Мастерская HackerBoxes Robotics: 22 шага

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:54

Мастерская HackerBoxes Robotics Workshop была разработана, чтобы предоставить очень сложное, но приятное введение в роботизированные системы DIY, а также в электронику для любителей в целом. Семинар по робототехнике предназначен для ознакомления участников со следующими важными темами и целями обучения:

• Ходячие роботы
• Редукторные узлы для координации движения
• Пайка электронных проектов
• Принципиальные электрические схемы
• Оптические датчики для автономного рулевого управления и навигации
• Аналоговые схемы управления с обратной связью
• Программирование Arduino
• Встроенные RISC-процессоры NodeMCU
• Wi-Fi во встроенных процессорных системах
• Управление IoT с помощью платформы Blyk
• Подключение и калибровка серводвигателей
• Комплексная роботизированная сборка и интеграция управления

HackerBoxes - это ежемесячный абонентский ящик для электроники и компьютерной техники своими руками. Мы создатели, любители и экспериментаторы. Если вы хотите приобрести HackerBoxes Workshop или каждый месяц получать по почте коробку подписки-сюрприза HackerBoxes с великолепными проектами электроники, посетите нас на HackerBoxes.com и присоединитесь к революции.

Проекты в мастерских HackerBox, а также проекты в ежемесячной подписке HackerBoxes не совсем для новичков. Как правило, они требуют некоторого предварительного ознакомления с электроникой, базовых навыков пайки и комфортной работы с микроконтроллерами, компьютерными платформами, функциями операционной системы, библиотеками функций и простым программным кодированием. Мы также используем все стандартные инструменты любителей для создания, отладки и тестирования проектов DIY-электроники.

Взломайте планету!

Шаг 1. Содержание семинара

• Робо-паук
• Автономный робот, следящий за линией
• Контроллер Wi-Fi для роботизированной руки Arduino
• Комплект роботизированной руки MeArm
• Нашивка достижений робототехники

Дополнительные элементы, которые могут быть полезны:

• Семь батареек AA
• Основные инструменты для пайки
• Компьютер для запуска Arduino IDE

Очень важный дополнительный элемент, который нам понадобится, - это настоящее чувство приключений, дух DIY и хакерское любопытство. Начало любого приключения в качестве создателя и создателя может быть захватывающим испытанием. В частности, этот тип электроники для хобби не всегда прост, но если вы упорствуете и наслаждаетесь приключениями, вы можете получить огромное удовлетворение, если будете настойчивы и во всем разбираться!

Шаг 2: RoboSpider

Создайте своего собственного RoboSpider с помощью этого набора роботов. У него восемь многосочлененных ног, которые повторяют ходьбу настоящих пауков. Изучите части набора, чтобы проверить 71 деталь, показанную здесь. Сможете ли вы угадать, для чего в дизайне RoboSpider используется каждый элемент?

Шаг 3: RoboSpider - Подключение

Сначала подключите мотор и аккумуляторный отсек к RoboSpider. Провода можно просто накрутить на клеммы аккумулятора, как показано в инструкции. Тем не менее, при желании провода можно ТЩАТЕЛЬНО припаять на место.

Шаг 4: RoboSpider - Механическая сборка

На каждую пару ножек образуется очень интересная шестеренчатая сборка. Каждый робот-паук имеет четыре таких узла по две ноги в каждой, чтобы координировать движение восьми отдельных паучьих лап. Обратите внимание на приспособление для выравнивания шестерен.

Остальную часть RoboSpider можно собрать, как показано в инструкции. Какую динамику ходьбы демонстрирует этот RoboSpider?

Шаг 5: Готовимся к пайке

Пайка - это процесс, при котором два или более металлических предмета (часто провода или выводы) соединяются вместе путем плавления присадочного металла, называемого припоем, в стыке между металлическими предметами. Доступны различные типы паяльных инструментов. HackerBoxes Starter Workship включает в себя хороший набор основных инструментов для пайки небольшой электроники:

• Паяльник
• Советы по замене
• Подставка для паяльника
• Очиститель жала паяльника
• Припой
• Демонтаж фитиля

Если вы новичок в пайке, в Интернете есть множество отличных руководств и видео по пайке. Вот один пример. Если вы чувствуете, что вам нужна дополнительная помощь, попробуйте найти группу местных производителей или место для хакеров в вашем районе. Кроме того, радиолюбительские клубы всегда являются отличным источником опыта в области электроники.

