Animatronics Basics - der Servomotor - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

Egal, ob es sich um eine fröhliche Weihnachtsausstellung im Schaufenster eines Kaufhauses oder einen gruseligen Halloween-Streich handelt, nichts zieht die Aufmerksamkeit auf sich wie eine animierte Puppe.

Diese elektronisch gesteuerten Animationen werden manchmal als "Animatronics" bezeichnet und dieses anweisbare wird Ihnen beibringen, wie Sie die grundlegendste Art herstellen, die von einem einzigen Servomotor gesteuert wird.

Wir werden den Arduino-Mikrocontroller als Gehirn verwenden, und wir werden sehen, wie ein Potentiometer und ein Servo im Inneren funktionieren, und Ihnen beibringen, wie man drei verschiedene Steuerungsmethoden baut:

1 - Kontinuierlich wiederholende Bewegung

2 - Ferngesteuerte Bewegung

3 - Ausgelöste Bewegung (mit einem Lichtsensor)

Schritt 1: Teileliste

Sie benötigen einen Mikrocontroller (im ersten Bild gezeigt ist das Arduino von https://adafru.it zusammen mit ihrem Budget-Teile-Kit für insgesamt 30 US-Dollar) und einen Servomotor (eine kleine Tower-Version ist im zweiten Bild gezeigt) zusammen mit einigen Steckerteilen aus dem gleichen Geschäft für 12 US-Dollar. Sie benötigen auch einen kleinen Kondensator oder eine stärkere Spannungsquelle, wenn Sie mehrere Servomotoren betreiben (ein 9-V-Wandladegerät für Arduino funktioniert).

Ein Mikrocontroller ist ein ganzer PC-Rechner auf einem einzigen Chip. Offensichtlich nicht so leistungsstark wie Ihr Heimcomputer, er hat sehr wenig RAM, kein Diskettenlaufwerk, keine Tastatur oder Maus, aber er ist wirklich großartig in der Steuerung von Dingen (daher der Name). Sie finden einen dieser Chips in vielen Alltagsgegenständen wie Waschmaschinen und Auto-Einspritzdüsen-Computern.

Die Mikrocontroller-Marke "Arduino" fügt auch einige andere Schaltungen hinzu, die sie mit der Außenwelt verbinden, und bringt sie auf eine praktische Platine.

Beachten Sie, dass sich im "Budget-Teile-Kit" ein paar Drähte, Widerstände, LED-Leuchten und ein blaues Paar Knöpfe, Potentiometer genannt, befinden. Mehr zu Potentiometern im nächsten Schritt.

Schließlich benötigen Sie einen Servomotor, der mit einigen Schraubanschlüssen geliefert wird, um ihn an Ihrer beweglichen Puppe zu befestigen. In dieser Lektion verwenden wir den X-förmigen Verbinder.

Schritt 2: Potentiometer-Überprüfung

Ein Potentiometer ist im Wesentlichen ein Dimmerknopf - oder in der Elektronikterminologie - ein Paar variabler Widerstände. Durch Drehen des Knopfes wird ein Widerstand größer und der andere Widerstand kleiner.

Meistens verwenden wir ein Potentiometer (manchmal auch "Pot" genannt), um eine Spannung mit dem oben gezeigten Schaltplan zu steuern.

Das Bild ganz links zeigt das eigentliche Poti, wobei die oberen und unteren Drähte mit der Spannung +5 und Masse verbunden sind und der mittlere Draht die gewünschte Spannung ausgibt. Das mittlere Diagramm zeigt das Symbol für einen Topf und das letzte Diagramm zeigt das Ersatzschaltbild.

Bilder sind mit freundlicher Genehmigung von Wikimedia.org

Schritt 3: Überprüfung des Servomotors

Ein Servomotor besteht aus vier Hauptteilen.

