Kostengünstiger, Arduino-kompatibler Zeichenroboter - Gunook

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

Hinweis: Ich habe eine neue Version dieses Roboters, die eine Leiterplatte verwendet, einfacher zu bauen ist und über eine IR-Hinderniserkennung verfügt! Schaut es euch unter https://bit.ly/OSTurtle. an

Ich habe dieses Projekt für einen 10-stündigen Workshop für ChickTech.org entworfen, dessen Ziel es ist, Teenager-Frauen an MINT-Themen heranzuführen. Die Ziele für dieses Projekt waren:

• Einfach zu bauen.
• Einfach zu programmieren.
• Habe etwas Interessantes gemacht.
• Kostengünstig, damit die Teilnehmer es mit nach Hause nehmen und weiter lernen können.

Mit diesen Zielen im Hinterkopf waren hier einige der Designentscheidungen:

• Arduino-kompatibel für einfache Programmierung.
• 4xAA-Batterieleistung für Kosten und Verfügbarkeit.
• Schrittmotoren für genaue Bewegungen.
• 3D-gedruckt für einfache Anpassung.
• Stift-Plotting mit Turtle-Grafik für interessante Ausgabe.
• Open Source, damit Sie Ihre eigenen erstellen können!

Hier ist der Roboter, der dem, was ich tun wollte, am nächsten kam: https://mirobot.io. Ich habe keinen Laserschneider und der Versand aus England war unerschwinglich. Ich habe einen 3D-Drucker, also kann man sehen, wo das hinführt…

Lassen Sie sich nicht vom Fehlen eines 3D-Druckers abschrecken. Unter https://www.3dhubs.com/ finden Sie lokale Bastler, die Ihnen helfen möchten.

Dieses Projekt ist unter Creative Commons lizenziert und verwendet 3D-Teile, die auf Entwürfen anderer basieren (wie im nächsten Abschnitt angegeben), von denen das Rad am restriktivsten ist, das nicht kommerziell ist. Das bedeutet, dass dieses Projekt auch nicht kommerziell sein muss. Sei nicht dieser Typ.

Schritt 1: Teile

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, Roboter anzutreiben, anzutreiben und zu steuern. Möglicherweise haben Sie verschiedene Teile zur Hand, die funktionieren, aber dies sind die, die ich ausprobiert habe und für gut befunden habe:

Elektronik:

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

  • Hardware unter CC BY-SA Lizenz
  • Software (Bootloader) unter GPL-Lizenz
• 2-Getriebe 5V Stepper- adafruit.com/products/858
• 1- ULN2803 Darlington-Treiber - adafruit.com/products/970
• 1- Halbes Steckbrett - adafruit.com/products/64
• 16- Herren-Männer Pullover- adafruit.com/products/759
• 1- Micro Servo- adafruit.com/products/169
• 1 - SPDT-Schiebeschalter - adafruit.com/product/805 oder www.digikey.com/product-detail/en/EG1218/EG1903-ND/101726
• 1- Stiftleiste - digikey.com/short/t93cbd
• 2- 2 x AA-Halter - digikey.com/short/tz5bd1
• 1- USB-Mikrokabel
• 4- AA-Batterien

*Hinweis: Siehe den letzten Schritt für eine Diskussion über die Verwendung normaler Arduino- oder Raspberry Pi-Boards.

Hardware:

• 2- 1 7/8" ID x 1/8" O-Ring- mcmaster.com/#9452K96
• 1- Laufrolle 5/8" Lager- mcmaster.com/#96455k58/=yskbki
• 10- M3 x 8 mm Linsenkopfschraube - mcmaster.com/#92005a118/=z80pbr
• 4- M3 x 6 mm Flachkopfschraube- mcmaster.com/#91420a116/=yskru0
• 12- M3-Mutter- mcmaster.com/#90591a250/=yskc6u

3D-gedruckte Teile (besuchen Sie www.3dhubs.com, wenn Sie keinen Zugang zu einem Drucker haben):

