Squishy机器人模拟器

摘要

章鱼，大象的躯干和蚯蚓有什么共同之处？它们都是柔软的，可弯曲的和柔韧的，因为它们里面没有任何骨头。你可能通常不认为机器人是”软弱的” ，但科学家们越来越多地试图创造像动物一样看起来和移动的软机器人。在这个项目中，您将使用”软机器人模拟器” 来设计和比赛您自己的软弱机器人。你能想出最快的设计吗？

目的

使用模拟软件设计，模拟和比赛不同的软化机器人。

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最后编辑日期:2017-11-06

简介

您是否曾想过工程师如何设计大型复杂系统，如汽车，桥梁，飞机或机器人？为这些物体构建和测试设计可能非常昂贵 – 如果出现问题，可能会非常危险甚至是灾难性的。自计算机发明以来，工程师越来越多地使用模拟来测试他们的想法。模拟是现实世界对象的模型，它使用数学和物理来预测某些事物随着时间的推移会如何表现。有许多类型的计算机模拟（我们可以在这里列出更多 – 请参阅参考资料部分了解更多信息）。举几个例子，工程师使用:

• 模拟桥梁，以确定强大的交通将对钢梁或桥梁的其他元件施加什么力，以确保它足够强大。
• 从冷却风扇模拟计算机内部的气流，以确保组件不会过热.
• 模拟预测机器将如何移动 – 例如，步行机器人，这是您将在此项目中执行的操作。

工程师使用这些模拟来比较和改进他们的设计，然后再继续构建和测试物理原型 – 成品的早期模型。

一种常用的模拟称为有限元分析，简称FEA。有限元模拟将对象分解为微小的位或”元素” – 这使计算机能够模拟对象，好像它由许多（数百，数千甚至数百万）微小连接块组成。例如，图1显示了一个固体梁，它被分解成立方体网格，以研究梁弯曲时的薄弱区域。

随着元素变小，构成相同大小的对象将需要更多的元素 – 例如，在1米（m）的立方体中，您可以装入比1厘米多1毫米（mm）的立方体（cm）立方体。通常，随着元素数量的增加，模拟将变得更加准确 – 但它还需要更多的计算能力并且运行时间更长。图2显示了汽车碰撞模拟比图1所示的简单矩形梁模拟复杂得多。

在这个项目中，您将使用一个名为VoxCAD的程序来设计和模拟您自己的移动机器人，目的是设计最快的机器人.VoxCAD是单词voxel和CAD的组合. Voxel 代表体积像素 – 而不是计算机屏幕上的二维像素，它是计算机模型中的三维像素. CAD 代表计算机辅助设计 – 使用计算机程序来辅助设计过程.VoxCAD是一个开源程序，这意味着它可以免费下载，使用或修改。

VoxCAD具有简单的绘图工具（类似于MicrosoftPaint®等程序），可以绘制由体素组成的三维对象。您还可以为体素指定不同的材质属性。材料属性是材料的物理属性，用于确定其行为方式。多种材料属性对于机器人在VoxCAD中的行为至关重要:

• 刚度是拉伸或弯曲材料的难易程度。例如，钢和铝等金属比橡胶和塑料硬得多。
• 密度是每单位体积材料的重量.
• 热膨胀系数是指材料随温度变化而膨胀或收缩的程度.

