Τέχνη με αλγόριθους και ρομπότ

Πολλές  φορές η  ομορφιά των αλγορίθμων γίνεται περισσότερο αντιληπτή όταν αυτοί οπτικοποιούνται με κάποιο μέσο. Πόσο μάλλον όταν αυτό γίνεται με ένα ρομπότ που γράφει με κιμωλία…..

Διάλεξα λοιπόν να κάνω μία οπτική παρουσίαση μερικών αλγορίθμων με τον “Καλλιτέχνη”, ένα ρομπότ που κατασκεύασα και προγραμμάτισα εξ ολοκλήρου εγώ και το οποίο χειρίζεται μια  κιμωλία, γράφοντας πάνω σε μία μοκέτα!
“Δέκα επαναλαμβανόμενοι κύκλοι” με σταδιακά αυξανόμενη ακτίνα που εφάπτονται στο ίδιο σημείο καθώς και μερικά γράμματα της αλφαβήτου με δανυσματικό τρόπο γραφής….

 Μία διπλή σπείρα του “Αρχιμήδη”. Επαναλαμβανόμενα ημικύκλια με σταθερό βήμα αύξησης της ακτίνας τους…

 Μία “Χρυσή σπείρα” η αλλιώς “Σπείρα Fibonacci”  βασισμένη στην γνωστή ακολουθία Fibonacci 0,1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89…. όπου ο κάθε όρος προκύπτει από το άθροισμα των δύο προηγούμενων όρων…

 Μία “Polynomial spiral” είδος των “Cornu spiral”….

 Και “παίζοντας” λίγο με τις παραμέτρους της “polynomial” σπείρας ένα σύμπλεγμα από σπείρες αυτής της κατηγορίας δημιουργώντας μία αλγοριθμική ταπετσαρία……

 Και φυσικά διάφοροι συνδυασμοί  των παραπάνω όπως αυτή η συμμετρική  επανάληψη των δέκα κύκλων του αρχικού παραδείγματος….

 Νίκος Γιαννακόπουλος Καθηγητής πληροφορικής-μαθηματικός

Αυγό-ρομπότ: Βάψε τα Πασχαλινά αυγά σου με ένα ρομπότ -Niko’s Egg-painter robot (OpenBuilds)

Το Πάσχα πλησιάζει και τι καλύτερο από ένα Αυγό-ρομπότ  (EggBot)΄

Τα αυγό-ρομπότ είναι ένας τύπος ρομπότ που ζωγραφίζουν αυγά και μία μεγάλη ποικιλία από σφαιρικά-στρογγυλά αντικείμενα.

Λίγα ιστορικά στοιχεία: Το πρώτο Αυγό-ρομπότ κατασκευάστηκε από τον Bruce Shapiro (http://www.taomc.com/) την Άνοιξη του 1990. Το 2009 οι Ben Trombley (γιός του Bruce Shapiro )  και  Brian Schmalz μετέτρεψαν αυτή την αρχική ρομποτική κατασκευή σε ένα εμπορικό συναρμολογούμενο κιτ για οικιακούς χρήστες. Παράλληλα κατασκεύασαν την πρώτη έκδοση λογισμικού που επιτρέπει να δημιουργήσεις σχέδια με το γνωστό ελεύθερο λογισμικό Inkscape και να τα σχεδιάσεις με ένα Αυγό – ρομπότ. Το 2010 η ομάδα αυτή ένωσε τις δυνάμεις της με τους Windell Oskay και  Lenore Edman από το  Evil Mad Scientist Laboratories και δημιούργησαν το Eggbot 2.0 kit.

