3D gedruckter Raspberry Pi Zero Roboter - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:20

Wollten Sie schon immer einen Roboter bauen, hatten aber nicht alle Materialien, um einen ohne unnötig sperriges Chassis zu bauen? 3D-Drucker sind hier, um den Tag zu retten! Sie können nicht nur Teile erstellen, die mit praktisch jeder Hardware kompatibel sind, sondern auch sehr platzsparend. Hier zeige ich Ihnen, wie Sie einen sehr einfachen Roboter mit 3D-gedruckten Teilen, dem Raspberry Pi Zero und der Pi-Kamera erstellen. Ich möchte Sie ermutigen, das, was ich getan habe, zu übernehmen und zu ändern, um Ihren praktischen oder Unterhaltungsbedürfnissen zu entsprechen. Um den Roboter zu steuern und den Kamera-Feed anzuzeigen, habe ich eine IOS-App (die PiBotRemote-App) erstellt, die Sie gerne verwenden und ändern können. Die wahre Stärke in Projekten wie diesem liegt jedoch in der Vielfalt der Möglichkeiten sowohl in der Hardware als auch in der Software. Daher möchte ich Sie ermutigen, kreativ zu sein und das, was ich getan habe, zu ergänzen, je nachdem, was Sie wissen. Ich fände es zum Beispiel cool, wenn dieser Roboter Machine Vision nutzt, um seine Umgebung zu erkennen und ähnlich wie ein selbstfahrendes Auto zu navigieren.

Schritt 1: Anforderungen

• Materialien

  • Erforderlich (ungefähr 75 $)

    • Raspberry Pi Zero W ($10)
    • Micro-SD-Karte (8,25 $)
    • 40-Pin-Header (3,25 $)
    • Überbrückungsdrähte ($6.86)
    • USB-Akku (5,00 $)
    • 900 U/min Mikro-Getriebemotor x 2 (jeweils $12,95)
    • Motortreiber (4,95 $)
    • Räder (6,95 $)
    • 14mm Stahlkugellager (0,62 $)
    • Schrauben, Muttern und Abstandshalter (siehe unten)

  • Optional (ungefähr 45 $)

    • LEDs
    • Raspberry Pi-Kamera (29,95 $)
    • Pi Zero Kameraadapter (5,95 $)
    • Servomotor (8,95 $)

  • Werkzeuge

    • 3D-Drucker & Filament
    • Computer (Ich verwende einen Mac, und Sie benötigen einen, wenn Sie die PiBot Remote-App verwenden möchten)
    • iPhone/iPad/iPod Touch (wenn Sie die App verwenden)
    • Bohren
    • Schraubendreher mit wechselbaren Spitzen

