Недорогой робот для рисования, совместимый с Arduino: 15 шагов (с изображениями)

2025 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2025-01-23 15:05

Примечание: у меня есть новая версия этого робота, использующего печатную плату, более легкую в сборке и имеющую инфракрасное обнаружение препятствий! Проверьте это на

Я разработал этот проект для 10-часового семинара для ChickTech.org, цель которого - познакомить женщин-подростков с темами STEM. Цели этого проекта были:

• Легко построить.
• Легко программировать.
• Сделал кое-что интересное.
• Недорого, поэтому участники могут забрать его домой и продолжить обучение.

Имея в виду эти цели, вот несколько вариантов дизайна:

• Совместимость с Arduino для простоты программирования.
• Батарея 4xAA по цене и доступности.
• Шаговые двигатели для точного движения.
• Напечатано на 3D-принтере для простоты настройки.
• Построение пером с графикой черепахи для интересного вывода.
• Открытый исходный код, чтобы вы могли создать свой собственный!

Вот робот, наиболее близкий к тому, что я хотел сделать: https://mirobot.io. У меня нет лазерного резака, и доставка из Англии была запрещена. У меня есть 3D-принтер, так что я думаю, вы видите, к чему все идет…

Пусть вас не смущает отсутствие 3D-принтера. Вы можете найти местных любителей, желающих помочь вам, на

Этот проект находится под лицензией Creative Commons, и в нем используются 3D-части, основанные на разработках других разработчиков (как указано в следующем разделе), наиболее ограничивающим из которых является колесо, которое не является коммерческим. Это означает, что этот проект также должен быть некоммерческим. Не будь этим парнем.

Шаг 1: Детали

Есть несколько способов приводить в действие, управлять роботами и управлять ими. У вас могут быть под рукой разные части, которые будут работать, но я попробовал и нашел, что они работают хорошо:

Электроника:

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

  • Оборудование под лицензией CC BY-SA
  • Программное обеспечение (загрузчик) под лицензией GPL
• 2- Шаговый двигатель 5 В с редуктором- adafruit.com/products/858
• 1- ULN2803 Драйвер Дарлингтона - adafruit.com/products/970
• 1- Макет половинного размера- adafruit.com/products/64
• 16- Джемперы мужчины-мужчины- adafruit.com/products/759
• 1- Микро серво- adafruit.com/products/169
• 1 - Ползунковый переключатель SPDT - adafruit.com/product/805 или www.digikey.com/product-detail/en/EG1218/EG1903-ND/101726
• 1- Штекерный разъем - digikey.com/short/t93cbd
• 2- 2 держателя AA - digikey.com/short/tz5bd1
• 1- микро кабель USB
• 4- батарейки типа АА

* Примечание: см. Последний шаг для обсуждения использования обычных плат Arduino или Raspberry Pi.

Аппаратное обеспечение:

• 2-1 7/8 "ВД x 1/8" уплотнительное кольцо - mcmaster.com/#9452K96
• 1- Ролик 5/8 "подшипник- mcmaster.com/#96455k58/=yskbki
• Винт с полукруглой головкой M3 x 8 мм 10- mcmaster.com/#92005a118/=z80pbr
• 4- Винт M3 x 6 мм с плоской головкой- mcmaster.com/#91420a116/=yskru0
• 12- Гайка M3- mcmaster.com/#90591a250/=yskc6u

Детали, напечатанные на 3D-принтере (посетите сайт www.3dhubs.com, если у вас нет доступа к принтеру):

• 1 роликовый ролик на шарикоподшипниках - thingiverse.com/thing:1052674 (на основе работы onebytegone, CC BY-SA 3.0)
• 1 шасси - thingiverse.com/thing:1053269 (оригинальная работа Maker's Box, CC BY-SA 3.0)
• 2 колеса - thingiverse.com/thing:862438 (на основе работы Марка Бенсона, CC BY-NC 3.0 *)
• 2 кронштейна для шагового двигателя - thingiverse.com/thing:1053267 (на основе работы jbeale, CC BY-SA 3.0)
• 1 держатель ручки / сервокронштейн - thingiverse.com/thing:1052725 (оригинальная работа Maker's Box, CC BY-SA 3.0)
• 1 х ошейник для ручки - thingiverse.com/thing:1053273 (оригинальная работа Maker's Box, CC BY-SA 3.0)

* Примечание: CC BY-NC - некоммерческая лицензия.

