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Physical Computing mit Aktoren und Sensoren über M/M/J

Verantwortlich: Patrick Burkert

Bensegrity - Rekonstruktion einer Körperspannung mit Aktoren - erste Präsentation an der Hochschule Furtwangen

Für den entgültigen Aufbau der Installation zu der Projektpräsentation der ersten Projekgruppe bauten wir ein komplett neues Tensegrity mit Aluminumprofilen. Mit freundlicher Unterstützung der Schlosserei der Hochschule Furtwangen kam ein funktionalles Arbeitstmodell zu Stande, dass die Aktoren (Servomotoren) sogar über frei verschiebbare Mounter an den Druckstäben veriabel halten kann. Diese Tatsache vereinfachte die Abstimmung der Aktoren auf die zu rekonstruierende Körperspannung innerhalb des Tensegity enorm. Die insgesamt acht Aktoren sind über Seile indirekt mit dem Konstrukt verbunden. Miniaturspannschlösser aus Aluminium zwischen allen Seile garantieren die nötige Spannung der Konstruktion.

Insgesamt sind die Aktoren in zwei Gruppen unterteilt. Jeweils eine Gruppe von vier Aktoren sind einem Microcontroller Board zugewiesen. Gruppe Nr.1, zuständig für die konstante Atembewegung, sind relativ einfache Servos die mit 4.8 V Spannung betrieben werden können. Gruppe Nr.2, zuständig für die Kontaktion der Konstruktion, sind kraftvolle Digitalservos und benötigen 6 V Spannung und bis zu 2 Ampère Spitzenstrom. Die gesamte Versorgung erfolgt über ein Labornetzgerät, die Boards werden jeweils von einem eigenen Netzteil mit 9 V betrieben.

Die Controller Boards sind über Ethernetverbindungen im Gesamtkreislauf eingebunden und kommunizieren mit Max / MSP über die IP4-Suite. Impulssignale bestimmen den Spannungswert und somit die Position und Geschwindigkeit der Aktoren.

Kybernetisches Objekt

Letztes Arbeitsmodell für Fogpatch. Eine Tensegrity Struktur als Synthese von Bense und der Golden Gate Bridge. Druckstäbe und Spannseile gleichen Knochen und Sehnen des menschlichen Körpers und den konstruierten Elementen der Parabel im Nebel in San Francisco. Acht Servomotoren übernehmen die Arbeit der Muskeln und bringen das Objekt in Spannung. Sie sind an den Endpunkten der Druckstäbe montiert und mit jeweils einem Spannseil verbunden.

Das Objekt wird nochmals für den Systemaufbau im MediaSynthesisLab gebaut, diesmal mit Aluminium Druckstäben und Spannseilen aus Nylon. Die Körperhaftigkeit des Objektes sowohl auch die Materialien untermalen das Mensch / Maschine Verhältnis zudem noch stärker.

Aktoren

Als Aktoren innerhalb des Tensegrity testen wir Servos aus dem RC Modellsport und kleinere Motoren. Die Aktoren müssen impulsartig an den Seilverstrebungen des Tensegrity ziehen um dieses aus dem Ruhezustand in Bewegung zu bringen.

Steuerung von drei DCs über das Make Controller Board und einer Relais Platine. Die DCs werden über Max MSP zu unterschiedlichen Zeiten impulsartig angesteuert und für wenige Sekunden mit Spannung versorgt. Unter den DCs befindet sich auch ein Zugmagnet der einen Hubweg von ca. 1 cm hat. Evtl. Einsatz als Zugaktor für die Kontraktion.

(:youtube XmeVtNQtIVo:)

Sensoren

Als Sensoren testen wir Lichtschranken, Bewegungsmelder, Beschleunigungs- und Nährungssensoren. Die Werte können in Max MSP abgefangen werden, was teilweise aber stark (je nach Sensoreinheit) variieren kann. Das momentane Konzept basiert allerdings auf Videotracking. Dazu verwenden wir Webcams für die Bewegungsaufnahme und speisen Bewegungsänderungen als Inputwerte in einen Regelkreislauf.

Konzept

Der vorhandene auf Java basierende Regelkreislauf ist darauf ausgelegt, das Tensegrity in Bewegung zu halten. Die Bewegung ähnelt momentan einer Atembewegung. Durch anspannen und entspannen der Seilverstrebungen erreichen wir eine Brustkorbähnliche Atembewegung. Mit zwei Servos die jeweils an bestimmten Positionen im Tensegrity direkt mit an den Seilen verbunden sind übertragen wir den Regelkreislauf auf den Tensegrity Körper. Die Kamera trackt dabei die Atembewegung und regelt diese. Greift man in diesen Kreislauf ein, verändert sich auch der Intervall der Atembewegung. Aufschaukeln und Abnahme der Bewegung sind möglich (ähnlich wie ein Mensch mit Ruhepuls, Stressphase, etc.).

Aktoren zur Abbildung einer Atembewegung und Aktoren zur Störung bzw. Kontraktion des Körpers. Schmerzdarstellung durch Motoren die Impulsiv an den Seilen ziehen und den Kreislauf aus dem Regelkonzept werfen. Die genaue Umsetzung der Störaktoren steht nicht fest da hier ein Problem mit den auftretenden Kräften besteht. Man benötigt kleine Spannvorrichtungen und starke kleine Motoren die Impulse schnell und wirksam auf die Seile übertragen können. Ansätze wären kleine Flaschenzüge mit Exzenterscheiben.

Systemskizze

Voraussichtliche Elemente und technische Infrastruktur der Austellung. Zentral liegt das Bensegrity und wird von der Fogbox Control Unit gesteuert, diese beinhaltet neben dem zentralen Rechner zur Steuerung des Max / MSP / Jitter Hauptpatch auch die beiden Making Things Boards und zwei Projektoren. Alle weiteren Elemente wie der Drucker, das Soundsystem und die Tracking Kameras werden von weiteren Rechnern mit Subpatches unterstützt um die Rechenleistung zu verteilen.

Steuerung

Die gesamte Steuerung des Kreislaufes und die Verarbeitung der Input- / Outputsignale erfolgt über Max MSP auf der Softwareseite. Hardwaretechnisch setzen wir das Make Controller Board der Firma MakingThings ein. Die Steuerungsplatine ist via USB oder Ethernet mit dem Rechner verbunden und verfügt über einen Chip und analoge und digitale Ein-/Ausgänge. Kommunikation erfolgt über das OSC Protokoll (OpenSoundControl.) Board Info...

    * 8 analog inputs - 10-bit inputs read voltages from 0-3.3V while protecting the controller from higher voltages.
    * 8 high current digitial outputs - can be configured to drive 8 individual outputs, 4 DC motors, 2 stepper motors, or any combination.
    * 4 standard servo controllers - easily provide external power for driving large loads.
    * 8 position DIP switch - for manual configuration.
    * USB and Ethernet interfaces - can be used simultaneously.
    * CAN interface - for networking several boards together.
    * JTAG port - for on-chip debugging.

Links:

Make Controller für Physical Computing der kalifornischen Firma MakingThings

• http://www.makingthings.com/