Niedrogi robot do rysowania kompatybilny z Arduino: 15 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Uwaga: Mam nową wersję tego robota, która wykorzystuje płytkę drukowaną, jest łatwiejsza do zbudowania i ma wykrywanie przeszkód IR! Sprawdź to na

Zaprojektowałam ten projekt na 10-godzinne warsztaty dla ChickTech.org, których celem jest przybliżenie nastoletnim kobietom tematyki STEM. Celami tego projektu były:

• Łatwy w budowie.
• Łatwy do zaprogramowania.
• Zrobiłem coś interesującego.
• Niski koszt, aby uczestnicy mogli zabrać go do domu i kontynuować naukę.

Mając na uwadze te cele, oto kilka opcji projektowych:

• Kompatybilny z Arduino dla ułatwienia programowania.
• Zasilanie bateryjne 4xAA dla kosztów i dostępności.
• Silniki krokowe zapewniają dokładny ruch.
• Druk 3D dla łatwej personalizacji.
• Pisanie pisakiem z grafiką Turtle dla ciekawych wyników.
• Open Source, dzięki czemu możesz stworzyć swój własny!

Oto robot, który był najbliższy temu, co chciałem zrobić: https://mirobot.io. Nie mam wycinarki laserowej, a wysyłka z Anglii była zaporowa. Mam drukarkę 3D, więc myślę, że widzisz, dokąd to zmierza…

Nie daj się zniechęcić brakiem drukarki 3D. Lokalnych hobbystów, którzy chcą Ci pomóc, możesz znaleźć na stronie

Ten projekt jest objęty licencją Creative Commons i wykorzystuje części 3D oparte na projektach innych osób (jak wskazano w następnej sekcji), z których najbardziej restrykcyjnym jest koło, które jest niekomercyjne. Oznacza to, że ten projekt musi być również niekomercyjny. Nie bądź tym facetem.

Krok 1: Części

Istnieje wiele sposobów zasilania, sterowania i sterowania robotami. Możesz mieć pod ręką różne części, które będą działać, ale wypróbowałem te, które sprawdzają się dobrze:

Elektronika:

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

  • Sprzęt na licencji CC BY-SA
  • Oprogramowanie (Bootloader) na licencji GPL
• 2- Geared 5V Stepper - adafruit.com/products/858
• 1- ULN2803 Darlington Driver - adafruit.com/products/970
• 1- Płytka chlebowa półwymiarowa- adafruit.com/products/64
• 16- Swetry męskie-męskie – adafruit.com/products/759
• 1- Micro servo-adafruit.com/products/169
• 1 - Przełącznik suwakowy SPDT - adafruit.com/product/805 lub www.digikey.com/product-detail/en/EG1218/EG1903-ND/101726
• 1- Męski nagłówek pinowy- digikey.com/short/t93cbd
• 2- 2 x uchwyt AA - digikey.com/short/tz5bd1
• 1-kabel micro USB
• 4-Baterie AA

*Uwaga: Zobacz ostatni krok do dyskusji na temat używania zwykłych płyt Arduino lub Raspberry Pi.

Sprzęt komputerowy:

• 2- 1 7/8" ID x 1/8" O-ring - mcmaster.com/#9452K96
• 1- Łożysko kółka 5/8" - mcmaster.com/#96455k58/=yskbki
• 10- Śruba z łbem stożkowym ściętym M3 x 8 mm – mcmaster.com/#92005a118/=z80pbr
• 4- Śruba z łbem płaskim M3 x 6mm – mcmaster.com/#91420a116/=yskru0
• 12- Nakrętka M3 – mcmaster.com/#90591a250/=yskc6u

Części drukowane w 3D (sprawdź www.3dhubs.com, jeśli nie masz dostępu do drukarki):

• 1 x kółko z łożyskiem kulkowym - thingiverse.com/thing:1052674 (na podstawie pracy onebytegone, CC BY-SA 3.0)
• 1 x Chassis - thingiverse.com/thing:1053269 (oryginalne dzieło Maker's Box, CC BY-SA 3.0)
• 2 x Koła - thingiverse.com/thing:862438 (na podstawie pracy Marka Bensona, CC BY-NC 3.0*)
• 2 x wspornik krokowy - thingiverse.com/thing:1053267 (na podstawie pracy jbeale, CC BY-SA 3.0)
• 1 x obsadka do pióra / wspornik serwo - thingiverse.com/thing:1052725 (oryginalna praca Maker's Box, CC BY-SA 3.0)
• 1 x kołnierz na długopis - thingiverse.com/thing:1053273 (oryginalne dzieło Maker's Box, CC BY-SA 3.0)

* Uwaga: CC BY-NC jest licencją niekomercyjną

Narzędzia i materiały:

• Śrubokręt krzyżakowy
• Pistolet na gorący klej
• Cyfrowy multimetr
• Ostry nóż
• Kolorowe markery Crayola

Krok 2: Zaktualizuj oprogramowanie układowe

Zanim przejdziemy zbyt daleko w budowę, załadujmy testowe oprogramowanie do mikrokontrolera. Program testowy po prostu rysuje dla pudełek, dzięki czemu możemy sprawdzić właściwy kierunek i wymiar.

