Workshop HackerBoxes Robotics: 22 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:24

Workshop HackerBoxes Robotics Workshop byl navržen tak, aby poskytl velmi náročný, ale zábavný úvod do robotických systémů pro kutily a obecně také pro hobby elektroniku. Workshop robotiky je navržen tak, aby účastníka seznámil s těmito důležitými tématy a učebními cíli:

• Chodící roboti
• Převodové sestavy pro koordinaci pohybu
• Pájení elektronických projektů
• Schematická schémata zapojení
• Optické senzory pro autonomní řízení a navigaci
• Analogové obvody s uzavřenou smyčkou
• Programování Arduino
• Integrované RISC procesory NodeMCU
• Wi-Fi v integrovaných procesorových systémech
• Řízení IoT pomocí platformy Blyk
• Zapojení a kalibrace servomotorů
• Komplexní robotická montáž a integrace ovládání

HackerBoxes je služba měsíčního předplatného pro elektroniku a výpočetní techniku pro kutily. Jsme tvůrci, fandové a experimentátoři. Pokud byste si chtěli zakoupit workshop HackerBoxes nebo každý měsíc poštou dostávat překvapivé předplatné balíčku skvělých elektronických projektů HackerBoxes, navštivte nás na HackerBoxes.com a připojte se k revoluci.

Projekty v dílnách HackerBox i v měsíčním předplatném HackerBoxes nejsou přesně pro začátečníky. Obecně vyžadují určité předchozí vystavení elektroniky vlastními silami, základní pájecí dovednosti a pohodlí při práci s mikrokontroléry, počítačovými platformami, funkcemi operačního systému, knihovnami funkcí a jednoduchým kódováním programů. Rovněž používáme všechny typické nástroje fandy pro stavbu, ladění a testování projektů elektroniky pro kutily.

Hackujte planetu!

Krok 1: Obsah dílny

• Sada RoboSpider
• Robotická sada pro sledování autonomní linie
• Wi-Fi ovladač Arduino Robotic Arm
• Sada robotické paže MeArm
• Oprava úspěchu robotiky

Další užitečné položky:

• Sedm AA baterií
• Základní pájecí nástroje
• Počítač pro spuštění Arduino IDE

Velmi důležitou další položkou, kterou budeme potřebovat, je skutečný smysl pro dobrodružství, kutilský duch a hackerská zvědavost. Zahájit jakékoli dobrodružství jako tvůrce a tvůrce může být vzrušující výzva. Zejména tento typ hobby elektroniky není vždy snadný, ale když vytrváte a užíváte si dobrodružství, může velká spokojenost vycházet z vytrvalosti a vymýšlení všeho!

Krok 2: RoboSpider

Sestavte si svého vlastního RoboSpidera s touto robotickou sadou. Je vybaven osmi vícekloubovými nohami, které kopírují pohyb skutečných pavouků. Prohlédněte si části soupravy a ověřte zde 71 kusů. Dokážete uhodnout, k čemu každý kus slouží v designu RoboSpider?

Krok 3: RoboSpider - zapojení

Nejprve připojte kryt motoru a baterie pro RoboSpider. Vodiče lze jednoduše otočit na svorky baterie, jak je uvedeno v pokynech. Dráty však mohou být také OPATRNĚ připájeny na místo, pokud si přejete.

Krok 4: RoboSpider - mechanická montáž

Pro každý pár nohou je vytvořena velmi zajímavá převodová sestava. Každý RoboSpider má čtyři takové sestavy po dvou nohách, aby koordinoval pohyb osmi samostatných pavoučích nohou. Všimněte si, jak je k dispozici úchyt, který pomáhá při vyrovnání ozubených kol.

Zbývající část RoboSpider lze sestavit podle pokynů. Jaký typ chůze vykazuje tento RoboSpider?

Krok 5: Pojďme se připravit na pájení

Pájení je proces, při kterém jsou dva nebo více kovových předmětů (často dráty nebo přívody) spojeny dohromady roztavením přídavného kovu nazývaného pájka do spoje mezi kovovými předměty. Různé typy pájecích nástrojů jsou snadno dostupné. HackerBoxes Starter Workship obsahuje pěknou sadu základních nástrojů pro pájení malé elektroniky:

• Páječka
• Tipy pro výměnu
• Stojánek na páječku
• Čistič hrotů páječky
• Pájka
• Odpájecí knot

Pokud s pájením začínáte, na internetu je o pájení spousta skvělých průvodců a videí. Zde je jeden příklad. Pokud máte pocit, že potřebujete další pomoc, zkuste ve své oblasti najít skupinu místních tvůrců nebo hackerský prostor. Amatérské radiokluby jsou také vždy vynikajícím zdrojem zkušeností s elektronikou.