1. Ein Motor, der sich vorwärts und rückwärts drehen kann, normalerweise mit hoher Geschwindigkeit und hohem Drehmoment.

2. Ein Positionserkennungssystem, das erkennen kann, in welchem Winkel sich der Servomotor gerade befindet

3. Ein Getriebesystem, das viele Umdrehungen eines Motors aufnehmen und daraus eine kleine Winkelbewegung machen kann.

4. Ein Regelkreis, der den Fehler zwischen dem tatsächlichen Winkel und dem gewünschten Sollwinkel korrigieren kann.

Die Teile 1 und 2 sind im ersten Bild gezeigt. Beachten Sie, dass Teil 2 ein Potentiometer ist.

Teil 3 ist im zweiten Bild gezeigt.

Teil 4 ist im dritten Bild gezeigt.

Schritt 4: Sich wiederholende Bewegung

Hier werden wir den Kopf unserer Puppe "Bender" nach links und rechts drehen lassen, hin und her, solange der Strom über das USB-Kabel angeschlossen ist. Dies ist großartig für eine unterhaltsame Weihnachtsausstellung, die Sie den ganzen Tag in Bewegung halten möchten.

Der Arduino wird mit einer integrierten Entwicklungsumgebung (IDE) geliefert, was eine schicke Art zu sagen ist, dass er mit einer App für Ihren PC geliefert wird, mit der Sie ihm Anweisungen geben können (das Arduino IDE-Symbol ist eine seitliche Abbildung 8). Diese Anweisungen bleiben auf der Platine gespeichert, auch wenn Sie den PC trennen, und sie werden wieder ausgeführt, wenn Sie Ihr Arduino wieder an die Stromversorgung anschließen. In diesem Fall verwenden wir die Software namens "Sweep", die Sie in den IDE-Beispielen unter der Kategorie "Servo" finden.

Als nächstes verbinden Sie das Servo mit einem kondensatorstabilisierten 5 Volt (rotes Servokabel an Arduino +5, braunes Servokabel an Arduino GND) und an das Steuersignal (gelbes Servokabel an Arduino-Ausgangspin 9). Der Puppenkopf ist optional;-)

EINZELHEITEN:

Wenn das obige etwas verwirrend war, sind die detaillierten Anweisungen wie folgt:

Schritt A – Programmierung des Arduino

• Öffnen Sie die Arduino IDE (sollte ein 8-Symbol auf Ihrem Desktop sein)
• Stellen Sie unter „Tools“sicher, dass das „Board“auf „Arduino/Genuino Uno“eingestellt ist.
• Verbinden Sie die Arduino-Hardware über das USB-Kabel mit dem Computer
• Stellen Sie sicher, dass die Einstellung „Port“unter „Tools“auch für den Arduino konfiguriert ist.
• Wählen Sie unter „Dateien“das „Beispiel“namens „Sweep“aus (zu finden unter „Servos“)
• Bevor Sie diese Datei verwenden oder bearbeiten, "Speichern unter" bitte einen anderen Dateinamen (kann Ihr Name sein oder was auch immer Sie wählen). Dadurch bleibt die Datei für den nächsten Schüler, der diesen Computer verwendet, unverändert.
• Verwenden Sie die Pfeiltaste (oder wählen Sie unter „Skizze“„Hochladen“), um die Sweep-Skizze auf den Arduino hochzuladen

Schritt B – Anschließen des Servomotors an Sweep

In diesem Teil werden wir Variationen der in https://learn.adafruit.com/adafruit-arduino-lesso beschriebenen Schaltungen bauen. Wir werden die roten und braunen Drähte des Servos mit +5 und GND des Ardiuno verbinden. bzw. Wir werden auch einen Spannungsausgleichskondensator über diese Spannung legen und schließlich den gelben Draht des Servos mit dem Ausgangspin 9 des Arduino verbinden.

