Kleine Roboter bauen: Einen Kubikzoll Micro-Sumo-Roboter und kleiner machen - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:22

Hier sind einige Details zum Bau winziger Roboter und Schaltungen. Dieses instructable deckt auch einige grundlegende Tipps und Techniken ab, die beim Bauen von Robotern jeder Größe nützlich sind. Für mich besteht eine der großen Herausforderungen in der Elektronik darin, zu sehen, wie klein ein Roboter ich machen kann. Das Schöne an der Elektronik ist, dass die Komponenten in einem unglaublich schnellen Tempo immer kleiner, billiger und effizienter werden. Stellen Sie sich vor, die Automobiltechnik wäre so. Leider entwickeln sich mechanische Systeme derzeit nicht annähernd so schnell wie die Elektronik. Dies führt zu einer der Hauptschwierigkeiten beim Bau sehr kleiner Roboter: Der Versuch, das mechanische System, das den Roboter bewegt, auf kleinem Raum unterzubringen. Das mechanische System und die Batterien nehmen den größten Teil des Volumens eines wirklich kleinen Roboters ein. Bild1 zeigt Mr. Cube R-16, einen 1 Kubikzoll großen Mikro-Sumo-Roboter, der in der Lage ist, mit Musikdraht-Whisker (Stoßstange) auf seine Umgebung zu reagieren Schalter). Es kann sich bewegen und den Umfang einer kleinen Kiste erkunden. Es kann mit einer universellen TV-Infrarot-Fernbedienung ferngesteuert werden, die für einen Sony-Fernseher eingerichtet ist. Der Picaxe-Mikrocontroller kann auch mit Reaktionsmustern vorprogrammiert werden. Details beginnen bei Schritt 1.