Mehr Infos zu den Teilen

• Pi Zero: Wenn Sie den Pi Zero nur für dieses Projekt verwenden möchten, können Sie die ganze Zeit ohne Kopf laufen. Andernfalls müssen Sie zusätzliche Adapter kaufen, wenn Sie jemals einen HDMI-Ausgang oder ein USB-Peripheriegerät anschließen möchten. In diesem Fall ist es höchstwahrscheinlich die kostengünstigste Option, ein Pi Zero-Kit zu kaufen, wie dieses ($ 24), das ich bei Amazon gekauft habe. Obwohl ich noch eine Micro-SD-Karte kaufen musste, wurde dieses Kit mit dem Pi Zero, den beiden notwendigen Adaptern und vielen verschiedenen Headern geliefert. All das kann nützlich sein.
• Micro-SD-Karte: Sie können jede Micro-SD-Karte verwenden, solange sie über mindestens 8 GB Speicherplatz verfügt.
• Jumper Wires: Ich mag Jumper wie diese, weil sie als verbundenes Bündel geliefert werden. Dadurch kann ich beispielsweise einen 9-adrigen Abschnitt trennen und den Pi und den Motortreiber sauber verbinden.
• USB-Akku: Der Akku, den ich bei Sparkfun gekauft habe, wurde inzwischen eingestellt. Daher müssen Sie woanders nach einem suchen. Die von mir verlinkte sah meiner ähnlich aus, aber ich habe sie nicht gekauft, und Sie müssen möglicherweise die Druckdateien ändern, um sie an Ihre Batterie anzupassen. Stellen Sie sicher, dass Sie eine Batterie mit einem angeschlossenen Micro-USB-Kabel finden, da Sie so ohne überschüssiges Kabel direkt an den Pi angeschlossen werden können.
• Motor Driver: Ich würde empfehlen, den von mir verlinkten Taucher zu verwenden, da er ziemlich billig ist und der Druck genau auf dieses Board passt. Darüber hinaus können andere Boards anders funktionieren und Sie können andere Ergebnisse erzielen.
• 14mm Stahlball: Ich habe diesen Ball einfach verwendet, weil ich zufällig einen herumliegen hatte. Sie können gerne andere Größen verwenden, aber möglicherweise müssen Sie die Sockelgröße ändern. Die Kugel dient unserem Roboter als 3. Rad. Dies ist einer der Designbereiche meines Roboters, der derzeit am problematischsten ist und die meisten Verbesserungen gebrauchen könnte. Während es auf glatten, harten Oberflächen gut funktioniert, hat es auf Teppichen und raueren Oberflächen Probleme. Fühlen Sie sich frei, diesen Bereich Ihres Designs zu ändern.
• Schrauben, Muttern, Abstandshalter: Möglicherweise müssen Sie ein wenig arbeiten, um Schrauben zu finden, die für Sie geeignet sind. Ich fand einfach die Schrauben, mit denen der Pi befestigt ist, sowie die Schrauben, die die Pi-Kamerahalterung zusammenhalten, in der Schraubensammlung meines Vaters. Für die Motorhalterungen und Sockel habe ich diese (2,95 $) Schrauben und diese (1,50 $) Muttern verwendet, die beide bei Sparkfun erhältlich sind. Die Abstandshalter und 8 Schrauben (ich habe versehentlich nur 4 im Bild eingefügt), die den Roboter zusammenhalten, habe ich aus den unbenutzten VEX-Kits meiner Schule genommen.
• LEDs: Ich bin sicher, Sie wissen, wo Sie leicht einige LEDs finden können. Wählen Sie die Farben aus, die Sie für die Funktionen verwenden möchten: Strom, Verbindung, Wiedergabepfad des Roboters und Roboter, der Anweisungen empfängt.
• Kamera und Servo: Je nachdem, was Sie mit Ihrem Roboter machen möchten, können Sie die Kamera und den Servo nicht einschließen, da sie für die Grundbewegungen nicht erforderlich sind, und die Kosten des Roboters um 45 USD erhöhen.

Schritt 2: Pi Zero Setup

Folgen Sie diesem Link, um eine Headless-Installation auf Ihrem Raspberry Pi Zero einzurichten

• Vergessen Sie nicht, dass sich der Pi Zero nicht mit einem 5-GHz-WLAN-Netzwerk verbinden kann
• Befolgen Sie unbedingt die Anweisungen für Raspbian Stretch oder höher

Sobald Sie sich erfolgreich über SSH mit Ihrem Pi verbunden haben, führen Sie

sudo raspi-config

und ändern Sie die folgenden Konfigurationen:

• Ändern Sie Ihr Passwort. Es ist sehr gefährlich, das Standardpasswort raspberry zu belassen. Merken Sie sich dieses Passwort gut.
• Ändern Sie in den Netzwerkoptionen den Hostnamen von raspberrypi in etwas kürzer wie pizero oder pibot. Ich werde Pibot für den Rest dieses Tutorials verwenden. Denken Sie daran, was Sie hier eingegeben haben.
• Wählen Sie in Boot-Optionen -> Desktop / CLI die Option Console Autologin
• Gehen Sie zu den Schnittstellenoptionen und aktivieren Sie die Kamera

Wählen Sie Fertig stellen und starten Sie das Gerät neu.

