желание творить, получать недостающие знания, рождать нечто новое — создали примеры, которые дают нам всем повод задуматься и, может быть, сотворить тоже нечто подобное?;‑) 

Open Bionics: Роботизированные руки

Будучи ещё школьником 17 лет, Джоэл Габбард — Один из учащихся, увлёкся идей создания роботизированных рук, пытаясь их собирать, пока ещё на начальном уровне у себя дома. 

Со временем, понимая, что ему не хватает знаний, он поступил на курс робототехники в Плимутский Университет, где занялся этим делом уже более серьёзно, получив базу знаний — и на сайте университета можно найти информацию о проекте, который он разработал в рамках дипломной работы, с целью создать роботизированный протез стоимостью не более 500 фунтов стерлингов, который был бы доступен для людей из бедных стран — проект привлёк большое внимание из‑за своего потенциала и даже получил награду от Texas Instruments. 

После окончания университета, он начал работать наёмным сотрудником, но параллельно, производил доработки своего дипломного проекта, развивая свою мысль дальше, и, в определённый момент, запустил кампанию по сбору средств, на платформе Indiegogo с целью «выпустить в массы» недорогой протез, где само начинание получило название «Open Hand» — то есть, протез руки, который должен был выпускаться полностью с открытым исходным кодом, и возможностью любому желающему скачать с интернета все требующиеся детали и документацию, изготавливать самостоятельно и даже продавать подобные устройства — планировалось, что основным производственным процессом станет 3D печать (это было как раз начало 2010 годов, 3D печать активно набирала силу и многие делали на неё ставку — впрочем, вполне обоснованно, как показало время):

Как можно видеть по ссылке выше, проект предполагал создание руки, по своему функционалу повторяющую человеческую кисть, где в качестве сухожилий выступали стальные тросы, натягиваемые с помощью электромоторов, в то время как 3D печатные детали выступали в роли своего рода «костей». 

Рука предполагала 6 степеней свободы (по 1 на 4 пальцах и 2 на большом), а управление в самом простом варианте предполагалось с помощью Arduino, со считыванием электрических сигналов с мышц культи, с помощью датчика, наклеиваемого на неё же. 

Как можно видеть по ссылке выше, несмотря даже на такой начинающий вид — проект был весьма успешен и собрал почти 44 000 фунтов, что позволило Джоэлу окончательно уйти от необходимости в наёмной работе и сосредоточиться на разработках… 

В 2014 году, в ходе одного из интервью, он познакомился с журналисткой Самантой Пейн, с которой чуть позднее, они основали совместную компанию Open Bionics, которая в 2018 году было признана самым перспективным начинанием в Европе, а также получила премию Джеймса Дайсона за инженерные достижения.

Насколько можно судить, основные «киты» на которые опирается успех компании заключаются в следующем:

• Начав с недорогих 3d принтеров, осуществляющих печать с помощью fdm‑печати, компания осталась верна себе, и продолжает использовать 3d печать в качестве основного производственного процесса — только для этого используются уже промышленные 3d принтеры, спекающие нейлон 12 с помощью лазера;

• Как можно видеть, применяется от 3 до 5 электродвигателей, причём, сам принцип их установки более простой (насколько можно понять общую логику) — не с помощью сложных редукторов и установки в отдельный палец, а с помощью использования системы «сухожилий» — тросиковых тяг для каждого пальца (что вдобавок к «биологичности» ещё и упрощает конструкцию);

• Используется 3d сканирование культи — таким образом, посадка роботизированной руки происходит самым оптимальным образом и её разъём повторяет форму культи, что, к тому же, наверняка ускоряет процесс, устраняя потребность во множестве пробных вариантов…

Судя по заявлению компании на их официальном сайте похоже, что именно благодаря целому ряду подобных инженерных инноваций, созданная роботизированная рука имеет цену в три раза меньше, чем аналогичные устройства. 

И, пожалуй, один из самых привлекательных моментов, который превращает просто функциональную руку — в предмет желания или даже культовый девайс: магнитные крепления позволяют менять внешние накладные панели, с помощью которых можно придавать протезу стильный вид роботизированных устройств из различных компьютерных игр или фильмов — похоже, что именно благодаря этой возможности, современная версия носит говорящее название «Hero Arm»: 

Управление осуществляется точно так же, как и в ранних прототипах — с помощью напряжения определённых мышц культи и считывания электрических импульсов от них специальными датчиками. 

Дополнительную информацию можно почитать, например, здесь и здесь. 

Спирт — из углекислого газа

Казалось бы, для чего ещё можно использовать углекислый газ — ведь он уже, своего рода, представляет собой то, что «потрачено»?

А ведь оказывается можно — именно это и доказал стартап Air Company, создав технологию превращения углекислого газа в нужный продукт — этанол! 

Для этого компания разработала технологию, искусственным образом имитирующую фотосинтез: для этого используется CO2, извлечённый из атмосферы или захваченный из выбросов заводов (благодаря чему технология называется одной из самых «зелёных»!). 