При пайке надевайте защитные очки

Вам также понадобится изопропиловый спирт и тампоны для очистки коричневатых остатков флюса, оставшихся на ваших паяных соединениях. Если оставить на месте, этот остаток со временем вызовет коррозию металла внутри соединения.

Наконец, вы можете проверить комикс «Пайка - это просто» от Митча Альтмана.

Шаг 6: Робот, следящий за линией

Робот слежения за линией (он же «Трассировка линии») может следовать по толстой черной линии, нарисованной на белой поверхности. Линия должна быть толщиной около 15 мм.

Шаг 7. Робот, следящий за линией - схема и компоненты

Детали для робота, следующего за линией, а также принципиальная электрическая схема показаны здесь. Попытайтесь идентифицировать все части. Изучая теорию операций ниже, посмотрите, сможете ли вы выяснить назначение каждой из частей и, возможно, даже почему их значения были так указаны. Попытка «реконструировать» существующие схемы - отличный способ научиться создавать свои собственные.

Теория Операции:

На каждой стороне линии используются светодиоды (D4 и D5) для проецирования светового пятна на поверхность под ним. Эти нижние светодиоды имеют прозрачные линзы для формирования направленного светового луча, а не рассеянного. В зависимости от того, какая поверхность под светодиодом белая или черная, различное количество света будет отражаться обратно в соответствующий фоторезистор (D13 и D14). Черная трубка вокруг фоторезистора помогает сфокусировать отраженную мощь прямо на датчик. Сигналы фоторезистора сравниваются в микросхеме LM393, чтобы определить, должен ли робот продолжать движение прямо или его следует развернуть. Обратите внимание, что два компаратора в LM393 имеют одинаковые входные сигналы, но сигналы имеют противоположную ориентацию.

Поворот робота осуществляется путем включения двигателя постоянного тока (M1 или M2) с внешней стороны поворота, в то время как двигатель остается внутри поворота в выключенном состоянии. Двигатели включаются и выключаются с помощью управляющих транзисторов (Q1 и Q2). Расположенные сверху красные светодиоды (D1 и D2) показывают нам, какой двигатель включен в любой момент времени. Этот механизм рулевого управления является примером управления с обратной связью и обеспечивает быстрое адаптивное руководство для обновления траектории робота очень простым, но эффективным способом.

Шаг 8: Робот, следящий за линией - резисторы

Резистор - это пассивный двухконтактный электрический компонент, который реализует электрическое сопротивление как элемент схемы. В электронных схемах резисторы используются, среди прочего, для уменьшения протекания тока, регулировки уровней сигналов, деления напряжений, смещения активных элементов и завершения линий передачи. Резисторы являются обычными элементами электрических сетей и электронных схем и повсеместно используются в электронном оборудовании.

В комплект робота, следующий за линией, входят четыре различных номинала резисторов с осевым выводом и сквозным отверстием с полосами с цветной кодировкой, как показано:

• 10 Ом: коричневый, черный, черный, золотой
• 51 Ом: зеленый, коричневый, черный, золотой
• 1 кОм: коричневый, черный, черный, коричневый
• 3,3 кОм: оранжевый, оранжевый, черный, коричневый

Резисторы следует вставлять сверху печатной платы (PCB), как показано на рисунке, а затем припаивать снизу. Конечно, необходимо вставить резистор правильного номинала, они не являются взаимозаменяемыми. Однако резисторы не поляризованы, и их можно вставлять в любом направлении.

Шаг 9: Робот, следующий за линией - оставшиеся компоненты

Другие элементы схемы, как показано здесь, можно вставить сверху печатной платы и припаять снизу, как и резисторы.

Обратите внимание, что четыре компонента светового датчика фактически вставляются снизу печатной платы. Длинный болт вставляется между элементами светочувствительного датчика и плотно закрепляется открытой гайкой. Затем гайку с закругленной головкой можно надеть на конец болта в качестве гладкого планера.

В отличие от резисторов поляризованы несколько других компонентов:

Транзисторы имеют плоскую сторону и полукруглую сторону. Когда они вставляются в печатную плату, убедитесь, что они совпадают с белыми отметками шелкографии на печатной плате.

Светодиоды имеют длинный вывод и более короткий вывод. Длинный провод должен быть совмещен с клеммой +, как показано на шелкографии.