Schritt 1: Komponenten eines One-Cubic-Inch-Roboters

Mr. cube R-16 ist der sechzehnte Roboter, den ich gebaut habe. Es ist ein 1-Kubikzoll-Roboter, der 1 "x 1" x 1" misst. Er kann autonom programmierbares Verhalten ausführen oder kann ferngesteuert werden. Es soll nichts sehr Praktisches oder besonders Nützliches sein. Es ist lediglich ein Prototyp Es ist jedoch in dem Sinne nützlich, dass Sie mit dem Bau eines winzigen Roboters Ihre Miniaturisierungsfähigkeiten für Roboter und andere kleine Schaltkreise verbessern können dauert doppelt so lange, wie es normalerweise dauern würde, die gleiche Schaltung in einem größeren Raum aufzubauen. Es werden alle Arten von Klemmen benötigt, um die kleinen Komponenten und Drähte beim Löten oder Kleben an Ort und Stelle zu halten. Ein helles Arbeitslicht und ein gut vergrößerndes Headset oder ein Feste Lupe sind ein Muss. Kleine MotorenEs stellt sich heraus, dass eines der größten Hindernisse beim Bau wirklich winziger Roboter der erforderliche Getriebemotor ist. Die Steuerungselektronik (Mikrocontroller) wird immer kleiner g Getriebemotoren mit niedrigen Drehzahlen, die klein genug sind, ist nicht so einfach. Mr. Cube verwendet winzige Pager-Getriebemotoren mit einem Übersetzungsverhältnis von 25:1. Bei dieser Gangart ist der Roboter schneller als ich möchte und etwas zuckend. Aus Platzgründen mussten die Motoren mit einem Rad weiter nach vorne versetzt werden als das andere. Trotzdem bewegt es sich vorwärts, rückwärts und dreht sich gut. Die Motoren wurden mit 24 Gauge Draht auf das Perfboard verdrahtet, der gelötet und dann mit Kontaktkleber verklebt wurde. An der Rückseite des Roboters wurde eine 4-40 große Nylonschraube in ein Gewindeloch unter der unteren Platine geschraubt. Dieser glatte Schraubenkopf aus Kunststoff dient als Laufrolle zum Ausbalancieren des Roboters. Sie können es in Bild 4 unten rechts sehen. Dies ergibt einen Radabstand an der Unterseite des Roboters von etwa 1/32". dann, während des Spinnens, wurden auf den richtigen Durchmesser geschliffen. Sie wurden dann in ein Loch in einer Metallscheibe eingesetzt, die in eine Nylonscheibe passte, und alles wurde zusammengeklebt. Das Rad wurde dann mit zwei Schichten Liquid Tape-Gummi beschichtet, um ihm Traktion zu verleihen. Kleine BatterienEin weiteres Problem bei den kleinsten Robotern besteht darin, kleine Batterien zu finden, die lange halten. Die verwendeten Getriebemotoren benötigen zum Betrieb relativ hohe Ströme (90-115mA). So entsteht ein kleiner Roboter, der zum Frühstück Batterien frisst. Das Beste, was ich damals finden konnte, waren 3-LM44-Lithium-Knopfzellenbatterien. Die Akkulaufzeit bei sehr kleinen Robotern dieser Art ist so kurz (einige Minuten), dass sie normalerweise nicht annähernd praktisch sind. Es war nur Platz für drei 1,5-V-Batterien, sodass sie sowohl die Motoren als auch den Picaxe-Controller mit Strom versorgten. Wegen des elektrischen Rauschens, das kleine Gleichstrommotoren erzeugen können, ist eine Stromversorgung für alles normalerweise keine gute Idee. Aber bisher funktioniert es gut. Der Platz in diesem 1-Zoll-Roboter war so eng, dass sich die Dicke der 28-Gauge-Drahtisolierung (vom Flachbandkabel) als Problem herausstellte. Ich konnte kaum die beiden Hälften des Roboters zusammensetzen. Ich schätze, dass etwa 85 % des Robotervolumens mit Komponenten gefüllt sind. Der Roboter war so klein, dass selbst ein Ein-Aus-Schalter problematisch war. Irgendwann könnte ich die groben Schnurrhaare durch Infrarotsensoren ersetzen. Mir ist buchstäblich der einfach zu bedienende Platz ausgegangen, daher wäre es eine interessante Herausforderung, noch mehr zu montieren, ohne auf SMD-Technologie zurückzugreifen. Ich verwende gerne die Zweischalenkonstruktion für wirklich kleine Roboter. Siehe Bild 2. Dies besteht aus zwei Hälften, die mit.1 "Streifenleisten und Buchsen zusammengehakt werden. Dies ermöglicht einen einfachen Zugang zu allen Komponenten und erleichtert das Debuggen der Schaltungen oder das Vornehmen von Änderungen. Bild 3 zeigt die Position einiger der Hauptkomponenten. MATERIALS2 GM15 Getriebemotoren - 25:1 6mm Planetary Gear Pager Motor: https://www.solarbotics.com/motors_accessories/4/18x Picaxe Mikrocontroller erhältlich unter: https://www.hvwtech.com/products_list.asp ?CatID=90&SubCatID=249&SubSubCatID=250L293 Motorcontroller DIP IC: https://www.mouser.comPanasonic PNA4602M Infrarotdetektor: https://www.mouser.com30 AWG Beldsol abisolierbarer (lötbarer) Magnetdraht: https://www.mouser.com3 LM44 1,5 V. Lithium-Knopfzellenbatterien: https://www.mouser.comKleiner blauer Ein-Aus-Schalter: https://www.jameco.comDünnlöt-.015" Kolophoniumkernlöt: https:// www.mouser.comWiderstände und ein 150 uf Tantal-Kondensator.1" Glasfaser-Kupferleiterplatte von: https://www.allelectronics.com/cgi-bin/item/ECS-4/455/SOLDERABLE_PERF _BOARD, _LINE_PATTERN_.htmlPerformix (tm) Flüssigklebeband, schwarz-Erhältlich bei Wal-Mart oder