Τα Αυγό-ρομπότ Egg-Bots είναι πολύ διαδεδομένα σε όλο τον κόσμο λόγω της σχετικά απλής κατασκευής τους και της «ανοικτής» Open, και ελεύθερης (freeware) χρήσης τους που προσφέρει το λογισμικό Inkscape με το οποίο συνεργάζονται. Για το λόγο αυτό πολλοί χρήστες σχεδιάζουν και κατασκευάζουν μόνοι τους τέτοια ρομπότ (κάτι ανάλογο με τους 3d-printers), χρησιμοποιώντας διάφορα σχέδια και διάφορα υλικά, όπως ξύλο, πλεξιγκλάς, μέταλλο, πλαστικό ή και συνδυασμούς αυτών των υλικών. Ένα τυπικό Αυγό-ρομπότ διαθέτει έναν απλό βραχίονα που κρατά ένα μαρκαδόρο για να σχεδιάζει πάνω στο αυγό, και ένα μηχανισμό που περιστρέφει το αυγό γύρω από ένα σταθερό άξονα. Για να επιτευχθεί αυτό ένα Αυγό-ρομπότ διαθέτει δύο βηματικούς κινητήρες stepper και ένα mini servo. Ο ένας κινητήρας όπως είπαμε περιστρέφει το αυγό γύρο από τον άξονά του. Ο δεύτερος περιστρέφει το βραχίονα με το μαρκαδόρο σε όλο το μήκος του αυγού και το mini-servo είναι υπεύθυνο για να κατεβάζει ή να σηκώνει το βραχίονα με το μαρκαδόρο  κάτω ή πάνω ώστε να ακουμπάει ή όχι την επιφάνεια του αυγού.  Προκειμένου να πετύχουμε αυτό τον χειρισμό μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε έναν οποιαδήποτε  μικροελεγκτή (Arduino, Parallax κτλ, ) με ποιο διαδεδομένο όμως το  EBB EiBotBoard  (αυτό χρησιμοποίησα και εγώ σε αυτό το project)  

Το Αυγό-ρομπότ που προτείνω είναι εξολοκλήρου σχεδιασμένο σε 3D σχεδίαση με το SketchUP και εκτός από το ελεύθερο λογισμικό που χρησιμοποιεί, είναι φτιαγμένο με ανοικτό hardware που όλοι μπορούν να προμηθευτούν- κατασκευάσουν ή  αναπαράγουν μόνοι τους.

Για την κατασκευή του σασί χρησιμοποίησα την επιλογή που παρέχουν τα OpenBuilds όσον αφορά τα μεταλλικά μέρη, ενώ  για τα πλαστικά μέρη τα κατασκεύασα μόνος μου με χρήση του 3D-εκτυπωτή  Creatr Leapfrog 3D printer

Δείτε το Video του Egg-painter robot:

Η λίστα με τα υλικά που χρησιμοποίησα από (OpenBuilds)

1 X V-Slot Linear Rail size20mm x 80mm and length 500mm

1 X Ball Bearing 625 2RS 5x16x5 

4 X L Bracket

1 X Spacer Block

1 X Motor Mount Plate for Nema 17 Stepper Motor

1 X Motor Mount Plate for Nema 23 Stepper Motor

2 X Self Tapping Screw

1 X Tee Nuts (25 Pack) (M5)

8 X Low Profile Screws M5(8mm)

2 X Low Profile Screws M5(10mm)

3 X Low Profile Screws M5(20mm)

1 X Socket Head Screws M3 (25 Pack)

2 X Lock Collar (5mm)

Εκτυπωμένα μέρη από 3D-Printer:

http://www.thingiverse.com/thing:747097 

Ηλεκτρονικά: (Η επιλογή είναι ελεύθερη, αλλά συνιστώ τα παρακάτωJ

·        1 X EiBotBoard

http://shop.evilmadscientist.com/productsmenu/partsmenu/188-ebb 

https://www.sparkfun.com/products/10025    

·        2 X  NEMA 17" bipolar stepper motor 

·        1 X  Micro Servo Motor

 

Software: Inkscape
http://inkscape.org/en/

"Καλλιτέχνης" : Ένα ρομπότ κιμωλίας με επεξεργαστή τον Parallax Propeller (ή εναλλακτικά Arduino).

