Это третья часть из серии публикаций (первая и вторая), посвящённых разработке умных пайеток - электромеханических цветовоспроизводящих устройств для умной одежды. Сегодня расскажу о новой конструкции пайеток и какие технические решения были применены для её создания.
Что такое умная пайетка
Для тех, кто не желает ознакомится с предыдущими публикациями, коротко поясню чем мы занимаемся. Умная пайетка - цветовоспроизводящее устройство, работающее на отражённом свете, специально предназначенное для размещения на одежде. Может использоваться для создания адаптивных визуальных камуфляжей и просто красивой одежды. Именно на второй пункт мы делаем основной упор в своей работе. Конечной целью проекта является создание платья, состоящего из умных пайеток, способного менять свой цвет и воспроизводить динамически меняющиеся узоры.
В общем, должно получиться что-то классное!
Что уже получилось
В ходе работы на предыдущих этапах было разработано несколько прототипов умных пайеток в основу механики которых легла концепция перекидных лепестков (как у обычных пайеток). Собран образец эластичной матрицы цветовоспроизводящих устройств.
Новая механика лепестков
Основным недостатком концепции перекидных лепестков является уязвимость механической части для повреждений и загрязнений. Разместить лепестки под какой-либо защитной конструкцией не представляется возможным, так как для этого потребуется слишком много места.
Решено было искать новые механики для работы лепестков. Ответ найден среди комментариев к предыдущим публикациям. Спасибо товарищу Chamie за идею использовать секторный механизм перекрытия лепестков. Именно эта концепция получила развитие в настоящей версии умных пайеток.
Для тестирования концепции был собран макет пайетки в увеличенном масштабе.
Такая конструкция сулит множество преимуществ:
все манипуляции с лепестками происходят в одной плоскости, причём лепестки совершают вращательное движение, то есть не происходит изменение габаритов устройства в ходе смены цвета;
появляется возможность закрыть уязвимые части конструкции защитным прозрачным материалом.
Очевидных недостатков перед перекидными лепестками такая конструкция не имеет, однако в ходе разработки конструкции прототипа было выявлено несколько нюансов проявляющихся на этапе сборки, но об этом позже...После экспериментов с геометрией лепестков и способом их закрепления на вращающихся частях механизма можно было переходить к реальному масштабу.Была разработана конструкция новой пайетки. Опишу из каких частей она состоит и как работает.
Диаметр описанной окружности прямоугольной рамы пайетки составляет 34мм. Это немного больше, чем у предшественника с перекидными лепестками (25 мм), но это необходимо было сделать, чтобы компенсировать увеличение высоты пайетки. Увеличение высоты вызвано тем, что шаговый электродвигатель, приводящий в движение лепестки, теперь располагается вертикально в центре рамы. Длина этого моторчика составляет 8,5мм, поэтому визуально увеличение высоты пайетки будет значительным. Справедливости ради нужно сказать, что на самом деле произошло уменьшение высоты рабочего устройства, так как теперь не нужно перекидывать лепесток.
Электродвигатель приклеивается торцом к раме, для точного позиционирования моторчика в раме имеется отверстие (1,1мм), совпадающее по диаметру с выступом на корпусе двигателя.
Печатная плата насаживается на корпус двигателя и располагается как можно ближе к контактам обмоток. Плата также приклеивается к раме.
Цветные лепестки состоят из двух типов: два «нижних» и два «верхних». Нижние лепестки закреплены на раме и являются неподвижными. Верхние лепестки закреплены на роторе электродвигателя через специальный фланец. Посадка фланца на вал двигателя осуществляется с натягом. Затем он приклеивается. Сложная форма лепестков получена в ходе многочисленных экспериментов. Именно с такой геометрией удалось добиться стабильной работы пайетки после сборки, даже если руки не всегда в точности исполняют отправляемые мозгом команды...
Сверху механизм защищается прозрачной крышкой из акрила толщиной 1мм. Снизу механизм защищается пластиковым куполом.
Думаю, принцип перекрытия лепестков интуитивно понятен, подвижные лепестки, совершая вращательное движение, оказываются над неподвижными или под ними. Так как верхние и нижние лепестки окрашены в разные цвета, то наблюдатель может видеть только один из цветов.
Можно заметить, что остаются небольшие участки верхней плоскости рамы, которые не перекрыты лепестками и поэтому цвет свой изменить не могут. Было решено, что это приемлемая для прототипа плата за перечисленные достоинства данного механизма.
