Универсальные Печатные Педали

[micro-flight]

Всем привет!

Это продолжение темы открытой в уже старом форуме. UPP Aviantrope по ссылке предыстория. Проект продолжает развиваться, хотя большей частью я просто использую педали в симуляторах, но какие-то изменения всё-таки постоянно вношу. Один из вопросов на который я обратил внимание, когда начал записывать видео с педалями, почему они кажутся неподвидными во время полёта, хотя я ими активно пользуюсь и двигаю, как мне кажется весьма заметно? Для изучения вопроса снял видео

Ответ состоит в том, что два ключевых параметра играют свою роль - очень короткий ход педалей и достаточно стабильный сигнал с датчика дают такую возможность, действовать очень небольшими, практически незаметными движениями. Сравнить можно наверно с работой мелкой моторики вроде рукописного письма, но это и даёт очень хорошие результаты в плане повышения качества управления, снижение утопления во время этого самого управления. Но, это достигалось и в предыдущих устройствах, а сейчас благодаря 3д печати это еще и стало заметно проще изготавливать. 

В планах, помимо мелкой доводки и постоянного использовалия конечно, есть ещё неиследованные пункты вроде пружинной загрузки, которую я хотел бы тоже решить в новаторском стиле. Ещё в планах есть желание сделать возможность регулируемого редуктора датчика, с тем, чтобы можно было ставить разные датчики, не только с большим диапазоном вроде 180° датчика, но и сделанные, например на 90° или меньше или больше. В общем, есть потребность в регулировке этого узла.  

[micro-flight]

Есть ненулевая вероятность того, что я создал первую, вероятно первую в мире 3д печатную рабочую пружинную загрузку для педалей авиасимуляторов. И вот она (зеленые и красные штучки)

Это очень компактное и многообещающее решение, комплиантный механизм, пружина постоянного усилия,  полностью напечатанная на 3д принтере, кроме металлического крепежа разумеется. 

Это пока что первая итерация такой пружинной загрузки, собрана на скорую руку исключительно для проверки работоспособности вообще. 

И такая загрузка господа, означает исключительные перспективы для всех нас.  Кроме того, наличие именно такой конструкции ещё и означает возможность физического (!) триммирования педалей и физического триммирования без необходимости дорогостоящих решений с обратной связью или сложными конструкциями. Но это дело будущего, а пока что не терпится начать тестировать!

[micro-flight]

Опробовал я педали с комплиантной пружинной загрузкой, пробовал на сервере "Берлога", достаточно удивительные ощущение. Во-первых эта штука отработала уже больше часа и не сломалась, во-вторых вот этот тоненький (1.8 мм толщина каждой пружины) пластик даёт очень интересный отклик. Я бы назвал такой отклик "ассистентом управления педалями", такое, знаете, ненавязчивое и мягкое усилие, как бы само помогает наводиться на цель. Я бы сравнил его с загрузкой резиновыми жгутами, но эта точно лучше. У меня в джойстиках стоит моя пластинчатая композитная загрузка, но эта точно лучше. Хотя и может быть воплощена в композитах. И вся пружина это 20-30 грамм пластика, всего-навсего. Никаких здоровенных металлических пружин, никаких дорогостоящих решений. Просто удивительно.

[Johnet]

11 часов назад, micro-flight сказал:

комплиантной

Это как? Можно поподробнее?

[micro-flight]

12 minutes ago, Johnet said:

Это как? Можно поподробнее?

Да, сейчас это одна из передовых тем в разработках механических конструкций, котороая получила значительный толчок в развитии из-за распространения 3д принтеров. Комплиантный ("послушный" compliant mechanism) механизм это устройство, котороая в одной детали объединяет в себе целую конструкцию, которую более традиционными способами изготовления пришлось бы делать из разных материалов, более сложно и дороже и комплиантное устройство сразу может объединять в себе тяги, передачи, пружины и т.д., что требуется по конечному результату. На самом деле комплиантных механизмов гигантское количество вокруг нас и в повседневном использовании, например пластиковая пряжка на рюкзаке, или выключатель на стене. Если разобрать выключатель, можно увидеть достаточно сложную конструкцию, которая будет включать в себя разные элементы, но этот бистабильный же механизм можно напечатать одной деталью и он будет переключаться в положение вкл/выкл или ещё в другие положения. Кроме известных устройств, комплиантными механизмами можно получать очень удивительные конструкции, вроде это, где все прилагаемые усилия к конструкции дают перемещение только вокруг одной точки.

