Budowanie małych robotów: tworzenie jednocalowych robotów mikro sumo sześciennych i mniejszych: 5 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:33

Oto kilka szczegółów na temat budowania małych robotów i obwodów. Ta instrukcja zawiera również kilka podstawowych wskazówek i technik przydatnych w budowaniu robotów dowolnej wielkości. Dla mnie jednym z największych wyzwań w elektronice jest sprawdzenie, jak małego robota mogę zrobić. Wspaniałą rzeczą w elektronice jest to, że jej podzespoły stają się coraz mniejsze, tańsze i wydajniejsze w niewiarygodnie szybkim tempie. Wyobraź sobie, że technologia samochodowa byłaby taka. Niestety, obecnie systemy mechaniczne nie rozwijają się tak szybko, jak elektronika. Prowadzi to do jednej z głównych trudności w budowaniu bardzo małych robotów: próby zmieszczenia się na małej przestrzeni mechanicznego systemu, który porusza robotem. Układ mechaniczny i baterie zajmują większość objętości naprawdę małego robota. Na zdjęciu 1 przedstawia Mr. przełącznik). Może poruszać się i badać obwód małego pudełka. Można nim sterować zdalnie za pomocą uniwersalnego pilota na podczerwień do telewizora, który jest skonfigurowany do telewizora Sony. Może również mieć wstępnie zaprogramowany mikrokontroler Picaxe z wzorcami reakcji. Szczegóły zaczynają się od kroku 1.

Krok 1: Elementy robota o rozmiarze jednego cala sześciennego

Pan kostka R-16, to szesnasty robot, który zbudowałem. Jest to robot o rozmiarze jednego cala sześciennego, który mierzy 1"x1"x1". Jest zdolny do autonomicznego, programowalnego zachowania lub może być zdalnie sterowany. Nie ma to być nic bardzo praktycznego lub szczególnie użytecznego. To tylko prototyp i dowód koncepcji. Jest to jednak przydatne w tym sensie, że zbudowanie małego robota umożliwia doskonalenie umiejętności miniaturyzacji robotów i innych małych obwodów. Budowanie małych robotów i obwodówPamiętaj, że budowanie jak najmniejszych rozmiarów oznacza, że może trwa to dwa razy dłużej, niż normalnie trwałoby zbudowanie tego samego obwodu na większej przestrzeni. Wszystkie rodzaje zacisków są potrzebne do utrzymania małych elementów i przewodów na miejscu podczas lutowania lub klejenia. Jasna lampa robocza i dobre gogle powiększające lub stała lupa jest koniecznością. Małe silniki Okazuje się, że jedną z największych przeszkód w tworzeniu naprawdę małych robotów jest wymagany motoreduktor. Elektronika sterująca (mikrokontrolery) jest coraz mniejsza. g Silniki przekładniowe o niskich obrotach, które są wystarczająco małe, nie są takie łatwe. Mr Cube używa maleńkich motoreduktorów pagera, które są przełożone w przełożeniu 25:1. Przy tym przełożeniu robot jest szybszy niż bym chciał i trochę nerwowy. Aby zmieścić się w przestrzeni, silniki musiały być przesunięte o jedno koło bardziej do przodu niż drugie. Nawet z tym porusza się do przodu, do tyłu i skręca dobrze. Silniki zostały połączone z płytą perforowaną za pomocą drutu o średnicy 24, który został przylutowany, a następnie sklejony cementem kontaktowym. Z tyłu robota w gwintowany otwór pod dolną płytką drukowaną wkręcono nylonową śrubę o rozmiarze 4-40. Ta gładka plastikowa główka śruby działa jak kółko do wyważania robota. Możesz to zobaczyć w prawym dolnym rogu rys. 4. Daje to prześwit koła na dole robota około 1/32". Aby zamontować koła, plastikowe koła pasowe 3/16" zamontowane na silnikach zostały zasilone i następnie podczas wirowania zostały wyszlifowane do odpowiedniej średnicy. Następnie włożono je do otworu w metalowej podkładce, która pasowała do nylonowej podkładki i wszystko zostało razem epoksydowane. Koło zostało następnie pokryte dwiema warstwami gumy Liquid Tape, aby zapewnić mu przyczepność. Zastosowane motoreduktory wymagają do działania dość wysokich prądów (90-115mA). Skutkuje to małym robotem, który zjada baterie na śniadanie. Najlepsze, jakie mogłem znaleźć w tym czasie, to baterie litowe 3 LM44. Żywotność baterii w bardzo małych robotach tego typu jest tak krótka (kilka minut), że zwykle nie mogą zrobić nic bliskiego praktycznemu. Było tylko miejsce na trzy baterie 1,5 V, więc ostatecznie zasilały zarówno silniki, jak i kontroler Picaxe. Ze względu na szum elektryczny, jaki mogą wytwarzać małe silniki prądu stałego, jeden zasilacz do wszystkiego zwykle nie jest dobrym pomysłem. Ale na razie działa bez zarzutu. Przestrzeń w tym jednocalowym robocie była tak ciasna, że problemem okazała się grubość izolacji przewodu 28 G (od kabla taśmowego). Ledwo mogłem połączyć dwie połówki robota. Szacuję, że około 85% objętości robota jest wypełnione komponentami. Robot był tak mały, że problematyczne było nawet włączenie wyłącznika. W końcu mógłbym zastąpić prymitywne wąsy czujnikami podczerwieni. Dosłownie zabrakło mi łatwej w użyciu przestrzeni, więc dopasowanie czegokolwiek bez uciekania się do technologii montażu powierzchniowego byłoby ciekawym wyzwaniem. Lubię używać konstrukcji typu clamshell do naprawdę małych robotów. Patrz rys. 2. Składa się z dwóch połówek, które łączą się ze sobą za pomocą nagłówków i gniazd o grubości 0,1 cala. Daje to łatwy dostęp do wszystkich komponentów, ułatwiając debugowanie obwodów lub wprowadzanie zmian. Rys. 3 pokazuje lokalizację niektórych główne komponenty. MATERIALS2 GM15 Motoreduktory - 25:1 6mm przekładnia planetarna Pager Motor: https://www.solarbotics.com/motors_accessories/4/18x Mikrokontroler Picaxe dostępny na stronie: https://www.hvwtech.com/products_list.asp ?CatID=90&SubCatID=249&SubSubCatID=250L293 sterownik silnika DIP IC: https://www.mouser.comPanasonic PNA4602M detektor podczerwieni: https://www.mouser.com30 AWG Beldsol zgrzewalny przewód magnetyczny: https://www.mouser.com3 LM44 1,5 V Baterie guzikowe litowe: https://www.mouser.comMały niebieski włącznik/wyłącznik: https://www.jameco.comCienkie lutowanie – lutowanie z rdzeniem kalafoniowym.015: https:// www.mouser.comRezystory i kondensator tantalowy 150 uf.1" płyta perfboardowa z włókna szklanego z miedzią z: https://www.allelectronics.com/cgi-bin/item/ECS-4/455/SOLDERABLE_PERF _BOARD, _LINE_PATTERN_.htmlTaśma płynna Performance (tm), czarna - dostępna w firmie Wal-Mart lub

