【名副其實的灌籃高手】軟體工程師打造「百發百中籃板」,背著身也能隨便投進 3 分球

(本文經合作夥伴 大數據文摘 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈閉著眼睛都能投進!3D 遙感、軌跡追踪,這個小哥做了個“百發百中”籃球框 〉。)

【我們為什麼挑選這篇文章】在每日繁忙工作之餘,你還會花時間做自己喜歡的專案嗎?美國軟體工程師 Shane Wighton 為機械工程背景出身,並繼續以電腦科學深造,今年三月他開設個人的  YouTube 頻道,在上面分享他 DIY 的專案,其中這個可自由移動的籃框近日獲得網友廣大回響,到底有多厲害?(責任編輯:賴佩萱)

《灌籃高手》的夢想每個男孩都有,不過,投球老進不去怎麼辦?

這不,除了自己勤學苦練技巧,一個名叫 Shane Wighton 的技術小哥想從「籃球框」入手,試試能不能讓它自己來接球。

投籃投不中只能狂撿球?百發百中籃板讓你信心大增

5 月份,一個「籃球投籃」的影片爆紅,瀏覽量接近 50 萬。不過讓這麼多人來看可不是因為 Shane 的投籃技巧,而是因為這個籃框實在是太特別了:只要你能擊中籃板,這個籃板就能透過神奇的力量讓球進框!網友們親切的給它去了個名字—— 百發百中籃板。

這版籃板上的每個弧線角度都經過了精密的計算,利用了蒙特卡羅法和最小二乘法,大幅提高進球率。影片裡 Shane 最初的想法非常簡單,就是覺得要做一個「曲面」的籃板,讓打在上面的球都能被彈到籃框里。

不管你投中籃板的哪裡,球都能靠著曲面籃板,順利進框。

不過,Shane 對這個命中率並不滿意,畢竟這球還是要先砸在籃板上,還不是真正的「百發百中」。於是下一版影片裡,他就又更新了裝備,利用電腦視覺和軌跡追蹤,製造了一個可以上下左右靈活移動的籃板。

你沒聽錯,這是個能主動為你的球調整自己位置的籃框,就像這樣:

這個籃板的後面安裝了 3 個微型電機,每個電機控制一個連桿,因此這個籃板有三個自由度。同時,這個籃板還安裝了攝影機,可以識別擊球人,只讓固定的人進球;並且透過軌跡追蹤,在球脫手的短時間內做出判斷,如何調整位置才能增加進球率。

因為有了一定的挪動範圍,這個籃框讓接球的半徑範圍擴大了不少,也讓「百發百中」更加名副其實了。

不過,小範圍的挪動還是沒能滿足小哥,畢竟有些球偏得太遠,連球框的邊都碰不到。他希望做一個活動範圍更大的籃板,能夠做到在籃球不觸碰到籃板的情況下,直接完美進球。

最近,Shane 重新更新了這只籃板的設計,這次,籃板可以在整面牆自由挪動了!

自由移動的籃框怎麼做?

讓球框配合遙感相機移動,做個自由移動的籃球框這麼難嗎?

在開始整個計畫之前,我們先把整個思路理一遍。首先,需要一個 3D 遙感相機,負責監看整個場地,包括球的運動軌跡,然後籃球框追蹤籃球,自動地上下左右移動,實現完美投籃。

最最關鍵的就是這個能夠自由移動的籃框了,為了加快球框的運動速度,Shane 盡可能少地用到一些重的材料,整體輕便才是一個靈活的的球框該有的樣子。

不過要讓它自由移動也沒有那麼容易,這需要支撐籃框的橫豎兩軸足夠靈活和耐力,Shane 選擇了兩根長炭纖維棒作為兩軸。其餘的滑輪和防滑釘之類的裝備也無需專門購買,可以用 3D 列印加工製成,安裝在兩軸上。

兩軸端接上一個超重電機,這些電機具有超強的扭矩,這也是球框得以快速運動的關鍵。

但是這帶來了一個問題,用於保證電機靜止的皮帶可能會因為過度的摩擦繃斷。現在 Shane 用了一條完整的長皮帶,在背板上下也都進行了連接,要讓球框傾斜接球的話,需要這樣一推一拉搭配進行。

