微軟放棄的游戲被他們復(fù)活了：Windows經(jīng)典「三維彈球」現(xiàn)實版，CAD建模、Arduino編程、數(shù)控機床打造，硬核致敬童年

金磊 賈浩楠 發(fā)自 凹非寺
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20年前，電腦還是大背頭的，「休閑小游戲」是屬于Windows的。

紙牌、掃雷、空當(dāng)接龍……滿滿的一波回憶殺。

最近，來自美國肯尼索州立大學(xué)(KSU)的4位小哥，就親自動手用開源電子原型平臺Arduino，從零開始復(fù)現(xiàn)了另一款Windows經(jīng)典小游戲——三維彈球?(3D Pinball)。

從3D建模，到代碼編寫，再到最后的動手施工，他們用最專業(yè)的手段向童年致敬。

正如其中一位小哥說的：

建造這樣一個項目，是我的童年夢想。

不僅如此，他們還把整個過程做了個教程——只要9步，你也可以打造一臺屬于自己的三維彈球。

把「三維彈球」搬到現(xiàn)實中

我們先來回憶一波這款經(jīng)典的Windows小游戲。

開局，球會從右下角的管道被彈出，然后就會在桌面自由滾動，碰到不同的障礙物會拿到不同的分數(shù)。

只要保證它不從底部中間的縫隙掉出去就可以。

(滿滿的童年回憶啊……)

那么，KSU幾位小哥打造的「三維彈球」，長啥樣？

模型是這樣的：

實物長這樣：

桌面布局可以說是完美復(fù)現(xiàn)了小游戲中的場景——從管道的位置，到障礙物的布局，各種細節(jié)“惟妙惟肖”。

嗯，有內(nèi)味道了。

實際上手玩耍又是種什么體驗？

再來看下近距離視角。

簡直一摸一樣有木有！

然而這臺機器還有更厲害的地方——全自動、多球。

看完是不是也想擁有一臺呢？

別著急，KSU的4位小哥寫了份超詳細教程，手把手教你如何打造現(xiàn)實版「三維彈球」。

9步，手把手教你打造現(xiàn)實版「三維彈球」

彈球機的主要功能模塊包括追蹤得分系統(tǒng)，多球彈珠機，還有自主啟動開關(guān)。上方有一個USB攝像頭，在自動運行模式下會持續(xù)地監(jiān)測彈球的位置，并根據(jù)球的位置指揮擊打器。

用到的工具和材料清單：

數(shù)控機床或激光切割機Dremel和砂紙烙鐵3D打印機Linux計算機USB攝像頭

大量的22/24 AWG線大量的熱縮線3/4英寸的膠合板（波羅的海樺木）一個電源降壓轉(zhuǎn)換器彈球組件（網(wǎng)上購買）

左右翻轉(zhuǎn)器組件2個翻轉(zhuǎn)式擊打器2個翻轉(zhuǎn)按鈕2個葉子開關(guān)保險杠總成2個彈弓組件至少6個星柱的彈弓至少2個2英寸的橡皮筋

發(fā)射器機制44號刺刀式燈場地中的障礙擲球器翻轉(zhuǎn)開關(guān)

Step 1：紙面設(shè)計和低成本試錯

設(shè)計中最可能出現(xiàn)的問題可能就是游戲機本身的尺寸限制和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安排，一些預(yù)想的彈球擊打方式實驗時才發(fā)現(xiàn)無法實現(xiàn)，所以需要先畫出設(shè)計草圖，然后在此基礎(chǔ)上不斷改進。

團隊在確定最終的游戲場地設(shè)計之前，經(jīng)歷了多次設(shè)計的修改和優(yōu)化，每一次改進，都在便宜的膠合板上做一個模型來測試，一步步靠近最終的設(shè)計。

一些經(jīng)驗教訓(xùn)：

進行模塊化設(shè)計，不同功能組件要能隨意放置和取消。不要自己設(shè)計滑輪，借鑒成熟的彈球游戲的場地設(shè)計，這樣能少走很多彎路。

Step 2：在SolidWorks上進行設(shè)計建模

彈球機的設(shè)計由兩個主要的子部分組成，運動場和支架。球場是標準尺寸——20.25 x42英寸2，由3/4英寸厚度的波羅的海樺木膠合板制成。

游戲場地包括一個由直徑為2英寸的亞克力管和3D打印的適配器組合而成的第二層。第二層有兩個主要功能。首先，第二層作為介質(zhì)，將球從上層球場直接輸送到左翻板內(nèi)側(cè)。球下落位置的可預(yù)測性，使得第二層成為一個的通道，此通道便于多球運動，這是其第二大功能。

當(dāng)坡道和左內(nèi)線上的翻轉(zhuǎn)開關(guān)背對背地觸發(fā)時，舵機會釋放出兩個球，這些球會下滾到第二層上方的兩個管子中的一個，與坡道射出的球發(fā)生碰撞。因此，在多球模式下，這些管子將球會送入第二層，進入入左邊的內(nèi)管。