Инструменты и расходные материалы:

• Отвертка Филлипс
• Пистолет для горячего клея
• Цифровой мультиметр
• Острый нож
• Цветные маркеры Crayola

Шаг 2: прошейте прошивку

Прежде чем мы углубимся в конструкцию, давайте загрузим тестовую прошивку на микроконтроллер. Программа тестирования просто рисует коробки, чтобы мы могли проверить правильность направления и размера.

Чтобы поговорить с Trinket Pro, вам понадобятся:

1. Драйвер с
2. Программное обеспечение Arduino с сайта

Леди Ада и команда Adafruit создали гораздо лучший набор инструкций по ссылкам выше, чем я могу предоставить. Пожалуйста, используйте их, если вы застряли.

Примечание: одна хитрость, которая отличает Trinket от обычного Arduino, заключается в том, что вам необходимо перезагрузить плату перед загрузкой эскиза.

Шаг 3. Держатель ручки и держатели батарей

1. Установите держатель ручки с кронштейном сервопривода на более короткую сторону шасси (Изображение 1).
2. Вставьте гайки в верхнюю часть шасси (Изображение 2).
3. Прикрепите держатели батарей в нижней части корпуса с помощью винтов 3Mx6mm с плоской головкой (изображения 3 и 4).
4. Пропустите провода аккумулятора через прямоугольные кабельные трассы (рис. 4 и 5).
5. Повторите то же самое для другого держателя батареи.

Примечание. Если не указано иное, остальные винты представляют собой винты с полукруглой головкой 3Mx8 мм.

Шаг 4: колеса

1. Проверьте установку колеса на шаговый вал (Изображение 1).

   1. Если он слишком тугой, можно нагреть ступицу колеса феном или термофеном, а затем вставить вал.
   2. Если он слишком ослаблен, вы можете использовать винт 3Mx8 мм, чтобы прижать его к плоскости вала (Изображение 2).
   3. Если вы перфекционист, вы можете откалибровать свой принтер и получить все необходимое.
2. Поместите уплотнительное кольцо на обод колеса (изображения 3 и 4).
3. Повторите то же самое для другого колеса.

Шаг 5: Подставки для шагового двигателя

1. Вставьте гайку в кронштейн шагового двигателя и прикрепите их к верхней части шасси с помощью винта (Изображение 1).
2. Вставьте степпер в кронштейн и закрепите винтами и гайками.
3. Повторите то же самое для другого кронштейна.

Шаг 6: заклинатель

1. Вставьте шарикоподшипник в ролик.

   Не вставляйте его с силой, иначе он сломается. При необходимости используйте фен или термофен, чтобы размягчить материал

2. Прикрепите ролик к нижней стороне шасси перед держателем батареи.

Шаг 7: Макетная плата

1. Снимите одну из шин питания с помощью острого ножа, разрезав нижний клейкий слой (Изображение 1).
2. Удерживая макетную плату над направляющими шасси, отметьте, где они пересекаются с краем (Изображение 2).
3. Используя линейку (например, снятую шину питания), наметьте линии и прорежьте подложку (Изображение 3).
4. Поместите макетную плату на шасси так, чтобы направляющие касались открытого клея (Изображение 4).

Шаг 8: Мощность

1. Поместите микроконтроллер, драйвер Дарлингтона и выключатель питания на макетную плату (Изображение 1).

   • Я добавил оранжевые точки для наглядности, чтобы отметить следующее:

     • Контакт 1 драйвера Дарлингтона.
     • Контакт аккумулятора микротроллера.
     • Положение выключателя питания «включено».

2. С правыми выводами аккумулятора:

   1. Подключите красную линию к первому контакту выключателя питания (Изображение 2).
   2. Подключите черный провод к пустому ряду между микроконтроллером и микросхемой Дарлингтона (Изображение 2).