• 1 x Kugellagerrolle - thingiverse.com/thing:1052674 (basierend auf Arbeit von onebytegone, CC BY-SA 3.0)
• 1 x Chassis - thingiverse.com/thing:1053269 (Originalwerk von Maker's Box, CC BY-SA 3.0)
• 2 x Räder - thingiverse.com/thing:862438 (basierend auf der Arbeit von Mark Benson, CC BY-NC 3.0*)
• 2 x Stepperhalterung - thingiverse.com/thing:1053267 (basierend auf Arbeit von jbeale, CC BY-SA 3.0)
• 1 x Stifthalter / Servohalterung - thingiverse.com/thing:1052725 (Originalarbeit von Maker's Box, CC BY-SA 3.0)
• 1 x Stifthalsband - thingiverse.com/thing:1053273 (Originalarbeit von Maker's Box, CC BY-SA 3.0)

* Hinweis: CC BY-NC ist eine nicht-kommerzielle Lizenz

Werkzeuge und Zubehör:

• Kreuzschlitzschraubendreher
• Heißklebepistole
• Digital-Multimeter
• Scharfes Messer
• Crayola farbige Marker

Schritt 2: Flashen Sie die Firmware

Bevor wir zu weit in die Konstruktion einsteigen, laden wir die Test-Firmware auf den Mikrocontroller. Das Testprogramm zeichnet nur Kästchen, damit wir die richtige Richtung und Dimension überprüfen können.

Um mit dem Trinket Pro zu sprechen, benötigen Sie:

1. Treiber von
2. Arduino-Software von

Lady Ada und das Adafruit-Team haben in den obigen Links eine weitaus bessere Anleitung erstellt, als ich bereitstellen kann. Bitte verwenden Sie sie, wenn Sie nicht weiterkommen.

Hinweis: Der einzige Trick, der das Trinket vom normalen Arduino unterscheidet, besteht darin, dass Sie das Board zurücksetzen müssen, bevor Sie die Skizze hochladen.

Schritt 3: Stifthalter und Batteriehalter

1. Installieren Sie den Stifthalter mit der Servohalterung auf der kürzeren Seite des Chassis (Bild 1).
2. Setzen Sie die Muttern an der Oberseite des Chassis ein (Bild 2)
3. Befestigen Sie die Batteriehalter an der Unterseite des Chassis mit 3Mx6mm Flachkopfschrauben (Bilder 3 & 4).
4. Führen Sie die Batteriekabel durch die rechteckigen Kabelführungen (Bild 4 & 5).
5. Wiederholen Sie dies für den anderen Batteriehalter.

Hinweis: Sofern nicht anders angegeben, sind die restlichen Schrauben 3Mx8mm Linsenkopfschrauben.

Schritt 4: Räder

1. Testen Sie Ihr Rad auf die Schrittwelle (Bild 1).

   1. Wenn es zu eng ist, können Sie die Radnabe mit einem Fön oder einer Heißluftpistole erwärmen und dann die Welle einsetzen.
   2. Wenn es zu locker ist, können Sie es mit einer 3Mx8mm Schraube gegen die Abflachung der Welle halten (Bild 2).
   3. Wenn Sie ein Perfektionist sind, können Sie Ihren Drucker kalibrieren und ihn genau richtig machen.
2. Legen Sie den O-Ring um die Felge des Rades (Bild 3 & 4).
3. Wiederholen Sie dies für das andere Rad.

Schritt 5: Stepperbackets

1. Setzen Sie eine Mutter in die Stepperhalterung ein und befestigen Sie diese mit einer Schraube oben am Chassis (Bild 1).
2. Setzen Sie den Stepper in die Halterung ein und befestigen Sie ihn mit Schrauben und Muttern.
3. Wiederholen Sie dies für die andere Halterung.

