Создание маленьких роботов: создание роботов Micro-Sumo на один кубический дюйм и меньше: 5 шагов (с изображениями)

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

Вот некоторые подробности создания крошечных роботов и схем. В этом руководстве также будут рассмотрены некоторые базовые советы и приемы, которые могут быть полезны при создании роботов любого размера. Для меня одна из самых сложных задач в электронике - это увидеть, насколько маленьким я могу сделать робота. Самое прекрасное в электронике то, что компоненты становятся все меньше, дешевле и эффективнее в невероятно быстром темпе. Представьте себе, если бы автомобильная техника была такой. К сожалению, механические системы в настоящее время развиваются не так быстро, как электроника. Это приводит к одной из основных трудностей при создании очень маленьких роботов: попытке уместить в небольшом пространстве механическую систему, которая перемещает робота. Механическая система и аккумуляторы, как правило, занимают большую часть объема действительно небольшого робота. На рисунке 1 показан Мистер Куб R-16, робот-микросумо объемом один кубический дюйм, который способен реагировать на окружающую среду с помощью усов из музыкальной проволоки (бампер выключатель). Он может перемещаться и исследовать периметр небольшой коробки. Им можно управлять дистанционно с помощью универсального инфракрасного пульта дистанционного управления телевизора, который настроен для телевизора Sony. Он также может иметь свой микроконтроллер Picaxe, предварительно запрограммированный на шаблоны реакции. Подробности начинаются с шага 1.

