Taller de robòtica HackerBoxes: 22 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:16

El taller de robòtica HackerBoxes va ser dissenyat per proporcionar una introducció molt difícil però divertida als sistemes robòtics de bricolatge i també a l’electrònica dels aficionats en general. El taller de robòtica està dissenyat per exposar el participant a aquests importants temes i objectius d’aprenentatge:

• Robots ambulants
• Muntatges engranats per coordinar el moviment
• Soldar projectes electrònics
• Esquemes de circuits esquemàtics
• Sensors òptics per a la direcció i la navegació autònomes
• Circuits de control de bucle tancat analògics
• Programació Arduino
• Processadors RISC incrustats de NodeMCU
• Wi-Fi en sistemes de processador incrustats
• Control IoT mitjançant la plataforma Blyk
• Servomotors de cablejat i calibratge
• Integració de control i muntatge robotitzat complex

HackerBoxes és el servei de caixa de subscripció mensual per a electrònica de bricolatge i tecnologia informàtica. Som creadors, aficionats i experimentadors. Si voleu comprar un Taller HackerBoxes o rebre la caixa de subscripció sorpresa de HackerBoxes de grans projectes electrònics al correu cada mes, visiteu-nos a HackerBoxes.com i uniu-vos a la revolució.

Els projectes dels tallers HackerBox, així com els de la subscripció mensual HackerBoxes, no són exactament per a principiants. Generalment requereixen una exposició prèvia a l’electrònica de bricolatge, habilitats bàsiques de soldadura i comoditat per treballar amb microcontroladors, plataformes informàtiques, funcions del sistema operatiu, biblioteques de funcions i codificació de programes senzilla. També fem servir totes les eines típiques dels aficionats per construir, depurar i provar projectes electrònics de bricolatge.

Pirateja el planeta!

Pas 1: contingut del taller

• Kit RoboSpider
• Kit de robot de seguiment de línia autònoma
• Controlador WiFi Arduino Robotic Arm
• Kit de braços robotitzats MeArm
• Patch d'assoliment de robòtica

Elements addicionals que poden ser útils:

• Set bateries AA
• Eines bàsiques de soldadura
• Ordinador per executar l'IDE Arduino

Un element addicional molt important que necessitarem és el veritable sentit de l'aventura, l'esperit de bricolatge i la curiositat dels pirates informàtics. Començar qualsevol aventura com a creador i creador pot ser un repte apassionant. En particular, aquest tipus d’electrònica per afició no sempre és fàcil, però quan persisteix i gaudeix de l’aventura, es pot derivar una gran satisfacció de perseverar i descobrir-ho tot.

Pas 2: RoboSpider

Construeix el teu propi RoboSpider amb aquest kit de robots. Compta amb vuit potes multi-articulades que dupliquen el moviment de caminar d’aranyes reals. Examineu les parts del kit per verificar 71 peces que es mostren aquí. Podeu endevinar per a què serveix cada peça dins del disseny RoboSpider?

Pas 3: RoboSpider: cablejat

Primer connecteu la carcassa del motor i la bateria del RoboSpider. Els cables es poden girar simplement als terminals de la bateria, tal com es mostra a les instruccions. No obstant això, els cables també es poden soldar amb cura al seu lloc si ho desitgeu.

Pas 4: RoboSpider: muntatge mecànic

Es forma un conjunt d'engranatges molt interessant per a cada parell de potes. Cada RoboSpider té quatre conjunts d’aquestes de dues potes cadascuna per coordinar el moviment de vuit potes d’aranya separades. Tingueu en compte com es proporciona un dispositiu que ajuda a l'alineació dels engranatges.

La resta de RoboSpider es pot muntar tal com es mostra a les instruccions. Quin tipus de dinàmica de marxa presenta aquest RoboSpider?

Pas 5: preparem-nos per soldar

La soldadura és un procés en el qual dos o més elements metàl·lics (sovint cables o cables) s’uneixen fusionant un metall de farciment anomenat soldadura a la unió entre els elements metàl·lics. Hi ha disponibles diversos tipus d’eines de soldar. HackerBoxes Starter Workship inclou un bon conjunt d’eines bàsiques per soldar components electrònics petits:

• Soldador
• Consells de substitució
• Suport de ferro de soldar
• Netejador de puntes per soldar
• Soldar
• Metxa desoldadora

Si no coneixeu la soldadura, hi ha moltes guies i vídeos fantàstics sobre la soldadura en línia. Aquí en teniu un exemple. Si creieu que necessiteu ajuda addicional, proveu de trobar un grup de fabricants locals o espai de pirates informàtics a la vostra zona. A més, els clubs de ràdio amateur sempre són excel·lents fonts d’experiència en electrònica.