Při pájení noste ochranné brýle

Budete také chtít nechat trochu izopropylalkoholu a tamponů na čištění zbytků nahnědlého tavidla na vašich pájecích spojích. Pokud zůstane na místě, tento zbytek nakonec zkoroduje kov uvnitř spojení.

Nakonec byste se mohli podívat na komiks „Pájení je snadné“od Mitcha Altmana.

Krok 6: Řádek za robotem

Robot sledující čáru (aka Line Tracing) může sledovat silnou černou čáru nakreslenou na bílém povrchu. Linka by měla být silná asi 15 mm.

Krok 7: Robot sledující řádek - schéma a komponenty

Zde jsou uvedeny díly pro robot sledující řádek a také schematické zapojení. Pokuste se identifikovat všechny části. Při přezkoumání níže uvedené teorie operací zjistěte, zda dokážete zjistit účel každé z částí a možná dokonce i to, proč byly jejich hodnoty tak specifikovány. Pokus o „zpětné inženýrství“stávajících obvodů je skvělý způsob, jak se naučit navrhovat vlastní.

Teorie provozu:

Na každé straně čáry je použita LED (D4 a D5) k promítání světelného bodu na povrch níže. Tyto spodní LED diody mají čiré čočky, které vytvářejí směrovaný světelný paprsek na rozdíl od rozptýleného paprsku. V závislosti na tom, zda je povrch pod LED bílou nebo černou, bude se odrážet jiné množství světla zpět do odpovídajícího fotorezistoru (D13 a D14). Černá trubice kolem fotorezistoru pomáhá soustředit odraženou sílu přímo do snímače. Signály fotorezistoru jsou porovnávány v čipu LM393, aby se určilo, zda má robot pokračovat přímo vpřed nebo zda má být otočen. Všimněte si toho, že dva komparátory v LM393 mají stejné vstupní signály, ale signály jsou orientovány opačně.

Otočení robota se provádí zapnutím stejnosměrného motoru (M1 nebo M2) na vnější straně zatáčky a ponecháním motoru směrem dovnitř zatáčky ve vypnutém stavu. Motory se zapínají a vypínají pomocí tranzistorů pohonu (Q1 a Q2). Nahoře umístěné červené LED diody (D1 a D2) nám ukazují, který motor je v daném okamžiku napájen. Tento mechanismus řízení je příkladem řízení s uzavřenou smyčkou a poskytuje rychle adaptivní vedení k aktualizaci trajektorie robota velmi jednoduchým, ale efektivním způsobem.

Krok 8: Řádek za robotem - odpory

Rezistor je pasivní dvousvorková elektrická součástka, která jako obvodový prvek implementuje elektrický odpor. V elektronických obvodech se rezistory mimo jiné používají ke snížení toku proudu, nastavení úrovní signálu, rozdělení napětí, předpětí aktivních prvků a ukončení přenosových vedení. Rezistory jsou běžnými prvky elektrických sítí a elektronických obvodů a jsou v elektronických zařízeních všudypřítomné.

Sada robotů následující řady obsahuje čtyři různé hodnoty odporů s axiálním vývodem a průchozími otvory s barevně odlišenými pásy, jak je znázorněno na obrázku:

• 10 ohmů: hnědá, černá, černá, zlatá
• 51 ohmů: zelená, hnědá, černá, zlatá
• 1K ohm: hnědá, černá, černá, hnědá
• 3,3 K ohm: oranžová, oranžová, černá, hnědá

Rezistory by měly být vloženy z horní části desky s plošnými spoji (PCB), jak je znázorněno na obrázku, a poté pájet zespodu. Samozřejmě musí být uvedena správná hodnota odporu, nejsou zaměnitelné. Rezistory však nejsou polarizované a mohou být vloženy v obou směrech.

Krok 9: Robot sledující řádek - zbývající součásti

Ostatní prvky obvodu, jak je zde znázorněno, lze vložit z horní části desky plošných spojů a pájet níže, stejně jako odpory.

Všimněte si, že čtyři komponenty světelného senzoru jsou ve skutečnosti vloženy ze spodní části desky plošných spojů. Dlouhý šroub je vložen mezi komponenty světelného senzoru a pevně připevněn otevřenou maticí. Poté lze matici se zaoblenou čepičkou umístit na konec šroubu jako hladký kluzák.

Na rozdíl od rezistorů je několik dalších komponent polarizováno:

Tranzistory mají plochou stranu a půlkruhovou stranu. Když jsou vloženy do desky plošných spojů, ujistěte se, že odpovídají bílým sítotiskům na desce plošných spojů.