Φίλες και φίλοι της ρομποτικής σας παρουσιάζω τον "Καλλιτέχνη" ένα ρομπότ κατασκευασμένο ώστε να μπορεί να σχεδιάζει σε εσωτερικούς και εξωτερικούς χώρους μεγάλων επιφανειών όπως δάπεδα, αυλές πεζοδρόμια δρόμους κτλ. με τη βοήθεια κιμωλίας!
Η κατασκευή του έγινε με 3D σχεδίαση και με χρήση του Creatr Leapfrog 3D printer

Μερικά βασικά χαρακτηριστικά αυτού του ρομπότ είναι:
Ηλεκτρονικά μέρη : Της Parallax  www.paralax.com
Εγκέφαλος επεξεργαστή: Parallax Propeller
Γλώσσα προγραμματισμού:  C
Βάρος: 6,4 κιλά
Διαστάσεις (MxΠxY): 37εκ. x 32εκ. x 23εκ.
Διάμετρος τροχών: 15,5 εκατοστά  (ελαστικά με αέρα)
Απόσταση μεταξύ τροχών:28,5 εκατοστά
Στροφές κινητήρων ανά λεπτό: 150  (RPM)
Ταχύτητα στην πράξη: 2,28 χιλμ/ώρα
Αυτονομία: 1 ώρα και 11 λεπτά (με ταχύτητα την παραπάνω και αισθητήρες σε λειτουργία)

Η ιστορία κατασκευής του ρομπότ:
Το ρομπότ είναι εξ ολοκλήρου σχεδιασμένο σε 3D και ο σχεδιασμός του ξεκίνησε το 2013
Η βασική του "φιλοσοφία" ήταν να κατασκευάσω ένα ρομπότ το οποίο θα ήταν εύκολο να αναπαράγει ο οποιοσδήποτε χρήστης με χρήση ενός 3D εκτυπωτή και απλά εργαλεία όπως ένα τρυπάνι και Dremel, χωρίς όμως να στερείται της τελειότητας  λειτουργικότητας στιβαρότητας και αισθητικής ενός βιομηχανικού εργοστασιακού πανάκριβου ρομπότ αυτής της κατηγορίας.

 

Ακολούθησε μία σειρά πειραματισμών και δοκιμών  ώστε να επιτευχθεί η τέλεια "γεωμετρία" που θα εξασφάλισε το άριστο αισθητικό αλλά και λειτουργικό αποτέλεσμα του ρομπότ. Ο γενικός του σχεδιασμός θυμίζει πάρα πολύ το ρομπότ Stingray της Parallax  αλλά με πάρα πολλές ουσιαστικές διαφορές τόσο στο μέγεθος όσο και σε βασικά χαρακτηριστικά.

Το ρομπότ αποτελείται από έναν αλουμινένιο ελαφρύ και πολύ ανθεκτικό σκελετό 8 συναρμολογούμενων κομματιών, σχετικά εύκολων στην κατασκευή τους,

 

ενώ το βασικό του μέρος (χωρίς το μηχανισμό κιμωλίας) έχει 9 πλαστικά μέρη εκτυπωμένα από 3D printer.



 

Για τη κατασκευή του ρομπότ «Καλλιτέχνη»  θα χρειαστείτε:

 