Porteu ulleres de seguretat durant la soldadura

També voldreu tenir alcohol isopropílic i hisopos per netejar els residus de flux marronós que queden a les juntes de soldadura. Si es deixa al lloc, aquest residu acabarà corroint el metall dins de la connexió.

Finalment, és possible que vulgueu consultar el còmic "Soldar és fàcil" de Mitch Altman.

Pas 6: Línia de seguiment del robot

El robot de seguiment de línia (també conegut com a traç de línia) pot seguir una gruixuda línia negra dibuixada sobre una superfície blanca. La línia ha de tenir uns 15 mm de gruix.

Pas 7: robot de seguiment de línia: esquema i components

Aquí es mostren les parts del robot que segueix la línia, així com el diagrama esquemàtic del circuit. Intenteu identificar totes les parts. En revisar la teoria de les operacions a continuació, vegeu si podeu esbrinar el propòsit de cadascuna de les parts i potser fins i tot per què s’han especificat els seus valors. Intentar "fer l'enginyeria inversa" dels circuits existents és una bona manera d'aprendre a dissenyar els vostres.

Teoria del funcionament:

A cada costat de la línia, s’utilitza un LED (D4 i D5) per projectar un punt de llum sobre la superfície inferior. Aquests LED inferiors tenen lents transparents per formar un feix de llum dirigit enfront d’un feix difús. Depenent que la superfície inferior al LED sigui blanca o negra, es reflectirà una quantitat diferent de llum cap al fotoresistor corresponent (D13 i D14). El tub negre al voltant del fotoresistor ajuda a enfocar la potència reflectida directament al sensor. Els senyals de fotoresistència es comparen al xip LM393 per determinar si el robot ha de continuar recte o s’ha de girar. Tingueu en compte que els dos comparadors del LM393 tenen els mateixos senyals d’entrada, però els senyals estan orientats de manera oposada.

L'encès del robot s'aconsegueix encenent el motor de corrent continu (M1 o M2) a l'exterior del torn mentre es deixa el motor cap a l'interior del gir en estat apagat. Els motors s’encenen i s’apaguen mitjançant els transistors de transmissió (Q1 i Q2). Els LED vermells muntats a la part superior (D1 i D2) ens mostren quin motor s’encén en cada moment. Aquest mecanisme de direcció és un exemple de control de bucle tancat i proporciona una guia adaptativa ràpida per actualitzar la trajectòria del robot d’una manera molt senzilla però eficaç.

Pas 8: Línia de seguiment del robot: resistències

Una resistència és un component elèctric passiu de dos terminals que implementa la resistència elèctrica com a element de circuit. Als circuits electrònics, les resistències s’utilitzen per reduir el flux de corrent, ajustar els nivells de senyal, dividir tensions, polaritzar els elements actius i finalitzar les línies de transmissió, entre altres usos. Les resistències són elements comuns de les xarxes elèctriques i dels circuits electrònics i són omnipresents en equips electrònics.

El kit de robot següent de la línia inclou quatre valors diferents de resistències de forats passants de plom axial que tenen les bandes codificades per colors tal com es mostra:

• 10 ohm: marró, negre, negre, daurat
• 51 ohm: verd, marró, negre, daurat
• 1K ohm: marró, negre, negre, marró
• 3,3K ohm: taronja, taronja, negre, marró

Les resistències s’han d’inserir des de la part superior de la placa de circuits impresos (PCB) tal com s’il·lustra i després es solden des de la part inferior. Per descomptat, s’ha indicat el valor correcte de la resistència, no són intercanviables. No obstant això, les resistències no estan polaritzades i es poden inserir en qualsevol direcció.

Pas 9: Línia de seguiment del robot: components restants

Altres elements del circuit, com es mostra aquí, es poden inserir des de la part superior del PCB i soldar-los a sota, igual que les resistències.

Tingueu en compte que els quatre components del sensor de llum s’insereixen des de la part inferior del PCB. El cargol llarg s’insereix entre els components del sensor de llum i es fixa perfectament amb la femella oberta. A continuació, la femella de tap rodó es pot col·locar a l’extrem del pern com a planadora llisa.

A diferència de les resistències, diversos altres components estan polaritzats:

Els transistors tenen un costat pla i un costat semicircular. Quan s’insereixen al PCB, assegureu-vos que coincideixin amb les marques de serigrafia blanques del PCB.