LED diody mají dlouhý a kratší přívod. Dlouhý přívod by měl odpovídat svorce +, jak je uvedeno na sítotisku.

Elektrolytické kondenzátory ve tvaru plechovky mají záporný koncový indikátor (obvykle bílý pruh), který klesá po jedné straně plechovky. Olovo na této straně je záporné vedení a druhé je kladné. Ty musí být vloženy do desky plošných spojů podle indikátorů pinů na sítotisku.

8pinový čip, jeho zásuvka a sítotisk PCB pro jejich vložení mají na jednom konci půlkruhový indikátor. Ty musí být seřazené pro všechny tři. Zásuvka by měla být připájena do DPS a čip by neměl být zasunut do zásuvky, dokud není pájení dokončeno a ochlazeno. Zatímco čip může být přímo připájen do desky plošných spojů, jeden při tom musí být velmi rychlý a opatrný. Doporučujeme používat zásuvku, kdykoli je to možné.

Krok 10: Robot sledující řádek - sada baterií

Tenkou vrchní vrstvu oboustranné pásky lze odlepit a připevnit baterii. Vodiče lze vést přes desku plošných spojů a pájet níže. Přebytečný vodič může být užitečný pro pájení motorů.

Krok 11: Řádek za robotem - motory

Vývody pro motory lze připájet k podložkám na spodní straně desky plošných spojů, jak je znázorněno na obrázku. Jakmile jsou vývody připájeny, může být tenká vrchní vrstva oboustranné pásky odstraněna, aby byly motory připevněny k desce plošných spojů.

Krok 12: Robot sledující řádek - sledujte to

Na řadového robota je radost se dívat. Vložte několik článků baterie AA a nechte je vytrhnout.

V případě potřeby lze potenciometry trimru vyladit, aby vylepšily detekci hran robota.

Pokud jsou s robotem nějaké další problémy s „chováním“, je také užitečné zkontrolovat zarovnání čtyř součástí spodního senzoru a zejména černé trubice kolem fotorezistorů.

Nakonec nezapomeňte použít nové baterie. Jakmile se baterie vybije, zaznamenali jsme nestálý výkon.

Krok 13: Robotické rameno od MeArm

MeArm Robot Arm byl vyvinut jako nejdostupnější učební nástroj na světě a nejmenší a nejchladnější robotické rameno. MeArm je dodáván jako sada robotického ramene s plochým balením, která obsahuje laserem řezané akrylové desky a mikro serva. Můžete jej postavit pouze pomocí šroubováku a nadšení. Web Lifehacker byl popsán jako „projekt Perfect Arduino pro začátečníky“. MeArm je skvělý design a spousta zábavy, ale sestavení může být rozhodně trochu složité. Udělejte si čas a buďte trpěliví. Nepokoušejte se servomotory vynucovat. Mohlo by to poškodit drobné plastové převody uvnitř serva.

MeArm v této dílně se ovládá z aplikace pro chytré telefony nebo tablety pomocí Wi-Fi modulu NodeMCU přizpůsobeného vývojové platformě Arduino. Tento nový řídicí mechanismus je zcela odlišný od původní desky „mozků“popsané v dokumentaci MeArm, proto se řiďte pokyny pro ovladač, které jsou zde uvedeny, a ne pokyny v původní dokumentaci od MeArm. Mechanické detaily týkající se montáže akrylových součástí MeArm a servomotorů zůstávají stejné.

Krok 14: Wi -Fi ovladač s robotickým ramenem - Připravte Arduino na NodeMCU

NodeMCU je open source platforma založená na čipu ESP8266. Tento čip obsahuje 32bitový procesor RISC běžící na frekvenci 80 MHz, Wi-Fi (IEEE 802.11 b/g/n), paměť RAM, paměť Flash a 16 I/O pinů.

Náš hardware řadiče je založen na zde zobrazeném modulu ESP-12, který obsahuje čip ESP8266 spolu s zahrnutou podporou sítě Wi-Fi.

Arduino je open-source elektronická platforma založená na snadno použitelném hardwaru a softwaru. Je určen pro kohokoli, kdo vytváří interaktivní projekty. Zatímco platforma Arduino obecně používá mikrokontrolér Atmel AVR, může to být adaptér pro práci s jinými mikrokontroléry, včetně našeho ESP8266.

Chcete -li začít, musíte se ujistit, že máte v počítači nainstalované Arduino IDE. Pokud nemáte nainstalované IDE, můžete si ho zdarma stáhnout (www.arduino.cc).

