Carpentopod: ein Projekt für einen laufenden Couchtisch
(decarpentier.nl)- Eine als Hobby entwickelte Software zur Erzeugung von Laufmechanismen führte über Elektronik- und Holzarbeiten zum ferngesteuerten hölzernen Couchtisch Carpentopod
- Die Bein-Links wurden ausgewählt, indem Tausende virtueller Varianten evolviert wurden; Kriterien waren Gehgeschwindigkeit, Bodenfreiheit, Materialverbrauch und die Trajektorie der Fußspitze
- Er ähnelt Theo Jansens Strandbeest, zielt aber mit anderen Bauteilproportionen, zusätzlichen Gelenkpunkten und einem runden Fußspitzen-Durchmesser auf eine kompaktere Struktur mit weniger Rutschen
- Die reale Umsetzung besteht aus einem Entwurf in Autodesk Fusion 360, CNC-gefrästem laminiertem Bambus, über 100 Bambusteilen, Kugellagern, Stahlwellen, Aluminium-Kurbelwellen, 24-V-Brushless-Motoren und einer Closed-Loop-Steuerung auf Basis eines Arduino Nano
- Die Link-Struktur ist Public Domain, das Tischdesign jedoch nicht; der Nachbau für private und Bildungszwecke ist erlaubt, für das Teilen oder Verkaufen von Plänen, Kits oder Produkten ist jedoch eine schriftliche Zustimmung erforderlich
Ein laufender Tisch, der mit Software begann
- Carpentopod entstand 2008 aus einer als Hobby entwickelten Software zur Erzeugung von Laufmechanismen
- Nachdem der Entwickler später Elektronik und Holzbearbeitung gelernt hatte, setzte er einen der per Software erzeugten Mechanismen als realen, kabellos laufenden hölzernen Couchtisch um
- Der Name kombiniert das lateinische
carpentummitpod, das Fuß oder Bein bedeutet
Per Evolution erzeugte Bein-Links
- Die Link-Struktur der Beine wurde mit Software erzeugt, die Tausende virtueller Beinvarianten gegeneinander antreten ließ
- Jede Variante erhielt anhand der folgenden Kriterien einen Fitness-Score
- Gehgeschwindigkeit
- Abstand zum Boden
- Materialverbrauch
- Wie horizontal und sanft sich die Fußspitze im unteren Drittel des Zyklus bewegt
- Die Belohnung für die Fußspitzen-Trajektorie sollte Lösungen bevorzugen, die vertikales Wackeln und Rutschen der Füße reduzieren, wenn drei Beine gemeinsam laufen
- Nur die Individuen mit hohen Scores wurden genutzt, um die Beinparameter der nächsten Generation zu erzeugen; zudem wurden regelmäßig genetische Mutationen hinzugefügt, um neue Lösungen zu finden
- Mit einem in C++ geschriebenen Kinematik-Solver konnten Dutzende Generationen pro Sekunde evolviert werden, sodass sich beobachten ließ, wie schlechte frühe Entwürfe zu optimierten Entwürfen wurden
- Die endgültigen Carpentopod-Links wurden nach größeren und längeren Simulationen ausgewählt
Unterschiede zum Strandbeest
- Die Bein-Links von Carpentopod ähneln optisch den Strandbeest-Skulpturen von Theo Jansen
- Die Unterschiede liegen in den Bauteilproportionen, zusätzlichen Gelenkpunkten und dem durch den Evolutionsprozess gefundenen runden Fußspitzen-Durchmesser
- Diese zusätzlichen Parameter wurden genutzt, um eine kompaktere Lösung mit weniger Rutschen der Füße zu finden
- Rutschen der Füße entsteht, wenn die Geschwindigkeiten mehrerer auf dem Boden aufliegender Fußspitzen nicht vollständig übereinstimmen; in der realen Struktur können die Beine einander dadurch abbremsen
- Strandbeest-Beine verwenden teils flexible oder rollende Fußspitzen, um diesen Effekt teilweise auszugleichen
Konstruktion des Tisches
- Vor dem eigentlichen Bau wurde mit einer frühen Version des evolvierten Links ein kleines Modell gebaut, um CNC- und Fertigungstechniken zu testen
- Danach fiel die Entscheidung, als vergleichsweise praktisches und ansehnliches Objekt einen laufenden hölzernen Couchtisch zu bauen
- Da jedes Bein von Carpentopod nur während eines Drittels des Gehzyklus den Boden berührt, benötigt der Tisch insgesamt 12 Beine, um stets stabil zu sein
- Für einen ruhigen Gang mussten die Beinteile mit Submillimeter-Präzision gefertigt werden und diese Genauigkeit beibehalten