• Το Motor Mount and Wheel Kit (#27971) (το παλιό κιτ τροχών της Parallax) μαζί με τους νέους 36-Position Quadrature Encoder.   Σημείωση: αυτό το kit μοτέρ-τροχών σταμάτησε πια να βγαίνει και αντικαταστάθηκε από το νέο κιτ  Motor Mount & Wheel Kit – Aluminum ή για πιο φθηνά το   Motor Mount & Wheel Kit - Molded Plastic (ακριβώς ίδιο με το προυγούμενο αλλά με πλαστική ζάντα)  τα οποία περιέχουν  τους νέους 36-Position Quadrature Encoders οπότε δεν χρειάζεται να τους αγοράσετε ξεχωριστά!.
• Δύο HB-25 Motor Controllers
• Το Propeller Activity Board . Είναι το board που χρησιμοποιεί το ActivityBot  (Οπότε η πρότασή μου είναι όσοι έχουν αγοράσει το ActivityBot  απλώς να αγοράσουν  τα δύο HB-25 Motor Controllers και το  Motor Mount & Wheel Kit – Aluminum και θα μπορούν να κάνουν αυτό το ρομπότ που είναι εντελώς διαφορετικής κατηγορίας)
• Μία μπαταρία 12V 5.4AH διαστάσεις (Μήκος X Πλάτος X Yύψος)  9cm X10cmX 7cm (είναι οι μπαταρίες που χρησιμοποιούν μοτοσικλέτες μικρού κυβισμού)
• Να κατασκευάσετε ένα πάνελ με 3 διακόπτες (Μπορείτε να το αποφύγετε αγοράζοντας απ’ ευθείας το Arlo Power Distribution Board)
• Ένα τροχό τύπου omni  (ο πίσω τροχός) Μπορείτε να βρείτε στο E-bay .

Φυσικά θα χρειαστείτε τον αλουμινένιο σκελετό (το κόστος του φτάνει περίπου 30 Ευρώ) και τα πλαστικά μέρη το οποία μπορείτε να κατεβάσετε από το www.Thingiverse.com  να εκτυπώσετε με ένα οποιοδήποτε 3d εκτυπωτή  (Σε αυτό το σημείο για όσους δεν έχουν 3d εκτυπωτή  μπορούν να αποταθούν κάποιες εταιρείες που εκτυπώνουν δείγματα δωρεάν σε υποψήφιους πελάτες ή σε κάποια Hackerspaces  

Η συναρμολόγηση του "Καλλιτέχνη" γίνεται μέσα από 12 βήματα αφού έχουμε συγκεντρώσει όλα τα απαραίτητα και ο χρόνος που μου πήρε ήταν περίπου 71 λεπτά.

 

Ωστόσο η εκτύπωση των πλαστικών μερών απαιτεί πολύ περισσότερο χρόνο όπως

για παράδειγμα η παρακάτω επέκταση στήριξης του κινητήρα χρειάστηκε περίπου 40 λεπτά να εκτυπωθεί με τον Creatr Leapfrog 3D printer.

 

 Ιδιαίτερης σημασίας είναι ο "μηχανισμός κιμωλίας"  που διαθέτει το ρομπότ. Η κιμωλία επιλέχθηκε σαν υλικό γραφής γιατί αφ' ενός είναι φθηνή, αντικαθίσταται και αλλάζει εύκολα, αλλά κυρίως γιατί δεν γράφει μόνιμα αλλά μπορεί εύκολα να σβύνει χωρίς να ρυπαίνει έναν εξωτερικό δημόσιο χώρο όπως ένα πεζοδρόμιο.

 

Ωστόσο ο σχεδιασμός του μηχανισμού κιμωλίας ήταν αρκετά δύσκολος γιατί εκτός από το να ανεβοκατεβάζει την κιμωλία, έπρεπε να συγκεντρώνει κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά όπως να μπορεί να αφήνει σταδιακά κιμωλία (διότι αυτή λιώνει λόγο τριβής), καθώς το ρομπότ γράφει , και επίσης να την πιέζει διαρκώς και ελαφρά προς το έδαφος ώστε να έχει διαρκή πρόσφυση στις ανώμαλες επιφάνειες που μπορεί να έχει ένας εξωτερικός χώρος. Ο μηχανισμός είναι επίσης σχεδιασμένος σε 3D και εκτυπωμένος με 3d printer. Όσοι θέλουν να τον χρησιμοποιήσουν σε κάποιο δικό τους ρομπότ  μπορούν το βρούν στο tringiverse.com όπου το έχω δημοσιεύσει και απλά να το εκτυπώσουν με έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή.