Aby porozmawiać z Trinket Pro, będziesz potrzebować:

1. Sterownik z
2. Oprogramowanie Arduino z

Lady Ada i zespół Adafruit stworzyli znacznie lepszy zestaw instrukcji w powyższych linkach, niż mogę podać. Użyj ich, jeśli utkniesz.

Uwaga: Jedyną sztuczką, która odróżnia Trinket od zwykłego Arduino, jest to, że przed przesłaniem szkicu musisz zresetować płytkę.

Krok 3: Uchwyt na długopis i uchwyty na baterie

1. Zainstaluj uchwyt na pióro z uchwytem serwo na krótszym boku obudowy (zdjęcie 1).
2. Włóż nakrętki na górnej części obudowy (zdjęcie 2)
3. Przymocuj uchwyty baterii na spodzie obudowy za pomocą śrub z płaskim łbem 3Mx6mm (zdjęcia 3 i 4).
4. Przełóż przewody akumulatora przez prostokątne biegi kablowe (zdjęcie 4 i 5).
5. Powtórz dla drugiego uchwytu baterii.

Uwaga: O ile nie określono inaczej, pozostałe śruby to śruby z łbem stożkowym ściętym 3Mx8mm.

Krok 4: Koła

1. Sprawdź dopasowanie koła do wałka krokowego (zdjęcie 1).

   1. Jeśli jest zbyt ciasny, możesz podgrzać piastę koła suszarką do włosów lub opalarką, a następnie włożyć wałek.
   2. Jeśli jest zbyt luźny, możesz użyć śruby 3Mx8mm, aby przytrzymać ją na powierzchni wału (zdjęcie 2).
   3. Jeśli jesteś perfekcjonistą, możesz skalibrować swoją drukarkę i zrobić to w sam raz.
2. Umieść oring wokół obręczy koła (zdjęcie 3 i 4).
3. Powtórz dla drugiego koła.

Krok 5: Plecy krokowe

1. Włóż nakrętkę do wspornika krokowego i przymocuj je do górnej części obudowy za pomocą śruby (zdjęcie 1).
2. Włóż stepper do wspornika i przymocuj za pomocą śrub i nakrętek.
3. Powtórz dla drugiego wspornika.

Krok 6: Caster

1. Włóż łożysko kulkowe do kółka.

   Nie wciskaj go na siłę, bo się złamie. W razie potrzeby użyj suszarki do włosów lub pistoletu na gorące powietrze, aby zmiękczyć materiał

2. Przymocuj kółko do dolnej części obudowy przed uchwytem baterii.

Krok 7: Deska do krojenia chleba

1. Usuń jedną z szyn zasilających ostrym nożem, przecinając dolny klej (zdjęcie 1).
2. Trzymając płytkę stykową nad szynami obudowy, zaznacz miejsce, w którym przecinają się z krawędzią (zdjęcie 2).
3. Używając prostej krawędzi (jak usunięta szyna zasilająca), zaznacz linie i przetnij podkład (zdjęcie 3).
4. Umieść płytkę stykową na obudowie tak, aby szyny dotykały odsłoniętego kleju (zdjęcie 4).

Krok 8: Moc

1. Umieść mikrokontroler, sterownik darlington i włącznik zasilania na płytce do krojenia chleba (zdjęcie 1).

   • Dodałem pomarańczowe kropki dla widoczności, aby zaznaczyć następujące elementy:

     • Pin 1 sterownika darlington.
     • Pin baterii mikrotrolera.
     • Przełącznik zasilania w pozycji „włączony”.

2. Z prawymi przewodami akumulatora:

   1. Podłącz czerwoną linię do pierwszego styku przełącznika zasilania (zdjęcie 2).
   2. Podłącz czarny przewód do pustego rzędu między mikrokontrolerem a układem darlington (zdjęcie 2).

3. Z lewymi przewodami akumulatora:

   1. Podłącz czerwoną linię do tego samego rzędu co czarny przewód drugiego akumulatora (zdjęcie 3).
   2. Podłącz czarną linię do szyny ujemnej płytki stykowej (zdjęcie 3).