Schritt 6: Caster

1. Setzen Sie das Kugellager in die Laufrolle ein.

   Drücken Sie es nicht mit Gewalt ein, sonst bricht es. Verwenden Sie einen Fön oder eine Heißluftpistole, um das Material bei Bedarf aufzuweichen

2. Bringen Sie die Laufrolle an der Unterseite des Chassis vor dem Batteriehalter an.

Schritt 7: Steckbrett

1. Entfernen Sie eine der Stromschienen mit einem scharfen Messer, indem Sie den unteren Kleber durchschneiden (Bild 1).
2. Halten Sie das Steckbrett über die Chassisschienen und markieren Sie, wo sie die Kante schneiden (Bild 2).
3. Mit einem Lineal (wie die entfernte Stromschiene) die Leitungen markieren und durch die Unterlage schneiden (Bild 3).
4. Legen Sie das Steckbrett auf das Chassis, wobei die Schienen den freiliegenden Klebstoff berühren (Bild 4).

Schritt 8: Leistung

1. Platzieren Sie den Mikrocontroller, den Darlington-Treiber und den Netzschalter auf der Brotplatine (Bild 1).

   • Ich habe orangefarbene Punkte zur Sichtbarkeit hinzugefügt, um Folgendes zu markieren:

     • Pin 1 des Darlington-Treibers.
     • Der Batteriestift des Mikrotrollers.
     • Die Position des Netzschalters "on".

2. Mit den rechten Batteriekabeln:

   1. Verbinden Sie die rote Leitung mit dem ersten Pin des Netzschalters (Bild 2).
   2. Verbinden Sie das schwarze Kabel mit einer leeren Reihe zwischen dem Mikrocontroller und dem Darlington-Chip (Bild 2).

3. Mit den linken Batteriekabeln:

   1. Verbinden Sie die rote Leitung mit der gleichen Reihe wie das schwarze Kabel der anderen Batterie (Bild 3).
   2. Verbinden Sie die schwarze Linie mit der negativen Schiene des Steckbretts (Bild 3).

4. Schließen Sie den Mikrocontroller an die Stromversorgung an:

   1. Roter Jumper von positiver Schiene zum Batteriestift (orangefarbener Punkt, Bild 4).
   2. Schwarzer Jumper von der negativen Schiene zum mit "G" gekennzeichneten Pin (Bild 4).
5. Legen Sie die Batterien ein und schalten Sie das Gerät ein. Sie sollten sehen, dass die grünen und roten Lichter des Controllers aufleuchten (Bild 5).

Fehlerbehebung: Wenn die Mikrocontroller-LEDs nicht aufleuchten, schalten Sie das Gerät sofort aus und beheben Sie Folgendes:

1. Batterien richtig herum eingelegt?
2. Überprüfen Sie die Positionierung der Batteriekabel.
3. Überprüfen Sie die Position der Schalterleitungen.
4. Verwenden Sie ein Multimeter, um die Spannungen der Batterien zu überprüfen.
5. Verwenden Sie ein Multimeter, um die Stromschienenspannungen zu überprüfen.

Schritt 9: Header und Servoverkabelung

Stiftleisten ermöglichen uns den Anschluss der 5-poligen Servo-JST-Anschlüsse an die Stromversorgung und den Darlington-Treiber (Bild 1):

1. Der erste 5-Pin-Header beginnt eine Reihe vor dem Darlington-Treiber.
2. Der zweite Servo-Header sollte dann mit dem Ende des Darlington-Treibers ausgerichtet sein.

Bevor die Verkabelung zu kompliziert wird, lassen Sie uns das Servo verkabeln:

1. Fügen Sie einen 3-poligen Header für das Servo am rechten Rand des vorderen Abschnitts des Steckbretts hinzu (Bild 2).
2. Fügen Sie einen roten Jumper vom Mittelstift zur positiven Seite der Stromschiene hinzu.
3. Fügen Sie einen schwarzen oder braunen Jumper vom äußeren Pin zur negativen Seite der Stromschiene hinzu.
4. Fügen Sie einen farbigen Jumper vom inneren Pin zu Pin 8 des Mikrocontrollers hinzu.
5. Installieren Sie das Servohorn mit der Welle in der vollen Uhrzeigerstellung und dem Arm, der sich zum rechten Rad erstreckt (Bild 3)
6. Montieren Sie das Servo mit den Schrauben des Servos im Stifthalter (Bild 3).
7. Schließen Sie den Servostecker an, indem Sie die Farben ausrichten (Bild 4).