Els LED tenen un avantatge llarg i un avantatge més curt. El cable llarg s’ha d’adaptar amb el terminal + tal com s’indica a la serigrafia.

Els condensadors electrolítics en forma de llauna tenen un indicador terminal negatiu (normalment una franja blanca) que baixa per un costat de la llauna. L’avantatge d’aquest costat és el negatiu i l’altre és el positiu. Aquests s’han d’inserir al PCB segons els indicadors de pins de la serigrafia.

El xip de 8 pins, la seva presa de corrent i la serigrafia del PCB per inserir-los tenen un indicador semicircular en un extrem. Aquests han d’estar alineats per a tots tres. El sòcol s’ha de soldar al PCB i no s’ha d’inserir el xip al sòcol fins que la soldadura no s’hagi completat i refredat. Tot i que el xip es pot soldar directament al PCB, cal fer-ho amb molta rapidesa i precaució. Us recomanem que utilitzeu un sòcol sempre que sigui possible.

Pas 10: Robot de seguiment de línia: bateria

La capa superior i fina de la cinta de doble cara es pot desprendre per fixar la bateria. Els cables es poden alimentar a través del PCB i soldar-los a continuació. L’excés de fil pot ser útil per soldar els motors.

Pas 11: Línia de seguiment del robot: motors

Els cables dels motors es poden soldar als coixinets de la part inferior del PCB, tal com es mostra. Un cop soldats els cables, es pot eliminar la capa superior i fina de la cinta de doble cara per fixar els motors al PCB.

Pas 12: Línia de seguiment del robot: mireu-ho

El robot que segueix la línia és un goig de veure-ho. Introduïu un parell de cel·les de bateries AA i deixeu-les arrencar.

Si cal, els potenciòmetres de retallador es poden ajustar per refinar la detecció de vores del robot.

Si hi ha algun altre problema de "comportament" amb el robot, també és útil comprovar l'alineació dels quatre components del sensor inferior i, sobretot, dels tubs negres al voltant dels fotoresistors.

Per últim, assegureu-vos d’utilitzar piles noves. Hem notat un rendiment erràtic un cop s’acaba la bateria.

Pas 13: braç robòtic des de MeArm

El braç de robot MeArm es va desenvolupar per ser l'eina d'aprenentatge més accessible del món i el braç de robot més petit i fresc. El MeArm es presenta com un kit de braços de paquet pla que inclou fulls d’acrílic tallats amb làser i micro servos. El podeu construir sense res més que un tornavís i entusiasme. El lloc web Lifehacker ha descrit com el "Projecte perfecte Arduino per a principiants". El MeArm és un disseny fantàstic i molt divertit, però sens dubte pot ser una mica complicat de muntar. Preneu-vos el temps i tingueu paciència. Intenteu no forçar mai els servomotors. Si ho feu, pot danyar els petits engranatges de plàstic de l’interior del servo.

El MeArm d’aquest taller es controla des d’una aplicació per a telèfons intel·ligents o tauletes mitjançant un mòdul Wi-Fi NodeMCU adaptat a la plataforma de desenvolupament Arduino. Aquest nou mecanisme de control és força diferent de la placa "cervells" original que es parla a la documentació de MeArm, així que assegureu-vos de seguir les instruccions del controlador que es presenten aquí i no les de la documentació original de MeArm. Els detalls mecànics sobre el muntatge dels components acrílics MeArm i els servomotors continuen sent els mateixos.

Pas 14: controlador Wi-Fi de braç robòtic: prepareu Arduino per al NodeMCU

NodeMCU és una plataforma de codi obert basada en el xip ESP8266. Aquest xip inclou un processador RISC de 32 bits que funciona a 80 MHz, Wi-Fi (IEEE 802.11 b / g / n), memòria RAM, memòria Flash i 16 pins d'E / S.

El maquinari del nostre controlador es basa en el mòdul ESP-12 que es mostra aquí, que inclou un xip ESP8266 juntament amb el suport de xarxa Wi-Fi inclòs.

Arduino és una plataforma electrònica de codi obert basada en maquinari i programari fàcils d’utilitzar. Està pensat per a qualsevol persona que faci projectes interactius. Tot i que la plataforma Arduino sol utilitzar el microcontrolador Atmel AVR, pot ser un adaptador per treballar amb altres microcontroladors, inclòs el nostre ESP8266.

Per començar, haureu d’assegurar-vos que teniu l’IDE Arduino instal·lat a l’ordinador. Si no teniu l’IDE instal·lat, el podeu descarregar gratuïtament (www.arduino.cc).