4. Podłącz zasilanie do mikrokontrolera:

   1. Czerwona zworka z szyny dodatniej do pinu akumulatora (kropka pomarańczowa, Zdjęcie 4).
   2. Czarny zworka z szyny ujemnej do pinu oznaczonego „G” (zdjęcie 4).
5. Włóż baterie i włącz zasilanie. Powinieneś zobaczyć zielone i czerwone światła kontrolera (zdjęcie 5).

Rozwiązywanie problemów: Jeśli kontrolki mikrokontrolera nie zapalają się, natychmiast wyłącz zasilanie i rozwiąż problem:

1. Baterie zainstalowane w prawidłowej orientacji?
2. Dokładnie sprawdź położenie przewodów akumulatora.
3. Podwójnie sprawdź pozycjonowanie przewodów.
4. Użyj multimetru do sprawdzenia napięć akumulatorów.
5. Użyj miernika uniwersalnego, aby sprawdzić napięcia szyny zasilającej.

Krok 9: Nagłówki i okablowanie serwo

Męskie piny listwowe umożliwiają nam podłączenie 5-pinowych złącz serwo JST do zasilania i sterownika darlington (zdjęcie 1):

1. Pierwszy 5-pinowy nagłówek zaczyna się jeden rząd przed sterownikiem darlington.
2. Drugi nagłówek serwomechanizmu powinien następnie zrównać się z końcem sterownika darlington.

Zanim okablowanie stanie się skomplikowane, zamontujmy serwo:

1. Dodaj 3-pinowy nagłówek dla serwomechanizmu na prawej krawędzi przedniej części płytki stykowej (zdjęcie 2).
2. Dodaj czerwoną zworkę od środkowego kołka do dodatniej strony szyny zasilającej.
3. Dodaj czarną lub brązową zworkę od zewnętrznego styku do ujemnej strony szyny zasilającej.
4. Dodaj kolorową zworkę z wewnętrznego pinu do pinu 8 mikrokontrolera.
5. Zamontuj klakson serwo z wałem w pełnej pozycji zgodnej z ruchem wskazówek zegara i ramieniem wystającym do prawego koła (zdjęcie 3)
6. Zamontuj serwo w uchwycie na długopis za pomocą śrub serwa (zdjęcie 3).
7. Podłącz złącze serwa dopasowując kolory (zdjęcie 4).

Krok 10: Sterowanie krokowe

Czas podłączyć zasilanie dla sterownika darlington i stepperów, które będą napędzane bezpośrednio z akumulatora:

1. Podłącz czarną lub brązową zworkę od prawego dolnego kołka darlingtona do ujemnej strony szyny zasilającej (zdjęcie 1).
2. Podłącz czerwoną zworkę od prawego górnego kołka Darlingtona do dodatniej strony szyny zasilającej.
3. Podłącz czerwoną zworkę z lewego górnego listwy stykowej do dodatniej strony szyny zasilającej (zdjęcie 2).
4. Podłącz lewe złącze krokowe do lewej listwy pinowej z czerwonym przewodem po prawej stronie (zdjęcie 3).
5. Podłącz prawe złącze krokowe do prawej listwy pinowej z przewodem do odczytu po lewej stronie.

Uwaga: Czerwony przewód złącza krokowego to zasilanie i powinien pasować do czerwonych przewodów na płytce stykowej.

Krok 11: Sterowanie krokowe (ciąg dalszy)

Teraz podłączymy przewody sygnałowe krokowe z mikrokontrolera do strony wejściowej sterownika darlington:

1. Rozpoczynając od pinu 6 mikrokontrolera, podłącz wyprowadzenia czterech zworek sterujących lewego silnika krokowego (zdjęcie 1).
2. Dopasuj te zworki do strony wejściowej darlington po prawej stronie. Wszystkie kolory powinny się zgadzać z wyjątkiem zielonego, który pasuje do różowego przewodu steppera (zdjęcie 2).
3. Zaczynając od pinu 13 mikrokontrolera, podłącz przewody czterech zworek sterujących prawego silnika krokowego (zdjęcie (3)).
4. Dopasuj te zworki do strony wejściowej darlington po lewej stronie. Wszystkie kolory powinny się zgadzać z wyjątkiem zielonego, który pasuje do różowego przewodu steppera (zdjęcie 3).

Krok 12: Testowanie i kalibracja

Mam nadzieję, że już załadowałeś oprogramowanie układowe w kroku 2. Jeśli nie, zrób to teraz.

Testowe oprogramowanie układowe po prostu wielokrotnie rysuje kwadrat, abyśmy mogli sprawdzić kierunek i dokładność.