• Trennen Sie den Arduino vom USB-Anschluss, wenn Sie die Schaltung aufbauen.
• Wir werden die 5V und die Masse von der Arduino-Platine verwenden, also bringen Sie diese mit den roten bzw. grünen Drähten zu Ihrem Steckbrett.
• Da die Stromversorgung über den USB-Anschluss etwas wackelig sein kann (nicht viel Strom und der Servomotor kann das Arduino-Board aufgrund des geringen Stroms zurücksetzen), werden wir einen Kondensator über diese Spannung legen und sicherstellen, dass der Draht mit der Aufschrift „minus – “ist auf der Bodenseite.
• Verbinden Sie nun die roten (+5) und braunen (Masse) Kabel des Servos mit dem Steckbrett.
• Die letzte elektrische Verbindung ist die des Steuersignals. Das SWEEP-Programm verwendet Pin # 9 des Arduino, um das Steuersignal zu senden, also verbinden Sie dieses mit dem gelben (Steuer-) Kabel des Servomotors.
• OPTIONAL – Sie können einen Animatronic-Kopf Ihrer Wahl und seine Basis auf dem Servomotor platzieren, bevor Sie ihn testen. Bitte seien Sie vorsichtig, da die Passform nicht perfekt ist und die Kunststoffteile brechen.
• Sie sollten in der Lage sein, den Arduino mit USB-Strom zu versorgen, und das SWEEP-Programm sollte ausgeführt werden, wodurch der Servomotor hin und her schwingt.

Schritt C - Ändern des SWEEP-Programms

• Bevor Sie diese Datei verwenden oder bearbeiten, "Speichern unter" bitte einen anderen Dateinamen (kann Ihr Name sein oder was auch immer Sie wählen). Wahrscheinlich haben Sie dies bereits in Schritt A getan. Notieren Sie für jeden der folgenden Teile Ihre Beobachtungen sowie alle Änderungen, die Sie am Code vorgenommen haben.
• Messen Sie mit einer Stoppuhr, wie lange es dauert, den ganzen Weg und zurück zu kehren _
• Sie nehmen Änderungen an der Software vor (manchmal auch als „Code“oder „Skizze“bezeichnet)
• Ändern Sie beide "Verzögerungs"-Werte von 15 auf eine andere Größere Zahl (wählen Sie ein rundes Vielfaches von 15 für eine einfachere Berechnung). Welchen Wert hast du verwendet? _. Was denkst du, wird die neue SWEEP-Zeit sein? _. Messen Sie die neue SWEEP-Zeit und notieren Sie eventuelle Abweichungen _.
• Ändern Sie die Verzögerungen wieder auf 15 und ändern Sie nun die Positionswinkel von 180 auf einfach 90 (beide Werte). Was ist der neue Bewegungsbereich des Servomotors (90 Grad oder mehr oder weniger?) _.
• Belassen Sie den Bewegungsbereich auf 90 Grad und verringern Sie die „Verzögerung“auf eine Zahl von weniger als 15. Wie klein können Sie gehen, bevor sich das Servo unregelmäßig verhält oder nicht mehr den gesamten Bewegungsbereich abschließt? _

Nachdem Sie diese Schritte abgeschlossen haben, haben Sie alle Messungen und Übungen, die Sie benötigen, um mit Ihrem Servomotor eine Vielzahl von sich wiederholenden animatronischen Bewegungen zu steuern, von einem kleinen Winkel bis hin zu 180 Grad und auch bei einer Vielzahl von Geschwindigkeiten, die Sie steuern.

Schritt 5: Ferngesteuerte Bewegung

Anstatt die gleiche Bewegung den ganzen Tag lang zu wiederholen, werden wir in diesem Schritt die Position unserer animatronischen Puppe "C3PO" fernsteuern, um nach links und rechts und in jede beliebige Position dazwischen zu schauen. Da ein Mensch die Steuerung übernimmt, nennen wir dies „Open Loop“-Steuerung.

Mit Open Loop Control steuern Sie die genaue Position des Servomotors. Wir benötigen einen Drehknopf, den Sie drehen können, und wir verwenden dafür das blaue Potentiometer.

