И в хвост, и в гриву: собираем коня Ugears

«Оу, стимпанк», — чаще всего говорят люди, впервые увидев конструкторы Ugears. На самом деле традиция создания механических игрушек тянется еще из Античности. Филон Византийский в III веке до нашей эры создал робота-служанку, которая наливала в бокал вино и смешивала его с водой. Леонардо да Винчи в конце XV века сконструировал рыцаря, имитирующего человеческие движения. В XVIII веке Жак де Вокансон построил флейтиста с мехами вместо лёгких. Роботы двухсотлетней давности, способные рисовать и играть на музыкальных инструментах, и сегодня кажутся фантастикой — настолько это тонкая работа.

Сегодня автоматоны можно собирать дома. Даже если с механикой у человека проблемы, а в сборке принимает участие четырёхлетний ребёнок. Мы, например, справились — и у нас есть конь-механоид Ugears. Ради этого пришлось все время с вечера пятницы по воскресенье (с перерывами на сон) провести на ковре, среди деревянных деталей, наждачной бумаги и свечек. Можно было потратить гораздо меньше времени на сборку механоида, если бы мы распараллелили задачи.

Древнегреческий инженер, механик, математик и поэт Филон Византийский, или Филон Старший, известен сочинениями по прикладной механике. До нас дошла часть его труда об использовании научных знаний в военном деле — трактат из девяти томов. Среди сконструированных им механизмов была восьмигранная чернильница с отверстиями на каждой стороне, из которой чернила не проливались благодаря системе колец, известной как «карданов подвес».

Одним из созданных им механизмов стал робот-служанка. Он, а точнее, она наливала в бокал вино и добавляла воду. Робототехника тогда не была очень уж необходима — с рабами в третьем веке до нашей эры проблем не было.

О том, насколько талантлив был Леонардо да Винчи, говорить не нужно. Он изобрёл шариковый подшипник, в его чертежах были летательные аппараты, роботизированный транспорт и оружие. Кроме этого, он сконструировал робота, имитирующего человеческие движения — манекена в рыцарских доспехах. Да Винчи исследовал человеческое тело, понимал, что мышцы двигают скелет, и на основе своих знаний проектировал механизм автоматона. Робот не сохранился, но, возможно, он мог ходить, вставать и садиться, двигать руками и шеей. Из-за отсутствия в то время смартфонов, точно мы этого никогда не узнаем.

В 1740-х в Австрии архиепископ Яков фон Дитриштейн построил автоматон, показывающий жизнь современного города. Двести фигур в этом городе строят дома, закрывают бочки, шьют, забивают бычка, режут овцу, а сверху на кипящую жизнь, почти не двигаясь, взирает аристократия. Вода приводит в движение колесо в механизме, колесо передаёт вращение барабану, а на барабане находятся «инструкции» для каждого из персонажей в этом механическом театре.

Созданием автоматонов часто занимались самые именитые часовщики. До нас дошли Пражские куранты — астрономические часы, установленные в 1410 году. В XVII-XVIII веках к ним были добавлены автоматоны: фигурки двенадцати апостолов проходят через два окошка и смотрят на зрителей, а несколько установленных рядом фигур напоминают о грехах и пороках.

Швейцарский часовщик Пьер-Жаке Дро построил из 6000 деталей свой «Каллиграф». Мальчик старательно выводит текст на бумаге. Самое удивительное — то, что это программируемый механизм: буквы закодированы в круглой пластине внутри него, и символы можно менять.

Основанная Дро марка часов существует до сих пор. При этом она производит и такие автоматоны на заказ — на один уходит год работы.

Одни из самых известных часов с автоматонами в России — это часы с павлином, которые можно увидеть в Эрмитаже. Их создал английский ювелир и изобретатель Джеймс Кокс, авторству которого принадлежит также лебедь на серебряном пруду с рыбками. Лебедь ловит рыбок в воде, хотя воды в этой скульптуре нет вовсе — это стеклянные цилиндры с насечками разной формы.

Знаете, какая связь между часами с павлином и конструктором Ugears? Часы, за которые Екатерина II отдала 11 000 рублей в 1781 году, при перевозке из Лондона повредились. Иначе говоря — превратились в груды деталей в корзинах.

На помощь пришёл Иван Кулибин. Он воссоздал сложнейший механизм с несколькими двигающимися птицами — сова вращает глазами и головой и пританцовывает, петух кричит «кукареку», а павлин кланяется и распускает хвост.

Кулибину было сложнее — у него не было инструкции. А у нас — была. И всё равно я до последнего не верил, что эта построенная нами модель будет работать. Больше похоже на какую-то магию.

Компания Ugears заявила о себе как о создателе механических игрушек-конструкторов в 2014 году, а в сентябре 2015 года на KickStarter собрала 400 тысяч долларов вместо планируемых 20 тысяч. После этого они ещё четыре раза выходили на эту площадку, каждый раз представляя новые работы.

В коллекции Ugears есть трамвайная линия, паровоз, родстеры и тягачи — в общем, всё, из чего можно построить настоящий город. Самостоятельно. Мы уже собирали сейф, музыкальный инструмент Харди-Гарди и локомотив.