Schritt 2: Schaltung eines Ein-Kubikzoll-Roboters

Bild 4 zeigt die Position des 18x Picaxe-Mikrocontrollers und des L293-Motorcontrollers, die die Hauptstromkreise des Roboters sind. Zum Zeitpunkt der Konstruktion konnte ich die SMD-Versionen des Picaxe oder des L293 nicht erhalten. Die Verwendung der oberflächenmontierbaren ICs würde sicherlich mehr Platz für zusätzliche Schaltungen und Sensoren lassen.18x Picaxe-MikrocontrollerPicaxe-Mikrocontroller sind immer noch meine bevorzugten Controller für experimentelle Roboter. Obwohl sie weniger Speicher haben und nicht so schnell sind wie PicMicros, Arduino, Basic Stamp oder andere Mikrocontroller, sind sie für die meisten kleinen experimentellen Roboter schnell genug. Mehrere von ihnen können problemlos miteinander verbunden werden, wenn mehr Geschwindigkeit oder Speicher benötigt werden. Sie sind auch sehr nachsichtig. Ich habe sie direkt gelötet, kurzgeschlossen und ihre Ausgänge überlastet und ich muss noch einen durchbrennen. Da sie in der Programmiersprache BASIC programmiert werden können, sind sie auch einfacher zu programmieren als die meisten Mikrocontroller. Wenn Sie wirklich klein bauen möchten, sind die 08M- und 18x-Picaxe-Controller in SMD-Form (SOIC-Small Outline Integrated Circuits) erhältlich. Einige der Projekte, die Sie mit Picaxe-Mikrocontrollern durchführen können, finden Sie unter: https://www.inklesspress.com/picaxe_projects.htmL293 Motorcontroller Der L293 Motorcontroller ist eine hervorragende Möglichkeit, zwei Motoren in jedem kleinen Roboter zu steuern. Vier Ausgangspins des Mikrocontrollers können die Leistung von zwei Motoren steuern: vorwärts, rückwärts oder aus. Die Leistung der Motoren kann sogar gepulst werden (PWM-Pulsweitenmodulation), um ihre Geschwindigkeit zu steuern. Dead Bug StyleEs war kein Platz auf den Perfboards, um den L293-Controller zu montieren, also wurde er mit der Dead-Bug-Technik installiert. Das bedeutet einfach, dass der IC auf den Kopf gestellt wird und dünne Drähte direkt an die gebogenen oder kurzgeklipsten Pins gelötet werden. Es kann dann auf eine Leiterplatte geklebt oder in jeden verfügbaren Platz eingepasst werden. In diesem Fall habe ich den L293, nachdem er gelötet und getestet wurde, mit zwei Schichten des immer handlichen Liquid Tape-Gummis beschichtet, um sicherzustellen, dass nichts kurzgeschlossen wurde, wenn er in den verfügbaren Raum gestopft wurde. Es könnte auch ein klarer Kontaktkleber verwendet werden durch Hinzufügen kleiner Krokodilklemmen zu einem Perfboard, um das Löten kleiner Drähte an ICs im Stil eines toten Fehlers zu erleichtern. Bild 6 zeigt den Schaltplan für den Mr. Cube-Roboter. Sie können ein Video von Mr. Cube sehen, der eine kurze programmierte Sequenz durch Klicken auf auf dem untenstehenden Link inch-robot-sm.wmv. Es zeigt den Roboter bei etwa 30% der Höchstgeschwindigkeit, die durch Pulsweitenmodulation an den Motoren reduziert wurde.