3. С левыми выводами аккумулятора:

   1. Подключите красную линию к тому же ряду, что и черный провод другой батареи (Изображение 3).
   2. Подключите черную линию к отрицательной шине макета (Изображение 3).

4. Подключите питание к микроконтроллеру:

   1. Красная перемычка от плюсовой шины к контакту аккумулятора (оранжевая точка, Изображение 4).
   2. Черная перемычка от отрицательной шины к контакту с маркировкой «G» (Изображение 4).
5. Установите батарейки и включите питание. Вы должны увидеть, как загорятся зеленый и красный индикаторы контроллера (Изображение 5).

Устранение неисправностей: Если индикаторы микроконтроллера не загораются, немедленно выключите питание и устраните неисправность:

1. Батареи установлены в правильной ориентации?
2. Дважды проверьте расположение выводов аккумулятора.
3. Дважды проверьте положение выводов переключателя.
4. Используйте мультиметр для проверки напряжения батарей.
5. Используйте мультиметр для проверки напряжения на шине питания.

Шаг 9: Заголовки и подключение сервопривода

Штекерные контакты разъема позволяют нам подключать 5-контактные разъемы сервопривода JST к источнику питания и драйверу Дарлингтона (Изображение 1):

1. Первый 5-контактный заголовок начинается на один ряд перед драйвером Дарлингтона.
2. Затем второй сервопривод должен выровняться с концом драйвера Дарлингтона.

Прежде чем разводка усложнится, давайте подключим сервопривод:

1. Добавьте 3-контактный разъем для сервопривода на правом краю передней части макета (Изображение 2).
2. Добавьте красную перемычку от центрального контакта к положительной стороне шины питания.
3. Добавьте черную или коричневую перемычку от внешнего контакта к отрицательной стороне шины питания.
4. Добавьте цветную перемычку с внутреннего контакта на контакт 8 микроконтроллера.
5. Установите рог сервопривода так, чтобы вал был полностью повернут по часовой стрелке, а рычаг выдвинулся к правому колесу (Изображение 3).
6. Установите сервопривод в держатель пера, используя винты сервопривода (Изображение 3).
7. Подключите серворазъем, совместив цвета (Изображение 4).

Шаг 10: шаговое управление

Пора подключать питание для драйвера Дарлингтона и шаговых двигателей, которые будут питаться непосредственно от батареи:

1. Подключите черную или коричневую перемычку от нижнего правого штыря Дарлингтона к отрицательной стороне шины питания (Изображение 1).
2. Подключите красную перемычку от верхнего правого штифта Дарлингтона к положительной стороне шины питания.
3. Подключите красную перемычку от верхнего левого контактного разъема к положительной стороне шины питания (Изображение 2).
4. Подсоедините левый разъем шагового двигателя к левому контактному разъему с красным проводом с правой стороны (Изображение 3).
5. Подсоедините правый шаговый разъем к правому контактному разъему с проводом считывания с левой стороны.

Примечание. Красный вывод разъема шагового двигателя является источником питания и должен совпадать с красными выводами на макетной плате.

Шаг 11: Шаговое управление (продолжение)

Теперь подключим сигнальные провода шагового двигателя от микроконтроллера к входной стороне драйвера Дарлингтона:

1. Начиная с контакта 6 микроконтроллера, подключите провода для четырех перемычек управления для левого шагового двигателя (Изображение 1).
2. Совместите эти перемычки с входной стороной Дарлингтона справа. Все цвета должны совпадать, за исключением зеленого, который соответствует розовому проводу шагового двигателя (Изображение 2).
3. Начиная с контакта 13 микроконтроллера, подключите выводы четырех перемычек управления для правого шагового двигателя (Изображение (3).
4. Совместите эти перемычки с входной стороной Дарлингтона слева. Все цвета должны совпадать, за исключением зеленого, который соответствует розовому проводу шагового двигателя (Изображение 3).

Шаг 12: Тестирование и калибровка

Надеюсь, вы уже загрузили прошивку на шаге 2. Если нет, сделайте это сейчас.