 

Также таким типом механизмов можно делать редукторы, шарниры и прочее. В теории можно спроектировать джойстик, механизм которого может быть напечатан в виде цельной детали сразу с пружинами, шарнирами и прочим.  На видео, особенно в конце, мы видим практически готовый двухосевой механизм для джойстика. Вопрос только в преобразовании в сигнал.  Если искать, то можно найти немало удивительных конструкций такого рода, сделанных уже для практических применений и параметрами превосходящие очень дорогостоящие конструкции.  Для ознакомления я бы рекомендовал посмотреть лекции проф. Джонатана Хопкинса (Jonathan Hopkins)

И это приводит нас к проблеме другого рода, много ли вы знаете людей, которые бы делали такие разработки в области нашего общего увлечения? Я бы сказал, что число таких разработчиков невелико, во всяком случае лично мне не встречались.  И в результате люди, которые хотели бы увлекаться или увлекаются авиасимуляторами, в значительной степени вынуждены пользоваться теми готовыми решениями, которые есть в продаже, а все эти решения тяжеловесные, очень затратные, зачастую спорные в плане проектирования, что в конечном итоге сильно сдерживает развитие индустрии, доступность для конечного пользователя. 

[micro-flight]

Проверил я эту пружину довольно приличной и интенсивной наработкой в симуляторах, пружина никак не изменилась. Снял видео как больше часа летал на Берлоге, со съемкой на видео работы педалей. Но, видео меня разочаровало, так как почти весь час ноги выглядели неподвижными. Хотя по результативности вышло вполне себе неплохо.

Решил также поэкпериментировать с усилием пружины и сделал лепестки более толстыми, после печати при легчайшей нагрузке пальцами пружина лопнула как стеклянная. Не только лопнула, но и во многих местах еще и расслоилась. Потом попробовал удвоить число лепестков, но с прежней толщиной и это сработало. Усилие заметно выросло, немного увеличилась точность возврата в центр, но более мягкий вариант мне показался более приятным по ощущениям. 

На педалях удвоенная пружина выглядит так

Заодно снизил люфт в передаче, давно хотел попробовать такой способ - смещение зуба. На рейке, если присмотреться, зубы не в одну линию, а со смещением. Я знаю про всякие косозубые шестерни и прочие варианты такого рода, но хотелось попробовать именно такой способ обычно применяемый в приборостроении, когда сдвоенной шестерёнкой выбирают люфт. Вполне получилось 

И вид с полностью выжатой педалью 

 

Чем-то напоминает натянутый лук. Думаю, что можно наращивать усилие пружины не только увеличением числа элементов внутри пружины, но и увеличением количества пружин, собранных в пакет. Но пока что достаточно и того, что есть.  Спустя какое-то время можно приступать к усложнению конструкции.

[Johnet]

Интересно каков ресурс пружин будет.

[micro-flight]

7 hours ago, Johnet said:

Интересно каков ресурс пружин будет.

Да, это интересный вопрос. Так как тут есть большое поле для экспериментов с формой механизма и вариантами печати.

[micro-flight]

Видео с демонстрацией работы напечатанной загрузки. 