Budete také potřebovat ovladače pro operační systém (OS) vašeho počítače pro přístup k příslušnému čipu Serial-USB na používaném modulu NodeMCU. V současné době většina modulů NodeMCU obsahuje čip CH340 Serial-USB. Výrobce čipů CH340 (WCH.cn) má k dispozici ovladače pro všechny populární operační systémy. Pro jejich web je nejlepší použít stránku přeloženou Googlem.

Jakmile máme nainstalovaný Arduino IDE a nainstalované ovladače OS pro čip rozhraní USB, musíme rozšířit Ardino IDE, aby fungovalo s čipem ESP8266. Spusťte IDE, přejděte do předvoleb a vyhledejte pole pro zadávání „Další adresy URL správce Board“

Chcete -li nainstalovat Board Manager pro ESP8266, vložte tuto adresu URL:

arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

Po instalaci zavřete IDE a poté jej spusťte zpět.

Nyní připojte modul NodeMCU k počítači pomocí kabelu microUSB.

Vyberte typ desky v Arduino IDE jako NodeMCU 1.0

Zde je návod, který prochází procesem nastavení pro Arduino NodeMCU pomocí několika různých příkladů aplikace. Zde je to trochu scestné z cíle, ale může být užitečné podívat se na jiný úhel pohledu, pokud se zaseknete.

Krok 15: Wi -Fi ovladač s robotickým ramenem - hackněte svůj první program NodeMCU

Kdykoli připojíme nový hardware nebo nainstalujeme nový softwarový nástroj, rádi se ujistíme, že funguje, a to tak, že vyzkoušíme něco velmi jednoduchého. Programátoři tomu často říkají program „ahoj svět“. U vestavěného hardwaru (co zde děláme) „ahoj svět“obvykle bliká LED (dioda emitující světlo).

Naštěstí má NodeMCU vestavěnou LED, kterou můžeme blikat. Arduino IDE má také příklad programu pro blikání LED diod.

V Arduino IDE otevřete příklad s názvem blikání. Pokud tento kód důkladně prozkoumáte, uvidíte, že střídá otočný kolík 13 vysoko a nízko. Na původních deskách Arduino je uživatelská LED na pinu 13. LED NodeMCU je však na pinu 16. Můžeme tedy upravit program blink.ino tak, aby se každý odkaz změnil na pin 13 na pin 16. Poté můžeme program zkompilovat a nahrajte jej do modulu NodeMCU. Může to trvat několik pokusů a může to vyžadovat ověření ovladače USB a dvojitou kontrolu nastavení desky a portu v IDE. Udělejte si čas a buďte trpěliví.

Jakmile program správně nahraje, IDE řekne „nahrávání dokončeno“a LED začne blikat. Podívejte se, co se stane, když změníte délku funkce delay () uvnitř programu a poté ji nahrajete znovu. Je to to, co jsi očekával? Pokud ano, hackli jste svůj první vložený kód. Gratulujeme!

Krok 16: Wi -Fi ovladač s robotickým ramenem - ukázkový softwarový kód

Blynk (www.blynk.cc) je platforma včetně aplikací pro iOS a Android pro ovládání Arduina, Raspberry Pi a dalšího hardwaru přes internet. Je to digitální řídicí panel, kde můžete pro svůj projekt vytvořit grafické rozhraní pouhým přetažením widgetů. Je opravdu jednoduché vše nastavit a hned si začnete pohrávat. Blynk vás dostane online a připravený na internet vašich věcí.

Podívejte se na web Blynk a postupujte podle pokynů k nastavení knihovny Arduino Blynk.

Chyťte zde program Arduino ArmBlynkMCU.ino. Všimnete si, že má tři řetězce, které je třeba inicializovat. Prozatím je můžete ignorovat a ujistěte se, že můžete kód zkompilovat a nahrát tak, jak je, na NodeMCU. Tento program budete potřebovat načíst do NodeMCU pro další krok kalibrace servomotorů.

Krok 17: Wi -Fi ovladač s robotickým ramenem - kalibrace servomotorů

Deska stínění motoru ESP-12E podporuje přímé připojení modulu NodeMCU. Opatrně seřaďte a vložte modul NodeMCU na desku stínění motoru. Podle obrázku také připojte čtyři serva ke štítu. Konektory jsou polarizované a musí být orientovány podle obrázku.

Kód NodeMCU, který byl načten v posledním kroku, inicializuje serva do jejich kalibrační polohy, jak je zde znázorněno a popsáno v dokumentaci MeArm. Připevnění ramen serva ve správné orientaci, zatímco jsou serva nastavena do jejich kalibrační polohy, zajistí, že pro každé ze čtyř serv bude nakonfigurován správný počáteční bod, koncový bod a rozsah pohybu.