Krok 2: Obwód robota o rozmiarze jednego cala sześciennego

Rysunek 4 pokazuje lokalizację mikrokontrolera 18x Picaxe i sterownika silnika L293, które są głównymi obwodami robota. W czasie budowy nie mogłem uzyskać wersji do montażu powierzchniowego Picaxe lub L293. Korzystanie z układów scalonych do montażu powierzchniowego z pewnością pozostawiłoby więcej miejsca na dodatkowe obwody i czujniki. Mikrokontrolery Picaxe Microcontoller 18xPicaxe nadal są moimi ulubionymi kontrolerami do stosowania w robotach eksperymentalnych. Chociaż mają mniej pamięci i nie są tak szybkie jak PicMicros, Arduino, Basic Stamp lub inne mikrokontrolery, są wystarczająco szybkie dla większości małych robotów eksperymentalnych. Kilka z nich można łatwo połączyć ze sobą, gdy potrzebna jest większa prędkość lub pamięć. Są też bardzo wyrozumiali. Bezpośrednio je przylutowałem, zwarłem i przeciążyłem ich wyjścia i jeszcze jednego nie przepalę. Ponieważ można je programować w języku programowania BASIC, są również łatwiejsze do zaprogramowania niż większość mikrokontrolerów. Jeśli chcesz budować naprawdę małe, kontrolery 08M i 18x Picaxe są dostępne w formie do montażu powierzchniowego (SOIC-Small Outline Integrated Circuits). Aby zapoznać się z niektórymi projektami, które można wykonać za pomocą mikrokontrolerów Picaxe, odwiedź stronę: https://www.inklesspress.com/picaxe_projects.htm Sterownik silnika L293 Sterownik silnika L293 to doskonały sposób na sterowanie dwoma silnikami w każdym małym robocie. Cztery piny wyjściowe z mikrokontrolera mogą sterować zasilaniem dwóch silników: do przodu, do tyłu lub wyłączony. Silniki mogą być zasilane impulsowo (modulacja szerokości impulsu PWM) w celu kontrolowania ich prędkości. Oznacza to po prostu, że układ scalony jest odwrócony do góry nogami, a cienkie przewody przylutowane bezpośrednio do wygiętych lub skróconych pinów. Można go następnie przykleić do płytki drukowanej lub zamontować w dowolnej dostępnej przestrzeni. W tym przypadku, po przylutowaniu i przetestowaniu L293, pokryłem go dwiema warstwami zawsze przydatnej gumy Liquid Tape, aby upewnić się, że nic się nie zwiera, gdy jest wciśnięty w dostępną przestrzeń. Można również użyć przezroczystego cementu kontaktowego. Aby uzyskać bardzo dobry przykład budowania obwodów przy użyciu stylu martwego robaka, zobacz tutaj: https://www.bigmech.com/misc/smallcircuit/Pic 5 pokazuje zmodyfikowany przeze mnie przyrząd do lutowania pomocnej dłoni dodając małe zaciski krokodylkowe do płytki perforowanej, aby pomóc w lutowaniu małych przewodów do układów scalonych w stylu martwego błędu. Rysunek 6 przedstawia schemat robota Mr. Cube. Możesz zobaczyć film, w którym Mr. Cube wykonuje krótką zaprogramowaną sekwencję, klikając na poniższym łączu cal-robot-sm.wmv. Pokazuje on robota przy około 30% prędkości maksymalnej, która została zmniejszona za pomocą modulacji szerokości impulsu na silnikach.