Шаг 1. Компоненты робота размером один кубический дюйм

Mr cube R-16 - шестнадцатый робот, который я построил. Это робот размером 1 кубический дюйм размером 1 x 1 x 1 дюйм. Он способен к автономному программируемому поведению или может управляться дистанционно. Он не предназначен для того, чтобы быть чем-то очень практичным или особенно полезным. Это всего лишь прототип Тем не менее, он полезен в том смысле, что создание крошечного робота позволяет вам отточить свои навыки миниатюризации роботов и других небольших схем. потребуется в два раза больше времени, чем обычно требуется, чтобы построить ту же схему в большем пространстве. Необходимы все виды зажимов, чтобы удерживать мелкие компоненты и провода на месте во время пайки или склеивания. Яркий рабочий свет и хорошая увеличительная гарнитура или фиксированная лупа - необходимость. Малые двигатели Оказывается, что одним из самых больших препятствий на пути создания действительно крошечных роботов является требуемый мотор-редуктор. Управляющая электроника (микроконтроллеры) становится все меньше. g низкооборотные мотор-редукторы, которые достаточно малы, не так-то просто. Мистер Куб использует крошечные мотор-редукторы для пейджера, передаточное число которых составляет 25: 1. На этой передаче робот быстрее, чем хотелось бы, и немного дергается. Чтобы вместить пространство, двигатели должны были быть смещены одним колесом вперед, чем другим. Даже при этом он движется вперед, назад и отлично поворачивается. Электродвигатели были подключены к перфорированной плате с помощью проволоки калибра 24, которая была припаяна, а затем приклеена контактным клеем. В задней части робота нейлоновый болт размером 4-40 был вкручен в резьбовое отверстие под нижней печатной платой. Эта гладкая пластиковая головка болта действует как колесико для балансировки робота. Вы можете увидеть это в правом нижнем углу рисунка 4. Это дает зазор колеса в нижней части робота около 1/32 дюйма. Для установки колес были задействованы пластиковые шкивы 3/16 дюйма, установленные на двигателях, и затем, при отжиме, шлифовали до нужного диаметра. Затем их вставляли в отверстие в металлической шайбе, которая подходила к нейлоновой шайбе, и все вместе покрывали эпоксидной смолой. Затем колесо было покрыто двумя слоями резины Liquid Tape, чтобы обеспечить сцепление с дорогой. Маленькие батареи Еще одна проблема с самыми маленькими роботами - это найти маленькие батарейки, которые прослужат. Используемые мотор-редукторы требуют для работы довольно больших токов (90-115 мА). В результате получается маленький робот, который ест батарейки на завтрак. Лучшее, что я смог найти в то время, это литиевые батарейки 3-LM44. Время автономной работы очень маленьких роботов этого типа настолько короткое (несколько минут), что они обычно не могут делать ничего близкого к практическому. Было только место для трех батарей 1,5 В, так что в итоге они питали и двигатели, и контроллер Picaxe. Из-за электрического шума, который могут создавать небольшие двигатели постоянного тока, один источник питания для всего, как правило, не является хорошей идеей. Но пока все работает нормально. Пространство в этом однодюймовом роботе было настолько тесным, что толщина изоляции проводов 28-го калибра (от плоского кабеля) оказалась проблемой. Я с трудом мог соединить две половинки робота. По моим оценкам, около 85% объема робота заполнено компонентами. Робот был настолько мал, что даже включить выключатель было проблематично. В конце концов, я мог бы заменить грубые усы инфракрасными датчиками. У меня буквально закончилось простое в использовании пространство, поэтому установить что-нибудь еще, не прибегая к технологии поверхностного монтажа, было бы интересной задачей. Мне нравится использовать конструкцию раскладушки для действительно маленьких роботов. См. Рис. 2. Он состоит из двух половин, которые соединяются вместе с 0,1-дюймовыми заголовками и гнездами. Это обеспечивает легкий доступ ко всем компонентам, упрощая отладку схем или внесение изменений. На рис. 3 показано расположение некоторых из них. МАТЕРИАЛЫ 2 Мотор-редукторы GM15- 25: 1 6-миллиметровый планетарный мотор-пейджер: https://www.solarbotics.com/motors_accessories/4/18x Микроконтроллер Picaxe доступен по адресу: https://www.hvwtech.com/products_list.asp ? CatID = 90 & SubCatID = 249 & SubSubCatID = 250L293 Контроллер мотора DIP IC: https://www.mouser.com Инфракрасный датчик Panasonic PNA4602M: https://www.mouser.com 30 AWG Beldsol с термоизоляцией (паяемый) магнитный провод: https:// www.mouser.com3 LM44 1,5 В. Литиевые батарейки типа «таблетка»: https://www.mouser.com Маленький синий двухпозиционный переключатель: https://www.jameco.com. www.mouser.com Резисторы и танталовый конденсатор емкостью 150 мкФ. 1-дюймовая перфокарта из стекловолокна с медным покрытием из: https://www.allelectronics.com/cgi-bin/item/ECS-4/455/SOLDERABLE_PERF _BOARD, _LINE_PATTERN_.html Жидкая лента Performix (tm), черная. Доступна в Wal-Mart или