Электролитические конденсаторы в форме банки имеют индикатор отрицательного вывода (обычно белая полоса), идущий вниз с одной стороны емкости. Вывод с этой стороны - отрицательный, а другой - положительный. Они должны быть вставлены в печатную плату в соответствии с указателями контактов на шелкографии.

8-контактный чип, его гнездо и шелкография печатной платы для их вставки имеют полукруглый индикатор на одном конце. Они должны быть выстроены для всех трех. Гнездо должно быть впаяно в печатную плату, а микросхема не должна вставляться в гнездо до тех пор, пока пайка не будет завершена и не остынет. Хотя микросхему можно впаять прямо в печатную плату, при этом нужно действовать очень быстро и осторожно. Мы рекомендуем по возможности использовать розетку.

Шаг 10: Робот, следящий за линией - аккумулятор

Тонкий верхний слой двусторонней ленты можно снять, чтобы закрепить аккумулятор. Выводы можно пропустить через печатную плату и припаять снизу. Лишний провод может пригодиться при пайке моторов.

Шаг 11: Робот, следящий за линией - двигатели

Выводы двигателей можно припаять к контактным площадкам на нижней стороне печатной платы, как показано на рисунке. После того, как выводы будут припаяны, тонкий верхний слой двусторонней ленты можно удалить, чтобы прикрепить двигатели к печатной плате.

Шаг 12: Робот, следящий за линией - смотри

За роботом, следующим за линией, приятно наблюдать. Вставьте пару батареек AA и дайте ей разорваться.

При необходимости потенциометры триммера могут быть настроены для уточнения обнаружения кромки робота.

Если есть какие-либо другие «поведенческие» проблемы с роботом, также полезно проверить выравнивание четырех компонентов датчика на нижней стороне и особенно черных трубок вокруг фоторезисторов.

Наконец, обязательно используйте свежие батарейки. Мы заметили неустойчивую работу после разрядки аккумулятора.

Шаг 13: роботизированная рука от меня

Робот-манипулятор MeArm был разработан как самый доступный в мире инструмент обучения и самый маленький и крутой робот-манипулятор. MeArm поставляется в виде плоского робота-манипулятора, состоящего из акриловых листов с лазерной резкой и микросервоприводов. Вы можете построить его с помощью отвертки и энтузиазма. На сайте Lifehacker он был описан как «Идеальный проект Arduino для начинающих». MeArm - это отличный дизайн и доставляет много удовольствия, но его, безусловно, немного сложно собрать. Не торопитесь и наберитесь терпения. Старайтесь никогда не форсировать серводвигатели. Это может привести к повреждению крошечных пластиковых шестерен внутри сервопривода.

MeArm в этой мастерской управляется из приложения для смартфона или планшета с помощью модуля Wi-Fi NodeMCU, адаптированного к платформе разработки Arduino. Этот новый механизм управления сильно отличается от исходной «мозговой» платы, обсуждаемой в документации MeArm, поэтому обязательно следуйте инструкциям для контроллера, которые представлены здесь, а не инструкциям в исходной документации от MeArm. Механические детали сборки акриловых компонентов MeArm и серводвигателей остались прежними.

Шаг 14: Контроллер Wi-Fi с роботизированной рукой - Подготовьте Arduino к NodeMCU

NodeMCU - это платформа с открытым исходным кодом, основанная на чипе ESP8266. Этот чип включает 32-битный процессор RISC, работающий на частоте 80 МГц, Wi-Fi (IEEE 802.11 b / g / n), оперативную память, флэш-память и 16 контактов ввода-вывода.

Аппаратное обеспечение нашего контроллера основано на показанном здесь модуле ESP-12, который включает в себя чип ESP8266 вместе с включенной поддержкой сети Wi-Fi.

Arduino - это электронная платформа с открытым исходным кодом, основанная на простом в использовании аппаратном и программном обеспечении. Он предназначен для всех, кто занимается интерактивными проектами. Хотя платформа Arduino обычно использует микроконтроллер Atmel AVR, он может быть адаптером для работы с другими микроконтроллерами, включая наш ESP8266.

Для начала вам нужно убедиться, что на вашем компьютере установлена Arduino IDE. Если у вас не установлена IDE, вы можете скачать ее бесплатно (www.arduino.cc).