注意:由于此项目旨在作为VoxCAD的介绍，我们将提供一个文件，您可以使用预先确定的设置下载该文件，以便执行此项目。如果您想了解更多有关材料属性以及如何更改它们会影响您的机器人的信息，可以查看高级VoxCAD项目。

通过使用不同材质创建三维对象，您可以制作各种有趣的形状和许多不同类型的机器人。本视频将向您介绍在此项目中您将如何处理VoxCAD。

在”程序” 部分，您将开始使用VoxCAD和设计自己的机器人的分步说明。

术语和概念

• 模拟
• 模型
• 原型
• 有限元分析
• 体素
• 计算机辅助设计（CAD）
• 开源
• 材料属性
• 刚度
• 密度
• 热膨胀系数

问题

• 为什么工程师使用计算机模拟？您能找到比简介中列出的更多的例子吗？
• 使用短语”有限元分析” 在Google上搜索图像。工程师使用有限元分析进行哪些工作？
• 您能列出其他材料属性吗？您认为哪个项目对此项目很重要？

参考书目

• Hiller，J。（n.d。）. VoxCAD 的.2016年12月20日检索自 https://sourceforge.net/projects/voxcad/?source=directory
• Hiller，J。（2011年4月27日）. VoxCAD教程1:简介 YouTube.2016年12月20日从 https://youtu.be/r_SL8VUt-wA 检索
• 维基百科贡献者.（2013年3月12日）.体素的。检索2013年3月22日，来自 http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Voxel& OLDID = 543538646
• 维基百科贡献者.（2013年4月8日）.模拟结果的。检索2013年4月11日，来自 http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Simulation& OLDID = 549294729

材料和设备

• 运行Microsoft®Windows®的计算机
• VoxCAD软件，可从 https://sourceforge.net/projects/voxcad/免费下载
• （推荐）:带滚轮的电脑鼠标.VoxCAD设计用于滚轮鼠标放大和缩小。未来版本的VoxCAD可能包括支持带触摸板的笔记本电脑，但建议使用滚轮。
• 注意:该项目于2013年7月使用VoxCAD 0.9.9版编写.VoxCAD的新版本将来可能会出现，可能与您在此项目中的屏幕截图和视频中看到的略有不同。

实验程序

设置

1. 点击”下载VoxCAD” ，从 https://sourceforge.net/projects/voxcad/下载并安装VoxCAD链接。将安装文件保存到您的计算机，然后双击它以开始安装并按照屏幕上的说明进行操作。
2. 下载我们的模板文件， VoxCAD-Starter-Settings ，并将其保存到您的计算机上（执行不要尝试直接打开文件 – 您需要将其导入VoxCAD，如步骤4中所述。我们建议您在计算机上创建一个新文件夹，以便为此项目保存所有工作。根据您的互联网浏览器和操作系统，您可能需要右键单击该文件的链接，然后选择”将链接另存为…” 以便下载.
3. 从桌面图标或计算机的开始菜单打开VoxCAD。您应该看到一个带有空白模型的屏幕，如图3所示。

4. 导入模板文件。通过选择文件→导入→模拟来完成此操作。然后导航到保存VoxCAD-Starter-Settings.vxa的文件夹，选择它，然后按打开。
5. 单击屏幕右下角的 Palette 选项卡。您的VoxCAD窗口现在应该如图4所示。请注意屏幕右侧现在列出了不同的材料。我们稍后会详细解释这些。