Тестовая прошивка просто несколько раз рисует квадрат, чтобы мы могли проверить направление и точность.

1. Поместите своего робота на гладкую, ровную и открытую поверхность.
2. Включите питание.
3. Смотрите, как ваш робот рисует квадраты.

Если вы не видите индикаторов на микроконтроллере, вернитесь и устраните неисправность питания, как в шаге 8.

Если ваш робот не движется, дважды проверьте подключения питания к драйверу Дарлингтона на шаге 9.

Если ваш робот движется хаотично, дважды проверьте контакты микроконтроллера и драйвера Дарлингтона на шаге 10.

Если ваш робот движется приблизительно по квадрату, пора положить немного бумаги и вставить в нее ручку (Изображение 1).

Ваши точки калибровки:

float wheel_dia = 66,25; // мм (увеличение = спираль наружу)

float wheel_base = 112; // мм (увеличение = спираль в) int steps_rev = 128; // 128 для коробки передач 16x, 512 для коробки передач 64x

Я начал с измеренного диаметра колеса 65 мм, и вы можете увидеть вращающиеся внутрь коробки (Изображение 2).

Я увеличил диаметр до 67, и вы можете видеть, что он вращается наружу (Изображение 3).

В конце концов я пришел к значению 66,25 мм (Изображение 4). Вы можете видеть, что все еще существует некоторая внутренняя ошибка из-за зазора шестерни и тому подобного. Достаточно близко, чтобы сделать что-нибудь интересное!

Шаг 13: подъем и опускание ручки

Мы добавили сервопривод, но ничего с ним не сделали. Он позволяет поднимать и опускать перо, чтобы робот мог двигаться, не рисуя.

1. Поместите кольцо на ручку (Изображение 1).
2. Если он болтается, закрепите его липкой лентой.
3. Убедитесь, что он касается бумаги при опускании сервомеханизма.
4. Убедитесь, что он не будет касаться бумаги в поднятом состоянии (Изображение 2).

Углы сервопривода можно отрегулировать, сняв рог и переставив его, или с помощью программного обеспечения:

int PEN_DOWN = 170; // угол сервопривода, когда ручка опущена

int PEN_UP = 80; // угол сервопривода, когда перо вверх

Команды пера:

penup ();

pendown ();

Шаг 14: получайте удовольствие

Надеюсь, вы сделали это без лишних ругательств. Сообщите мне, с чем вы боролись, чтобы я мог улучшить инструкции.

Пришло время исследовать. Если вы посмотрите на тестовый набросок, то увидите, что я предоставил вам несколько стандартных команд «Черепаха»:

вперед (расстояние); // миллиметры

назад (расстояние); левый (угол); // градусы вправо (угол); penup (); pendown (); сделано(); // отпускаем шаговый двигатель для экономии заряда батареи

Используя эти команды, вы сможете делать что угодно, от рисования снежинок до написания своего имени. Если вам нужна помощь для начала работы, ознакомьтесь с:

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

Шаг 15: другие платформы

Можно ли сделать этого робота на обычном Arduino? Да! Я выбрал Брелок из-за невысокой стоимости и небольшого размера. Если вы увеличите длину шасси, вы сможете установить обычный Arduino с одной стороны и макетную плату с другой (Изображение 1). Он должен работать последовательно с тестовым скетчем, плюс теперь вы можете перейти к последовательной консоли для отладки!

Можно ли сделать этого робота с Rasberry Pi? Да! Это было моим первым направлением расследования, потому что я хотел программировать на Python и иметь возможность управлять им через Интернет. Как и в случае с полноразмерным Arduino выше, вы просто размещаете Pi с одной стороны, а макетную плату - с другой (Изображение 2). Мощность становится первоочередной задачей, потому что четыре AA не собираются ее сокращать. Вам необходимо обеспечить ток около 1А при стабильном напряжении 5В, иначе ваш WiFi-модуль перестанет обмениваться данными. Я обнаружил, что модель A намного лучше по энергопотреблению, но я все еще пытаюсь обеспечить надежное питание. Если разберетесь, дайте мне знать!