1. Umieść robota na gładkiej, płaskiej, otwartej powierzchni.
2. Włącz zasilanie.
3. Obserwuj, jak twój robot rysuje kwadraty.

Jeśli nie widzisz świateł na mikrokontrolerze, wróć i rozwiąż problemy z zasilaniem, jak w kroku 8.

Jeśli robot się nie porusza, sprawdź dokładnie połączenia zasilania ze sterownikiem darlington w kroku 9.

Jeśli robot porusza się nieregularnie, dokładnie sprawdź połączenia styków mikrokontrolera i sterownika darlington w kroku 10.

Jeśli twój robot porusza się po mniej więcej kwadracie, czas odłożyć trochę papieru i włożyć do niego długopis (zdjęcie 1).

Twoje punkty kalibracji to:

float wheel_dia=66,25; // mm (wzrost = spirala na zewnątrz)

pływak rozstaw_koła=112; // mm (wzrost = spirala w) int steps_rev=128; // 128 dla skrzyni 16x, 512 dla skrzyni 64x

Zacząłem od zmierzonej średnicy koła 65 mm i widać, że pudełka obracają się do wewnątrz (zdjęcie 2).

Zwiększyłem średnicę do 67 i widać, że obraca się na zewnątrz (zdjęcie 3).

Ostatecznie osiągnąłem wartość 66,25 mm (zdjęcie 4). Widać, że nadal jest jakiś nieodłączny błąd związany z luzem zębatym i tym podobne. Wystarczająco blisko, aby zrobić coś ciekawego!

Krok 13: Podnoszenie i opuszczanie pióra

Dodaliśmy serwo, ale nic z nim nie zrobiliśmy. Umożliwia podnoszenie i opuszczanie pióra, dzięki czemu robot może się poruszać bez rysowania.

1. Umieść kołnierz pisaka na pisaku (zdjęcie 1).
2. Jeśli jest luźny, przyklej go na miejscu.
3. Sprawdź, czy dotknie papieru, gdy ramię serwomechanizmu jest opuszczone.
4. Sprawdź, czy nie dotknie papieru, gdy jest podniesiony (zdjęcie 2).

Kąty serw można regulować, zdejmując klakson i zmieniając jego położenie, lub za pomocą oprogramowania:

int PEN_DOWN = 170; // kąt serwomechanizmu, gdy pióro jest opuszczone

int PEN_UP = 80; // kąt serwomechanizmu, gdy pióro jest podniesione

Polecenia pióra to:

penup();

pióro();

Krok 14: Baw się dobrze

Mam nadzieję, że dotarłeś tak daleko bez zbyt wielu przekleństw. Daj mi znać, z czym się zmagałeś, abym mógł poprawić instrukcje.

Teraz nadszedł czas na eksplorację. Jeśli spojrzysz na szkic testowy, zobaczysz, że udostępniłem Ci kilka standardowych poleceń „Żółwia”:

naprzód (odległość); // milimetry

wstecz(odległość); lewo(kąt); // stopnie w prawo(kąt); penup(); pióro(); Gotowe(); // zwolnij stepper, aby oszczędzać baterię

Używając tych poleceń, powinieneś być w stanie zrobić prawie wszystko, od rysowania płatków śniegu lub pisania swojego imienia. Jeśli potrzebujesz pomocy w rozpoczęciu pracy, sprawdź:

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

Krok 15: Inne platformy

Czy tego robota można zrobić ze zwykłym Arduino? Tak! Poszedłem z Trinketem ze względu na niski koszt i mały rozmiar. Jeśli zwiększysz długość obudowy, z jednej strony zmieścisz zwykłe Arduino, a z drugiej płytkę stykową (zdjęcie 1). Powinien działać pin-for-pin ze szkicem testowym, a ponadto możesz teraz dostać się do konsoli szeregowej w celu debugowania!

Czy ten robot może być zrobiony z Rasberry Pi? Tak! To była moja pierwsza linia dochodzenia, ponieważ chciałem programować w Pythonie i mieć możliwość kontrolowania go przez Internet. Podobnie jak w przypadku pełnowymiarowego Arduino powyżej, po prostu umieszczasz Pi po jednej stronie, a płytkę stykową po drugiej (zdjęcie 2). Władza staje się głównym problemem, ponieważ cztery AA nie zamierzają jej zmniejszyć. Musisz dostarczyć około 1A prądu przy stabilnym 5V, w przeciwnym razie moduł WiFi przestanie się komunikować. Odkryłem, że Model A jest znacznie lepszy pod względem zużycia energii, ale wciąż pracuję, jak zapewnić niezawodne zasilanie. Jeśli się zorientujesz, daj mi znać!