В этот раз (после очередной успешной кампании на Кикстартере, принесшей 187 000 долларов разработчикам Ugears) нам в руки попали родстер, мотоцикл и конь-механоид. Первым мы решили собрать, на наш взгляд, самую сложную модель — коня.

Конь состоит более чем из четырёх сотен деталей. Они прорезаны лазером в древесных листах — детали легко достаются из деревянных пластин. Как и в случае с любыми другими сборными моделями, каждую деталь обязательно придётся обрабатывать.

Неровности убираются с помощью наждачной бумаги, которая входит в комплект. Движущиеся части покрываются воском — свеча есть в комплекте, но её может не хватить. К счастью (?), мы все привыкли к периодическому отсутствию света, поэтому дома свечи есть у всех. Можете использовать ароматическую — тогда конь-механоид ещё и благоухать будет, а не только радовать глаз.

Процесс обработки деталей гораздо важнее, чем может показаться на первый взгляд. Если останутся шероховатости, механизм не будет работать так, как должен. Также следует обращать внимание на указания в инструкции, связанные с обеспечением неполного прилегания деталей друг к другу. Иными словами, в некоторых местах важно, чтобы одни детали не зажимали другие, чтобы не мешать им двигаться.

Искусство создания автоматонов было тесно связано с созданием часов. Одни из самых важных частей механических часов — это двигатель, в роли которого выступает пружина или гиря, и передаточный механизм. В конструкторах Ugears вместо пружины используются резинки, а передаточный механизм заменяют зубчатые колёса и эксцентрики, щедро навощенные свечкой.

В комплекте было много резинок, часть из которых нужна собственно для механизма. Например, ниже мы видим пусковой механизм, смена положения которого начинает движение или останавливает коня. Другая же часть резинок нужна для эстетики — из них в самом конце мы сделали гриву и хвост.

Одни из главных деталей, которые обеспечивали движение автоматонов, это эксцентрики. Диск или сектор диска, не совпадающий с осью вращения вала, превращает движение из вращательного в поступательное.

Ниже — фотография диска для программирования автоматона Writer от Пьера-Жаке Дро. Обратите внимание, что над символами возвышения разного размера. Они позволяют передавать команду эксцентрикам внутри механизма, чтобы те помогали этому двухсотлетнему роботу старательно выводить символы на бумаге. Без эксцентриков такие сложные движения не были бы возможны.

Уже на первых этапах сборки можно увидеть, как работают эксцентрики в механизме коня. Обратите внимание на шею, которая двигается благодаря поступательному движению, обеспечиваемому воздействием эксцентрика. Обязательно в процессе сборки проверяйте подвижность механизма: он должен работать как часы.

Кстати, здесь же можно увидеть еще одну часть, которая пришла к нам из часового механизма – маятник. Его колебания замедляют передачу энергии от мотора к подвижным элементам, чтобы конь успевал сделать несколько шагов. Кстати, когда конь останавливается – он не падает.

Ещё одна длинная резинка выполняет функцию пружины. В несколько раз сложенная, она натягивается несколькими поворотами ключа — как заводная игрушка, которой в принципе этот конь и является.

Обратите внимание на работу эксцентриков здесь: слева и справа от ключа детали движутся с разной скоростью и амплитудой. Благодаря этому конь будет поднимать ноги по очереди.

Чтобы воссоздать реалистичные движения ног коня, разработчики использовали грейферный механизм. Такой механизм вращает киноплёнку: крючки входят в перфорацию плёнки, двигают её, выходят из перфорации и снова возвращаются в начало цикла. Эксцентрик является частью этого механизма.

На фото над передней ногой коня можно увидеть два крепления. Правое всегда остаётся на месте, а левое перемещается в вертикальной плоскости вдоль тела лошади. Механические «суставы» при этом сгибаются и разгибаются — так конь поднимает ногу, сгибая колено и меняя положение копыта, а затем опускает её чуть дальше, чем она была ранее. Конь мог бы двигать ногой киноплёнку, но вместо этого сам идёт вперёд.

И вот он — момент истины. До последнего я думал, что конь не пойдёт, что где-то я совершу пару ошибок, забуду детали, и в итоге он просто встанет на полку. Но нет, даже с моими способностями к ручному труду я справился. И мне помогали жена и дочь.

В коллекции Ugears много моделей — от зданий до автомобилей, — и они по-своему продолжают традиции автоматонов. Среди самых новых, кроме коня-механоида, есть мотоцикл и родстер. Мотоцикл, как мне кажется, подойдет для первой сборки, ведь здесь меньше двух сотен деталей. Но к процессу все равно придется подойти со всей ответственностью: тщательно обрабатывать каждую деталь и внимательно смотреть в инструкцию, чтобы ничего не пропустить. А родстер и коня лучше оставить напоследок: надо набраться опыта и замахнуться на строительство заводного автомобиля из 437 деталей или животного из 410. Можно посоветовать разделить задачи среди взрослых участников сборки и решать их параллельно, а детям дать возможность аккуратно с помощью наждачки убирать неровности и обрабатывать детали свечей. Подходящее занятие для того, чтобы провести время с семьёй и друзьями. К тому же читатели Хабра могут купить любой конструктор Ugears со скидкой 40% — на сайте компании до 30 ноября действует промокод BLACK.