Затем, применяя возобновляемые источники энергии, с помощью электролиза, вода разлагается на кислород и водород, после чего, кислород выпускается в атмосферу, а водород используется в дальнейшем процессе — смесь углекислого газа и водорода, под давлением подаётся в специальный реактор, проходя через трубки, заполненные «особым катализатором», состав которого не раскрывается.* 

*Однако, в виду того, что компания патентовала своё изобретение, эту информацию можно найти в их патенте.;‑) 

Как пишет издание The Guardian, компания, основанная двумя предпринимателями — Грегори Константином и Стаффордом Шиханом выпускает по 5000 ящиков водки, произведённой таким способом в год, где каждая бутылка потребляет примерно 0,45 кг СО2, извлечённого из атмосферы. 

Также, на базе этанола, производимого таким способом, было запущено производство парфюма, под маркой «Air Eau De Parfum». 

В дальнейшем компания усовершенствовала технологию производства и стала производить таким образом ещё и авиационное топливо. 

Насколько можно судить, первые два продукта были больше маркетинговыми, привлекающими внимание к компании, тогда как третий уже нацелен на решение глобальной проблемы обеспечения топливом, в виду большой потребности рынков в нём.

Самодельная недорогая плата для управления сервомоторами — в серийное производство: маленькая техническая революция — силами маленького человека

Шаговые двигатели повсеместно используются в любительской практике из‑за простоты управления ими и дешевизны управляющих плат; тем не менее, в промышленной робототехнике зачастую шаговые двигатели вытеснены гораздо более мощными, эффективными и быстрыми серводвигателями, которые, к тому же, не теряют шаги и бесшумнее. 

Но с ними есть одна существенная проблема*: как серводвигатели, так и управляющие платы для них не отличаются дешевизной — что существенно снижает возможности энтузиастов по использованию их. 

*В качестве небольшого отступления: нечто подобное я тоже замечал в своей практике, так как активно занимаюсь робототехникой и обращал внимание на то, что под рукой имеется большое количество относительно недорогих, компактных и мощных бесколлекторных двигателей (например, от дронов, авиамоделей), которые вполне можно было бы применить!;‑)

Это всё в полной мере осознавал и Оскар Вайгль, один из студентов, обучающийся в одном из престижных технических вузов‑ Имперском Колледже Лондона, в котором активно изучал робототехнику и был действующим членом сообщества робототехники, — и в виду этого, похоже, что на определённом этапе он решил для себя, что пора это исправить! 

Начал он с того, что написал дипломную работу на тему использования бесколлекторных двигателей в качестве моторов, в том числе, в частности, использовании их для рекуперативного торможения. 

И, в дальнейшем, как часто это бывает, его студенческое увлечение превратилось во вполне профессиональное — начавшись с разработок в 2015 году, в рамках студенческого проекта, он захотел развивать эту тему дальше, и, как дальше сам отмечал, первая студенческая поделка была достаточно громоздкой, основным минусом которой было управление всего лишь одной осью — то есть одним двигателем. 

После окончания ВУЗа, Оскар осознал, что для большинства робототехнических применений требуется как минимум два двигателя — например, для тех же самых роботизированных тележек — и дальше были примерно 2,5 года разработок, промежуточных версий, когда наконец, в 2018 году, свет увидела основная версия, ставшая «золотым стандартом»:

• Два канала, на ток до 100А каждый;

• Интерфейсы управления: UART, USB, CAN, PWM, STEP/DIR;

• Обратная связь с помощью энкодеров;

• Поддержка рекуперации.

В основе логики управления лежит метод Field Oriented Control (FOC)(«Векторное Управление) — то есть плата много раз в секунду замеряет токи на всех трёх фазах бесколлекторного двигателя, и управляет ими, соотнося с положением вала (то есть магнитов на нём), которое выясняется с помощью датчиков на задней части двигателя.»

Говоря о датчиках, мы можем заметить по схеме выше, что их поддерживается два типа — так называемые инкрементальные (идёт отсчёт шагов) и абсолютные (сразу говорят управляющей электронике, на какой угол повёрнут ротор двигателя) — кстати говоря, в подтверждение этого, можно найти официальную информацию на их сайте, то есть они там говорят что система позволяет обеспечить «мгновенный холодный старт»: могу только от себя добавить, что мне самому частенько этой функции очень не хватает, и приходится колхозить всякие странные штуки, чтобы решить этот вопрос — моментального определения положения вала, сразу после включения:‑))) 

Кроме того, там же, по ссылке выше, мы можем видеть, что имеется поддержка двух энкодеров — я так понимаю, что один из энкодеров используется непосредственно, будучи установленным на двигатель (нужен для работы функции FOC), тогда как второй — похоже что можно применять для очень крутой фишки: установить его например на конец роборуки, и тогда может быть реализована интересная логика: мы дали команду, например, повернуться первому двигателю на 90°, тогда как второй энкодер показывает, что конец роборуки повернулся всего лишь на 70° — то есть наблюдается люфт механической передаточной системы (ремней, редуктора), и благодаря показаниям этого второго энкодера, можно постараться нивелировать этот момент! 