   请注意，您不能只是打开模板文件.打开选项打开由体素组成的物理对象，但不打开模拟其移动方式所需的设置.导入选项包括物理模型和模拟设置，如摩擦力和重力。

学习创建对象

您需要做的第一件事是学习在VoxCAD中创建物理对象。

1. 单击编辑体素按钮，屏幕顶部工具栏中带有手和铅笔的按钮，如图5所示。

这将带您进入二维绘图模式，一个非常类似于Microsoft Paint等程序。您将在此模式下使用几个基本功能。此列表中的每个项目也在图6中标出。

• 左栏中的绘图工具可让您选择不同的绘图选项，包括铅笔，矩形，圆形和铲斗填充选项。您可以将鼠标指针悬停在每个图标上，弹出文本将显示图标的名称。
• 查看菜单可让您选择模型的顶视图，底视图，前视图，后视图，左视图和右视图。这使您可以在不同的平面绘制。
• 使用图层前进和后退按钮可以在图层之间滚动。您一次只能在一个图层中绘制.
• 材质调色板可让您选择不同的材质。我们提供的模板有四种材质以及一种”擦除” 材料，您可以使用它来擦除模型中的体素.
• 3D视图窗口可让您在二维绘图时预览三维模型。半透明的灰色平面显示您正在查看的当前平面。当鼠标光标位于 3D视图窗口内时，您可以滚动鼠标滚轮进行放大和缩小，并在移动鼠标时单击并按住鼠标滚轮以旋转视图。当您进入编辑体素模式时， 3D视图窗口将自动打开。如果您不小心将其关闭，可以通过从顶部菜单栏中选择查看→参考视图重新打开它。

2. 试用绘图工具。花点时间习惯这个程序 – 没有匆忙，你可以随时删除你画的内容并重新开始。首先在一个平面上绘制一个二维形状。你能画一个类似于图7所示的笑脸吗？

3. 定期保存您的工作是个好主意.重要:要保存模型，请选择文件→导出→模拟，然后重命名该文件。与打开选项一样，保存选项仅保存您的绘图，而不是以后需要的模拟设置.始终记得使用导入和导出模拟来保存和打开此项目的文件。
4. 一旦您习惯创建二维绘图，请尝试创建一个简单的三维对象（注意:确保使用不同的文件名导出新的3D对象，这样就不会覆盖2D画画）。现在，您需要使用图层前进和后退按钮在不同的图层中绘制。请记住，您还可以使用查看按钮从不同方向查看模型。你能创建一个简单的3D形状，如图8所示的金字塔吗？完成绘制后，再次单击编辑体素按钮返回完整的3D视图模式。

5. 确保在继续之前使用新文件名导出3D对象。您可以继续使用编辑体素模式来创建不同的形状，直到您习惯使用VoxCAD。

编辑工作区

您可能已经注意到此模型似乎比简介中视频中显示的模型小。你怎么能在那个小盒子里装上不止一个机器人？你可以通过扩大工作空间来解决这个问题。

1. 点击右下角的工作区标签。它位于 Palette 选项卡旁边.（见图9）。
2. 在工作区选项卡中，您可以更改模型的宽度，深度和高度（X，Y和Z）的值。默认值为10x10x10体素，但您可以将其设置得更大。将X和Y值分别更改为30。这应该为您提供足够的空间来创建多个机器人。既然你有更多的空间，你能创建一个更大，更复杂的3D模型吗？

使用物理沙箱

Physics Sandbox 模式模拟您创建的模型的运动。您将使用 Physics Sandbox 来”竞争” 您的不同机器人设计。

1. 在编辑体素模式下创建一个简单的三维模型。确保使用所有四种材料。记得:
   • 红色和绿色材料膨胀和收缩，彼此不同步。这些体素就像”肌肉” – 它们活跃。
   • 蓝色材料被动 – 它们不会膨胀和收缩。深蓝色材料坚硬，浅蓝色材料柔软.
2. 准备好后，单击顶部工具栏中的 Physics Sandbox 按钮，该按钮在棕色矩形上方显示一个蓝色立方体（参见图10）。这将激活 Physics Sandbox 模式，因此您的模型应立即开始移动。您可以使用右侧的按钮来启动/停止和重置模拟（参见图10）。您可以使用相同的鼠标控件在 Physics Sandbox 模式下更改视图，就像在3D视图模式下一样:
   • 滚动鼠标滚轮进行缩放。
   • 在移动鼠标的同时单击并按住鼠标中键以旋转视图。
   • 单击并按住ctrl按钮和鼠标中键，同时移动鼠标以平移视图。
   • 笔记本电脑用户注意事项:如果您使用的是带触摸板的笔记本电脑，则需要查找有关如何单击鼠标中键的说明。例如，在某些笔记本电脑上，您同时单击左右按钮，这将作为中间按钮。此功能在所有笔记本电脑上都不一样，因此您需要查找模型的说明。

