真·3D球形显示器

DIYer:	monkeylectric
制作时间:	一个月
制作难度:	★★★★☆
GEEK指数:	★★★★☆

n00tron 是一种独特的技术和艺术的表现手法。这种光线的衍生艺术通过完全的互动在球体显示器中创作。参与者可以通过控制面板上的旋钮和开关实时操控显示器的绘图算法。它老少咸宜，让你在学习视觉暂留显示技术的同时制作你的自己的动画艺术作品！

希望 n00tron 能入住你家附近的博物馆里！如果你能帮助我们推广的话，请 联系我们

• 现场表演：Maker Faire 2010、SigGraph 2010。

双向电梯

• 1   这是什么？
• 2   车轮
• 3   叉架
• 4   第一根轴的驱动器
• 5   第二根轴
• 6   主固定平面
• 7   电动机
• 8   滑环
• 9   底座三角架
• 10   控制面板
• 11   电源
• 12   完成了！
• 13   你的功课——回转力
• 14   n00tron 显示器可以显示出浮在空中的莉亚公主吗？

1   这是什么？

n00tron 是：

——一台真正的三维显示器（也被称为体型显示器（Volumetric display））

——显示器的体积是球形的，直径大约为 550 毫米

——显示器是通过旋转的自行车轮胎和里面的一排灯组成的

——自行车轮胎同时绕着 2 根轴旋转

——n00tron 非常适合灯光艺术表演，但是无法产生三维的位图。

——n00tron 通过控制面板交互式地控制

——n00tron 使用参数简单的绘图算法绘制彩色的图案（亦被称为衍生艺术）

——控制面板有许多旋钮，用于设定绘图算法的基本参数

——无论老少，参与者都可以轻松创作他们自己的令人惊叹的三维光雕作品！

继续阅读，了解更多信息！

2   车轮

• 第一根轴的电动机和驱动器都装在这根杆子的中心。

我们用的是标准的 26 英寸自行车轮胎。我们用的是一款结实的车轮，有着实心车轴和 6 螺栓的盘形刹车架。我们用螺栓将一个 22 齿的自行车齿轮装在了盘形刹车架上。

在车轮里面装着 MonkeyLectric Video Pro 的显示器硬件。我们使用的是标准的 Video Pro 硬件，而为了生成艺术作品，自行编写了固件。显示器硬件是4根杆上的256颗全彩LED。

3   叉架

• 车轮轮轴螺栓从左边穿过，向右依次是电动机和端部轴承。

• 电动机和驱动器的齿轮。

• 车轮轮轴螺栓从这里穿过。12 号的带帽螺栓可以避免车轴意外弯折飞出。
• 叉架固定车轮的方式就像自行车的前轮一样。

我们焊接组装了一根重型的自制叉架，用于固定车轮。叉架是非常平直的（不像普通的自行车叉架那样有斜度）。里面焊接了电动机的支座。叉架空心管是用壁厚 2 毫米的碳素材料制成的。整根叉架至端部的长度大约为 400 毫米，然后再加上 350 毫米长的顶部空心管道。电动机平面和轮轴固定平面是从 4.5 毫米厚的钢板上用 cnc 水刀切割机制作的。

4   第一根轴的驱动器

• 第一根轴的电动机和驱动器都装在这根杆子的中心，固定平面位于叉架管道的当中，转轴是内建于自行车轮胎里的车轴。

• 第一根轴的驱动电动机固定在叉架中央的平面上。固定槽让我们能够略微调整电动机，让链条松紧适当，并且平衡支撑杆的质量。

完成了车轮以后，把链条和电动机连好，就能够运转起来了，之后我们可以用螺栓把配重物固定在电动机平面上，来调整轴的平衡。

第一根轴使用的是标准的自行车链条。

5   第二根轴

• 第二根转轴（“外轴”）是一根标准的自行车前撑杆。就好像是以非常快的速度旋转自行车的把手一样，让叉架和前轮不停的转啊转。

我们不需要把整个自行车的框架连接到叉架上，而只需要一根简单的管道就行了。它就像是自行车的车头杆，不过车身的其余部分统统没有了。我们首先用的是一根长 12 英寸的 6061 铝管，然后用车床车出端部轴承的槽。我们尽可能选取了最结实的自行车端杆。铝质的端管直径为 2 英寸，壁厚 3/8 英寸。

