Nízkonákladový kresliaci robot kompatibilný s Arduino: 15 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Poznámka: Mám novú verziu tohto robota, ktorý používa dosku s plošnými spojmi, jeho konštrukcia je jednoduchšia a má detekciu IR prekážok! Pozrite sa na to na

Tento projekt som navrhol pre 10-hodinový workshop pre ChickTech.org, ktorého cieľom je zoznámiť dospievajúce ženy s témami STEM. Ciele tohto projektu boli:

• Ľahko sa stavia.
• Jednoduché programovanie.
• Urobil niečo zaujímavé.
• Nízke náklady, aby si ich účastníci mohli vziať domov a pokračovať v učení.

S ohľadom na tieto ciele bolo uvedených niekoľko možností dizajnu:

• Kompatibilné s Arduino pre jednoduché programovanie.
• Napájanie z batérie 4xAA za cenu a dostupnosť.
• Krokové motory pre presný pohyb.
• 3D tlač pre ľahké prispôsobenie.
• Kreslenie perom s grafikou Turtle pre zaujímavý výstup.
• Open Source, aby ste si mohli vytvoriť svoj vlastný!

Tu je robot, ktorý sa najviac priblížil tomu, čo som chcel urobiť: https://mirobot.io. Nemám laserovú rezačku a preprava z Anglicka bola neúnosná. Mám 3D tlačiareň, takže hádam vidíte, kam to ide…

Nenechajte sa odradiť nedostatkom 3D tlačiarne. Miestnych nadšencov, ktorí vám chcú pomôcť, nájdete na

Tento projekt je licencovaný spoločnosťou Creative Commons a využíva 3D diely na základe návrhov iných (ako je uvedené v nasledujúcej časti), z ktorých najviac obmedzuje koleso, ktoré je nekomerčné. To znamená, že tento projekt musí byť tiež nekomerčný. Nebuď ten chlap.

Krok 1: Diely

Existuje niekoľko spôsobov, ako poháňať, riadiť a ovládať roboty. Môžete mať k dispozícii rôzne diely, ktoré budú fungovať, ale tieto som vyskúšal a zistil som, že fungujú dobre:

Elektronika:

• 1- *Adafruit Pro Trinket 3V- adafruit.com/products/2010

  • Hardvér pod licenciou CC BY-SA
  • Softvér (bootloader) pod licenciou GPL
• 2- Krokový 5V prevodník- adafruit.com/products/858
• 1- Ovládač Darlington ULN2803 - adafruit.com/products/970
• 1- Breadboard polovičnej veľkosti- adafruit.com/products/64
• 16- Mužsko-mužské prepojky- adafruit.com/products/759
• 1- Micro servo- adafruit.com/products/169
• 1 - Posuvný prepínač SPDT - adafruit.com/product/805 alebo www.digikey.com/product-detail/en/EG1218/EG1903-ND/101726
• 1- Hlavička kolíka- digikey.com/short/t93cbd
• 2- 2 x držiak AA- digikey.com/short/tz5bd1
• 1- mikro kábel USB
• 4- AA batérie

*Poznámka: V poslednom kroku si pozrite diskusiu o používaní bežných dosiek Arduino alebo Raspberry Pi.

Hardvér:

• 2- 1 7/8 "ID x 1/8" O-ring- mcmaster.com/#9452K96
• 1- Caster 5/8 "ložisko- mcmaster.com/#96455k58/=yskbki
• 10- Skrutka s plochou hlavou M3 x 8 mm- mcmaster.com/#92005a118/=z80pbr
• 4- Skrutka s plochou hlavou M3 x 6 mm- mcmaster.com/#91420a116/=yskru0
• 12- M3 Nut- mcmaster.com/#90591a250/=yskc6u

3D tlačené diely (ak nemáte prístup k tlačiarni, navštívte stránku www.3dhubs.com):

• 1 x koliesko s guličkovými ložiskami - thingiverse.com/thing:1052674 (na základe práce onebytegone, CC BY -SA 3.0)
• 1 x Chassis - thingiverse.com/thing:1053269 (pôvodné dielo Maker's Box, CC BY -SA 3.0)
• 2 x Wheels - thingiverse.com/thing:862438 (podľa práce Marka Bensona, CC BY -NC 3.0*)
• 2 x kroková konzola - thingiverse.com/thing:1053267 (podľa práce jbeale, CC BY -SA 3.0)
• 1 x držiak na pero / držiak na servo - thingiverse.com/thing:1052725 (pôvodné dielo Maker's Box, CC BY -SA 3.0)
• 1 x Pen Collar - thingiverse.com/thing:1053273 (pôvodné dielo Maker's Box, CC BY -SA 3.0)