Вам также потребуются драйверы для операционной системы (ОС) вашего компьютера, чтобы получить доступ к соответствующему чипу Serial-USB на используемом вами модуле NodeMCU. В настоящее время большинство модулей NodeMCU включают в себя микросхему последовательного USB-порта CH340. Производитель микросхем CH340 (WCH.cn) предлагает драйверы для всех популярных операционных систем. Лучше всего использовать страницу, переведенную Google для их сайта.

После того, как мы установили Arduino IDE и драйверы ОС для чипа интерфейса USB, нам нужно расширить Ardino IDE для работы с чипом ESP8266. Запустите IDE, перейдите в настройки и найдите поле для ввода «Дополнительные URL-адреса Board Manager».

Чтобы установить Board Manager для ESP8266, вставьте этот URL:

arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

После установки закройте среду IDE, а затем запустите ее.

Теперь подключите модуль NodeMCU к компьютеру с помощью кабеля microUSB.

Выберите тип платы в среде Arduino IDE как NodeMCU 1.0.

Вот инструкция, которая описывает процесс установки Arduino NodeMCU с использованием некоторых различных примеров приложений. Это немного отклоняется от цели, но может быть полезно взглянуть на другую точку зрения, если вы застряли.

Шаг 15. Контроллер Wi-Fi с роботизированной рукой - взломайте свою первую программу NodeMCU

Каждый раз, когда мы подключаем новое оборудование или устанавливаем новый программный инструмент, нам нравится проверять его работоспособность, пробуя что-то очень простое. Программисты часто называют это программой «привет, мир». Для встроенного оборудования (что мы здесь делаем) "привет мир" обычно мигает светодиодом (светоизлучающим диодом).

К счастью, в NodeMCU есть встроенный светодиод, которым мы можем мигать. Также в Arduino IDE есть пример программы для мигания светодиодов.

В среде Arduino IDE откройте пример с именем blink. Если вы внимательно изучите этот код, вы увидите, что он попеременно поворачивает вывод 13 вверх и вниз. На исходных платах Arduino пользовательский светодиод находится на контакте 13. Однако светодиод NodeMCU находится на контакте 16. Таким образом, мы можем отредактировать программу blink.ino, изменив каждую ссылку с контакта 13 на контакт 16. Затем мы можем скомпилировать программу. и загрузите его в модуль NodeMCU. Это может занять несколько попыток и может потребовать проверки драйвера USB и двойной проверки настроек платы и порта в среде IDE. Не торопитесь и наберитесь терпения.

Как только программа загрузится правильно, IDE сообщит «загрузка завершена», и светодиодный индикатор начнет мигать. Посмотрите, что произойдет, если вы измените длину функции delay () внутри программы, а затем загрузите ее снова. Это то, что вы ожидали. Если да, то вы взломали свой первый встроенный код. Поздравляю!

Шаг 16. Контроллер Wi-Fi с роботизированной рукой - пример программного кода

Blynk (www.blynk.cc) - это платформа, включающая приложения iOS и Android для управления Arduino, Raspberry Pi и другим оборудованием через Интернет. Это цифровая панель инструментов, на которой вы можете создать графический интерфейс для своего проекта, просто перетаскивая виджеты. Настроить все очень просто, и вы сразу начнете возиться. Blynk предоставит вам возможность подключиться к Интернету и подготовит вас к Интернету ваших вещей.

Взгляните на сайт Blynk и следуйте инструкциям по настройке библиотеки Arduino Blynk.

Скачайте прилагаемую программу ArmBlynkMCU.ino Arduino. Вы заметите, что у него есть три строки, которые необходимо инициализировать. Вы можете пока игнорировать их и просто убедитесь, что можете скомпилировать и загрузить код в NodeMCU. Вам понадобится эта программа, загруженная в NodeMCU для следующего шага калибровки серводвигателей.

Шаг 17: контроллер Wi-Fi роботизированной руки - калибровка серводвигателей

Плата защиты двигателя ESP-12E поддерживает прямое подключение модуля NodeMCU. Тщательно выровняйте и вставьте модуль NodeMCU в плату моторного щита. Также подключите четыре сервопривода к щиту, как показано. Обратите внимание, что разъемы поляризованы и должны быть ориентированы, как показано.