[micro-flight]

Продолжаю активно тестировать напечатанную пружину с удвоенными пластинами, она на в посте от 8 декабря. И чем дольше и активнее тестирую, чем больше включаю в тестирование другие летательные аппараты и симуляторы, то тем больше интересных подробностей всплывает. В X-plane 12 решил попробовать полетать на очень легком вертолете и у него особенность - крайне сильный крутящий момент на висении, нужно педаль выжимать практически до упора. И так как это надо делать постоянно, вот что обнаружилось - эта напечатанная деталь ведёт себя очень похоже на композитные пружины, которые я разрабатывал до этого! Очень и очень похожие реакции, ощущения и применение. В чём то конечно пружины схожи, если в стеклопластиковой пружине я располагаю волокна в одном направлении, в направлении нагрузки и фикирую из в эпоксидной смоле, то в напечатанном пластике деталь тоже по сути волокнистая. Когда принтер печатает, он в данном случае, тоже печатает волокнами вдоль пружинной части. Но при этом сам по себе и волокно и армирующий материал. Тут есть над чем подумать.

 

[Hogglike]

Очень интересная и качественная реализация, а пластиковая пружина это вообще какой то нонсенс, я даже не думал что такое возможно 😄
 А что если пойти другим путем и просто поставить два штока, которые будут равномерно давить на обе педали, заодно можно регулировать силу нажатия (если найти регулируемые штоки), схематично сделал картинку, единственное штоки я бы не такие поставил (не нашел нужной картинки) а более простые и закреплены наоборот. 

[micro-flight]

1 hour ago, Hogglike said:

Очень интересная и качественная реализация, а пластиковая пружина это вообще какой то нонсенс, я даже не думал что такое возможно 😄
 А что если пойти другим путем и просто поставить два штока, которые будут равномерно давить на обе педали, заодно можно регулировать силу нажатия (если найти регулируемые штоки), схематично сделал картинку, единственное штоки я бы не такие поставил (не нашел нужной картинки) а более простые и закреплены наоборот. 

 

Да, оказалось, что возможно и в этом то и основная идея, чтобы обходиться без более сложных вещей. На одной стороне несколько десятков грамм пластика, который печатается очень быстро, а на другой стороне достаточно увесистые железяки, на настройку и доводку которых надо ещё потратить очень много времени. Печатные пружины на педалях существуют потому что я решил начать с педалей, так как предыдущие меня перестали удовлетворять, а в целом работоспособная пружина означает, что она возможна и на других устройствах и другие устройства могут получить вообще другую конструкцию, можно сделать  управление лучшие и приятнее.  И не стоит забывать и о лаконичности решения. У меня оно практически не занимает никакого места. И не вносит искажений в работу датчика или механики. К тому же я и так имею возможность регулировать усилие. 

Газовые пружины я часто видел в самодельных конструкциях, но меня они не устраивают потому что нельзя получить быстрое движение. Под быстрыми я подразумеваю возможность делать множественные микрокоррекции в очень короткие сроки. Например, если я просто двигаю ручку РОШ медленно и торжественно, потому что у меня всякие фрикционные замедлители, то я легко могу получить вихревое кольцо на виртуальном вертолете, а если я могу играть с ручкой, то даже не приближаюсь к этому состоянию. Это очень важная возможность, управлять так как надо вам, а не так как получается у устройства.

[Hogglike]

10 минут назад, micro-flight сказал:

Да, оказалось, что возможно и в этом то и основная идея, чтобы обходиться без более сложных вещей. На одной стороне несколько десятков грамм пластика, который печатается очень быстро, а на другой стороне достаточно увесистые железяки, на настройку и доводку которых надо ещё потратить очень много времени. Газовые пружины я часто видел в самодельных конструкциях, но меня они не устраивают потому что нельзя получить быстрое движение. 

Тогда понял) получается пружинами не удастся сделать настолько легкое нажатие, меня еще заинтересовала возможность сделать обратный эффект, такого же вроде ни у кого еще не было (на педалях) или ошибаюсь? Каким образом это возможно будет реализовать? 

[micro-flight]

32 minutes ago, Hogglike said:

Тогда понял) получается пружинами не удастся сделать настолько легкое нажатие, меня еще заинтересовала возможность сделать обратный эффект, такого же вроде ни у кого еще не было (на педалях) или ошибаюсь? Каким образом это возможно будет реализовать? 