Krok 3: Wskazówki i porady dotyczące budowania robotów

Po zbudowaniu 18 robotów, oto kilka rzeczy, których nauczyłem się na własnej skórze. Oddzielne zasilacze Jeśli masz miejsce, zaoszczędzisz sobie wielu kłopotów, jeśli użyjesz oddzielnych zasilaczy dla mikrokontrolera, jego obwodów i silników. Wahające się napięcie i szum elektryczny wytwarzane przez silniki mogą siać spustoszenie w mikrokontrolerze i wejściach czujników, powodując bardzo niespójne reakcje robota. Rozwiązywanie problemów Najlepiej jest najpierw zbudować cały obwód robota na płytce stykowej. Komponenty rzadko zawodzą lub są wadliwe. Jeśli twój projekt jest prawidłowy, a obwód nie działa, prawie zawsze jest to błąd w twoim okablowaniu. Aby uzyskać informacje na temat szybkiego prototypowania obwodów, zobacz tutaj: https://www.inklesspress.com/fast_circuits.htmNastępnie montuję wszystkie silniki i czujniki na korpusie robota i programuję mikrokontroler do sterowania nimi. Dopiero po tym, jak wszystko działa dobrze, próbuję wykonać trwale lutowaną wersję obwodu. Następnie testuję to, gdy jest jeszcze oddzielone od korpusu robota. Jeśli to zadziała, montuję go na stałe na robocie. Jeśli przestanie działać, często jest to wina problemów z hałasem. Problemy z hałasem Jednym z największych problemów, z jakimi się spotkałem, jest szum elektryczny, który czyni obwód bezużytecznym. Jest to często spowodowane szumem elektrycznym lub magnetycznym, który może emanować z silników prądu stałego. Ten szum może przytłoczyć wejścia czujników, a nawet mikrokontroler. Aby rozwiązać ten problem, upewnij się, że silniki i przewody do nich nie znajdują się w pobliżu żadnych linii wejściowych prowadzących do mikrokontrolera. Rysunek 7 pokazuje Sparky, R-12, robota, który wykonałem, który wykorzystuje podstawowy Stamp 2 jako mikrokontroler. Najpierw przetestowałem go z główną płytką drukowaną z dala od robota i po wykonaniu podstawowego programowania wszystko działało dobrze. Kiedy zamontowałem go tuż nad silnikami, oszalał i był całkowicie niespójny. Próbowałem dodać uziemioną płytkę miedzianą między silnikami a obwodem, ale to nie miało znaczenia. W końcu musiałem fizycznie podnieść obwód 3/4" (patrz niebieskie strzałki), zanim robot znów zacznie działać. Innym powszechnym źródłem niszczycielskiego hałasu w małych robotach mogą być sygnały pulsacyjne. Jeśli wyślesz sygnały PWM do serw lub silników, przewody może działać jak anteny i wysyłać sygnały, które mogą mylić linie wejściowe. Aby tego uniknąć, należy jak najdalej oddzielić przewody wejściowe i wyjściowe mikrokontrolera. Utrzymuj również przewody zasilające silniki z dala od linii wejściowych. Przewód magnetycznyProblem grubości drutu jest bardzo małe obwody można rozwiązać za pomocą drutu magnetycznego o grubości 30-36. W niektórych projektach używałem drutu o grubości 36, ale okazało się, że jest tak delikatny, że trudno go było rozebrać i użyć. Dobrym kompromisem jest drut magnetyczny o grubości 30. Zwykły magnes można użyć drutu, ale wolę drut magnetyczny do usuwania ciepła. Ten drut ma powłokę, którą można usunąć, po prostu lutując go wystarczającą ilością ciepła, aby stopić izolację. Zdjęcie powłoki podczas lutowania zajmuje do 10 sekund. Dla niektórych delikatna kompozycja takich jak lutowanie do diod LED lub układów scalonych, może to być szkodliwe ciepło. Najlepszym kompromisem dla mnie jest użycie tego drutu magnetycznego, ale najpierw go usuń. Najpierw biorę ostry nóż i przesuwam go po drucie magnetycznym, aby zerwać powłokę, a następnie obracam drutem, aż