Schritt 3: Tipps und Tricks zum Roboterbau

Nachdem ich 18 Roboter gebaut habe, hier einige Dinge, die ich auf die harte Tour gelernt habe. Separate Netzteile Wenn Sie den Platz haben, sparen Sie sich viel Ärger, wenn Sie separate Netzteile für den Mikrocontroller und seine Schaltungen und die Motoren verwenden. Die schwankende Spannung und das elektrische Rauschen, das die Motoren erzeugen, können die Mikrocontroller- und Sensoreingänge verwüsten und sehr inkonsistente Reaktionen in Ihrem Roboter erzeugen. Komponenten fallen selten aus oder sind defekt. Wenn Ihr Design gültig ist und die Schaltung nicht funktioniert, liegt fast immer ein Fehler in Ihrer Verkabelung vor. Informationen zum schnellen Prototyping von Schaltungen finden Sie hier: https://www.inklesspress.com/fast_circuits.htmIch montiere dann alle Motoren und Sensoren am Roboterkörper und programmiere den Mikrocontroller, um sie zu steuern. Erst wenn alles gut funktioniert, versuche ich, eine dauerhaft gelötete Version der Schaltung zu erstellen. Ich teste dies dann, während es noch vom Roboterkörper getrennt ist. Wenn das funktioniert, montiere ich es dann dauerhaft am Roboter. Wenn es nicht mehr funktioniert, ist es oft an Geräuschproblemen schuld. Rauschprobleme Eines der größten Probleme, auf die ich gestoßen bin, ist elektrisches Rauschen, das eine Schaltung unbrauchbar macht. Dies wird oft durch das elektrische oder magnetische Rauschen verursacht, das von Gleichstrommotoren ausgehen kann. Dieses Rauschen kann die Sensoreingänge und sogar den Mikrocontroller überfordern. Um dies zu lösen, können Sie sicherstellen, dass sich die Motoren und die Kabel zu ihnen nicht in der Nähe von Eingangsleitungen zu Ihrem Mikrocontroller befinden. Bild 7 zeigt Sparky, R-12, einen Roboter, den ich gemacht habe, der einen grundlegenden Stamp 2 als Mikrocontroller verwendet. Ich habe es zuerst mit der Hauptplatine vom Roboter entfernt getestet und nach der Grundprogrammierung hat alles gut funktioniert. Als ich es direkt über den Motoren montiert habe, wurde es verrückt und war völlig inkonsistent. Ich habe versucht, eine geerdete kupferplattierte Platine zwischen den Motoren und der Schaltung hinzuzufügen, aber das machte keinen Unterschied. Ich musste schließlich die Schaltung um 3/4" physisch anheben (siehe blaue Pfeile), bevor der Roboter wieder funktionieren würde. Eine weitere häufige Quelle für verheerende Geräusche bei kleinen Robotern können pulsierende Signale sein. Wenn Sie PWM-Signale an Servos oder Motoren senden, werden die Drähte können wie Antennen wirken und Signale senden, die Ihre Eingangsleitungen verwirren können. Um dies zu vermeiden, halten Sie die Eingangs- und Ausgangskabel des Mikrocontrollers so weit wie möglich getrennt. Halten Sie auch die Kabel, die Strom zu den Motoren führen, von den Eingangsleitungen fern kleine Schaltungen können mit 30-36-Gauge-Magnetdraht gelöst werden. Ich habe für einige Projekte 36-Gauge-Draht verwendet, fand ihn aber so dünn, dass es schwer war, ihn abzuisolieren und zu verwenden. Ein guter Kompromiss ist 30-Gauge-Magnetdraht. Normaler Magnet Draht kann verwendet werden, aber ich bevorzuge den wärmeabisolierbaren Magnetdraht. Dieser Draht hat eine Beschichtung, die durch einfaches Löten mit genügend Hitze abgelöst werden kann, um die Isolierung zu schmelzen. Es dauert bis zu 10 Sekunden, um die Beschichtung während des Lötens zu entfernen. Für einige zarte kompon B. beim Löten an LEDs oder ICs, kann dies eine schädliche Hitze sein. Der beste Kompromiss für mich besteht darin, diesen abisolierbaren Magnetdraht zu verwenden, ihn jedoch zuerst etwas abzuisolieren. Ich