花300個小時用樂高和樹莓派做出一台樂高潛水艇,還能在河裡拍到清晰的水下影片

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樂高被玩出各種新花樣已經不是新鮮事了,像這個叫大衛‧阿吉拉爾(David Aguilar)男孩因右臂發育不良,就自己利用樂高來製作了一支義肢。

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也有人用樂高DIY一個高精度電動顯微鏡。

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但這次的樂高絕對能讓你大吃一驚。 

看到了嗎,這水中矯捷的身影,一個漂亮的U型回轉然後急速刹車,再沉著冷靜地向上浮去。‍

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再看實際演練過程中,「船長」一臉鎮定地操作,即使是在自然的河流環境中也沒有絲毫退卻的意思。 

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這個潛艇正是利用樂高製作的。這部影片在YouTube上引起了熱烈討論,目前觀看人數已經接近10萬人次。有網友就直呼,「又是一個大師之作!」也有網友表示,鏡頭清晰度令人震驚,對於低成本水下遠端拍攝來說,這也是一個很好的概念驗證。  

樂高和樹莓派是「絕配」! 

做好準備,開工!

我們先備上一個60毫升的塑膠注射器,將樂高齒輪架(零件編號3743)放在注射器杆旁,末端的灰色部分可以説明固定機架線。 ▲ 在這裡要將齒輪用力推到齒條上,以確保其它們就不會亂動。在這裡可以放置兩個8齒齒輪(10928)從兩側推動杆,這也可以幫助固定齒條。 ▲ 然後要用注射器的一個手柄把齒輪按杆的方向縱向固定住,這個過程需要大量的試錯和實驗。 留出300個小時,手把手教你做一個樂高潛水艇!網友看了都直呼大師之作留出300個小時,手把手教你做一個樂高潛水艇!網友看了都直呼大師之作

樂高變速箱(6588)有24:1的齒輪減速比。它需要一個蝸輪(4716) 和一個24齒齒輪(3648) 才能工作,除了將扭矩增加24倍、減少摩擦外,它還非常緊湊,很適合用在潛艇上。 

樂高電機選用的是EV3中型電機,裡面的轉速表可以用來追蹤注射器位置,將其與樹莓派連接上。這裡可以剪斷一條EV3電纜,在末端壓接杜邦母線連接器。 

接下來需要用到Python來讀取轉速表,兩個轉速計訊號可以根據哪個訊號首先變為1來瞭解旋轉方向。

tachoPower = DigitalOutputDevice(20)tachoA = DigitalInputDevice(16)tachoB = DigitalInputDevice(19)
tachoAValue = tachoA.valuetachoBValue = tachoB.valuedef tachoA_rising():global tachoCountglobal tachoAValueglobal tachoBValuetachoAValue = 1if tachoBValue == 0:#A in rising edge and B in low value# => direction is clockwise (shaft end perspective)tachoCount += 1else:tachoCount -= 1def tachoA_falling():global tachoAValuetachoAValue = 0def tachoB_rising():global tachoCountglobal tachoAValueglobal tachoBValuetachoBValue = 1if tachoAValue == 0:tachoCount -= 1else:tachoCount += 1def tachoB_falling():global tachoBValuetachoBValue = 0
tachoA.when_activated = tachoA_risingtachoA.when_deactivated = tachoA_fallingtachoB.when_activated = tachoB_risingtachoB.when_deactivated = tachoB_falling
tachoPower.value = 1

注射器範圍設置在3毫升至45毫升之間。 

SYRINGE_POS_MIN = 3 #syringe ballast min pos [ml]SYRINGE_POS_MAX = 45 #syringe ballast max pos [ml]SYRINGE_TACHO_COUNT = 19000 #tacho count from syringe min to max posSYRINGE_HYSTERESIS = 360 #motor+gearbox+syringe backlash/hysteresis [tacho counts]
#calculate syringe positionif tachoCount > trueTachoCount:trueTachoCount = tachoCountelif tachoCount < trueTachoCount - SYRINGE_HYSTERESIS:trueTachoCount = tachoCount + SYRINGE_HYSTERESISsyringePos = SYRINGE_POS_MIN + SYRINGE_POS_MAX * \trueTachoCount / SYRINGE_TACHO_COUNT #[ml]