В дальнейшем, Оскар создал компанию ODrive, которая на данный момент выпускает линейку управляющих плат и на гораздо большие токи, чем было рассмотрено выше, а сама идея (недорогих плат для управления серводвигателями) настолько «зашла» народу — что, если забить в поиск «ODrive» на Aliexpress — то он будет просто буквально завален платами, начиная где‑то от 490 руб — похоже, что эту компанию тоже не обошла участь копирования китайскими производителями... 

С другой стороны, это показывает, что даже один простой энтузиаст может создать нечто, весьма нужное для очень большого числа людей!;‑)

Студенты, новый стандарт, 3d печать и роботы

Чем мне нравятся проекты студентов/бывших студентов — так это тем, что они ещё не знают, что «это невозможно и вообще вряд ли получится, потому что сложно, да и вообще, кому это нужно?» — они просто верят в свою идею и просто делают!

В 2000-м году, появился один из стартапов, пожалуй, что известный большинству современных 3d печатников — ведь именно благодаря его стараниям появился на свет известный драйвер шаговых двигателей A4988, установленный во многих 3d принтерах (и не только):

Это стало возможным благодаря бывшим студентам, основавшим компанию Pololu Robotics and Electronics, получившую своё название от имени долины Pololū на Гавайях, откуда происходил один из основателей. 

Как можно видеть по предыдущему примеру (кастомной плате для управления серводвигателями) — даже в наше время всё не совсем чтобы просто, касательно того, что касается роботов, а в начале 2000-х годов всё было и совсем плохо — не было нужной модульности и, желающие заниматься робототехникой энтузиасты вынуждены были либо использовать промышленные платы, либо, разводить их самостоятельно.*

*Кстати, я хорошо помню те времена, когда занятие робототехникой — это было поистине элитарным делом, доступным немногим — Ардуин тогда ещё не существовало, и желающие приобщиться к цифровой схемотехнике поневоле должны были поднимать огромный пласт информации, начиная с непосредственного использования программаторов. Сложные были времена … Да и «растянутые свитера с бородатыми дядьками» ещё не окончательно ушли в небытие…:‑). 

Вообще говоря, если немножко пофилософствовать, то уже который год замечаю, что, если количество чисто программных стартапов обычно зашкаливает — то число хардварных стартапов можно пересчитать (условно говоря) по пальцам одной руки или около того: похоже, что причина в том, что, несмотря на то, что аппаратная база всем нужна — она обычно требует больших знаний, «копания» в даташитах, спецификациях, мануалах, изучать принципы построения схемотехник и вообще, в широком смысле — физики работы многих подсистем на элементарном уровне.

Видимо, не у всех психика выдерживает иметь дело со всем этим «одновременно, сразу, и много»:‑)))). 

Но зато, с другой стороны — это создаёт возможности для тех, кто нашёл в себе такие силы: «для успеха — иди по самому сложному пути и там ты не встретишь конкурентов»…;‑)

Компания бывших студентов начала свою деятельность с производства инфракрасных датчиков для автономных роботов, и первый настоящий успех к ним пришёл ещё в середине 2000-х годов, когда компания выпустила (примерно 2005 г.) легендарную на тот момент плату Baby Orangutan B-328 которая при своих мини размерах, наподобие почтовой марки (30,5×17,7 мм) содержала на своём борту двухканальный драйвер двигателей (1А на канал продолжительно и до 3А кратковременно) и процессор Atmel Atmega328P и позволила энтузиастам получить на тот момент очень простое и компактное решение для создания робототехники, что сделало её легендарной.

*В настоящий момент, как можно убедиться по параметрам платы, если посмотреть их по ссылке и не только — она безнадёжно устарела, из‑за слабой архитектуры (к настоящему моменту), потребности во внешнем программаторе и отсутствия беспроводных интерфейсов (та же самая Esp32 С3 SuperMini на голову превосходит её; правда у неё нет драйвера двигателей и придётся приделывать его самостоятельно, либо обратиться к другим решениям, которые я рассматривал вот здесь).

Второй настоящий успех к компании пришёл уже в в начале 2010-х годов, когда они поняли, что происходящий за окном бум 3d принтеров требует модульности (как минимум, из‑за периодического выхода из строя драйверов; скажем, я сам лично сталкивался с выходом из строя на своём 3d принтере и был очень рад, что эта штука модульная и её можно заменять) — и изготовили модульное решение, нешуточно взлетевшее и, де‑факто, ставшее стандартом: легендарный драйвер двигателей A4988 (его фото есть выше), в виде небольшой платы со штырьковым разъёмом и всей необходимой обвязкой, что позволяло оперативно менять её по мере выхода из строя, или же, легко монтировать, при потребности установки на конкретное робототехническое устройство… 

Подытоживая, хотелось бы сказать, что, как мы видим, возможности всегда существуют — нужно просто уметь их видеть, держать глаза и голову открытой для новых мыслей — ведь удача, как известно, любит смелых!;‑) 

И, на мой взгляд, область аппаратной части имеет множество возможностей и которые ещё ждут своего энтузиаста, хотя бы по той простой причине — что в этой области работает не так много народа (в отличие от чистого software) и, в виду этого, невозможно охватить всё — просто банально нет людей и «светлых голов», чтобы «всё возможное и невозможное» осознать и создать…

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.