Шаг 2: схема робота размером один кубический дюйм

На рис. 4 показано расположение микроконтроллера 18x Picaxe и контроллера мотора L293, которые являются основными цепями робота. На момент создания я не мог получить версии Picaxe или L293 для поверхностного монтажа. Использование микросхем для поверхностного монтажа, безусловно, оставит больше места для дополнительных схем и датчиков. 18-кратный микроконтроллер Picaxe Микроконтроллеры Picaxe по-прежнему являются моими любимыми контроллерами для использования на экспериментальных роботах. Хотя у них меньше памяти и они не такие быстрые, как PicMicros, Arduino, Basic Stamp или другие микроконтроллеры, они достаточно быстры для большинства небольших экспериментальных роботов. Несколько из них можно легко соединить вместе, когда требуется больше скорости или памяти. Они также очень снисходительны. Я спаял их напрямую, закоротил их и перегрузил их выходы, и мне еще предстоит сжечь один. Поскольку их можно программировать на языке программирования BASIC, их также проще программировать, чем большинство микроконтроллеров. Если вы хотите построить действительно маленькие, контроллеры Picaxe 08M и 18x доступны в форме для поверхностного монтажа (SOIC-Small Outline Integrated Circuits). Чтобы увидеть некоторые из проектов, которые вы можете выполнять с микроконтроллерами Picaxe, вы можете взглянуть на: https://www.inklesspress.com/picaxe_projects.htm Контроллер мотора L293 Контроллер мотора L293 - отличный способ управлять двумя моторами в любом небольшом роботе. Четыре выходных контакта микроконтроллера могут управлять мощностью двух двигателей: вперед, назад или выключить. Питание двигателей может быть даже импульсным (широтно-импульсная модуляция ШИМ) для управления их скоростью. Стиль мертвой ошибки На перфокартах не было места для установки контроллера L293, поэтому он был установлен с использованием техники мертвой ошибки. Это просто означает, что ИС перевернута и тонкие провода припаяны непосредственно к согнутым или коротко защелкнутым контактам. Затем его можно наклеить на печатную плату или вставить в любое доступное пространство. В этом случае, после того, как L293 был припаян и протестирован, я покрыл его двумя слоями всегда удобной резины Liquid Tape, чтобы убедиться, что ничего не закорочено, когда он был забит в доступное пространство. Также можно использовать цемент с прозрачными контактами. В качестве очень хорошего примера построения схем с использованием стиля мертвого жука см. Здесь: https://www.bigmech.com/misc/smallcircuit/ На рис. 5 показано приспособление для припоя, которое я модифицировал. путем добавления небольших зажимов типа «крокодил» на монтажную плату, чтобы помочь при пайке небольших проводов к микросхемам в стиле «мертвого жука». На рис. 6 показана схема робота «Мистер Куб». Вы можете посмотреть видео, на котором мистер Куб выполняет короткую запрограммированную последовательность действий, щелкнув мышью. по ссылке inch-robot-sm.wmv ниже, где показано, что робот работает примерно на 30% максимальной скорости, которая была снижена с помощью широтно-импульсной модуляции двигателей.