第二根轴的电动机和第一根类似，固定在槽中，方便调节链条松紧度。用驱动器齿轮和链条把电动机连接到叉架管的末端。

6   主固定平面

• 电动机支架。

• 带有塑料插头的管夹。

主固定平面上支撑着：

• 端管轴承组件
• 底座支撑管
• 第二根轴的电动机

端管和底管都用螺栓和重型管夹（通常用来将大型管道固定在建筑物的墙面上）固定在平面上。

主平面用的是厚度为 6 毫米的 6061 铝材。用 CNC 水刀切割机在板材上切割出二维形状。尺寸大约是 300 毫米 × 400 毫米。

7   电动机

这 2 台电动机都是从一辆旧的轮椅里拆下来的。它们都是 24V 直流、5A 的电动机，内置的齿轮比是 10：1。输出转速大约为 300 转/分钟，和我们希望的显示器轴转速非常接近。

8   滑环

• 滑环向旋转的叉架管道中输送电能。
• 叉架管道末端的滑环向旋转的叉架中输送电能，驱动第一根轴的电动机。

LED 显示器本身使用的是安装在车轮里的锂离子电池，将来我们可能会加上第二个滑环，这样所有的部件都可以使用外部电能了。

9   底座三角架

• 标准的工业级栏杆配件。

• 用紧固螺钉拧紧了的栏杆配件

底座需要承受来自旋转的显示器的极强的振动力。我们用标准的工业级栏杆配件制作底座。这些配件在组装和拆卸时非常方便，只需要紧固螺钉就行了。我们可以在一个小时内完成底座的架设，而整个 n00tron 只需大约 90 分钟即可完成。

大部分管道都是 40 号、1.5 美国线规尺寸的 6061 铝管，也就是说外径为 1.9 英寸，而壁厚大约为 0.1 英寸。主中央管则使用的是较厚的 80 号管材。三角底座每一侧为 5 英尺，放主固定平面离地约有 5 英尺的高度。

在 4 个角下面有实心的橡胶垫脚，我们还在框架的底部周围布置了 100 英镑的沙袋。三角架非常结实，不过固定平面的力可是非常大的，能够明显地看出让中央管发生了弯曲。如果电动机的速度正好在某个值，那么就可能让整个表演道具因为共振而到处乱跑！

10   控制面板

• 控制面板组装在铝质的公文包里。看起来闪闪发亮！我们用激光切割机从一块黑色的压克力板上切出一块自制的控制面板平面。在外壳中有 3 块 Arduino，每一块连接在 6 个模拟旋钮和数字开关上。
• 大部分旋钮都是我们买来的，而开关则是从旧的废弃硬件中找来的。

• 控制面板的背面

• arduino。
• USB 连接到带有无线电的笔记本电脑上。

• 3 块 arduino 通过 USB 连接在运行着程序的 Macbook 上。有一段简单的脚本会读取旋钮和开关的状态，然后将它们发送给串口上的 Zigbee 无线电设备。

• 旋转的显示器硬件板载了相匹配的 Zigbee 接收器。

11   电源

电源是双路 30 伏的可变直流电源。每路的额定电流为 10 安。我们找到了一个可以驱动显示器上所有的 LED 的电源，这样我们就能在黑暗的房间里大放光芒了！我们通常将电动机的转速设为恒定，外轴大约为 200 转/分钟，而内轴大约为 250 转/分钟。可变电源让我们可以随时启动和停止转轴，向每一个人展示我们的设备。

12   完成了！

• Siggraph 2010 和 Maker Faire 2010 上的设备照片和视频。

13   你的功课——回转力

从机械学的角度讲，n00tron 主要的问题在于：它会不会飞散成一百万片碎片，把周围的人都砸死？我们的机械工程师计算了转轴和轴承在不同转速下的力，给这个问题作出了解答。在我们所使用的双轴配置下，无论两根单独的转轴多么平衡，都会产生非常大的回转力。这是任何 2 轴设计上的根本限制。内轴会在轮轴上产生上百镑的力，外轴则略小一些。

回转力会沿着轴旋转，从而导致整体架构的严重振动。这就是为什么所有的部件总体上都要十分结实，以及使用了这么大的三角底座的缘故。

下附计算过程：

n00tron_01.pdf

n00tron_02.pdf

n00tron_03.pdf

14   n00tron 显示器可以显示出浮在空中的莉亚公主吗？

不行。要想显示三维位图画面的话，显示器从机械上就需要能够在每秒钟穿过球形空间中的每一个点十次。虽然这个显示器是三维的，但在目前的转速下，它在每个方向上的旋转只能达到三维空间中的大约 5% 的点。它很适合创作衍生艺术，但不适合生成位图。要生成位图的话，各轴就需要比现在的转速快上 10 倍或 20 倍。从最后一步中我们知道，这样高的转速会导致显示器飞散成一百万块碎片。制作三维浮动的莉亚公主的方法有许多，但这并不是其中之一。

资料来源

编辑:	Greeny

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