Schritt 3: Einrichten des AdHoc-Netzwerks

Durch den Aufbau eines AdHoc-Netzwerks können wir unser Steuergerät ohne Zwischenhändler direkt mit dem Roboter verbinden. Dies ermöglicht ein schnelleres Streaming von Videos und eine geringere Latenz bei der Steuerung. Dieser Schritt ist jedoch nicht notwendig, da alles weiterhin über ein normales WLAN-Netzwerk funktioniert.

Zuerst müssen Sie alle erforderlichen Dateien von GitHub herunterladen und entpacken. Navigieren Sie im Terminal zum heruntergeladenen Ordner und senden Sie den Ordner PiBotRemoteFiles mit dem Befehl an das pi:

scp -r PiBotRemoteFiles/ [email protected]:Desktop/

Dieser sendet alle notwendigen Dateien an den Roboter, der ihn steuert und das AdHoc-Netzwerk einrichtet. Stellen Sie sicher, dass sich die Dateien in einem Ordner namens "PiBotRemoteFiles" befinden, der sich auf dem Desktop befindet; sonst werden viele Dinge auf der Straße nicht funktionieren. Wenn Sie die PiBot Remote App verwenden, können Sie in den App-Einstellungen zwischen normalem WLAN und einem AdHoc-Netzwerk wechseln. Andernfalls können Sie es manuell über SSH mit einem der folgenden Befehle ändern:

sudo bash adhoc.sh

sudo bash wifi.sh

Stellen Sie natürlich sicher, dass Sie zum Ordner PiBotRemoteFiles navigiert sind, bevor Sie die vorherigen Befehle ausführen. Ein Wechsel zwischen AdHoc und WLAN wird erst nach dem nächsten Neustart wirksam. Wenn ein AdHoc eingerichtet ist, sollte beim Booten des Pi Zero ein PiBot-Netzwerk erscheinen.

Schritt 4: Fügen Sie eine Power-LED hinzu

Obwohl es sicherlich unnötig ist, kann es nützlich sein, eine Power-Leuchte zu haben. Um dies zu aktivieren, SSH in den Pi Zero und führen Sie den Befehl aus:

sudo nano /etc/bash.bashrc

Und fügen Sie am Ende der Datei folgende Zeile hinzu:

python /home/pi/Desktop/PiBotRemoteFiles/startup.py

Wir werden später den GPIO-Pin ändern, der der Power-LED zugeordnet ist.

Schritt 5: RPi Cam Webinterface-Setup

Um den Videostream der Raspberry Pi Kameras anzuzapfen, verwenden wir das RPi-Cam-Web-Interface. Informationen zu diesem Modul finden Sie hier und ihr Code befindet sich auf GitHub. Um das Modul zu installieren, müssen wir zuerst unseren Pi aktualisieren. Dies kann bis zu etwa 10 Minuten dauern.

sudo apt-get update

sudo apt-get dist-upgrade

Wir müssen dann git installieren:

sudo apt-get install git

Und endlich können wir das Modul installieren:

git-Klon

RPi_Cam_Web_Interface/install.sh

Nach der Installation des Moduls erscheint ein Konfigurationsfenster. Wenn Sie einen Benutzernamen und ein Passwort hinzufügen möchten, stellen Sie sicher, dass Sie denselben Benutzernamen und dasselbe Passwort wie das Konto Ihres pi verwenden. Andernfalls kann die PiBot Remote-App den Kamerastream nicht empfangen.

Wenn Sie nun einen Browser auf einem Gerät im selben Netzwerk wie der Pi aufrufen und die Kamera mit dem Pi verbunden ist, können Sie den Stream unter https://pibot.local/html/# empfangen. Die RPi-Schnittstelle ermöglicht eine einfache Steuerung der Kamera, und durch Tippen oder Klicken auf das Video kann es zum Vollbild werden. Wir werden dies später mit der PiBot-Remote-App verwenden.

Wir sind jetzt mit dem Einrichten des Pi Zero fertig und können mit den lustigen Dingen beginnen!

