HeadBot: un robot autoequilibrant per a l'aprenentatge i divulgació STEM: 7 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:13

Headbot, un robot autoequilibrant de 2 peus d’alçada, és una idea del South Eugene Robotics Team (SERT, FRC 2521), un equip competitiu de robòtica de secundària del FIRST Robotics Competition, d’Eugene, Oregon. Aquest popular robot de divulgació fa aparicions periòdiques a les escoles i esdeveniments de la comunitat on atrau multitud d’adults i de nens. Com que el robot és durador i fàcil d’utilitzar amb un telèfon o una tauleta Android, els nens de fins a tres anys poden conduir-lo amb èxit. I com que el robot pot portar una gran varietat de barrets, màscares i altres disfresses, és un complement entretingut per a gairebé qualsevol reunió. Els membres del SERT utilitzen el bot per reclutar nous membres de l’equip i inspirar un interès general en STEM a la comunitat.

El cost total del projecte és d’aproximadament 200 dòlars (suposant que teniu una impressora 3D i un dispositiu Android), tot i que es pot afaixar a menys de 100 dòlars si teniu una botiga d’electrònica ben assortida amb fàcil accés a soldadura i tubs termorretractables., cables de pont, resistències, condensadors, bateries i un cable micro USB. La construcció és senzilla si ja teniu experiència en electrònica i proporciona una gran oportunitat per a aquells que estiguin disposats a aprendre. Per a aquells que tinguin un interès específic en robòtica, Headbot també proporciona una bona plataforma per desenvolupar habilitats en sintonització proporcional-integral-derivada (PID) per al control de retroalimentació.

Subministraments

Tingueu en compte que la llista de parts següent indica el nombre de peces necessàries per a cada tipus, no el nombre de paquets. Alguns enllaços fan referència a pàgines on es poden comprar diverses peces com a paquet (cosa que suposa un estalvi de costos); assegureu-vos de comprar el nombre de paquets necessaris per obtenir el nombre adequat de peces.

Components electrònics

• 1x microcontrolador ESP32
• 2 motors pas a pas
• 2x controladors de motor pas a pas A4988
• 1x giroscopi / acceleròmetre MPU-6050
• 1x condensador 100uF
• 1x UBEC (circuit universal d’eliminació de bateries)
• 1x divisor de tensió (1x resistència de 10kohm i 1x 26,7kohm)
• Llums LED RGB d'ànode comú de 2x 5 mm
• Resistències de 6x 220 ohm
• Jumper Wires (home-home i dona-dona)
• Fil elèctric
• 3x Connectors de connectors JST SM
• 2x caixa de 4 bateries
• Redueix la calor
• Soldar

Maquinari

• 1 carcassa, tapa i placa elèctrica impresos en 3D (vegeu les instruccions següents)
• Rodes de disc de precisió de 2x 5"
• 2x 0,770 "Hubs de rodes amb un diàmetre de 5 mm
• 8x bateries recarregables AA i carregador
• 1x cap d'escuma de poliestirè
• 1 peça de 2,5 "de tub de PVC de 3/4" (per fixar el cap)
• 8x M3 Rentadores de bloqueig (per muntar motors)
• Cargols 8x M3 x 8mm (per muntar motors)
• Cargols de 8x 6-32 x 3/8 "(per muntar rodes als eixos)
• 2x Zipties
• Cinta conducta o Gaff
• 2x barres de metall rígides o cables resistents (per exemple, tallats en penjadors de filferro) aprox. 12”de llarg

Eines recomanades

• Decapant de filferro
• Tallador de filferro
• Soldador
• Pistola de calor
• Trepant elèctric
• 1 x 16 "Spade Bit
• Joc de claus hexagonals
• Pistola de cola calenta
• Cable micro USB amb endoll angular

Pas 1: imprimiu en 3D la carcassa, la tapa i la placa electrònica

Imprimeix en 3D la carcassa, la tapa i la placa electrònica. Descarregueu aquí els fitxers STL. Les peces s’han d’imprimir amb PLA a una resolució de 0,25 mm i un 20% d’ompliment, sense necessitat de basses ni suports.