透過游泳池測試運行的注射器位置資料可以看到,有效操作範圍約25毫升,大約是注射器的一半。

接下來可以製作船體部分了。 

預先準備好兩個有機玻璃壓克力塑膠圓柱體,外徑11公分和10公分,長度均為25公分,厚度均為3公釐。 

再還沒有把它們焐熱的時候,先從小圓柱體上鋸下2公分長部分。  ▲ 在一塊由苯乙烯-丙烯腈製成的塑膠板上取下2塊大小合適的圓形切片。 ▲ 然後需要將切下來的圓柱體黏到圓形切片上,注意黏合需要防水且牢固。留出300個小時,手把手教你做一個樂高潛水艇!網友看了都直呼大師之作留出300個小時,手把手教你做一個樂高潛水艇!網友看了都直呼大師之作

然後需要對其進行防水密封,這裡可以使用O型線圈。

安裝蓋子也是一個挑戰,你必須得用指尖把O型圈推到縫隙中,否則它就會滑出來。秘訣是,先進入蓋子的底部,然後用力將整個蓋子向下推,擠壓O形圈,同時將頂部翻入。 ▲ 還需要在蓋上開一個洞來讓水進出注射器。此外,還需要使用外部水來測量深度。鑽好孔後,將兩根4公釐直徑的樂高氣動軟管(21825)穿過孔。 ▲ 在進行組裝時,螺旋槳電機必須位於背面才能與磁力聯軸器連接;注射器需要空間才能完全延伸,可以安裝在電機下方或上方;電池很大,可以安裝在前蓋附近,也可以用手指方便進行開關操作。留出300個小時,手把手教你做一個樂高潛水艇!網友看了都直呼大師之作留出300個小時,手把手教你做一個樂高潛水艇!網友看了都直呼大師之作

在螺旋槳的選擇上,主螺旋槳可以使用4x4.5的Diatone Bull Nose,在螺旋槳兩側貼一塊雙面膠帶,將帶有軸孔的圓形樂高板(4032)推到兩側, 在車軸上添加樂高半襯套(4265a) 以保持兩端安全。

轉彎螺旋槳可以樂高螺旋槳3葉片3直徑軸孔(6041)。

接下來就可以……繼續蓋蓋子了。 

首先在蓋子的兩側貼了一條低摩擦膠帶,磁鐵上添加矽潤滑劑,用棉簽清除髒汙,添加磁耦合,插入樂高,主要添加了一個8齒齒輪 (10928) 和一個用於轉動螺旋槳的軸,以及一個連接件 (48496),用兩個錐齒輪 (6589) 進行L形轉彎。再裝上壓力感測器和雷射距離感測器,就可以 準備出海了 !  

帶著潛艇上路吧! 

在水箱測試中,不管是壓力感測器還是雷射距離感測器,都能正常工作。 

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在泳池測試中,由於可施展空間更大,不管是轉彎還是用螺旋槳加速前進,也都能很好地得以驗證和演算。

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在完成了初步測試後,我們還可以把潛艇放在自然界的河流裡進行最後的模擬測試。 

在這段長達200公尺的行進中,潛艇不僅能躲過各種障礙物正常運轉,還拍攝到了非常清晰的水下影片。‍ 

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給「船長」一個大特寫:

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儘管看上去十分炫酷,但是作者也表示,前前後後整個構建過程太過複雜,可能花了300個小時左右。 

同時現在有些問題要解決,像是:

  1. 密封嚴密且需要平衡內部壓力,端蓋部分尤其複雜
  2. 轉動螺旋槳太弱
  3. 潛艇在以最高速度行駛時不會直線行駛
  4. 測速脈衝有時會丟失
  5. 需要修復注射器位置參數 

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儘管目前已經做了4個版本的樂高潛艇,作者還在想對其進行改進,比如改造端蓋使其更易於安裝並添加鎖定機制,更換無線電控制板,拆下雷射距離感測器,增加轉動螺旋槳尺寸或齒輪比等等。 

不知道大家對這個小潛艇有什麼看法。 

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