縮時影片專用運動控制攝影機滑軌

十二月 19, 2017
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自從我弄到一臺能縮時攝影的攝影機開始,我就一直很喜歡拍縮時,因為縮時能把世俗變成超現實,例如讓我們看見肉眼無法觀察的緩慢變化,或透過加速看見日常生活的雜亂本質。我甚至會隨身攜帶小型三角架,這樣有短暫空檔都可以用手機來拍。
讓縮時影片更進一步的最好方法是拍攝過程中移動攝影機,但如果沒有高檔的運動控制器,這並不容易。幾年前我設計出讓攝影機拍攝縮時的同時擺鏡(pan)的裝置,很好用,但我真正想要的是讓攝影機拍攝過程中穿梭空間的能力。這幾年歷經許多思慮不周或半途而廢的原型,我終於成功了。
這款運動控制滑軌能拍攝5分鐘到8小時的縮時影片,長度大約500mm,它的控制單元、馬達和滑軌機構都完全自足,不需要任何其他裝置來控制動作。

  • 時間:8~16小時 (一個週末)
  • 難度:中等
  • 成本:120美元

列印

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列印出的所有零件:驅動盤、傳動盤、托架、外殼及按鈕。
這個專題有好幾個要列印的零件,而且都相當大,所以最好從它們開始下手。列印檔案可以從GitHub下載。全部的零件都用PLA列印,維持尺寸的精確度,並且用0.8mm噴嘴,縮短列印時間並提升零件的強度。我的列印設定採用3層壁面和35%立體填充,成品相當堅固。
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大型零件不需要很漂亮,只要強度夠。用0.8mm噴嘴可以提升強度和速度。
「驅動盤」要用0.4mm噴嘴列印,有助於維持細節精密度。步進馬達在運轉時會達到相當高溫,所以最好用ABS或HTPLA等耐熱材質來列印。馬達的高溫足以讓它軟化到手可以彎折,但不至於損壞。雖說如此,它仍是可能隨時間損壞的耗材。

焊接

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焊上排針和端子的三塊電路板。
首先把排針焊接到電路板上。OLED Featherwing搭配的是標準的焊接排針,腳位朝下。焊接時可以用一塊麵包板來幫助所有東西對齊,效果很棒。把馬達控制器的端子按壓在一起再焊接到電路板上。馬達控制器還有幾處需要接線。
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按壓開關(黃)和限位開關(紅)焊接到馬達控制器底面。
把一段短線焊接到第11腳位供限位開關使用,另一條焊接到第6腳位供瞬時按鈕開關使用。接著把堆疊式排針裝到馬達板上。最後,把兩個開關的2條接地線焊接到原型板的接地軌,接著裝上堆疊式排針,並修剪掉突出電路板底部的針腳。
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接線完成的馬達控制器。
把DC插孔和一對短線焊接。把兩條線的另端剝線並上錫,再固定於馬達驅動板的端子臺。以紅、黃、綠、灰的順序把馬達接到馬達板的第2頻道。如果使用不同的馬達,線路會有不同顏色,這時就要自己辨識線圈配對,可以參考這裡的教學

組裝

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把1/4 20螺帽壓入兩塊底板。
依以下的順序來組裝3D列印零件。首先把兩個¼ 20螺帽壓入兩塊底板上的插孔。這些插孔刻意設計地相當緊,所以如果很難壓進去,可以從底板的底面旋入螺栓,用它把螺帽拉進孔中,把螺帽裝穩後再把螺栓旋出。
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裝在驅動盤上的馬達及限位開關。
用四根m3螺絲把馬達固定在驅動底板,接著用2.5螺絲把極限開關裝到同一塊底板。用相同的m3螺絲把32u4原型板固定在底板上。把聯軸器(shaft coupler)裝到馬達轉軸上,這時要把其中一根固定螺絲和馬達轉軸上平坦的點對齊。接著用m5螺絲把軸承和滑桿托架固定在底板。
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用m2.5螺絲固定的原型板。
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裝在驅動盤上的軸承和滑桿托架。
接著組裝相機座。把⅜”螺栓壓入底面並讓栓頭進入六角形凹槽。接著把導螺帽壓入相機座的前方。這個地方很緊,可以用老虎鉗來協助。
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裝上零件的相機座。注意其中一側m4螺絲是鬆的。
用老虎鉗施力時,拿一些廢木材來保護導螺帽。把線性軸承用m4螺絲固定,但其中一邊不要旋緊,這樣有助於滑桿的對齊。把導螺絲旋入螺帽,接著把滑桿插入線性軸承。
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裝在相機座上的導螺絲和滑桿。
把螺紋滑桿穿過軸承,插入聯軸器,然後沿著滑桿進入驅動盤上的托架。最後,把導螺絲和滑桿插入另一塊驅動盤上的軸承和托架。把所有零件鎖緊,確保都整齊垂直,最後把托架上剩下的螺絲旋緊。
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全部都安裝完成!

程式碼

這時候馬達控制器和OLED板必須已依序裝在原型板上。草稿碼可以到這個專題的Repo下載,接著透過Arduino IDE把程式碼上傳到開發板。OLED螢幕和馬達控制器可能需要安裝幾個資料庫來支援。程式碼啟動後,首先會看到的是馬達的定位程序。按限位開關來確保定位程序的完成。完成後,用12V電源來驅動馬達,並以重設按鍵來重新啟動開發板。讓托架自行定位,接著以毫米為單位測量從托架到另一端滑桿托架的距離。把這個距離乘以25,接著把得到的數值代入接近程式碼開頭的變數spanLength

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再次上傳程式碼,接著放上電子元件的外殼,接上DC插孔和按鈕,並用3m2.5螺栓從底板底面固定外殼。

使用

啟動滑軌時,它會先執行定位程序,之後只要調整縮時錄影時間長度的計時器就能開始拍攝了。拍攝程序開始後,會看到進度條和倒數計時器。程序完成時,托架會重新定位並再次啟動。如果設置有錯,只要按下外殼上方的孔內的重設按鍵。

更進一步

我很高興終於完成這個專題,但還是有幾個地方我想要改良。導螺絲傳動系統非常可靠,但如果要在麥克風附近拍即時攝影,聲音就太大了。我想試試看使用馬達緩衝或皮帶傳動系統會不會改善噪音。馬達在運作中也會達到高溫,這讓我有點擔心。它會達到攝氏60度左右,已經夠燙手了。我也想要只用12V電源插孔來供電,而不需要另外插USB電源。除此之外當然還有更多進步空間。
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