Pas 2: afegiu motors, rodes i cinta a la carcassa

Motors: col·loqueu els motors pas a pas a la part inferior de la carcassa (amb els cables que surten de la part superior dels motors) i assegureu-los amb cargols M3x8mm i arandelles de femella M3, mitjançant una clau hexagonal o un tornavís adequats. Col·loqueu els cubs de les rodes als eixos i assegureu-los apretant els cargols de fixació a la part plana de l'eix.

Rodes: estireu els anells de goma al voltant de l'exterior del disc de la roda. Connecteu les rodes als cubs de les rodes amb els cargols de 6-32x3 / 8”. (Les rodes poden tenir un ajust ajustat al voltant del cub. Si és així, col·loqueu-la tan bé com sigui possible i, a continuació, torneu poc a poc els cargols, passant de cargol a cargol i repetint-los, per permetre que els cargols estirin la roda al seu lloc.)

Prepareu la tapa i la canonada de PVC: afegiu cinta adhesiva o canaleta a la part superior de la carcassa perquè la tapa llisqui amb un ajust ajustat i segur. Afegiu cinta a un extrem de la peça de 2,5 "de tub de PVC de ¾" de manera que llisqui al forat de la tapa amb un ajust ajustat i segur. Si cal, també es pot afegir cinta a l’altre extrem del PVC per garantir un ajust perfecte al forat de la base del cap.

Pas 3: prepareu la placa electrònica

Apliqueu cinta a la placa electrònica: afegiu cinta adhesiva o gaff als costats de la placa electrònica perquè llisqui cap als rails de la part interior de la carcassa amb un ajust ajustat.

Giroscopi / acceleròmetre MPU-6050: soldeu els pins al giroscopi / acceleròmetre MPU-6050, amb el costat llarg dels pins al mateix costat de la placa de circuit que els xips. Utilitzeu una gran quantitat de cola calenta per fixar la MPU al petit prestatge que sobresurt de la base del tauler d’electrons, orientat de manera que els passadors quedin a l’esquerra del tauler mentre mireu cap al prestatge.

Controlador de motor pas a pas A4988: utilitzeu un petit tornavís per girar el petit potenciòmetre de limitació de corrent de cada controlador de motor pas a pas A4988 en sentit horari. Peleu el paper de la cinta sobre els dissipadors de calor per als conductors del motor i apliqueu-lo per tapar els xips al centre de la placa de circuit. Utilitzeu una gran cola calenta per fixar els controladors del motor (amb els potenciòmetres cap a la part superior) al costat de la placa electrònica oposada a la prestatgeria amb la MPU, amb els passadors que sobresurten pels dos parells de ranures verticals a la part superior de la placa electrònica (tingueu cura de no obtenir cola als passadors, que haurien de sobresortir pel mateix costat que la MPU). Passeu una corbata de cremallera pels petits orificis que hi ha a sobre de cada conductor del motor per fixar-la encara més al seu lloc.

Microcontrolador ESP32: col·loqueu un cable micro USB a l’endoll del microcontrolador ESP32 (s’utilitzarà per mantenir l’extrem de la placa de circuit a una petita distància de la placa electrònica, de manera que es pugui garantir l’accés a l’endoll després de enganxat al seu lloc). Col·loqueu l’ESP32 amb l’endoll a la dreta mentre esteu cap al costat del xip i utilitzeu una gran cola per fixar-lo a la placa de circuit, amb els passadors que sobresurten per les escletxes horitzontals del centre de la placa cap al costat amb la no tingueu cola als pins ni al cable USB). Després que la cola s’endureixi, traieu el cable USB.