Schritt 10: Stepper-Steuerung

Zeit, den Darlington-Treiber und die Stepper mit Strom zu versorgen, die direkt von der Batterie angetrieben werden:

1. Verbinden Sie einen schwarzen oder braunen Jumper vom unteren rechten Darlington-Pin mit der negativen Seite der Stromschiene (Bild 1).
2. Verbinden Sie einen roten Jumper vom oberen rechten Darlington-Pin mit der positiven Seite der Stromschiene.
3. Verbinden Sie einen roten Jumper von der oberen linken Stiftleiste mit der positiven Seite der Stromschiene (Bild 2).
4. Verbinden Sie den linken Stepper-Stecker mit dem roten Kabel auf der rechten Seite mit der linken Stiftleiste (Bild 3).
5. Verbinden Sie den rechten Stepperstecker mit der rechten Stiftleiste mit dem Lesekabel auf der linken Seite.

Hinweis: Das rote Kabel des Stepper-Anschlusses ist die Stromversorgung und sollte mit den roten Kabeln auf dem Steckbrett übereinstimmen.

Schritt 11: Stepper-Steuerung (Fortsetzung)

Jetzt verbinden wir die Stepper-Signalleitungen vom Mikrocontroller mit der Eingangsseite des Darlington-Treibers:

1. Verbinden Sie beginnend mit Pin 6 des Mikrocontrollers die Leitungen für vier Steuerjumper für den linken Schrittmotor (Bild 1).
2. Passen Sie diese Jumper an die Eingangsseite des Darlingtons auf der rechten Seite an. Alle Farben sollten übereinstimmen, mit Ausnahme von Grün, das zum rosa Draht des Steppers passt (Bild 2).
3. Verbinden Sie beginnend mit Pin 13 des Mikrocontrollers die Leitungen für die vier Steuerjumper für den rechten Schrittmotor (Bild (3).
4. Passen Sie diese Jumper an die Eingangsseite des Darlingtons auf der linken Seite an. Alle Farben sollten übereinstimmen, mit Ausnahme von Grün, das zum rosa Draht des Steppers passt (Bild 3).

Schritt 12: Testen und Kalibrieren

Hoffentlich haben Sie die Firmware bereits in Schritt 2 hochgeladen. Wenn nicht, tun Sie es jetzt.

Die Test-Firmware zeichnet einfach wiederholt ein Quadrat, damit wir Richtung und Genauigkeit überprüfen können.

1. Stellen Sie Ihren Roboter auf eine glatte, flache, offene Oberfläche.
2. Schalten Sie das Gerät ein.
3. Beobachten Sie, wie Ihr Roboter Quadrate zeichnet.

Wenn Sie keine Lichter am Mikrocontroller sehen, gehen Sie zurück und beheben Sie die Stromversorgung wie in Schritt 8.

Wenn sich Ihr Roboter nicht bewegt, überprüfen Sie in Schritt 9 die Stromverbindungen zum Darlington-Treiber.

Wenn sich Ihr Roboter unregelmäßig bewegt, überprüfen Sie in Schritt 10 die Stiftverbindungen für den Mikrocontroller und den Darlington-Treiber.

Wenn sich Ihr Roboter in einem ungefähren Quadrat bewegt, ist es an der Zeit, etwas Papier abzulegen und einen Stift hineinzustecken (Bild 1).