Schritt 6: Alles ausdrucken

Obwohl ich einen Dremel 3D-Drucker mit PLA-Filament verwendet habe, können Sie gerne Ihre eigenen Drucker und Materialien verwenden. Alle STL-Dateien befinden sich in dem Ordner, den Sie von GitHub heruntergeladen haben. Ich konnte alles in vier Chargen ausdrucken: die obere Platte, die untere Platte, alle Halterungen und Fassungen und den Ring. Seien Sie kreativ bei der Farbwahl und nutzen Sie die Möglichkeiten des 3D-Druckers voll aus. Mein Drucker hatte keine Dual-Extrusion oder solche ausgefallenen Funktionen, aber wenn ich Zugang zu einem solchen Drucker habe, würde ich empfehlen, die Dekorationen auf der Oberseite der oberen Platte in einer Kontrastfarbe zu drucken. Sie müssen wahrscheinlich feilen und bohren, um einige Teile passend zu machen.

Bemalen Sie die obere Platte gerne, um LED-Symbole und Dekorationen sichtbar zu machen.

Möglicherweise haben Sie zwei Halterungen an den Enden der Bodenplatte bemerkt, die dem GoPro-Montagesystem ähneln. Fühlen Sie sich frei, diese zu verwenden, um an der Vorder- oder Rückseite des Roboters zu befestigen, was Sie möchten. In der Blender-Datei finden Sie eine trocken abwischbare Markerhalterung, die ich verwendet habe, sowie ein Vorlagenobjekt, das Sie ändern können, um Ihr Objekt zu halten.

Sie können auch jede Richtung als vorwärts definieren; Ich habe bisher mindestens dreimal getauscht.

Schritt 7: Löten Sie auf die Header

Obwohl ich mich dafür entschieden habe, Header an den PiZero zu löten, können Sie Ihre Drähte direkt an den Pi löten. Wenn Sie sich dafür entscheiden, Header wie ich zu löten, würde ich empfehlen, einen mit einem rechten Winkel wie meinem zu verwenden. Es hält die Drähte viel versteckter und lässt alles viel ordentlicher aussehen.

Jetzt ist es Zeit, den Motortreiber zu löten. Die Bodenplatte wurde speziell für diesen Sparkfun-Motortreiber entwickelt und bietet Platz für die Stiftleiste, um unten herauszuragen. Dies ermöglicht ein einfaches Wechseln der Motorpins, sodass Sie links und rechts sowie vorwärts und rückwärts tauschen können. Obwohl ich jetzt den folgenden Schritt einbeziehe, würde ich dringend empfehlen, einige Schritte abzuwarten, bis Sie genau wissen, wie lang Ihre Drähte sein müssen. Schneiden Sie einen 9-adrigen Abschnitt von Jumper-Pins ab, die mit den Header-Pins kompatibel sind, die Sie gerade in den Pi gelötet haben. Löten Sie jeden Draht sorgfältig, so dass die Gruppe gemeinsam flach liegen und um die Batterie wickeln kann. Messen Sie die Drahtlänge vorher aus, damit Sie nicht zu wenig oder zu viel haben.

Schließlich ist es Zeit, die LEDs zu löten. Stecken Sie sie in ihre jeweiligen Positionen auf der oberen Platte und falten Sie alle Erdungsstifte übereinander. Löten Sie einen Draht an Masse und einen Draht an jede LED. Von links nach rechts sind die Funktionen der LEDs: Roboterleistung, App-Konnektivität zum Roboter, der Roboter spielt einen gespeicherten Pfad ab und Anweisungen werden vom Roboter empfangen.

Löten Sie auch Drähte an jeden Motor, damit sie in die vom Motortreiber kommenden Header eingesteckt werden können.

Schritt 8: Motor und Buchse anschrauben

Setzen Sie zuerst jeden Motor in eine Motorhalterung ein. Setzen Sie dann jede Schraube teilweise ein, bis die Spitze die Oberfläche der Halterung oder Buchse erreicht. Halten Sie dann für jede Schraube eine Mutter auf der anderen Seite der Platte fest, während Sie jede Schraube festziehen. Denken Sie daran, das Lager zwischen den beiden Sockeln zu platzieren, wenn Sie das zweite anschrauben. Platzieren Sie den Motortreiber in seiner Position und stecken Sie die Motoren ein. Es spielt keine Rolle, welcher Motor an welchen Ausgang angeschlossen ist, da Sie dies leicht ändern können, sobald der Roboter in Betrieb ist.