Pas 4: Circuit electrònic

Instruccions generals: Seguiu l’esquema del circuit (descarregueu el pdf següent per obtenir una versió en alta resolució) per crear els arnesos necessaris per connectar els components electrònics. Les connexions entre dos pins es poden fer directament amb cables de pont simple femella-femella. Es poden fer connexions entre 3 o més pins amb els arnesos de fils més complexos que es descriuen a continuació. Els arnesos es poden crear tallant els ponts femella-dona per soldar-los juntament amb altres components (resistències, condensadors, endolls, cables curts) segons correspongui. En tots els casos, utilitzeu tubs termorretractius per aïllar la junta de soldadura.

Paquets de bateries: assegureu-vos que els paquets de bateries puguin relliscar a les ranures de la base de la carcassa impresa en 3D. Si no encaixen, utilitzeu un fitxer per donar-los forma fins que no ho facin. Retireu els cables de dos dels connectors femelles del connector JST SM (deixant aproximadament una polzada) i soldeu-ne un amb els cables de cada bateria.

Arnès d’alimentació principal: l’arnès d’alimentació principal rep l’entrada de dos endolls machos del connector JST SM, amb el cable + d’un endoll que s’uneix al cable de l’altre per connectar els dos paquets de bateries en sèrie (donant lloc a una entrada combinada de 12v). Els altres cables s’uneixen a través del condensador 100uF (per amortitzar els pics de tensió; la pota més curta d’aquest condensador s’adhereix al cable -, mentre que la cama més llarga s’adhereix al cable + 12v) i amb un divisor de voltatge format per una resistència de 10 kohm (connectat al cable - i una resistència de 26,7 kohm (connectada al cable de + 12 v), amb un pont femení entre les resistències que passarà al pin SVP a l’ESP32 (proporciona una entrada a escala amb un màxim de 3,3 v que s’utilitza per proporcioneu una lectura del voltatge restant a les bateries). Els jumpers femenins addicionals proporcionen entrades de + 12v (2 jumpers) i - (2 jumpers) als pins VMOT i GND veïns, respectivament, als controladors de pas. A més, una eliminació de bateria universal (UBEC) es solda a + 12v i - cables de l’energia principal (l’entrada a la UBEC és el costat amb el condensador en forma de barril), amb les sortides de + 5v i - de la UBEC a un endoll femella JST SM.

Entrada de 5v a l’ESP32: soldeu un endoll de connector JST SM mascle a dos endolls de pont femella, per proporcionar entrades a les entrades de 5v i GND a l’ESP32 des de l’UBEC (aquest endoll permet una fàcil desconnexió quan l’ESP32 s’alimenta entrada micro USB, per quan es carrega codi al microcontrolador).

Arnès d’alimentació de 3,3 V: soldar 7 ponts femenins per connectar el pin de 3,3 v de l’ESP32 al pin VCC de la MPU, els pins VDD i MS1 de cadascun dels controladors del motor pas a pas i al pont masculí que proporciona alimentació als ulls LED (permetent desconnectar fàcilment l'alimentació dels ulls quan l'ESP32 s'alimenta des del micro USB mentre es carrega el codi).

Arnès de terra: soldeu 3 ponts femenins per connectar un pin GND a l’ESP32 als pins GND (al costat del pin VDD) de cadascun dels controladors de motor pas a pas.

Arnès d'activació pas a pas: soldeu 3 ponts femenins per connectar el pin P23 de l'ESP32 als pins ENABLE de cadascun dels controladors del motor pas a pas.

Connectors de pont únic: els ponts senzills s’utilitzen per fer les connexions següents:

• GND a l’ESP32 a GND a la MPU
• P21 a l’ESP32 a SCL a la MPU
• P22 a l’ESP32 a SDA a la MPU
• P26 a l'ESP32 a DIR al controlador de pas esquerre
• P25 a l'ESP32 a STEP al controlador de pas esquerre
• Jumper SLEEP i RESET al controlador de pas esquerre
• P33 a l'ESP32 a DIR al controlador de pas dret
• P32 a l'ESP32 a STEP al controlador de pas dret
• Jumper SLEEP i RESET al controlador de pas correcte

Connecteu el UBEC: el connector femella JST SM de la sortida del UBEC es pot connectar al connector macho corresponent que subministra alimentació i terra a les entrades 5v i GND de l’ESP32. Tanmateix, aquest endoll s’hauria de desprendre quan l’ESP32 s’està alimentant amb un micro USB (per exemple, mentre es carrega el codi) o, si no, un corrent invers de l’ESP32 a l’energia principal afectaria el bon funcionament de l’ESP32.