zostanie dość dobrze zdarty wokół jego średnicy. Następnie lutuję pozbawiony izolacji koniec drutu, aż będzie dobrze ocynowany. Następnie można go szybko przylutować do dowolnego delikatnego elementu z mniejszą szansą na uszkodzenie cieplne. Cienkie lutowanie Gdy elementy znajdują się bardzo blisko siebie, może być trudno je przylutować bez spulchniania i zwierania pobliskich padów i przewodów. Najlepszym rozwiązaniem jest użycie regulowanej lutownicy z małą końcówką (1/32") i najcieńszego lutu, jaki można znaleźć. Standardowy lut ma zwykle średnicę 0,032", co sprawdza się w większości przypadków. Użycie lutu o mniejszej średnicy.015" pozwala w łatwy sposób kontrolować ilość lutowia na złączu. Jeśli użyjesz najmniejszej ilości lutu, nie tylko zajmuje on najmniejszą objętość, ale także pozwala na równie szybkie lutowanie złącza jak to możliwe. Ogranicza to ryzyko przegrzania i uszkodzenia delikatnych komponentów, takich jak układy scalone i diody LED do montażu powierzchniowego. Komponenty do montażu powierzchniowegoKomponenty do montażu powierzchniowego są najlepszym rozwiązaniem w miniaturyzacji. Aby użyć układów scalonych o rozmiarze SOIC, zwykle używam cienkiego drutu lutowniczego i magnetycznego. Aby zobaczyć dość łatwe sposób wykonania płytek lub obwodów SOIC breakout zobacz tutaj: https://www.inklesspress.com/robot_surface_mount.htmKlejenie komponentów Zamiast lutowaniaNiektóre komponenty do montażu powierzchniowego można również przykleić bezpośrednio na płytkach drukowanych. Możesz zrobić własny przewodzący klej i użyć do przyklejenia diod LED i układów scalonych. Patrz: https://www.instructables.com/id/Make-Conductive-Glue-and-Glue-a-Circuit/ Chociaż to działa, może to być nieco trudne, ponieważ działanie kapilarne ma tendencję do knot klej przewodzący pod powierzchniowymi diodami LED i innymi elementami i zewrzyj je. Klejenie elementów za pomocą nieprzewodzącego kleju Ostatnio eksperymentowałem z przyklejaniem elementów do miedzianych płytek obwodów i przewodzących tkanin za pomocą kleju, który nie przewodzi. 12-woltowej listwy świetlnej (niepodświetlonej i zapalonej) za pomocą diod LED do montażu powierzchniowego, które zostały przyklejone nieprzewodzącym klejem. Odkryłem, że jeśli nałożysz cienką warstwę przezroczystego lakieru do paznokci na miedziane ślady, a następnie fizycznie zaciśniesz diodę LED i pozostawisz ją do wyschnięcia na 24 godziny, pozostaniesz z dobrym połączeniem mechanicznym, które przewodzi elektryczność. Klej do paznokci skutecznie obkurcza i dociska styki ledowe do miedzianych ścieżek, tworząc dobre połączenie mechaniczne. Musi być zaciśnięty na pełne 24 godziny. Następnie możesz przetestować go pod kątem przewodności. Jeśli się zaświeci, możesz dodać drugą warstwę kleju. Do drugiej warstwy używam bezbarwnego cementu kontaktowego typu Welders lub Goop. Ten grubszy klej otacza komponenty, a także kurczy się podczas wysychania, aby zapewnić dobre solidne połączenie z miedzianymi ścieżkami. Poczekaj 24 godziny, aż wyschnie, zanim ponownie przetestujesz. Mając wątpliwości, jak długo to potrwa, pozostawiłem niebieski pasek świetlny LED na zdjęciu 8 na siedem dni i nocy. Z czasem rezystancja obwodu faktycznie malała. Miesiące później poprzeczka nadal w pełni świeci bez oznak zwiększonego oporu. Stosując tę metodę, udało mi się przykleić bardzo małe diody LED do montażu powierzchniowego o rozmiarach 0805 i większych na miedzianej płycie perforowanej. Ta technika daje nadzieję na tworzenie naprawdę małych obwodów, wyświetlaczy LED i robotów.