També necessitareu controladors per al sistema operatiu (SO) del vostre ordinador per accedir al xip Serial-USB adequat al mòdul NodeMCU que esteu utilitzant. Actualment, la majoria de mòduls NodeMCU inclouen el xip CH340 Serial-USB. El fabricant dels xips CH340 (WCH.cn) té controladors disponibles per a tots els sistemes operatius populars. El millor és utilitzar la pàgina traduïda per Google per al seu lloc.

Un cop tinguem instal·lat l’IDE Arduino i els controladors del sistema operatiu instal·lats per al xip d’interfície USB, hem d’ampliar l’ID Ardino per utilitzar-lo amb el xip ESP8266. Executeu l'IDE, aneu a les preferències i busqueu el camp per introduir "URL del gestor de taules addicionals".

Per instal·lar el Board Manager per a ESP8266, enganxeu aquest URL:

arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

Després de la instal·lació, tanqueu l'IDE i, a continuació, reinicieu-lo.

Ara connecteu el mòdul NodeMCU a l'ordinador mitjançant el cable microUSB.

Seleccioneu el tipus de placa de l'IDE Arduino com a NodeMCU 1.0

Aquí teniu un document instructiu que repassa el procés de configuració d’Arduino NodeMCU mitjançant alguns exemples d’aplicacions diferents. Aquí està una mica desviat de l’objectiu, però pot ser útil buscar un altre punt de vista si us quedeu atrapats.

Pas 15: Controlador Wi-Fi de braç robòtic: pirateja el teu primer programa NodeMCU

Sempre que connectem un nou maquinari o instal·lem una nova eina de programari, ens agrada assegurar-nos que funcioni provant quelcom molt senzill. Els programadors solen anomenar-ho el programa "hola món". Per al maquinari incrustat (el que estem fent aquí), el "hola world" sol parpellejar un LED (díode emissor de llum).

Per sort, el NodeMCU té un LED incorporat que podem parpellejar. A més, l’Arduino IDE té un programa d’exemple per als LED parpellejants.

Dins de l’IDE Arduino, obriu l’exemple anomenat parpellejar. Si examineu detingudament aquest codi, podreu veure que alterna el passador de gir 13 alt i baix. A les plaques Arduino originals, el LED d’usuari es troba al pin 13. Tanmateix, el LED de NodeMCU es troba al pin 16. Per tant, podem editar el programa blink.ino per canviar cada referència al pin 13 pel pin 16. A continuació, podem compilar el programa i pengeu-lo al mòdul NodeMCU. Això pot trigar uns quants intents i és possible que calgui verificar el controlador USB i comprovar de nou la configuració de la placa i del port a l'IDE. Preneu-vos el temps i tingueu paciència.

Quan el programa carregui correctament, l'IDE dirà "càrrega completa" i el LED començarà a parpellejar. Mireu què passa si canvieu la durada de la funció delay () dins del programa i la torneu a carregar. És el que esperaves. Si és així, heu piratejat el vostre primer codi incrustat. Enhorabona!

Pas 16: controlador Wi-Fi de braç robòtic: exemple de codi de programari

Blynk (www.blynk.cc) és una plataforma que inclou aplicacions per a iOS i Android per controlar Arduino, Raspberry Pi i altres maquinari a través d'Internet. És un tauler digital on podeu crear una interfície gràfica per al vostre projecte simplement arrossegant i deixant anar ginys. És molt senzill configurar-ho tot i començaràs a jugar de seguida. Blynk us posarà en línia i estarà llest per a Internet de les vostres coses.

Mireu el lloc de Blynk i seguiu les instruccions per configurar la biblioteca Arduino Blynk.

Agafa el programa ArmBlynkMCU.ino Arduino adjunt aquí. Notareu que té tres cadenes que cal inicialitzar. Podeu ignorar-los per ara i assegureu-vos que podeu compilar i penjar el codi tal com està a NodeMCU. Necessitareu aquest programa carregat al NodeMCU per al següent pas de calibració dels servomotors.

Pas 17: controlador Wi-Fi de braç robòtic: calibració de servomotors

La placa protectora del motor ESP-12E admet connectar directament el mòdul NodeMCU. Alineeu amb cura i inseriu el mòdul NodeMCU a la placa de protecció del motor. Connecteu també els quatre servos a l’escut com es mostra. Tingueu en compte que els connectors estan polaritzats i s’han d’orientar com es mostra.

El codi NodeMCU que es va carregar en l'últim pas inicialitza els servos a la seva posició de calibratge tal com es mostra aquí i es discuteix a la documentació de MeArm. Si col·loqueu els braços servo en l’orientació correcta mentre els servos es configuren a la seva posició de calibratge, s’assegura que el punt d’inici, punt final i rang de moviment adequats estigui configurat per a cadascun dels quatre servos.