Ihre Kalibrierpunkte sind:

Schwimmerrad_Durchmesser = 66,25; // mm (erhöhen = ausdrehen)

Schwimmerrad_Basis = 112; // mm (increase = spiral in) int steps_rev=128; // 128 für 16x Getriebe, 512 für 64x Getriebe

Ich habe mit einem gemessenen Raddurchmesser von 65 mm angefangen und man sieht die Boxen nach innen drehen (Bild 2).

Ich habe den Durchmesser auf 67 erhöht, und Sie können sehen, dass er sich nach außen dreht (Bild 3).

Ich kam schließlich auf einen Wert von 66,25 mm (Bild 4). Sie können sehen, dass es immer noch einen inhärenten Fehler aufgrund von Getriebespiel und dergleichen gibt. Nah genug, um etwas Interessantes zu tun!

Schritt 13: Anheben und Absenken des Stifts

Wir haben ein Servo hinzugefügt, aber nichts damit gemacht. Es ermöglicht Ihnen, den Stift anzuheben und abzusenken, damit sich der Roboter ohne Zeichnen bewegen kann.

1. Setzen Sie das Stifthalsband auf den Stift (Bild 1).
2. Wenn es locker ist, kleben Sie es fest.
3. Stellen Sie sicher, dass es das Papier berührt, wenn der Servoarm abgesenkt wird.
4. Stellen Sie sicher, dass es das Papier beim Anheben nicht berührt (Bild 2).

Die Servowinkel können entweder durch Entfernen des Horns und Neupositionieren oder über die Software eingestellt werden:

int PEN_DOWN = 170; // Winkel des Servos, wenn der Stift unten ist

int PEN_UP = 80; // Winkel des Servos, wenn der Stift oben ist

Die Stiftbefehle sind:

penup();

pendown();

Schritt 14: Viel Spaß

Ich hoffe du hast es bis hierher ohne allzu viele Schimpfwörter geschafft. Lassen Sie mich wissen, womit Sie Schwierigkeiten hatten, damit ich die Anweisungen verbessern kann.

Jetzt ist es Zeit zu erkunden. Wenn Sie sich die Testskizze ansehen, werden Sie sehen, dass ich Ihnen einige Standardbefehle für "Schildkröte" bereitgestellt habe:

vorwärts (Entfernung); // Millimeter

rückwärts (Entfernung); links (Winkel); // Grad rechts (Winkel); penup(); pendown(); getan(); // Stepper loslassen, um Batterie zu sparen

Mit diesen Befehlen sollten Sie in der Lage sein, fast alles zu tun, vom Zeichnen von Schneeflocken oder dem Schreiben Ihres Namens. Wenn Sie Hilfe beim Einstieg benötigen, sehen Sie sich Folgendes an:

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

Schritt 15: Andere Plattformen

Könnte dieser Roboter mit einem normalen Arduino gemacht werden? Jawohl! Ich habe mich wegen der geringen Kosten und der geringen Größe für das Trinket entschieden. Wenn Sie die Chassislänge erhöhen, können Sie auf der einen Seite ein normales Arduino und auf der anderen das Steckbrett montieren (Bild 1). Es sollte Pin für Pin mit der Testskizze funktionieren, und Sie können jetzt zum Debuggen auf die serielle Konsole zugreifen!

Könnte dieser Roboter mit einem Rasberry Pi gemacht werden? Jawohl! Dies war meine erste Untersuchung, weil ich in Python programmieren und in der Lage sein wollte, es über das Web zu steuern. Wie beim obigen Arduino in voller Größe legen Sie einfach den Pi auf eine Seite und das Steckbrett auf die andere (Bild 2). Leistung wird zum Hauptanliegen, weil vier AA nicht ausreichen. Sie müssen etwa 1 A Strom bei stabilen 5 V bereitstellen, sonst hört Ihr WiFi-Modul auf zu kommunizieren. Ich habe festgestellt, dass das Modell A beim Stromverbrauch viel besser ist, aber ich arbeite noch daran, wie man zuverlässig Strom liefert. Wenn du es herausfindest, lass es mich wissen!