Schritt 9: Bereiten Sie die Kamera und den Servo vor

Stecken Sie das Pi Zero Adapterband in die Kamera und schrauben Sie das Kameragehäuse zusammen. Platzieren Sie das Servo in seiner Position. Sie können die Schraubenlöcher für das Servo bohren, aber es ist genug eng genug. Befestigen Sie die Kamera so am Servo, wie Sie es am besten finden. Derzeit habe ich zwei Löcher in der Halterung, wobei eine Heftklammer durch das Servohorn und das Kameragehäuse geht. Dies lässt jedoch viel Spielraum, sodass Sie möglicherweise Sekundenkleber verwenden möchten. Richten Sie die Kamera in die gewünschte Richtung und schrauben Sie das Servohorn fest. Stecken Sie das Kameraband durch den Schlitz bei der Himbeere und stecken Sie es in den Pi. Falten Sie schließlich das Band, um es flach an der Batterie zu halten.

Schritt 10: Alles zusammenfügen

Es ist endlich an der Zeit, dass alles ein Stück wird. Stecken Sie die Drähte von den LEDs, dem Motortreiber und dem Servo so in den Pi, dass Sie nur gültige Pins verwenden, aber halten Sie sie in der Nähe ihres Ausgangs. Legen Sie dann die Drähte durch ihre Schlitze und schrauben Sie den Pi fest. Dies ist so konzipiert, dass es eng anliegt, um die Dinge ordentlich zu halten. Geben Sie also nicht auf, wenn es den Anschein hat, dass nicht genug Platz für diese großen Stecknadeln ist.

Schrauben Sie jeden Abstandshalter in die Bodenplatte ein, damit jeder sicher sitzt. Legen Sie den Akku ein und stellen Sie sicher, dass das Stromkabel durch den Schlitz und in den Stromanschluss des Pi Zero passt. Wickeln Sie die Motortreiberdrähte darum und passen Sie das Ringstück um alles. Sobald Sie alle Drähte in den Raum zwischen der Batterie und der oberen Platte gequetscht haben, kleine Rippe auf der unteren Platte in den Ring und die beiden hohen Punkte am Ring in die obere Platte. Sie können nun die obere Platte festschrauben und Sie haben Ihren Roboter gebaut!

Schritt 11: Öffnen Sie das Xcode-Projekt

Die nächsten Schritte gelten nur, wenn Sie die PiBot Remote-App verwenden, die einen Mac und ein IOS-Gerät erfordert.

Da ich günstig bin und keinen bezahlten Apple Developer Account habe, kann ich nur das Xcode-Projekt teilen, nicht die App selbst. Sie können das Projekt dann selbst öffnen, die Signatur ändern und auf Ihrem eigenen Gerät starten.

Wenn Sie Xcode noch nicht haben, laden Sie es aus dem App Store auf Ihren Mac herunter. Sobald Xcode geladen ist, wählen Sie in der unteren rechten Ecke "Anderes Projekt öffnen" und navigieren Sie zum Ordner "PiBot Remote" im GitHub-Download.

Sobald das Projekt geöffnet ist, klicken Sie in der Ansicht ganz links mit dem Namen "PiBot Remote" auf die Root-Datei.

Ändern Sie den "Bundle Identifier" in etwas Einzigartiges. Sie könnten meinen Namen durch Ihren ersetzen oder etwas am Ende hinzufügen.

Ändern Sie das Team in Ihr persönliches Konto. Wenn Sie noch kein Konto haben, wählen Sie "Konto hinzufügen".