На компьютерной модели всё выглядело очень хорошо и просто, но, дьявол кроется в деталях. И в данном случае проблемы как раз крылись в деталях механизма, точнее в процессе их изготовления.
Фрезеровка рамы
Все детали предыдущих прототипов изготавливались исключительно посредством аддитивных технологий. Это просто и быстро. Но в этот раз такой метод использовать не получилось. Толщина стенок рамы в некоторых местах составляла 0,5мм. Для домашнего FDM принтера это в принципе посильная задача (но явно не для моего), но механические характеристики полученной детали оставляли желать лучшего. Масса получившейся детальки из PLA пластика составила 0,7г.
Фотополимерный принтер справился с задачей гораздо лучше. Но тут подвел исходный материал... Фотополимер даже после отверждения показывал высокую эластичность и пластичность. На счёт марки фотополимера ничего сказать не могу, масса детальки 0,4г.
Тогда пришлось обратиться к помощи традиционных субтрактивных технологий. Под проект был куплен небольшой настольный фрезерный станочек CNC3018, на котором изготовили раму из модельного пластика всего за 30 минут.
Немного детальной информации о фрезеровке
Для интересующихся сообщу некоторые подробности про станочек. Это маленький портальный фрезер, с коллекторным мотор-шпинделем и цанговым зажимом ER11. Управляется всё это Arduino-подобной платой с интегрированными драйверами шаговых двигателей (сами шаговики типа NEMA17), на базе микроконтроллера ATmega328P. В контроллер залита прошивка GRBL. Модификации не производил, всё стоковое.
Программа обработки создавалась в среде Aspire, управление станком через его родной GRBLcontrol. Фреза кукуруза 1мм, подача 2мм/с, подача врезания 1мм/с, глубина прохода 1мм.
Однако 0,5мм модельного пластика едва ли оказались прочнее отверждённой фотополимерной смолы. Полиуретановый модельный пластик хорошо поддаётся обработке, масса детали составила 0,34г.
Но раз уж мы используем мехобработку, то почему бы не взять более жёсткие материалы. Выбор пал на стеклотекстолит. Из пластины толщиной 4мм была изготовлена рама для первого прототипа пайетки.
Станочку эта задача далась не просто и не быстро. Почти 1,5 часа работы. Масса детали 1,23г. Значительно больше, но и механическая прочность превосходит все ожидания. Нужно отметить, что ввиду малой жёсткости станка, имеются небольшие дефекты формы рамы, но они были приняты приемлемыми.
Не был забыт и углепластик (карбон). Из небольшого фрагмента были изготовлены фланцы для нескольких пайеток (на фотографиях сборки прототипа можно увидеть эту деталь). Чудо материал, но уж больно дорогой, да и фрезы тупятся очень быстро.
Резка лепестков
При выборе материала для изготовления лепестков выбор сразу пал на цветную бумагу. На этом вопрос был закрыт. Нужно было только аккуратно вырезать сложную геометрию лепестка.
Немного информации о лазерном гравере
Плата управления станком подразумевает возможность подключения лазерной головки различной мощности. Программа управления снова создавалась в программе Aspire, хоть она и не предназначена для работы со станками для лазерной резки. Несколько нехитрых приёмов и правка пары строчек готового G-кода позволяет легко подстроить программу обработки. Управления станком через родной LaserGRBL.
К счастью, заменив шпиндель фрезерного станка на лазерную головку можно превратить его в раскройщик бумаги. К сожалению, ограничения накладывает кинематика станка, не позволяя развивать большие скорости, но подобрав мощность (примерно 60% от лазера мощностью 1000мВт) удалось порезать лепестки, не оставив подгоревших краёв.
Печатная плата
Схемотехника не претерпела серьёзных изменений. А вот печатная плата преобразилась. Было оптимизировано расположение контактных площадок для подключения к токопроводящим нитям матрицы пайеток. По центру платы теперь размещено отверстие диаметром 4,5мм, в которое вставляется двигатель. Контактные площадки под обмотки двигателя также были перераспределены. Для снижения массы компонентная база заменена на SMD0402.
Сборка прототипа
После многочисленных доработок отдельных элементов конструкции, особенно это касается формы лепестков, прототип собран.
Электродвигатель приклеивается к раме на суперклей. Печатная плата также приклеивается к раме, что придаёт всей конструкции ещё большую жёсткость.
При сборке особую трудность доставляет только позиционирование лепестков на фланце. В контроллер залит очередной патч прошивки и новая пайетка готова к запуску.