3/4英寸膠合板厚度的選擇是為了給工程提供足夠的剛性，并允許在承重接頭處有更大的緊固件嚙合。選用波羅的海樺木作材料，因為它的質(zhì)量高，雜質(zhì)少，屬于硬木，不易損壞，易于使用激光雕刻，一般來說，對于較重的木制結(jié)構(gòu)是首選。

支架是游戲場地的安裝裝置，并容納了定制的電子裝置。電子裝置直接固定在底板上，延伸的延伸到游戲面板底部。通過觀察窗可以看到電子裝置在支架的兩側(cè)。

此外，該支架還可以通過側(cè)面的可拆卸的插銷對球場進行間距調(diào)節(jié)。游戲臺傾斜角度范圍為0-8度，每兩度設(shè)置一個調(diào)節(jié)檔位。更高的球道坡度可以使游戲節(jié)奏更快，難度更高。

Step 3：用數(shù)控機床或激光雕刻制作主體

盡管你可以手工切削出游戲臺的整體結(jié)構(gòu)，但這樣誤差交大，后續(xù)安裝連接多有不便，浪費材料。

這幾個美國小哥用一臺大型5軸數(shù)控機床進行銑削，最后再用木楔進行細節(jié)調(diào)整。

Step 4：電子器件和電源選擇

大多數(shù)彈球機的 “高壓 “在35V-48V的范圍，這取決于你買的電磁鐵的品牌，同時你要選擇一個能支持這種磁鐵線圈的電源。

其次，你需要考慮到 “低電壓 “的電源，用于給燈或其他較小的電器元件等東西供電。我們選擇的低電壓是6.3v的電壓，但這不一定是一成不變的。這要看你買的是什么LED，以及你是否用這個電源給其他的電器東西供電。一般6.3V應(yīng)該就可以滿足需要。

如果沒有低壓電源，那還需要一個降壓轉(zhuǎn)換器將高電壓（如48V）降到小元件的額定電壓。

此外，使用的元件的電阻大小，決定了電流大小。所以，電源總功率要視情況而定。

如果你的組件沒有達到正確的功耗額定值，這些元件在很短的時間內(nèi)產(chǎn)生很大的電流。

在這種情況下，單個擊打器內(nèi)部線圈可能會產(chǎn)生3-4安電流，兩個加起來8安培左右，會導(dǎo)致元件燒毀。

你應(yīng)當(dāng)計算出 “最壞的情況下 “的電流大小，然后給出一個合理的安全范圍，挑出一個對應(yīng)的電源。

Step 5：建立I/O接口電路

開關(guān)輸入部分：

開關(guān)輸入板負責(zé)將所有的值從游戲場地中讀入到Arduino。這個單獨的電路非常簡單，但需要對很多輸入進行放大處理。

因為Arduino有一個內(nèi)部的上拉電阻，所以你可以如上圖那樣接線。

這里最大的問題是要確保每個開關(guān)都有連接器，以防有一個開關(guān)因為某種原因單獨取出調(diào)試。

這個項目中使用了標準針腳連接，可以很容易地將所有的東西同時插入到Arduino中。

燈光控制部分：

電路由一個BJT晶體管（2n222222）、幾個電阻和LED組成。

晶體管作為一個數(shù)字 “開關(guān)”，可以打開或關(guān)閉，把它這個連接到前面提到的6.3v電源上，就得到了一個光源和單獨可尋址的LED。

不能直接將LED直接連接到Arduino上的原因是，Arduino無法提供多個LED要求的額定電流。

正確的辦法是把Arduino作為一個數(shù)字開關(guān)，控制BJT。這樣就可以將LED的數(shù)量擴大到我們需要的數(shù)量。

電磁控制部分：

總體思路與LED板相同：從Arduino發(fā)送一個信號，能夠打開/關(guān)閉任何一個電磁鐵(翻板、彈弓、彈出式保險杠)。因為這些元件比LED功率更大，所以需要一些更大的晶體管：MOSFET。

電路元件清單：

1k電阻10k電阻330電阻IRF44V MOSFET1N4004 二極管47微法電容

電磁鐵需要連接到48V的電壓才會啟動。

因為電感不能瞬間改變電流，這就帶來了一個問題。工作時，線圈會通過很高電流，而關(guān)閉時，如果沒有一個地方分散電流，可能會破壞元件，非常危險。

這里使RC緩沖器電路和二極管來解決這個問題。要使它們覆蓋盡量多的電磁控制并聯(lián)支路。

擊打器和其他線圈的電路略有不同。這是因為，在彈球游戲中，玩家有時會按住按鈕，以保持擊打器長時間啟動。如果要用同樣的功率線圈，很快就會燒毀。

在此電路中的第二個線圈可以實現(xiàn)快速第一次翻轉(zhuǎn)。一旦翻轉(zhuǎn)完成，一個機械機構(gòu)會打開EOS開關(guān)，迫使電流通過兩個線圈。