nehme zuerst ein scharfes Messer und schiebe es über den Magnetdraht, um die Beschichtung abzuschälen, und drehe dann den Draht herum, bis er ziemlich gut um seinen Durchmesser abgestreift ist. Dann löte ich das abisolierte Drahtende, bis es gut verzinnt ist. Dann können Sie es schnell an jede empfindliche Komponente löten, wobei die Gefahr von Hitzeschäden geringer ist. Dünnes Lötmittel Wenn die Komponenten sehr nahe beieinander liegen, kann es schwierig sein, sie zu löten, ohne dass in der Nähe befindliche Pads und Drähte überspritzt und kurzgeschlossen werden. Die beste Lösung ist die Verwendung eines kleinen Lötkolbens mit einstellbarer Hitze (1/32") und das dünnste Lot, das Sie finden können. Standardlot hat normalerweise einen Durchmesser von 0,032" und funktioniert für die meisten Dinge gut. Die Verwendung von dünnerem Lot mit einem Durchmesser von 0,015" ermöglicht es Ihnen, die Lotmenge auf der Verbindung leicht zu kontrollieren. Wenn Sie die geringste Menge Lot verwenden, nimmt es nicht nur das kleinste Volumen ein, sondern ermöglicht Ihnen auch, eine Verbindung so schnell zu löten Dies reduziert die Gefahr der Überhitzung und Beschädigung empfindlicher Komponenten wie ICs und SMD-LEDs. Surface Mount ComponentsSurface Mount Components sind die ultimative Miniaturisierung. Um ICs in SOIC-Größe zu verwenden, verwende ich normalerweise dünnes Lot und Magnetdraht Möglichkeit, SOIC-Breakout-Platinen oder -Schaltungen herzustellen, siehe hier: https://www.inklesspress.com/robot_surface_mount.htmAufkleben von Komponenten statt LötenEinige oberflächenmontierte Komponenten können auch direkt auf Leiterplatten geklebt werden. Sie können Ihren eigenen leitfähigen Kleber herstellen und verwenden es zum Aufkleben von LEDs und ICs. Siehe: https://www.instructables.com/id/Make-Conductive-Glue-and-Glue-a-Circuit/Während dies funktioniert, kann es etwas schwierig sein, da die Kapillarwirkung dazu neigt aber die c Onduktiver Kleber unter den oberflächenmontierten LEDs und anderen Komponenten und kurzschließen sie. Aufkleben von Komponenten mit nichtleitendem Kleber einer 12-Volt-Lichtleiste (unbeleuchtet und beleuchtet) mit SMD-LEDs, die mit nichtleitendem Kleber aufgeklebt wurden. Ich habe festgestellt, dass, wenn Sie einen dünnen Film aus klarem Nagellack auf die Kupferspuren auftragen und dann die LED physisch festklemmen und 24 Stunden trocknen lassen, Sie eine gute mechanische Verbindung haben, die elektrisch leitfähig ist. Der Nagellackkleber schrumpft effektiv und klemmt die LED-Kontakte an die Kupferbahnen, wodurch eine gute mechanische Verbindung entsteht. Es muss die vollen 24 Stunden eingespannt sein. Danach können Sie es auf Leitfähigkeit testen. Wenn sie aufleuchtet, können Sie dann die zweite Kleberschicht hinzufügen. Für die zweite Schicht verwende ich einen klaren Kontaktkleber wie Welders oder Goop. Dieser dickere Kleber umgibt die Komponenten und schrumpft auch beim Trocknen, um sicher eine gute feste Verbindung zu den Kupferleiterbahnen zu gewährleisten. Warten Sie 24 Stunden, bis es getrocknet ist, bevor Sie es erneut testen. Da ich zweifelhaft war, wie lange es dauern würde, ließ ich die blaue LED-Lichtleiste in Bild 8 sieben Tage und Nächte an. Der Widerstand der Schaltung nahm mit der Zeit tatsächlich ab. Monate später leuchtet der Balken immer noch vollständig ohne Anzeichen eines erhöhten Widerstands. Mit dieser Methode habe ich erfolgreich sehr kleine SMD-LEDs - 0805 - Größe und größer auf kupferplattierte Perfboards geklebt. Diese Technik ist vielversprechend bei der Herstellung wirklich kleiner Schaltkreise, LED-Displays und Roboter.