Krok 4: Łamanie zasad

Aby stworzyć naprawdę małe roboty, być może będziesz musiał złamać wiele z wyżej wymienionych zasad. Aby zrobić pana Cube, złamałem następujące zasady: - Użyłem jednego zasilacza zamiast jednego dla silników i jednego dla mikrokontrolera. 2- Zamontowałem mikrokontroler Picaxe bardzo blisko silnika. 3- Użyłem baterii, które są oceniane pod kątem niskiego poboru prądu i uruchamiały je przy znacznie wyższych prądach niż zostały zaprojektowane. To poważnie ogranicza żywotność baterii. 4- Umieściłem wszystkie przewody razem w mieszance, co może powodować problemy z przesłuchami i zakłóceniami elektrycznymi. Miałem po prostu szczęście, że tak się nie stało.5- Podłączyłem obwód do robota bez wcześniejszego wkładania go do płytki stykowej. Może to bardzo utrudnić debugowanie obwodu. Możesz pobrać kod programistyczny Picaxe dla Mr. Cube pod adresem: https://www.inklesspress.com/mr-cube.txtJeśli chcesz zobaczyć inne roboty, które zbudowałem, możesz wejść na: https://www.inklesspress.com/robots.htm Rysunek 9 pokazuje Mr. Cube i Mr. Cube dwa, R-18, robota 1/3 cala sześciennego, którego zacząłem budować. Szczegóły w kroku 5.

Krok 5: Mr. Cube 2: Tworzenie robota 1/3 cala sześciennego

Po zrobieniu robota o rozmiarze jednego cala sześciennego, który działał, musiałem spróbować czegoś mniejszego. Celuję w robota około 1/3 cala sześciennego. W tym momencie Mr. Cube Two ma wymiary około 0,56 "x 0,58" x 0,72". Posiada mikrokontroler 08 Picaxe, który pozwoli mu poruszać się autonomicznie. Ilustracja 10 przedstawia robota na linijce. Ilustracja 11 pokazuje drugi bok robota na ćwiartkę. Dwie baterie są bateriami litowymi cr1220 o napięciu 3 V i okaże się, czy będą miały wystarczającą pojemność, aby zasilić Picaxe i silniki. Może być potrzebnych więcej baterii. Praca w toku. jak dotąd dwa silniki pagera działają dobrze, aby poruszać i obracać robota na gładkich powierzchniach. Mikrokontroler Picaxe jest zainstalowany, zaprogramowany i przetestowany. Nadal należy dodać sterownik silnika SOIC L293 i czujnik reflektora podczerwieni. Po zakończeniu będzie to być jednym z najmniejszych autonomicznych robotów z czujnikami i mikrokontrolerem. Chociaż jest to mały robot, czy istnieją mniejsze roboty amatorskie, które można programować? Tak. Zobacz Robot:1cc: https://diwww.epfl.ch/lami/ mirobots/smoovy.htmlPico Robot:

Druga nagroda w konkursie robotów Instructables i RoboGames

I nagroda w Konkursie Książki Instructables