Step 6：組裝所有元件

根據(jù)你游戲場地的大小，焊接時間或長或短。這個項目花了大約兩天的時間焊接，并把所有器件安裝到位。

最終有5種連接器插到板子上：

高功率的螺線管電源與電磁鐵專用開關(guān)的連接與LED的連接與開關(guān)的連接一些輔助電源（5V、48V等）。

所有這些都插到了一個3D打印的連接板上，里面封裝了所有電路設(shè)備。當(dāng)需要開蓋檢測故障的時候，只需要拔掉5個大的連接器，然后把整個裝置舉起來。

Step 7：安裝Arduino軟件驅(qū)動

在這臺機器上，需要在與Arduino相連的計算機上安裝以下依賴項：

ROSrosserial_arduino ROS packageOpenCV (c++)TkinterApscheduler

整個軟件系統(tǒng)依靠ROS架構(gòu)作為后端來回傳遞消息。

四個主要節(jié)點在彈珠機運行在自主模式下時，進行異步通信，以控制彈珠機的流程。

這些節(jié)點分別是Input_Output.ino、track_metal.cpp、run_low_level.py和GUI.py。

當(dāng)不在自主模式下運行時，可以省略track_metal.cpp節(jié)點。

源代碼和詳細解釋在本項目的Github主頁放出。

Step 8：更改Pin、將代碼上傳到Arduino、更新USB攝像頭

如果你自己動手制作彈球機，并使用了本項目的源碼，要注意的是，你的Arduino的Pin需要更新兩處：Arduino/Input_Ouptut/Input_Ouptut.io，以及src/Classes/playfield.py。

此外還需要調(diào)整腳本，刪除對開關(guān)和LED的調(diào)用。

playfield.py會記錄有多少個項目，需要手動設(shè)置每個項目的Pin。

之后就可以將代碼上傳到Arduino中。此步驟必須安裝上一步中提到的rosserial_arduino，并正確設(shè)置Arduino IDE與ROS綁定。

最后，要做的是更新代碼中你自己使用的攝像頭名稱。只需在 src/Track/track_metal.cpp 中找到 “std::::string camera_metal.cpp “這一行：

“std::::string camera_string = “/dev/v4l/by-id/usb-046d_Logitech_Webcam_C930e_6D6BFE5E-video-index0”;”

將字符串更新為攝像機的名稱，可能是”/dev/v4l/by-id/“

所有步驟完成后，重新編譯才可以工作。

Step 9：玩起來吧！

如果一切正常，那么找到到 “啟動 “目錄，然后輸入 “roslaunch automatic_pinball_c.report

這行代碼啟動所有與彈球機相關(guān)的節(jié)點，包括GUI節(jié)點和跟蹤球的位置的節(jié)點。

此外，你可以使用’roslaunch manual_pinball.report’不運行任何自主部分，只體驗手動模式。

來自KSU畢業(yè)班的四位“造夢者”

那么，將童年回憶搬到現(xiàn)實的四位“造夢者”，都是何許人也？

Kevin Kamperman，今年畢業(yè)于KSU，目前正在佐治亞理工學(xué)院研究所實習(xí)，從事無人機相關(guān)的研究。

春季畢業(yè)的時候，Kevin Kamperman還被KSU評為今年的“榮譽畢業(yè)生”。

Cody Meier，同樣也是今年畢業(yè)于KSU，主修的專業(yè)是機械電子、機器人和自動化工程。

Omar Salazar和上一位小哥是同專業(yè)，也是主修機械電子、機器人和自動化工程。

他在采訪視頻中表示，這個項目加強了他在團隊合作方面的能力。

最后一位叫Tyler Gragg的小哥，可謂是“機器人制造”的狂熱愛好者，在個人介紹文字中，還特意寫道“Let’s Make Robots”，參與不少機器人項目。

Tyler也榮登了學(xué)校“光榮榜”。

嗯，是四位非常優(yōu)秀的“造夢者”了。

那些年，經(jīng)典的Windows小游戲

紙牌、掃雷、空當(dāng)接龍…….這些Windows經(jīng)典游戲至今仍然擁有眾多粉絲。

它們現(xiàn)在都何去何從了呢？

微軟如今把這些經(jīng)典游戲放在了WindowsStore中，然而「三維彈球」的就沒有那么幸運了。

其實，從Win7開始，微軟團隊將原先的軟件全部移植到64位系統(tǒng)中。

然而，「三維彈球」卻出現(xiàn)了嚴重bug，為了節(jié)省時間，微軟直接放棄了這個游戲。

但四位小哥的這個項目，卻賦予了這款經(jīng)典之作新的生命。

這個星球有趣的人可真多啊。

傳送門

現(xiàn)實版「三維彈球」項目地址：
https://www.instructables.com/id/Arduino-Pinball-Machine-That-Plays-Itself/

Github源代碼地址：
https://github.com/Tdoe4321/AutoPinball

通用彈球游戲設(shè)計制作教程：
https://howtobuildapinballmachine.wordpress.com

— 完 —

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