不過,還需要考慮的一點是,如果球框向上移動,根據運動規律,球框會自然向下垂,同時,不管是移動傾斜馬達還是位置馬達,球框都會根據慣性移動,不會保持在自然狀態。

停,我們先模擬計算一下?線性代數在這裡就派上用場了。

關於程式碼的部分,Shane 也在之前的基礎上進行了修訂和調整,來適應最新的要求。

不過,在進行最終的測試前,我們先來看看把這個自動籃球框的所有零件組裝起來之後會發生什麼,比如,我們現在試著讓它移動 5 mm:

emmm 別慌,小場面,只是皮帶黏合處斷了而已。經過了幾天的修復和整理,終於,我們能看到黑眼圈超重的 Shane,和一個正常移動的籃球框了。

讓遙感相機追蹤所有投籃訊息,命中率更高

接下來就需要對遙感相機動手了。現在,雖然遙感相機能夠告訴你一些距離訊息,但它還不能辨別方向,也不認識球框:

為了解決這個問題,Shane 做了一個校準程序,讓相機去主動識別球框牆面以及地面,然後選中球框為中心位置。

為了確保萬無一失,實際測量全都是 Shane 自己手動完成的。

好了,差不多就完成了,我們現在來測試一下:

????

而且系統也顯示已擊中:

但是籃球框完全沒有移動。費了好久的勁,怕不是做了個寂寞……不過好在,經過一番檢查,Shane 發現其實不是球框沒移動,而是移動太慢了:

因為他把數量單位弄錯了!切換回來之後,我們可以看到球框的移動速度終於可以跟上球了。

不過還剩下最後一步,你可能也注意到了,這個球框其實還沒有裝上真正的球框。

Shane 用超輕的玻璃纖維和泡沫製作了背板,籃圈也選擇了超輕的材料,既保證了硬度又保證了重量。

這下終於算是完成了,我們來膽戰心驚地看看效果如何,我們來看個特寫機位:

甚至,背著身也能隨便投籃 3 分笑傲全場。

coooooooool!!

Shane Wighton 是何方神聖?

2011 年,Shane Wighton 從北卡羅來納大學夏洛特分校畢業,讀的是機械工程專業,隨後他繼續在母校獲得了電腦科學碩士學位。從 2012 年至今,他一直在 3D 列印技術開發商和製造商 Formlabs 公司擔任軟體工程師,也有自己的團隊。

Shane 是一位才華橫溢、熱愛製造的工程師,在他看來,創造各種各樣的事物,並用有趣的方式來分享是一件很快樂的事情。雖然他的大部分作品是一些製造項目,不過他也寫軟體、製作電子設備等。

Shane 把他平時製作的小項目都以影片形式發表在了 YouTube 上,除了「百發百中的籃板」系列,他還為幫助盲人避障在 iPad 上做了一款便於在室內行走的工具:

iPad 上配置了一個像保溫杯一樣的東西,其實這可是整個導航系統的關鍵,包含微處理器、藍牙連接模塊,以及馬達驅動器。

疫情期間,Shane 還突發奇想做了一款可以足不出戶就能剪髮的機器人。

在影片中,Shane 介紹到,這個剪頭髮機器人總共由三個部位組成:類似於人的手指,用來夾住要剪的頭髮;用來控制剪刀移動的部分;用來操作剪刀的部分。在髮型設計上,他還利用 3D 建模,用顏色的深淺表示頭髮的長度,比如讓機器人知道劉海應該橫著剪,耳邊周圍的頭髮要沿著耳朵剪。

這樣的剪髮機器人,不知道你敢不敢用呢~

Shane 於 2020 年 3 月開通了自己的 YouTube 頻道 ,現在粉絲已經有 82 萬了!另外,他首頁已有不少作品,對於一個「硬核」發明創造的 YouTube 經營者來說,更新頻率已經很感人了!

感興趣的朋友可以去他的主頁看看!

(本文經合作夥伴 大數據文摘 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈閉著眼睛都能投進!3D 遙感、軌跡追踪,這個小哥做了個“百發百中”籃球框 〉。)

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