• Wir benötigen einen anderen Platz auf dem Steckbrett mit +5 und 0 (Masse) Volt. Führen Sie diese Überbrückungsdrähte aus, um Reihen auf dem Steckbrett zu trennen, und machen Sie sie eine Reihe voneinander entfernt, um sie mit den äußeren Stiften des Potentiometers auszurichten, die wir gleich hinzufügen werden.
• Fügen Sie nun das Potentiometer hinzu. Bevor Sie die Potentiometerstifte in das Steckbrett schieben, stellen Sie sicher, dass alle drei mit den richtigen Löchern ausgerichtet sind, und drücken Sie dann die Stifte gerade nach unten, damit sie sich nicht verbiegen. Der Mittelstift des Potentiometers wird mit dem Analogeingang Null (A0) des Arduino verbunden. Dazu wird ein zusätzlicher Draht hinzugefügt.
• Um die Spannung vom Potentiometer abzulesen und damit den Servomotor zu steuern, verwenden wir die Software „KNOB“, die auch unter Datei -> Beispiele -> Servo zu finden ist. Führen Sie das Programm aus, drehen Sie den Knopf und zeichnen Sie auf, was Sie beobachten.

Natürlich können Sie einige sehr lange Kabel verlegen, sodass sich der Bedienknopf in einem anderen Raum als die animatronische Puppe befindet, oder Sie könnten nur eine kurze Entfernung entfernt sein (z. B. außerhalb der Kamera, wenn Sie einen Film drehen).

Schritt 6: Ausgelöste Bewegung (mit einem Sensor)

Manchmal möchte man, dass sich seine Puppe plötzlich bewegt - besonders für gruselige Halloween-Streiche oder um noch mehr Aufmerksamkeit zu erregen. In diesem Schritt werden wir unsere Marionette "Easter Island Head" so umkonfigurieren, dass sie sich schnell umdreht und jedem gegenübersteht, der vorbeigeht und einen Schatten auf einen Lichtsensor wirft.

Bei der Sensorsteuerung des Servomotors verwenden wir einen Lichtsensor, der die genaue Position des Servomotors steuert. Je dunkler der auf den Sensor geworfene Schatten (und vermutlich je näher die Person der Puppe kommt), desto schneller und weiter dreht die Puppe ihren Kopf.

• Wir werden das Potentiometer entfernen und durch das Ersatzschaltbild von zwei Widerständen ersetzen. In diesem Fall ist einer der beiden Widerstände (R2) ein Lichtsensor.
• Um uns etwas Platz zu geben, verteilen wir die +5V (links) und 0V Masse (rechts) Knoten, damit wir den 10K Ohm Widerstand und den Lichtsensor hinzufügen können, die in der Mitte in derselben Reihe wie das Überbrückungskabel zum Analogeingang angeschlossen sind Null (A0) auf dem Arduino-Board.
• Verwenden Sie den Schatten Ihrer Hand, um den Lichtsensor zu verdecken, und verwenden Sie andere Möglichkeiten, damit der Lichtsensor möglichst viel und so wenig Licht wie möglich erhält. Sind Sie in der Lage, den vollen Bewegungsbereich von 180 Grad zu erreichen?

Genau wie bei der Fernbedienungsversion können Sie den Fotowiderstand in einem guten Abstand von Ihrer animatronischen Marionette platzieren und die Werte des Widerstands oder die Softwareprogrammierung ändern, um die Marionettenreaktionen zu ändern.

Schritt 7: Jetzt versuchen Sie es

Jetzt beherrschen Sie die drei grundlegenden Arten von animatronischen Bewegungen, die Sie mit einem einzigen Servomotor erstellen können.

- Wiederholende Bewegung

- Ferngesteuerte Bewegung

- Ausgelöste Bewegung durch Sensoren

Sie können dies auf die nächste Stufe bringen, indem Sie verschiedene Arten von Marionetten, Bewegungen, Steuerungen und natürlich die Kunstfertigkeit verwenden, die nur Sie erstellen können!