* Poznámka: CC BY-NC je nekomerčná licencia

Nástroje a zásoby:

• Skrutkovač Phillips
• Horúca lepiaca pištoľ
• Digitálny multimetr
• Ostrý nôž
• Crayola farebné fixky

Krok 2: Flash firmvéru

Než sa dostaneme príliš ďaleko k konštrukcii, nahrajme testovací firmvér do mikrokontroléra. Testovací program kreslí iba boxy, aby sme mohli skontrolovať správny smer a rozmery.

Na rozhovor s Trinket Pro budete potrebovať:

1. Ovládač z
2. Softvér Arduino z

Lady Ada a tím Adafruit vytvorili v odkazoch vyššie oveľa lepší súbor pokynov, ako môžem poskytnúť. Ak ste uviaznutí, použite ich.

Poznámka: Jeden trik, ktorým sa Trinket líši od bežného Arduina, je, že pred nahraním náčrtu musíte resetovať dosku.

Krok 3: Držiak pera a držiaky batérie

1. Nainštalujte držiak pera so servopohonom na kratšiu stranu šasi (obrázok 1).
2. Vložte matice na hornú stranu šasi (obrázok 2)
3. Upevnite držiaky batérie na spodok šasi pomocou skrutiek s plochou hlavou 3 mm x 6 mm (obrázky 3 a 4).
4. Prevlečte vodiče batérie cez obdĺžnikové káble (obrázok 4 a 5).
5. Opakujte pre druhý držiak batérie.

Poznámka: Pokiaľ nie je uvedené inak, zvyšné časti skrutiek sú skrutky s krížovou hlavou 3Mx8 mm.

Krok 4: Kolesá

1. Otestujte, či je vaše koleso upevnené na krokovom hriadeli (obrázok 1).

   1. Ak je príliš tesný, môžete náboj kolesa zahriať sušičom vlasov alebo teplovzdušnou pištoľou a potom zasunúť hriadeľ.
   2. Ak je príliš voľný, môžete ho pomocou skrutky 3 x 8 mm pripevniť k rovine hriadeľa (obrázok 2).
   3. Ak ste perfekcionista, môžete svoju tlačiareň kalibrovať a získať ju tak, ako má.
2. O-krúžok umiestnite okolo ráfika kolesa (obrázky 3 a 4).
3. Opakujte pre druhé koleso.

Krok 5: Krokové podložky

1. Vložte maticu do krokového držiaka a pomocou skrutky ich pripevnite k hornej časti šasi (obrázok 1).
2. Vložte stepper do držiaka a prichyťte ho skrutkami a maticami.
3. Opakujte pre druhú zátvorku.

Krok 6: Koliesko

1. Vložte guľkové ložisko do kolieska.

   Netlačte naň násilím, inak sa zlomí. V prípade potreby materiál zmäkčte sušičom vlasov alebo teplovzdušnou pištoľou

2. Koliesko pripevnite k spodnej strane šasi pred držiakom batérie.

Krok 7: Breadboard

1. Odstráňte jednu z napájacích koľajničiek pomocou ostrého noža a prerežte spodné lepidlo (obrázok 1).
2. Podržte dosku na lištách podvozku a označte, kde pretínajú okraj (obrázok 2).
3. Rovným okrajom (ako odstránená napájacia lišta) označte čiary a prerežte podložku (obrázok 3).
4. Položte nepájivú dosku na podvozok tak, aby sa koľajnice dotýkali odhaleného lepidla (obrázok 4).

Krok 8: Napájanie

1. Umiestnite mikrokontrolér, ovládač darlingtonu a sieťový vypínač na dosku na chlieb (obrázok 1).

   • Pridal som oranžové bodky pre viditeľnosť, aby som označil nasledujúce:

     • Pin 1 vodiča darlingtonu.
     • Kolík batérie mikroradiča.
     • Poloha vypínača „zapnutá“.

2. S pravým káblom batérie:

   1. Pripojte červenú čiaru k prvému kolíku vypínača (obrázok 2).
   2. Pripojte čierny vodič do prázdneho radu medzi mikrokontrolérom a čipom darlington (obrázok 2).

3. S ľavými káblami batérie:

   1. Pripojte červenú čiaru k rovnakému radu ako čierny vodič druhej batérie (obrázok 3).
   2. Pripojte čiernu čiaru k zápornej lište nepájivého poľa (obrázok 3).