Instal·leu la placa electrònica: feu lliscar la placa electrònica als rails de l’interior de la carcassa.

Connecteu els cables del motor: connecteu els cables del motor esquerre al controlador de pas esquerre, amb els cables blaus, vermells, verds i negres que es connecten als pins 1B, 1A, 2A i 2B, respectivament. Connecteu els cables del motor dret al controlador pas a pas adequat, amb els cables blaus, vermells, verds i negres que es connecten als pins 2B, 2A, 1A i 1B, respectivament (tingueu en compte que els motors estan connectats a la imatge de mirall, ja que tenen orientacions oposades). Introduïu l'excés de cablejat del motor a la part inferior de la carcassa.

Connecteu els paquets de bateries: feu lliscar els paquets de bateries a les butxaques de la carcassa i connecteu els endolls del connector femella JST SM als endolls masculins que coincideixen a l’entrada de l’energia principal (els cables del paquet de bateries frontal es poden guiar per forat al centre de la placa electrònica per accedir a l’endoll de la part posterior). Es poden desconnectar els paquets de bateries per facilitar la inserció de bateries noves. Si activeu l’interruptor d’alimentació de qualsevol bateria a la posició apagada, es desconnectarà l’alimentació del circuit (ja que els paquets estan en sèrie): els interruptors de les esquenes del bot han d’estar engegats perquè el circuit s’energia.

Pas 5: prepareu el cap i els ulls

Allargueu el forat a la base del cap: utilitzeu el trepant de pala de 1”per augmentar la profunditat del forat a la part inferior del cap, de manera que acabi per sobre de l’alçada dels ulls (és útil posar un tros petit de cinta en un lloc adequat a l’eix de la broca per indicar quan s’ha assolit una profunditat adequada). Introduïu la broca de 2-3”al forat abans de foradar per no danyar l’obertura del forat (voldreu un ajust ajustat a la canonada de PVC que l’asseguri a la tapa de la carcassa). Deseu alguns dels trossos més grans d’espuma de poliestirè per tornar a omplir els ulls més tard.

Creeu ganxos per empènyer / estirar cables: en un extrem d’una vareta de metall rígida, doblegueu una petita forma de N (s’utilitzarà per empènyer els cables per alimentar els ulls LED a través del cap d’espuma de poliestireno). Doblegueu un petit ganxo a l’extrem de l’altra vareta de metall rígida (s’utilitzarà per pescar el fil del forat de la part inferior del cap).

Executeu cables: lligueu grans llaços als extrems dels cables vermells, grocs, verds i blaus, fent servir nusos ajustats. Treballant amb un fil a la vegada, enganxeu el bucle a l'extrem del ganxo en forma de N i empenyeu-lo per l'ull del cap, mantenint el camí horitzontal i apuntant cap al forat al centre del cap. Quan s’introdueix el cable al forat, utilitzeu la vareta enganxada per agafar el bucle des de la part inferior del cap i estireu-la del forat, traient també l’altra vareta de l’ull (deixant 2-3 polzades de filferro a la part inferior del cap i penjant de l'ull). Repetiu el procés amb els altres tres cables de colors, seguint el mateix recorregut des de l’ull fins al forat central (utilitzeu una corretja amb cremallera etiquetada per fixar aquests cables junts i indiqueu quin ull controlen). Repetiu amb 4 cables més al segon ull.