- Die Beinteile wurden so ausgelegt, dass sie aus starken, natürlichen, langlebigen und stabilen laminierten Bambusplatten CNC-gefräst werden konnten
- Alle Tischteile wurden in Autodesk Fusion 360 entworfen
- Modellierung
- Tests
- Rendering
- CNC-Vorbereitung
- Innerhalb der Software ließ sich der vollständige Zustand zu jedem Zeitpunkt des Gehzyklus betrachten, was ästhetische Anpassungen und Abstandskontrollen erleichterte
Zentraler Körper für Elektronik und Antrieb
- Zwischen den sechs Beinen an beiden Enden wurde ein hohler zentraler Bauchbereich für Elektronik, Motoren und Akku vorgesehen
- Rahmen und Bauchbereich wurden mit Kurven gestaltet, ähnlich einer umgedrehten Schatztruhe, um kantige Formen zu vermeiden
- Wegen dieser Form gab es Reaktionen, dass er The Luggage aus Terry Pratchetts Discworld-Romanen ähnele
- Der zentrale Bauchbereich sorgt dafür, dass alle Beine einen gewissen Abstand zur Mitte haben und so effektiver zur Drehung beitragen
- Jede Gruppe aus sechs Beinen ist mit einer eigenen Kurbelwelle verbunden, und jede Kurbelwelle wird von einem Motor angetrieben
- Dadurch lassen sich Vorwärtsfahrt und Drehung wie bei einem Panzer mit nur zwei unabhängig gesteuerten Motoren kontrollieren
CNC-Fertigung und Holzbearbeitung
- Beim Bau des realen Tisches wurden aus Gründen der Präzision und der einfachen Wiederholbarkeit möglichst viele Teile per CNC hergestellt
- Verwendet wurde ein günstiger 3-Achs-CNC-Router
- Da eine 3-Achs-CNC nur von oben Material entfernen kann, wurden Beinteile mit komplexen Formen und Vertiefungen hergestellt, indem drei Platten laminierten Bambus separat CNC-gefräst und anschließend verklebt wurden
- Auch ein einzelnes Teil musste mehrfach mit Werkzeugen unterschiedlicher Größe und Form bearbeitet werden; für die zweiseitige Bearbeitung musste es teils exakt gewendet und erneut fixiert werden
- Über 100 Bambusteile wurden CNC-gefräst, geschliffen, lackiert und anschließend mit Kugellagern und Stahlwellen montiert
- Die beiden Kurbelwellen wurden gefertigt, indem D-förmige Wellen mit Rotations-Offset-Teilen mit D-förmigen Bohrungen ineinandergreifen
- Die D-förmigen Wellen und Offset-Teile wurden präzise per CNC aus gewöhnlichen Aluminiumstangen und -platten gefertigt
Gebogene Türen und Möbel-Set
- Die gebogenen Türen des Bauchbereichs des Tisches wurden aus demselben laminierten Bambus hergestellt, der fein gekerft wurde; anschließend wurde er mit Dampf flexibler gemacht und auf einer gebogenen Vorrichtung in Form getrocknet
- Die Türen wurden auf zwei unsichtbare Scharnier-Rippen geklebt und lassen sich dank eingebauter Magnete leicht öffnen und schließen
- Auch ein TV-Möbel in derselben Höhe wurde geschweißt, und aus einem Stück Mangoholz wurden die Tischplatten beider Möbel gefertigt, sodass sie wie ein Set wirken
Motoren und Closed-Loop-Steuerung
- Jede der beiden Gruppen aus sechs Beinen wird von einem eigenen Motor angetrieben, die Relativbewegung der Beine innerhalb der Gruppe wird jedoch von einer einzelnen Kurbelwelle koordiniert
- Schiebt man eine motorlose Sechs-Bein-Sektion an, bewegt sie sich wie ein Rad vorwärts
- Die Fußspitzen sind so ausgelegt, dass sie den Boden sanft berühren und sich nicht hineindrücken, sodass der Tisch beim Gehen nicht stark vertikal wackelt
- Für den realen Antrieb wurden zwei günstige 24-V-Brushless-Getriebemotoren verwendet, wie sie in automatischen Vorhangprodukten eingesetzt werden
- Die Nennleistung beträgt bis zu 1,5 Nm @ 130 RPM
- Die integrierte Elektronik unterstützt direkte Drehzahlsteuerung über eine separate PWM-Signalleitung
- Wird per PWM eine niedrige Drehzahl vorgegeben, schalten die Motoren schon bei nur einem Teil der Maximallast nahezu sofort für mehrere Sekunden in einen automatischen thermischen Abschaltmodus