Я первый кто это сделал. С реализацией вопрос пока не сильно простой, так как педали у меня выглядят очень пластиковыми и печатными, но не совсем такие. Есть и точная металлообработка и она ключевая. Сейчас пока думаю над вопросом физического триммирования педалей, хотелось бы получить тоже сильное решение в стиле печатной пружины.

[micro-flight]

Провел ещё один цикл небольших изменений. Во-первых попробовал другую форму и количество лепестков пружины. Число лепестков теперь по три в группе, но они стали тоньше и, соответственно чуть гибче и более отзывчивые. 1.5 мм стало, было 1.8 мм.

И воплощение в реальности

 

Извиняюсь за кошачью шерсть. Кошка Чернушка очень любит это место.

Вообще, тут очень широкое поле для изучения зависимости свойств пружины от формы. Можно получать разные кривые нагрузки и разные ощущения. Скажем более жесткое в начала и более легкое в конце нажатия. Однородное усилие или реверс первого варианта.  Но для этого надо очень много печатных образцов, очень много. Пока что то, что есть меня устраивает, а для изменений достаточно тактики мелких шагов и долгого использования.

Изменил также и зуб у зубчатой рейки. Когда проектировал, то просто брал зубчатую рейку из библиотеки САПРа и не смотрел, что там в деталях. Оказалось, что там треугольный зуб, который я заменил на эвольвенту и печатая разные образцы немного поднимал рейку для выборки люфта.

 

Он еще остался, но совсем небольшой, следующие изменения должны быть более осторожными. Но уже сейчас люфт ощутить не получается, движение пружины начинается мгновенно от любого нажатия. Но где-то в механизме педалей остается паразитное трение и оно часто не дает точно вернуться в центр. Диапазон возврата в центр где-то 50-60 отсчётов из 5100 (расчёт идет по калибровочным данным). При более сильном отклонении, понятно что пружина резче реагирует и лучше возвращает в центр.

 

[micro-flight]

Провёл я некоторые эксперименты с печатными пружинами. В этот раз я хотел обеспечить возможность подпружинивания каждой отдельной педали и напечатал несколько разных вариантов пружин, которые могли бы хорошо работать.

Левые гармошкой самые плохие, вторая справа оказалась самой лучшей. Но во всех случаях они эффективно могли работать только в пределах 10°. И только на сжатие. То есть, вариант при котором можно поставить пружину под каждую педаль и чтобы конструкция получилась хорошо работающей и лаконичной  не подходит.

Можно конечно и вариант с ножной педалью

Эти две пружины работают и весьма неплохо. Но я эту ветку конструирования не изучал подробно. Хотя могла бы получиться неплохая ножная педаль для наземной техники. Но тут угловой ход тоже меньше 20°, а я хотел бы получить не меньше 20° физического хода. 

Ну а пока раздумываю над этими вопросами, немного занимался эргономикой педалей и постепенно, в три этапа повышал высоту. Теперь педали с такими ножками.

Что можно получить изменением высоты педалей? Во-первых я хотел избавиться от долгого нахождения ног на полу, сидя в стандартном компьютерном кресле и когда ноги находятся в таком положении, они могут начать отекать. По крайней мере, начиная с этой высоты неприятных ощущений нет. Но при этом меняются и точки приложения силы к педалям, на каждой высоте ощущения от управления заметно меняются. И да, был ещё забавный момент: я решил полетать на планере, проделать хороший маршрут по хребтам, надел шлем и получил очень противоречивые ощущения. Шлем мне показывает, что я в полулежачем состоянии, а я ощщущаю, что ноги внизу и поэтому возникает ощущение, как будто я стою в кокпите планера. Причём по пояс в кресле. Но с приподнятыми педалями, это ощущение исчезло или заметно притупилось, для остальных ЛА вообще никакой разницы. Но ногам определённо легче. Но у меня это давняя проблема, когда летал на параплане без педали, это реально было проблемой, ноги немели так, что приземляться мог только на подвеску. В домашних условиях, конечно хочется большего удобства.