Код NodeMCU, который был загружен на последнем этапе, инициализирует сервоприводы в их положение калибровки, как показано здесь и обсуждается в документации MeArm. Закрепление сервомеханизмов в правильной ориентации, в то время как сервоприводы установлены в их положение калибровки, гарантирует, что правильная начальная точка, конечная точка и диапазон движения настроены для каждого из четырех сервоприводов.

Об использовании батарейного питания с серводвигателями NodeMCU и MeArm:

Выводы батареи должны быть подключены к входным винтовым клеммам батареи. На моторном щите есть пластиковая кнопка включения для включения питания от аккумуляторной батареи. Крошечный пластиковый блок перемычек используется для подачи питания на NodeMCU от моторного щита. Без установленной перемычки NodeMCU может питаться от USB-кабеля. При установленном блоке перемычек (как показано) питание от батареи направляется на модуль NodeMCU.

Шаг 18: Пользовательский интерфейс роботизированной руки - интеграция с Blynk

Теперь мы можем настроить приложение Blynk для управления серводвигателями.

Установите приложение Blyk на свое мобильное устройство iOS или Android (смартфон или планшет). После установки настройте новый проект Blynk с четырьмя ползунками, как показано, для управления четырьмя серводвигателями. Обратите внимание на токен авторизации Blynk, созданный для вашего нового проекта Blynk. Вы можете отправить его вам по электронной почте для простоты вставки.

Отредактируйте программу Arduino ArmBlynkMCU.ino, чтобы заполнить три строки:

• Wi-Fi SSID (для вашей точки доступа Wi-Fi)
• Пароль Wi-Fi (для вашей точки доступа Wi-Fi)
• Токен авторизации Blynk (из вашего проекта Blynk)

Теперь скомпилируйте и загрузите обновленный код, содержащий три строки.

Убедитесь, что вы можете перемещать четыре серводвигателя по Wi-Fi с помощью ползунков на мобильном устройстве.

Шаг 19: Роботизированная рука - механическая сборка

Теперь мы можем приступить к механической сборке MeArm. Как отмечалось ранее, это может быть немного сложно. Не торопитесь и наберитесь терпения. Старайтесь не заставлять серводвигатели.

Помните, что MeArm управляется Wi-Fi-модулем NodeMCU, который сильно отличается от исходной «мозговой» платы, обсуждаемой в документации MeArm. Обязательно следуйте инструкциям для контроллера, которые представлены здесь, а не в исходной документации от MeArm.

Полную информацию о механической сборке можно найти на этом сайте. Они обозначены как Руководство по сборке MeArm v1.0.

Шаг 20. Интернет-ресурсы для изучения робототехники

Растет количество онлайн-курсов, книг и других ресурсов по робототехнике …

• Стэнфордский курс: введение в робототехнику
• Колумбийский курс: робототехника
• Курс Массачусетского технологического института: непривычная робототехника
• WikiBook по робототехнике
• Курс робототехники
• Изучение вычислений с помощью роботов
• Демистификация робототехники
• Механизмы роботов
• Математические манипуляции с роботами
• Обучающие роботы с Lego NXT
• LEGO Education
• Передовая робототехника
• Встроенная робототехника
• Автономные мобильные роботы
• Альпинистские и ходячие роботы
• Новые приложения для альпинистских и прогулочных роботов
• Гуманоидные роботы
• Робот-манипулятор
• Роботы-манипуляторы
• Достижения роботов-манипуляторов
• AI Робототехника

Изучение этих и других ресурсов будет постоянно расширять ваши познания в мире робототехники.

Шаг 21: исправление достижений робототехники

Поздравляю! Если вы приложили все усилия к этим проектам робототехники и расширили свои знания, вам следует с гордостью носить прилагаемый патч достижений. Дайте миру знать, что вы мастер сервоприводов и датчиков.

Шаг 22: взломайте планету

Мы надеемся, что вам понравился семинар по робототехнике HackerBoxes. Этот и другие семинары можно приобрести в интернет-магазине на HackerBoxes.com, где вы также можете подписаться на ежемесячную подписку на HackerBoxes и получать отличные проекты прямо на ваш почтовый ящик каждый месяц.

Пожалуйста, поделитесь своим успехом в комментариях ниже и / или в группе HackerBoxes на Facebook. Обязательно дайте нам знать, если у вас возникнут какие-либо вопросы или вам понадобится помощь. Спасибо за участие в приключении HackerBoxes. Сделаем что-нибудь отличное!