Connecteu LED RGB: escurceu els cables dels LED RGB i assegureu-vos de marcar l’ànode comú (el cable més llarg i observeu la ubicació del R (el cable únic d’un costat de l’ànode, tal com es mostra al diagrama del circuit) i Conductors G i B (els dos cables de l’altre costat de l’ànode). Soldeu els cables adequats que pengen d’un dels ulls al LED (vermell a l’ànode, groc a R, verd a G i blau a B), aïllant les connexions amb tubs termorretractables. Empenyeu els cables del LED al cap, però deixeu que sobresurti una mica fins que es pugui provar. Repetiu el procés amb l’altre LED i els cables de l’altre ull.

Connecteu cables de pont: soldeu una resistència de 220 ohm i un cable de pont amb connector femella a cadascun dels cables de color groc, verd i blau que sobresurten de la part inferior del cap. Uniu els dos cables vermells i soldeu-los a un pont amb un connector mascle (nota: aquest és l’únic pont masculí necessari al circuit).

Connecteu els ponts i fixeu el cap: enruteu els ponts pel tub de PVC de la tapa i feu lliscar el PVC cap al forat del cap, fixant-lo a la tapa. Connecteu el pont d’alimentació masculí a un pont femení de l’arnès de 3,3 v i els ponts femenins RGB a l’ESP32 (cables grocs, verds i blaus de l’ull esquerre a P4, P0 i P2, respectivament i groc, verd i blau cables de l’ull dret a P12, P14 i P27, respectivament). Finalment, fixeu el cap / tap a la carcassa principal.

Pas 6: pengeu el codi i instal·leu l'estació de controladors

Instal·lació del codi HeadBot a l’ESP32: descarregueu i instal·leu l’IDE Arduino a l’ordinador. Visiteu https://github.com/SouthEugeneRoboticsTeam/ursa i feu clic a "Baixa Zip" sota el botó verd "Clona o Baixa". Moveu la carpeta comprimida a qualsevol lloc de l'ordinador i canvieu-la per "ursa"

Obriu ursa.ino amb l'IDE Arduino. Al menú de preferències, a "Fitxer", afegiu https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json als "URL del gestor de taulers addicionals". Instal·leu esp32boards d'Espressif Systems a Eines> Gestor de taules. Trieu "esp32 dev module" a Eines> Tauler. Instal·leu la biblioteca PID de Brett Beauregard fent clic a "Gestiona les biblioteques" al menú "Esbós".

Connecteu-vos a l'ESP32 mitjançant el cable USB-MicroUSB. Seleccioneu el tauler a Eines. Manteniu premut el petit botó que porta l'etiqueta "I00" al costat del connector micro USB de l'ESP32 i, a continuació, premeu el botó de càrrega de l'IDE Arduino i deixeu anar el "I00" quan l'IDE Arduino digui que està "Connectant …". Un cop finalitzada la càrrega, es pot desconnectar el cable MicroUSB.

Instal·lació de l’estació de control de HeadBot: descarregueu i instal·leu Processament al vostre ordinador. Visiteu https://github.com/SouthEugeneRoboticsTeam/ursa-ds-prototype i descarregueu el codi. Obriu "ursaDSproto.pde" mitjançant l'IDE de processament. Instal·leu les biblioteques Ketai, Game Control Plus i UDP mitjançant el gestor de biblioteques de Processing (Sketch> Import Library). Si esteu executant l'estació de disc a l'ordinador, seleccioneu Mode Java al menú desplegable de la part superior dreta de la finestra de processament; per executar-lo a Android, instal·leu el mode Android per al processament fent clic al menú desplegable "Java" a la part superior dreta. A continuació, connecteu el dispositiu, activeu la depuració USB i seleccioneu el mode Android. Per executar l'estació de transmissió, feu clic a "Executa l'esbós". Si l’ordinador està connectat a un dispositiu Android, s’instal·larà l’estació de controladors.