3. 请勿在 Physics Sandbox 模式下更改屏幕右侧的任何设置。更改这些设置可能会大大改变您的模拟并可能导致模拟崩溃。我们已经设置了这些值，因此您的模拟应该可以很好地工作。如果您想进一步了解这些设置的含义以及更改它们的作用，请查看此高级VoxCAD项目。
4. 现在是时候开始真正试验VoxCAD了。通过在编辑体素模式和物理沙箱模式之间来回切换，您可以设计不同的对象，然后查看它们的移动方式。四处游戏，了解不同材质组合如何产生不同类型的运动.

赛车机器人

一旦您习惯使用编辑体素和物理沙盒模式，您就可以开始设计和赛车机器人了。

1. 尝试设计一个在移动时前进的对象。如果您需要灵感，可以返回观看简介视频的结尾。你有许多可能的方法来移动:滚动，弹跳，使用腿，尺节或蛇的动作。你能想到更多吗？
2. 使用 Physics Sandbox 模式确保您的设计向前发展。如果它刚刚反弹或根本没有移动，请返回编辑体素模式，修改您的设计，然后重试。
3. 一旦你有一个成功的设计，创建一个没有连接到第一个机器人的第二个机器人（类似于图10中的那个）。尝试设计它，使其朝着与第一个设计相同的方向移动。您可以选择使用第二个设计:
   • 创建一个与第一个机器人完全不同的设计（例如，将机器人与腿部与弹跳机器人进行比较）。
   • 创建一个与第一个非常相似的设计，但只需稍加修改（例如，一个腿部长度为两个体素的步行机器人，另一个腿体长度为三个体素的步行机器人）.

   这个选择取决于您，可能取决于您完成项目所需的时间。如果你有足够的时间，你可以创建不同机器人的多个版本并对它们进行全部比赛。如果你没有太多时间，你可能只想创建两个或三个中央设计的变体，所以你不要试图测试太多不同的东西。

4. 一旦您有两个单独的设计，访问 Physics Sandbox 模式并确定哪个设计移动得更快。记得设计你的机器人，使它们向相同的方向移动 – 否则很难分辨哪一个赢得比赛。
5. 继续尝试，修改现有设计，如果有时间，可以创建新设计。请记住，您的目标是尽可能创建最快的机器人。您可以使用哪些更改来让您的机器人更快？某些类型的机器人总是比其他机器人更快地移动吗？
6. 继续前进，直到你无法更快地完成任何设计。你最快的设计是什么？它是如何移动的？它比你所有的其他设计都快得多，还是一场紧密的比赛？
7. 如果您完成此项目但希望使用VoxCAD执行更多操作，请查看变体部分，了解一些高级项目和其他想法。当然，记得玩得开心！
8. 如果您想制作与您在此项目中看到的视频相同的视频，请尝试搜索免费的屏幕捕获程序（下载和安装免费程序时请小心避免使用恶意软件）.注意:VoxCAD的未来版本可能包含 Physics Sandbox 模式中的内置屏幕捕获功能。当Science Buddies创建本教程时，此选项功能不全，因此我们没有包含使用它的说明。

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变体形式

• 此项目为您提供了一个模板文件，其中包含材料属性和 Physics Sandbox 设置的预定设置。如果您想了解更多有关这些设置以及如何更改这些设置的信息，请查看以下两个缩写项目提示:
  • VoxCAD:材料属性
  • VoxCAD:物理沙箱设置

• 在现实世界中，工程师不仅关心事物的移动速度 – 他们还关心效率。你可能拥有一个非常快速的机器人，它使用了很多活跃的体素，这在现实生活中会耗费大量的能量并且效率不高。查看此项目如果你想挑战自己设计最轻，最高效的机器人，而不是最快。
• 你真的想建立一个真实世界的软弱机器人吗？查看Science Buddies项目 Squishy Robots:Build an气动软机器人抓手。