4. Pripojte napájanie k mikrokontroléru:

   1. Červený prepojovací mostík z kladnej koľajnice na kolík batérie (oranžová bodka, obrázok 4).
   2. Čierny prepojovací mostík zo zápornej lišty na kolík označený „G“(obrázok 4).
5. Vložte batérie a zapnite napájanie. Mali by ste vidieť rozsvietenie zeleného a červeného svetla ovládača (obrázok 5).

Riešenie problémov: Ak sa kontrolky mikrokontroléra nerozsvietia, ihneď vypnite napájanie a odstraňujte problémy:

1. Batérie vložené v správnej orientácii?
2. Dvakrát skontrolujte umiestnenie káblov batérie.
3. Dvakrát skontrolujte umiestnenie vodičov spínača.
4. Pomocou multimetra skontrolujte napätie batérií.
5. Na kontrolu napätí napájacej lišty použite multimetr.

Krok 9: Hlavičky a servo zapojenie

Samčie kolíkové kolíky nám umožňujú pripojiť 5-kolíkové servo konektory JST k napájaniu a darlingtonovmu ovládaču (obrázok 1):

1. Prvá 5-kolíková hlavička začína jeden rad pred vodičom darlingtonu.
2. Druhá hlavička serva by sa potom mala zarovnať s koncom vodiča darlingtonu.

Predtým, ako sa zapojenie skomplikuje, nechajte zapojiť servo:

1. Pridajte 3-kolíkový konektor pre servo na pravý okraj prednej časti nepájivej dosky (obrázok 2).
2. Pridajte červený jumper zo stredového kolíka na pozitívnu stranu napájacej lišty.
3. Pridajte čierny alebo hnedý jumper z vonkajšieho kolíka na negatívnu stranu napájacej lišty.
4. Pridajte farebný mostík z vnútorného kolíka na pin 8 mikrokontroléra.
5. Nainštalujte servo roh s hriadeľom do polohy v smere hodinových ručičiek a ramenom siahajúcim k kolu na pravej strane (obrázok 3)
6. Nainštalujte servo do držiaka pera pomocou skrutiek serva (obrázok 3).
7. Pripojte servo konektor zarovnaním farieb (obrázok 4).

Krok 10: Ovládanie stepperom

Čas na napájanie vodiča pre darlingtonský driver a steppery, ktoré budú poháňané priamo z batérie:

1. Pripojte čierny alebo hnedý jumper z pravého dolného kolíka darlingtonu na negatívnu stranu napájacej lišty (obrázok 1).
2. Pripojte červený mostík z pravého horného kolíka darlingtonu k kladnej strane napájacej lišty.
3. Pripojte červený prepojovací mostík z ľavého horného kolíkového konektora na kladnú stranu napájacej lišty (obrázok 2).
4. Pripojte konektor ľavého krokového ovládača k záhlaviu kolíka na ľavej strane červeným káblom na pravej strane (obrázok 3).
5. Pripojte pravý konektor steppera k záhlaviu kolíka na pravej strane čítacím káblom na ľavej strane.

Poznámka: Červený vodič konektora steppera je napájací a mal by zodpovedať červeným vodičom na doske.

Krok 11: Krokové ovládanie (pokračovanie)

Teraz pripojíme krokové signálne vodiče z mikrokontroléra k vstupnej strane vodiča darlingtonu:

1. Začnite pinom 6 mikrokontroléra a zapojte vodiče pre štyri riadiace prepojky pre ľavý krokový motor (obrázok 1).
2. Priraďte tieto prepojky k vstupnej strane darlingtonu napravo. Všetky farby by sa mali zhodovať s výnimkou zelenej, ktorá sa zhoduje s ružovým drôtom steppera (obrázok 2).
3. Začnite pinom 13 mikrokontroléra a zapojte vodiče pre štyri riadiace prepojky pre pravý krokový motor (obrázok (3).
4. Priraďte tieto prepojky k vstupnej strane darlingtonu vľavo. Všetky farby by sa mali zhodovať s výnimkou zelenej, ktorá sa zhoduje s ružovým drôtom steppera (obrázok 3).

Krok 12: Testovanie a kalibrácia

Našťastie ste už firmvér nahrali v kroku 2. Ak nie, urobte to teraz.

Testovací firmvér opakovane kreslí štvorec, aby sme mohli kontrolovať smer a presnosť.