Schritt 4: Die Regeln brechen

Um wirklich kleine Roboter zu bauen, müssen Sie möglicherweise viele der oben genannten Regeln brechen. Um Mr. Cube zu machen, habe ich die folgenden Regeln gebrochen: 1- Ich habe ein einzelnes Netzteil anstelle eines Netzteils für die Motoren und eines für den Mikrocontroller verwendet. 2- Ich habe den Picaxe-Mikrocontroller sehr nahe an einem Motor montiert. 3- Ich habe Batterien verwendet, die sind für niedrige Stromaufnahme ausgelegt und haben sie mit viel höheren Strömen betrieben, als sie dafür ausgelegt sind. Dies schränkt die Lebensdauer der Batterien stark ein. 4- Ich habe alle Drähte in einem Sammelsurium zusammengepfercht, was zu Übersprechen und Problemen mit elektrischem Rauschen führen kann. Ich hatte einfach Glück, dass dies nicht der Fall war.5- Ich habe die Schaltung auf dem Roboter fest verdrahtet, ohne sie zuerst mit Steckbrettern zu versehen. Dies kann das Debuggen der Schaltung sehr erschweren. Sie können den Picaxe-Programmiercode für Mr. Cube herunterladen unter: https://www.inklesspress.com/mr-cube.txt Wenn Sie daran interessiert sind, einige der anderen Roboter zu sehen, die ich gebaut habe, können Sie gehen zu: https://www.inklesspress.com/robots.htmPic 9 zeigt Mr. Cube und Mr. Cube zwei, R-18, einen 1/3 Kubikzoll Roboter, den ich zu bauen begonnen habe. Details zu Schritt 5.

Schritt 5: Mr. Cube Two: Einen 1/3 Kubikzoll Roboter herstellen

Nachdem ich einen funktionierenden 1-Kubikzoll-Roboter gebaut hatte, musste ich etwas Kleineres ausprobieren. Ich strebe einen Roboter mit etwa 1/3 Kubikzoll an. Zu diesem Zeitpunkt ist Mr. Cube Two ungefähr.56 "x.58" x.72". Er hat einen 08 Picaxe-Mikrocontroller, der es ihm ermöglicht, sich autonom zu bewegen. Bild 10 zeigt den Roboter auf einem Lineal. Bild 11 zeigt den anderen Seite des Roboters auf einem Viertel. Die beiden Batterien sind cr1220 3 Volt Lithiumbatterien und es bleibt abzuwarten, ob sie genug Kapazität haben, um den Picaxe und die Motoren mit Strom zu versorgen. Es werden möglicherweise mehr Batterien benötigt. Es ist in Arbeit Bisher funktionieren die beiden Pager-Motoren gut, um den Roboter auf glatten Oberflächen zu bewegen und zu drehen. Der Picaxe-Mikrocontroller ist installiert und wurde programmiert und getestet. Es müssen noch der SOIC L293-Motorcontroller und der Infrarot-Reflektorsensor hinzugefügt werden einer der kleinsten autonomen Roboter mit Sensoren und einem Mikrocontroller sein. Obwohl dies ein winziger Roboter ist, gibt es kleinere Amateurroboter, die programmierbar sind? Ja, in der Tat. Siehe:1cc Robot: https://diwww.epfl.ch/lami/ mirobots/smoovy.htmlPico-Roboter:

Zweiter Preis im Roboterwettbewerb Instructables und RoboGames

Erster Preis im The Instructables Book Contest