Drücken Sie Befehlstaste-B, um zu bauen, und hoffen Sie, dass alles richtig funktioniert. Nachdem Sie das Projekt erfolgreich erstellt haben, schließen Sie Ihr Gerät an Ihren Computer an. Klicken Sie auf die Schaltfläche rechts neben der Wiedergabe- und Stopp-Schaltfläche in der oberen linken Ecke und wählen Sie Ihr Gerät aus.

Drücken Sie Befehlstaste-R und die App sollte auf Ihrem Gerät starten. Ihr Gerät muss möglicherweise vor der Ausführung die Identitäten überprüfen und benötigt nur zu diesem Zeitpunkt Internetzugang.

Schritt 12: Letzte Anpassungen

Sie können die Pin-Nummern für alles außer der Power-LED in der PiBot Remote-App anpassen. Um den Pin für die Power-LED zu ändern, führen Sie eine SSH-Verbindung zum PI aus und führen Sie den Befehl aus:

/home/pi/Desktop/PiBotRemoteFiles/startup.py

Ändern Sie die beiden Instanzen von 36 in den von Ihnen verwendeten GPIO-Pin. Drücken Sie dann Strg-X, y, Eingabe.

Sowohl die App als auch der Server sind fehleranfällig. Verwenden Sie die Konsole im Debug-Modus, um herauszufinden, was vor sich geht. Versuchen Sie im Zweifelsfall, den Pi neu zu starten und/oder die App neu zu starten. Manchmal kann die App nach einem Codefehler keine Verbindung mehr herstellen, da die Adresse bereits verwendet wird. Ändern Sie in diesem Fall einfach den Port und die App sollte sich verbinden.

Wenn Sie den Roboter mit dem Gaspedal Ihres Geräts fahren, müssen Sie außerdem einige unbequeme Gesten verwenden, um zu kalibrieren, zu stoppen/starten, die Kamera anzupassen und die Registerkartenleiste anzuzeigen/auszublenden

• Kalibrieren: Tippen und halten Sie mit zwei Fingern für 0,5 Sek. (wenn Ihr Gerät dies unterstützt, spüren Sie ein haptisches Feedback, sobald das Gerät kalibriert ist
• Kameraeinstellung: Die kniffligste Geste: Führen Sie die zuvor beschriebenen Schritte zum Kalibrieren aus, ziehen Sie dann Ihre Finger nach oben, um die Kamera nach oben zu bewegen, und ziehen Sie nach unten, um die Kamera nach unten zu bewegen. Die Einstellung wird vorgenommen, sobald Sie Ihre Finger anheben.
• Stop/Start Toggle: Wenn Sie zur Beschleunigungsmesseransicht wechseln, ist der Roboter anfänglich so eingestellt, dass er Bewegungsbefehle ignoriert. Doppeltippen Sie mit zwei Fingern, um diese Einstellung umzuschalten.
• Tab-Leiste anzeigen/ausblenden: Um die Vollbildansicht während der Fahrt mit Beschleunigungsmesser zu aktivieren, wird die Tab-Leiste nach einigen Sekunden automatisch ausgeblendet. Um es wieder anzuzeigen, wischen Sie nach oben. Um es auszublenden, wischen Sie nach unten.

Wenn Sie von den Problemen und Unannehmlichkeiten im Zusammenhang mit meiner App frustriert sind, denken Sie daran, dass ich keine formale Ausbildung in Programmieren jeglicher Art hatte. Daher freue ich mich über Ratschläge und Anregungen. Fühlen Sie sich frei, meine GitHub-Dateien zu forken.

Wenn ich auf GitHub Anpassungen vornehme, wende diese auf den Roboter an, indem du die Dateien herunterlädst und sie per rekursivem SCP an den Pi am entsprechenden Ort schickst. Wenn Sie das Xcode-Projekt geklont haben, ziehen Sie einfach die Änderung. Andernfalls können Sie das Projekt herunterladen und Schritt 11 befolgen, um die App auf Ihrem Gerät zu öffnen.

Wenn Sie mit diesem Tutorial etwas Interessantes machen, lassen Sie es mich bitte in den Kommentaren wissen, ich bin gespannt, wie es als Vorlage für alle möglichen faszinierenden Projekte verwendet werden kann.