 

Για να γίνει ποιο κατανοητή η λειτουργία του μηχανισμού κιμωλίας του ρομπότ δείτε το ακόλουθο Video:

 

Ο προγραμματισμός και η ακριβής κίνηση του ρομπότ επιτυγχάνεται με τους μηχανισμούς οδομέτρησης  (encoders) που διαθέτει το ρομπότ οι οποίοι σε τελική ανάλυση παραπέμπουν σε μαθηματικούς υπολογισμούς που έχουν να κάνουν με μήκη και αποστάσεις που διανύει ο κάθε τροχός. Έτσι το ρομπότ μπορεί να ζωγραφίζει άψογα και με ακρίβεια γεωμετρικά σχήματα που παραπέμπουν σε γεωμετρία κάνοντας μάλιστα χρήση επαναληπτικών αλγορίθμων υλοποιημένων σε γλώσσα C. Ένα παράδειγμα είναι αυτό το "λουλούδι" το οποίο προέκυψε από 12 επαναλήψεις ενός "ασύμμετρου 8".

 

Η δυνατότητα γραφής και σχεδίων είναι μόνο μία από τις πολλές που διαθέτει αυτό το ρομπότ. Εκτός από αυτό το ρομπότ διαθέτει αισθητήρες που του επιτρέπουν αυτόματη πλοήγηση, ασύρματη επικοινωνία με 2 τρόπους (X-Bee και IR τηλεκοντρόλ) και μπορεί επίσης να μιλάει Ελληνικά - Αγγλικά και  σε οποιαδήποτε άλλη Γλώσσα, καθώς και να παίζει μουσική αλλά και να ακούει φωνητικές εντολές! Όλα αυτά χάρη στο πανίσχυρο Board που διαθέτει , το οποίο είναι εφοδιασμένο με τον Parallax Propeller  και αξίζει να σημειωθεί είναι το ίδιο Board που χρησιμοποιεί το περίφημο ActivityBot της Parallax για το οποίο έχω αναφερθεί εκτενώς σε άλλο άρθρο.

 

Δείτε λοιπόν εδώ το ρομπότ να κατεβάζει την κιμωλία του, να μιλά και να γράφει πάνω στη μοκέτα του καθιστικού μου.

 

 

Το ρομπότ είναι διαρκώς υπό εξέλιξη και νέες δυνατότητες προστίθενται διαρκώς σε αυτό. 

Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει μία δεύτερη έκδοση αυτού του ρομπότ την οποία θα παρουσιάσω ελπίζω φέτος και ενδιαφέρει ιδιαίτερα του χρήστες του Arduino. Η νέα αυτή έκδοση του ρομπότ ουσιαστικά θα είναι ο "δίδυμος" αδερφός του "Καλλιτέχνη" ο οποίος θα είναι το ίδιο ακριβώς ρομπότ, αλλά με διαφορετικό εγκέφαλο τον Arduino Uno σε συνδιασμό με το Board of Education Shield (for Arduino). 

Σε όλη αυτή τη προσπάθεια θέλω να ευχαριστήσω την Αμερικανική εταιρεία Parallax για την βοήθεια σε τεχνικά θέματα καθώς και την χορηγία μεγάλου μέρους του υλικού που χρησιμοποιεί το ρομπότ καθώς και την Ολλανδική εταιρεία Leapfrog για την υποστήριξή της σε τεχνικά θέματα 3d Printing και την δωρεάν παροχή της ενός ολοκαίνουριου Creatr Leapfrog τρισδιάστατου εκτυπωτή.

 

Νίκος Γιαννακόπουλος  gianakop@gmail.com  (καθηγητής Πληροφορικής & Μαθηματικών)