Работает!
Напряжение питания 5В, потребляемый ток в момент переключения 150-200мА, время переключения 90мС. Хорошие показатели. Получившая пайетка имеет массу 4,8г (против 1,8г у предыдущего прототипа).
Массу пайетки можно уменьшить по крайней мере в половину, путём замены лицевой крышки на акрил толщиной 0,5мм. Также задний купол можно изготавливать не на FDM принтере с толщиной стенки 1мм (масса 1,94г), а на фотополимерном с толщиной стенки 0,5мм (масса 0,46г). В серийном производстве задний купол должен изготавливаться горячей формовкой.
Матрица пайеток
Одна пайетка это хорошо, но она должна работать в составе матрицы из множества таких же пайеток.
На этот раз матрица будет размером 3 на 3, но по площади она будет примерно соответствовать предыдущему прототипу.
Поскольку в этот раз рама пайетки будет изготавливать не на 3D принтере, то запечатывать подложку не получится. Было принято решение разместить рамы в форме матрицы и заклеить подложку между рамой и поджимающей пластиной из текстолита толщиной 0,5мм. Для точного позиционирования элементов матрицы из тонкого МДФ была изготовлена оснастка.
В качестве подложки снова выступает тканевая москитная стека. На оснастке также были предусмотрены места для натягивания токопроводящих нитей матрицы.
Склеивание рамы и поджимающей пластины производилось двухкомпонентным эпоксидным клеем с последующей фиксацией при помощи винтов. После затвердевания клея удаляются излишки материала подложки, приклеиваются электродвигатели и платы. Затем устанавливаются фланцы и наклеиваются лепестки.
После проведения регулировки тока двигателей устанавливается задний защитный купол.
Новая матрица полностью совместима с центральным контроллером от предыдущей версии, поэтому скорее запускаем...
Работает! Она работает! И даже шелестящий звук лепесточков при переключении сохранился! Круто!
Первые опыты с камуфляжем
Довольно весело управлять матрицей пайеток вручную, но одна из задач таких устройств - быть составной частью системы адаптивного визуального камуфляжа. Для этого система управления должна получать информацию об окружающей обстановке, анализировать её и подстраивать работу цветовоспроизводящих устройств в соответствии с цветом и текстурой фона.
В Processing было разработано приложение, которое выполняет анализ изображения и формирует команды для контроллера матрицы.
Курсором мыши указывается область изображения, для которого необходимо выполнить подстройку матрицы. Выбранный фрагмент извлекается из общего изображения, на него накладывается чёрно-белый фильтр. Затем этот фрагмент разбивается на девять (по количеству элементов матрицы) шестиугольных секторов для каждого из которых производится вычисление среднего тона. Расчёт среднего тона осуществляется нахождением среднего арифметического яркости всех пикселей сектора. После определения среднего тона сектора его значение сравнивается с некоторым порогом. И если средний тон превышает порог, то пайетка матрицы будет белой, если не превышает – будет чёрной.
В качестве объекта окружающей среды выступает фотография коры берёзы, потому что… потому что она чёрно-белая. На таком фоне работа матрицы будет наиболее наглядной.
Управление порядком переключения пайеток осуществляется контроллером матрицы. Как вы помните, проблема с управлением матрицей из большого количества электромеханических цветовоспроизводящих устройств заключается в том, что в момент переключения каждый элемент матрицы потребляет около 200мА. При одновременной смене цвета получается 1,8А. Поэтому в контроллере матрицы реализован алгоритм последовательного переключения элементов. Задержка между переключениями составляет 100мС.
Запускаем!
Работает, очень хорошо! Средний ток не превышает 200мА. Естественно алгоритм последовательного переключения лепестков уменьшает скорость обновления матрицы, но это приемлемая плата за снижение пиковых токов. Кстати, в статическом режиме каждая пайетка потребляет менее 1мкА.
Заключение
Новая конструкция пайеток определённо лучше предыдущих версий. Электроника и механика защищены от окружающего мира со всех сторон, что повышает надёжность отдельных элементов и системы в целом.
К недостаткам относится только сложность в сборке, которую с текущей конструкцией не удастся автоматизировать для серийного производства пайеток. По крайней мере на данный момент я не вижу способов как это можно реализовать.
Относительно большая масса пайетки может быть уменьшена обозначенными методами.
Разработанную конструкцию необходимо адаптировать под производство мелкой серии, так как для изготовления платья их понадобится около 700 штук! Основные изменения коснуться процесса установки лепестков.