Шаг 3. Советы и хитрости по сборке роботов

После сборки 18 роботов, вот некоторые вещи, которые я усвоил на собственном горьком опыте: Отдельные источники питания Если у вас есть место, вы избавите себя от многих проблем, если будете использовать отдельные источники питания для микроконтроллера, его схем и двигателей. Колебания напряжения и электрические помехи, которые производят двигатели, могут нанести ущерб микроконтроллеру и входам датчиков, что приведет к очень непостоянным реакциям вашего робота. Съемка неисправностей Я считаю, что сначала лучше построить полную схему робота на макетной плате. Компоненты редко выходят из строя или бывают неисправными. Если ваш проект действителен, а схема не работает, это почти всегда ошибка в вашей проводке. Для получения информации о том, как сделать быстрое прототипирование схемы, см. Здесь: https://www.inklesspress.com/fast_circuits.htm Затем я устанавливаю все двигатели и датчики на корпус робота и программирую микроконтроллер для управления ими. Только после того, как все заработало, пробую сделать постоянную паяную версию схемы. Затем я тестирую это, пока он еще отделен от тела робота. Если это сработает, я постоянно устанавливаю его на робота. Если он перестает работать, часто виной тому проблемы с шумом. Проблемы с шумом Одна из самых больших проблем, с которыми я столкнулся, - это электрический шум, который делает схему бесполезной. Это часто вызвано электрическими или магнитными помехами, которые могут исходить от двигателей постоянного тока. Этот шум может подавить входы датчиков и даже микроконтроллер. Чтобы решить эту проблему, вы можете убедиться, что двигатели и провода к ним не находятся рядом с какими-либо входными линиями, идущими к вашему микроконтроллеру. На рис. 7 показан Спарки, R-12, созданный мной робот, который использует базовый Stamp 2 в качестве микроконтроллера. Сначала я протестировал его с основной платой вдали от робота, и после выполнения базового программирования все работало нормально. Когда я установил его прямо над моторами, он сошел с ума и стал совершенно непоследовательным. Я попытался добавить заземленную медную плату между двигателями и схемой, но это не имело никакого значения. В конце концов мне пришлось физически поднять схему на 3/4 дюйма (см. Синие стрелки), чтобы робот снова заработал. Другим распространенным источником разрушительного шума у маленьких роботов могут быть пульсирующие сигналы. Если вы отправляете сигналы ШИМ на сервоприводы или двигатели, провода могут действовать как антенны и посылать сигналы, которые могут запутать ваши входные линии. Чтобы избежать этого, держите входные и выходные провода микроконтроллера как можно дальше разделенными. Также держите провода, передающие питание к двигателям, подальше от входных линий. небольшие цепи могут быть решены с помощью магнитного провода калибра 30–36. В некоторых проектах я использовал провод калибра 36, но он оказался таким тонким, что его было трудно зачистить и использовать. Хорошим компромиссом является магнитный провод 30 калибра. Обычный магнит Можно использовать проволоку, но я предпочитаю магнитный провод с термоизоляцией. Этот провод имеет покрытие, которое можно снять, просто припаяв его с достаточным количеством тепла, чтобы расплавить изоляцию. Удаление покрытия во время пайки занимает до 10 секунд. Для некоторых деликатный компонент Такие приемы, как пайка светодиодов или микросхем, могут вызвать повреждение тепла. Лучший компромисс для меня - использовать этот магнитный провод с термоизоляцией, но сначала зачистите его. Сначала я беру острый нож и провожу им по магнитной проволоке, чтобы снять покрытие, а затем вращаю проволоку, пока она не будет достаточно хорошо зачищена по всему диаметру. Затем припаяю зачищенный конец провода, пока он не станет хорошо луженым. Затем вы можете быстро припаять его к любому хрупкому компоненту с меньшей вероятностью теплового повреждения. Тонкий припой Когда компоненты расположены очень близко друг к другу, может быть трудно припаять их, не замкнув и не закоротив близлежащие контактные площадки и провода. Лучшее решение - использовать регулируемый паяльник с маленьким наконечником (1/32 дюйма) и самый тонкий припой, который вы можете найти. Стандартный припой обычно имеет диаметр 0,032 дюйма, который подходит для большинства задач. Использование более тонкого припоя диаметром 0,015 дюйма позволяет легко контролировать количество припоя на стыке. Если вы используете наименьшее необходимое количество припоя, он не только занимает наименьший объем, но также позволяет паять стык так же быстро. насколько это возможно. Это снижает вероятность перегрева и повреждения таких хрупких компонентов, как микросхемы и светодиоды для поверхностного монтажа. Компоненты для поверхностного монтажа Компоненты для поверхностного монтажа представляют собой высшую степень миниатюризации. Для использования микросхем размера SOIC я обычно использую тонкий припой и магнитный провод. способ изготовления коммутационных плат или схем SOIC см. здесь: https://www.inklesspress.com/robot_surface_mount.htm Склеивание компонентов вместо пайки Некоторые компоненты для поверхностного монтажа также можно наклеивать непосредственно на печатные платы. Вы можете сделать свой собственный токопроводящий клей и использовать его можно наклеить на светодиоды и микросхемы. См.: https://www.instructables.com/id/Make-Conductive-Glue-and-Glue-a-Circuit/ фитиль c приклейте проводящий клей под светодиоды и другие компоненты для поверхностного монтажа и закоротите их. Приклеивание компонентов с помощью непроводящего клея Недавно я экспериментировал с приклеиванием компонентов на медные печатные платы и проводящие ткани с помощью непроводящего клея. световой панели на 12 В (не горит и горит) с использованием светодиодов для поверхностного монтажа, приклеенных токонепроводящим клеем. Я обнаружил, что если вы нанесете тонкую пленку прозрачного лака для ногтей на медные следы, а затем физически зажмете светодиод и дадите ему высохнуть в течение 24 часов, у вас останется хорошее механическое соединение, которое является электропроводящим. Клей для лака эффективно сжимает и прижимает контакты светодиодов к медным дорожкам, образуя хорошее механическое соединение. Его необходимо зажать в течение 24 часов. После этого можно проверить его на проводимость. Если он загорится, вы можете добавить второй слой клея. Для второго слоя я использую прозрачный контактный цемент, такой как Welders или Goop. Этот более толстый клей окружает компоненты, а также дает усадку при высыхании, обеспечивая надежное соединение с медными дорожками. Подождите 24 часа, пока он высохнет, прежде чем снова тестировать. Сомневаясь, как долго он продержится, я оставил синюю светодиодную полосу на Рисунке 8 включенной на семь дней и ночей. Сопротивление цепи со временем фактически уменьшилось. Спустя несколько месяцев полоса все еще полностью светится без признаков повышенного сопротивления. Используя этот метод, я успешно приклеил очень маленькие светодиоды для поверхностного монтажа - размером 0805- и больше на перфорированную плату, покрытую медью. Этот метод показывает некоторые перспективы в создании действительно небольших схем, светодиодных дисплеев и роботов.