Quant a l’ús de la bateria amb els servomotors NodeMCU i MeArm:

Els cables de la bateria s’han de connectar als terminals de cargol d’entrada de la bateria. Hi ha un botó d’alimentació de plàstic a la pantalla del motor per activar el subministrament d’entrada de la bateria. El petit bloc de pont de plàstic s’utilitza per encaminar l’energia cap al NodeMCU des del blindatge del motor. Sense el bloc de pont instal·lat, el NodeMCU pot alimentar-se des del cable USB. Amb el bloc de pont instal·lat (com es mostra), l'energia de la bateria s'envia al mòdul NodeMCU.

Pas 18: interfície d'usuari del braç robòtic: integra-ho amb Blynk

Ara podem configurar l’aplicació Blynk per controlar els servomotors.

Instal·leu l'aplicació Blyk al vostre dispositiu mòbil iOS o Android (telèfon intel·ligent o tauleta). Un cop instal·lat, configureu un nou projecte de Blynk que tingui quatre lliscadors com es mostra per controlar els quatre servomotors. Tingueu en compte el testimoni d'autorització Blynk generat per al vostre nou projecte Blynk. Podeu enviar-lo per correu electrònic per facilitar-ne l’enganxament.

Editeu el programa ArmBlynkMCU.ino Arduino per omplir les tres cadenes:

• SSID Wi-Fi (per al vostre punt d’accés Wi-Fi)
• Contrasenya Wi-Fi (per al vostre punt d’accés Wi-Fi)
• Token d'autorització Blynk (del vostre projecte Blynk)

Ara compileu i pengeu el codi actualitzat que conté les tres cadenes.

Verifiqueu que podeu moure els quatre servomotors per Wi-Fi mitjançant els control lliscants del dispositiu mòbil.

Pas 19: braç robòtic: muntatge mecànic

Ara podem procedir al muntatge mecànic del MeArm. Com es va assenyalar anteriorment, això pot ser una mica complicat. Preneu-vos el temps i tingueu paciència. Intenteu no forçar els servomotors.

Recordeu que aquest MeArm està controlat pel mòdul Wi-Fi de NodeMCU, que és força diferent de la placa "cervells" original que es parla a la documentació de MeArm. Assegureu-vos de seguir les instruccions del controlador que es presenten aquí i no les de la documentació original de MeArm.

Podeu trobar els detalls complets del muntatge mecànic en aquest lloc. Estan etiquetats com la Guia de compilació de MeArm v1.0.

Pas 20: recursos en línia per estudiar robòtica

Hi ha un nombre creixent de cursos de robòtica en línia, llibres i altres recursos …

• Curs de Stanford: Introducció a la robòtica
• Curs Columbia: robòtica
• Curs MIT: robòtica poc actuada
• WikiBook de robòtica
• Curs de robòtica
• Aprenentatge de la informàtica amb robots
• Robòtica desmitificada
• Mecanismes de robots
• Manipulació Robòtica Matemàtica
• Robots educatius amb Lego NXT
• Educació LEGO
• Robòtica d’avantguarda
• Robòtica incrustada
• Robots mòbils autònoms
• Robots d’escalada i caminada
• Robots d'escalada i caminada Noves aplicacions
• Robots Humanoids
• Braços de robot
• Manipuladors de robots
• Avenços en manipuladors de robots
• AI Robòtica

Explorant aquests recursos i altres, ampliaràs contínuament el teu coneixement del món de la robòtica.

Pas 21: Pedaç d'assoliment de la robòtica

Enhorabona! Si heu posat el màxim esforç en aquests projectes de robòtica i heu avançat el vostre coneixement, hauríeu de portar el pegat d’assoliments inclòs amb orgull. Feu saber al món que sou un mestre de servos i sensors.

Pas 22: piratejar el planeta

Esperem que gaudiu del Taller de robòtica HackerBoxes. Aquest i altres tallers es poden comprar a la botiga en línia de HackerBoxes.com, on també podeu subscriure-vos a la caixa de subscripció mensual de HackerBoxes i fer arribar grans projectes a la vostra bústia de correu cada mes.

Comparteix el teu èxit als comentaris a continuació i / o al grup de Facebook HackerBoxes. Indiqueu-nos si teniu cap pregunta o necessiteu ajuda per res. Gràcies per formar part de l'aventura HackerBoxes. Fem alguna cosa genial!