O využití napájení z baterie se servomotory NodeMCU a MeArm:

Vodiče baterie by měly být zapojeny do šroubových svorek vstupu baterie. Na krytu motoru je plastové tlačítko pro aktivaci napájení baterie. Malý plastový propojovací blok slouží k směrování napájení do NodeMCU ze štítu motoru. Bez nainstalovaného propojovacího bloku se NodeMCU může napájet z kabelu USB. S nainstalovaným propojovacím blokem (jak je znázorněno) je napájení z baterie směrováno do modulu NodeMCU.

Krok 18: Uživatelské rozhraní robotické paže - integrace s Blynkem

Nyní můžeme nakonfigurovat aplikaci Blynk pro ovládání servomotorů.

Nainstalujte si aplikaci Blyk na mobilní zařízení iOS nebo Android (smartphone nebo tablet). Po instalaci nastavte nový projekt Blynk se čtyřmi posuvníky, jak je znázorněno na ovládání čtyř servomotorů. Všimněte si autorizačního tokenu Blynk vygenerovaného pro vás nový projekt Blynk. Můžete si jej nechat zaslat e -mailem, aby se usnadnilo vkládání.

Upravte program ArmBlynkMCU.ino Arduino a vyplňte tři řetězce:

• Wi-Fi SSID (pro váš přístupový bod Wi-Fi)
• Heslo Wi-Fi (pro přístupový bod Wi-Fi)
• Autorizační token Blynk (z vašeho projektu Blynk)

Nyní zkompilujte a nahrajte aktualizovaný kód obsahující tři řetězce.

Ověřte, že můžete přesunout čtyři servomotory přes Wi-Fi pomocí posuvníků na vašem mobilním zařízení.

Krok 19: Robotické rameno - mechanická montáž

Nyní můžeme pokračovat v mechanické montáži MeArm. Jak již bylo uvedeno, může to být trochu složité. Udělejte si čas a buďte trpěliví. Nepokoušejte se servomotory tlačit silou.

Pamatujte, že tento MeArm je řízen modulem NodeMCU Wi-Fi, který je zcela odlišný od původní desky „mozků“popsané v dokumentaci MeArm. Postupujte podle pokynů pro ovladač, které jsou zde uvedeny, a ne podle pokynů v původní dokumentaci od společnosti MeArm.

Kompletní podrobnosti o mechanické montáži najdete na tomto webu. Jsou označeny jako Průvodce sestavením pro MeArm v1.0.

Krok 20: Online zdroje pro studium robotiky

Roste počet online kurzů robotiky, knih a dalších zdrojů…

• Kurz Stanford: Úvod do robotiky
• Kurz Columbia: Robotika
• Kurz MIT: Podhodnocená robotika
• WikiBook Robotics
• Kurz robotikyWare
• Výuka výpočetní techniky s roboty
• Robotika demystifikovaná
• Mechanismy robotů
• Matematická robotická manipulace
• Vzdělávací roboti s Lego NXT
• Vzdělávání LEGO
• Špičková robotika
• Embedded Robotics
• Autonomní mobilní roboti
• Lezecké a chodící roboty
• Horolezecké a chodící roboty Nové aplikace
• Humanoidní roboti
• Robotické zbraně
• Robotické manipulátory
• Pokroky v robotických manipulátorech
• AI robotika

Zkoumáním těchto a dalších zdrojů budete průběžně rozšiřovat své znalosti ze světa robotiky.

Krok 21: Záplata na podporu robotiky

Gratulujeme! Pokud jste do těchto robotických projektů vynaložili maximální úsilí a rozšířili své znalosti, měli byste s hrdostí nosit přiložený patch na úspěchy. Dejte světu vědět, že jste pánem serv a senzorů.

Krok 22: Hackujte planetu

Doufáme, že se vám workshop HackerBoxes Robotics líbí. Tento a další workshopy lze zakoupit v online obchodě na HackerBoxes.com, kde se také můžete přihlásit k odběru měsíčního předplatného HackerBoxes a nechat si každý měsíc doručovat skvělé projekty přímo do vaší schránky.

Podělte se prosím o svůj úspěch v níže uvedených komentářích a/nebo na facebookové skupině HackerBoxes. Určitě nám dejte vědět, pokud máte nějaké dotazy nebo potřebujete s čímkoli pomoci. Děkujeme, že jste součástí dobrodružství HackerBoxes. Pojďme udělat něco skvělého!