1. Umiestnite robota na hladký, rovný a otvorený povrch.
2. Zapnite napájanie.
3. Sledujte, ako váš robot kreslí štvorce.

Ak na mikrokontroléri nevidíte svetlá, vráťte sa a skúste problém s napájaním ako v kroku 8.

Ak sa váš robot nehýbe, dvakrát skontrolujte napájacie pripojenia k darlingtonskému ovládaču v kroku 9.

Ak sa váš robot pohybuje nepravidelne, v kroku 10 dvakrát skontrolujte kolíkové spoje mikrokontroléra a ovládača darlingtonu.

Ak sa váš robot pohybuje v približnom štvorci, je načase odložiť papier a vložiť doň pero (obrázok 1).

Vaše kalibračné body sú:

float wheel_dia = 66,25; // mm (nárast = špirála von)

float wheel_base = 112; // mm (nárast = špirála v) int kroky_rev = 128; // 128 pre 16x prevodovku, 512 pre 64x prevodovku

Začal som s nameraným priemerom kolesa 65 mm a vidíte boxy otáčajúce sa dovnútra (obrázok 2).

Zvýšil som priemer na 67 a vidíte, že sa otáča smerom von (obrázok 3).

Nakoniec som prišiel na hodnotu 66,25 mm (obrázok 4). Môžete vidieť, že stále existuje určitá inherentná chyba spôsobená bičovaním prevodových stupňov a podobne. Dosť blízko na to, aby ste urobili niečo zaujímavé!

Krok 13: Zdvíhanie a spúšťanie pera

Pridali sme servo, ale nič sme s ním neurobili. Umožňuje zdvihnúť a spustiť pero, aby sa robot mohol pohybovať bez kreslenia.

1. Nasaďte obojok na pero (obrázok 1).
2. Ak je uvoľnený, prilepte ho páskou na miesto.
3. Keď je rameno servo spustené, skontrolujte, či sa dotkne papiera.
4. Skontrolujte, či sa pri zdvihnutí nedotkne papiera (obrázok 2).

Uhly serva je možné nastaviť buď odstránením klaksónu a jeho opätovným umiestnením, alebo pomocou softvéru:

int PEN_DOWN = 170; // uhol serva, keď je pero dole

int PEN_UP = 80; // uhol serva, keď je pero hore

Príkazy pera sú:

penup ();

pendown ();

Krok 14: Bavte sa

Dúfam, že ste to dotiahli tak ďaleko bez priveľa nadávok. Dajte mi vedieť, s čím ste zápasili, aby som mohol vylepšiť pokyny.

Teraz je čas preskúmať. Ak sa pozriete na testovací náčrt, uvidíte, že som vám poskytol niekoľko štandardných príkazov „Korytnačka“:

dopredu (vzdialenosť); // milimetre

dozadu (vzdialenosť); vľavo (uhol); // stupne vpravo (uhol); penup (); pendown (); hotový(); // uvoľnite stepper, aby ste ušetrili batériu

Pomocou týchto príkazov by ste mali byť schopní urobiť čokoľvek, od kreslenia snehových vločiek alebo písania svojho mena. Ak potrebujete pomoc so začiatkom, pozrite sa na:

• https://code.org/learn
• https://codecombat.com/

Krok 15: Iné platformy

Dalo by sa tento robot vykonať s bežným Arduinom? Áno! Išiel som s Trinketom kvôli nízkym nákladom a malým rozmerom. Ak predĺžite dĺžku podvozku, na jednu stranu sa vám zmestí bežné Arduino a na druhú dosku na chlieb (obrázok 1). Malo by to fungovať pin-for-pin s testovacím náčrtkom a navyše sa teraz môžete dostať k sériovej konzole na ladenie!

Dalo by sa tento robot vykonať s Rasberry Pi? Áno! Toto bol môj prvý riadok skúmania, pretože som chcel programovať v Pythone a ovládať ho cez web. Rovnako ako vyššie uvedené Arduino v plnej veľkosti, umiestnite Pi na jednu stranu a dosku na bočnú stranu (obrázok 2). Napájanie sa stáva hlavným záujmom, pretože štyri AA ho nezastavia. Pri stabilných 5 V musíte poskytnúť prúd asi 1 A, inak váš modul WiFi prestane komunikovať. Zistil som, že model A je na tom so spotrebou energie oveľa lepšie, ale stále riešim, ako dodať spoľahlivé napájanie. Ak na to prídete, dajte mi vedieť!