- Besser funktioniert es, das PWM-Signal auf 100 % zu setzen und die Spannung direkt zu verändern
- Um die Akkuspannung in einen Ausgang zwischen 0 und 24 V umzuwandeln, wurden zwei günstige Step-Up/Down-Converter-Module verwendet
- Diese Module wurden so modifiziert, dass ihre Ausgangsspannung direkt über ein schnelles PWM-Signal eines wiederverwendeten Arduino-Nano-Boards gesetzt werden kann
- Die einstellbare Maximalstrombegrenzung der Spannungswandlermodule wurde genutzt, um das maximale Stillstandsdrehmoment pro Motor zu kontrollieren, was auch mit der Sicherheit der Finger zusammenhängt
- Die Hall-Effect-Sensorsignale der Motoren wurden in den Arduino eingespeist, und mit in C geschriebener Software wurde eine Closed-Loop-Motorsteuerung umgesetzt
- Dank dieser Steuerung kann jeder Motor unabhängig von der Last innerhalb seiner Möglichkeiten Zielgeschwindigkeit und Zielposition präzise verfolgen
Funksteuerung und Akku
- Im letzten Schritt wurde ein Bluetooth-Modul mit dem Arduino verbunden
- Es wurde C-Code geschrieben, der die Joystick-Daten eines wiederverwendeten kabellosen Nunchuck verbindet und interpretiert
- Dieser kabellose Joystick ist ein separat gebautes Gerät
- Mit einem 14,8-V-LiPo-Akku im Bauchbereich des Tisches wurde daraus ein kabelloser Tisch, der mit einer kleinen Fernbedienung überall im Wohnzimmer herumläuft
- Er ist vielleicht nicht sehr praktisch, aber es macht Spaß, ihn Getränke bringen zu lassen
Veröffentlichungsumfang und Bedingungen zum geistigen Eigentum
- Nach vielen Anfragen wurde die Link-Struktur selbst von Carpentopod als Public Domain veröffentlicht
- Als Bautipp: Im Maßstab der Zeichnung liegt die Kurbel etwa auf einer Höhe von
1000.0über dem Boden, und die Beine funktionieren einzeln oder paarweise nicht gut; entscheidend sind drei Beine - In einer zusätzlichen Erläuterung vom Oktober 2024 wurde der Veröffentlichungsumfang genauer klargestellt
- Die Link-Struktur von Carpentopod ist Public Domain
- Das einzigartige Design des Tisches ist nicht Public Domain
- Das Veröffentlichen von Plänen, der Betrieb eines Geschäfts oder der Verkauf von Produkten oder Kits auf Basis des Tischdesigns ohne schriftliche Zustimmung gilt als Verletzung geistiger Eigentumsrechte
- Der Bau eigener Entwürfe für private oder Bildungszwecke ist erlaubt und wird unterstützt
- Die Nutzung des Tischstils für rein private oder Bildungsprojekte ist erlaubt; wer jedoch Pläne oder Produkte auf Basis des einzigartigen Designs und der Ästhetik teilen oder verkaufen will, benötigt eine ausdrückliche Zustimmung
Community
- Da immer mehr Menschen kreative Builds mit Carpentopod-Links oder Nachbauten des Originaltischs versuchen, wurde eine Discord-Community eingerichtet
- Einladungslink: https://discord.gg/pybMUqcrvw
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Es ist wirklich bezaubernd und zaubert einem ein breites Lächeln ins Gesicht.
Weil die ganze moderne Technik innen verborgen ist und man nur die Holzkonstruktion sieht, bleibt dieses magische Gefühl, als könnte es aus Harry Potter stammen.
Er ist wirklich hervorragend geschrieben.
Ich hätte nie gedacht, einmal eine reale Version davon zu sehen; wirklich großartig.
GNU, Sir Terry
Das Video, in dem der Tisch seinem Besitzer brav Bier und eine Schüssel Snacks bringt, sagt alles.
„Bin gleich zurück, ich gehe kurz mit dem Tisch Gassi.“
So einen Couchtisch hätte ich gern, und eigentlich bräuchte er vielleicht nicht einmal Motoren.
Es sieht so aus, als könnte er beim Anschieben sanft loslaufen wie ein Tisch mit fest ausgerichteten Rollen.
Ich musste laut lachen, als der Carpentopod seinem Besitzer Bier und Chips brachte und sich danach höflich neben seinem weniger fähigen, statischen Kollegen parkte.
Ich möchte mehr von solchen fantastischen Kreationen sehen.
Das war kürzlich auch auf HN.