Pas 7: inicieu HeadBot i sintonitzeu els valors PID

Posada en marxa: assegureu-vos que les bateries estan connectades i que la sortida UBEC està connectada al connector d'entrada ESP32. Amb Headbot estirat de costat en una posició estable, engegueu l'interruptor d'alimentació de les dues bateries a la posició ON, deixant Headbot estacionari durant uns segons mentre s'inicialitza el giroscopi. Després d’un breu retard, hauríeu de poder veure el senyal wifi de Headbot (SERT_URSA_00) al dispositiu que utilitzeu per controlar el bot; seleccioneu-lo i introduïu la contrasenya “Headbot”. Un cop feta la connexió, executeu l'aplicació de l'estació de disc al telèfon / tauleta o executeu l'script de l'estació de disc a Processament a l'ordinador. Un cop el programa s’iniciï i s’hagi establert una connexió, hauríeu de veure com el valor “pitch” comença a respondre, mostrant la inclinació de Headbot.

Configuració de valors PID: per poder controlar Headbot, haureu de sintonitzar els valors PID. Per a la versió de Headbot descrita aquí. Si feu clic al quadrat situat a la part superior esquerra de l'estació de conducció apareixeran els control lliscants per ajustar els valors. Els tres lliscadors principals serveixen per ajustar P, I i D per a l’angle (PA, IA i DA); aquests valors són d’importància primordial per permetre que Headbot mantingui l’equilibri. Els tres lliscadors inferiors serveixen per ajustar P, I i D per a la velocitat (PS, IS i DS); aquests valors són importants per permetre a Headbot ajustar correctament la seva velocitat de conducció segons l’entrada del joystick. Els valors inicials bons amb aquesta versió de Headbot són PA = 0,08, IA = 0,00, DA = 0,035, PS = 0,02, IS = 0,00 i DS = 0,006. Després de definir aquests valors, feu clic al quadre "Desa la configuració" a la part superior esquerra de l'estació de transmissió (d'aquesta manera es desaran els paràmetres d'una forma més duradora que sobreviurà a un reinici del bot).

Provant coses: feu clic a la barra de palanca de control verda a la part superior dreta de l'estació de conducció per mostrar un palanca de control per controlar el robot. Col·loqueu Headbot cap amunt en una orientació gairebé equilibrada i premeu el verd fosc Activa el quadrat a la part superior dreta (si premeu el quadre vermell veí, es desactivarà el bot). Si tot va bé, tindreu un Headbot autoequilibrat, però és molt probable que hàgiu d’afinar els valors PID. Normalment hi ha poc I o D en comparació amb P, així que comenceu per aquí. Massa poc i no serà sensible. Massa i oscil·larà d’anada i tornada. Comenceu Comenceu amb els valors PID d'angle, fent petits canvis per veure com es veuen afectades les coses. Alguns termes en D del bucle angular poden ajudar a minimitzar les oscil·lacions, però una petita quantitat pot produir ràpidament molta fluctuació, així que utilitzeu-la amb moderació. Si els valors de l’angle són correctes, Headbot hauria de resistir alguns cops suaus sense caure. Cal esperar petites contraccions mentre Headbot estigui equilibrat, ja que els motors pas a pas es mouen a mitges esglaons de 0,9 graus amb cada ajust.

Un cop aconseguit l’equilibri, proveu de conduir fent petits moviments del joystick, fent petits ajustaments dels valors Speed PID perquè el robot respongui d’una manera suau i elegant. Augmentar el terme I pot ser útil per evitar que el robot no s’adhereixi a la velocitat establerta. Tingueu en compte, però, que els canvis als valors PID de velocitat requeriran més ajustos als valors PID d’angle (i viceversa), ja que els bucles PID interactuen.

Els canvis en el pes global i la distribució del pes de Headbot (com ara quan porteu ulleres, màscares, perruques o barrets) requeriran una modificació addicional dels valors PID. A més, si les disfresses treuen massa la balança, és possible que hàgiu de modificar el valor inicial pitchOffset al codi ursa.ino i tornar a carregar el codi a l’ESP32.

Accèssit al concurs de robòtica