Шаг 4: Нарушение правил

Чтобы создать действительно крошечных роботов, вам, возможно, придется нарушить многие из упомянутых выше правил. Чтобы создать Mr. Cube, я нарушил следующие правила: 1 - я использовал один источник питания вместо одного для двигателей и один для микроконтроллера; 2 - я установил микроконтроллер Picaxe очень близко к двигателю; 3 - я использовал батареи, которые рассчитаны на низкое потребление тока и работают на гораздо более высоких токах, чем они были предназначены. Это сильно ограничивает срок службы батарей. 4- Я скрутил все провода в мешанину, что может создать проблемы с перекрестными помехами и электрическими шумами. Мне просто повезло, что этого не произошло.5 - Я подключил схему к роботу без предварительного макета. Это может сильно затруднить отладку схемы. Вы можете загрузить программный код Picaxe для Mr. Cube по адресу: https://www.inklesspress.com/mr-cube.txt Если вам интересно увидеть некоторых других роботов, которые я создал, вы можете перейти по адресу: https://www.inklesspress.com/robots.htm На рисунке 9 показаны мистер Куб и мистер Куб 2, R-18, робот объемом 1/3 куб. дюйма, который я начал строить. Подробности на шаге 5.

Шаг 5: Мистер Куб 2: создание робота размером 1/3 кубического дюйма

После создания работающего робота на один кубический дюйм мне пришлось попробовать что-то меньшее. Я нацелен на робота размером около 1/3 кубического дюйма. На данный момент размер мистера Куба 2 составляет примерно 0,56 x 0,58 x 72 дюйма. Он оснащен микроконтроллером Picaxe 08, который позволяет ему двигаться автономно. На рис. 10 показан робот на линейке. На рис. 11 показан другой. стороны робота на четверть. Две батареи представляют собой литиевые батареи CR1220 3 вольт, и еще неизвестно, хватит ли у них емкости для питания Picaxe и двигателей. Могут потребоваться дополнительные батареи. Работа в стадии разработки. два двигателя пейджера работают нормально, чтобы перемещать и поворачивать робота на гладких поверхностях. Микроконтроллер Picaxe установлен, был запрограммирован и протестирован. Еще предстоит добавить контроллер двигателя SOIC L293 и датчик инфракрасного отражателя. Когда закончите, это будет. быть одним из самых маленьких автономных роботов с датчиками и микроконтроллером. Хотя это крошечный робот, существуют ли программируемые роботы-любители меньшего размера? Да, действительно. См. Робот 1cc: https://diwww.epfl.ch/lami/ mirobots / smoovy.htmlPico Robot:

Второй приз в конкурсе роботов Instructables и RoboGames

Первый приз в конкурсе книг с инструкциями