Goedkope, Arduino-compatibele tekenrobot - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:18

Opmerking: ik heb een nieuwe versie van deze robot die een printplaat gebruikt, gemakkelijker te bouwen is en IR-obstakeldetectie heeft! Bekijk het op

Ik ontwierp dit project voor een 10-uur durende workshop voor ChickTech.org waarvan het doel is om tienervrouwen kennis te laten maken met STEM-onderwerpen. De doelen voor dit project waren:

• Eenvoudig te bouwen.
• Makkelijk te programmeren.
• Iets interessants gedaan.
• Voordelig, zodat deelnemers het mee naar huis konden nemen en blijven leren.

Met die doelen in gedachten, waren hier een paar van de ontwerpkeuzes:

• Arduino-compatibel voor eenvoudig programmeren.
• 4xAA batterijvermogen voor kosten en beschikbaarheid.
• Stappenmotoren voor nauwkeurige beweging.
• 3D afgedrukt voor gemak van maatwerk.
• Pen plotten met Turtle-graphics voor interessante uitvoer.
• Open Source zodat u er zelf een kunt maken!

Hier is de robot die het dichtst in de buurt kwam van wat ik wilde doen: https://mirobot.io. Ik heb geen lasersnijder en verzending vanuit Engeland was onbetaalbaar. Ik heb wel een 3D-printer, dus ik denk dat je kunt zien waar dit naartoe gaat…

Laat je niet afschrikken door het ontbreken van een 3D-printer. U kunt lokale hobbyisten vinden die u willen helpen op

Dit project is gelicentieerd onder Creative Commons en maakt gebruik van 3D-onderdelen op basis van ontwerpen van anderen (zoals aangegeven in de volgende sectie), waarvan de meest beperkende het wiel is, dat niet-commercieel is. Dat betekent dat dit project ook niet-commercieel moet zijn. Wees niet deze man.

Stap 1: Onderdelen

Er zijn een aantal manieren om robots aan te drijven, te besturen en te besturen. Je hebt misschien verschillende onderdelen bij de hand die zullen werken, maar dit zijn degene die ik heb geprobeerd en waarvan ik heb vastgesteld dat ze goed werken:

Elektronica:

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

  • Hardware onder CC BY-SA-licentie
  • Software (Bootloader) onder GPL-licentie
• 2- Geared 5V Stepper- adafruit.com/products/858
• 1- ULN2803 Darlington-stuurprogramma - adafruit.com/products/970
• 1- Half-size breadboard- adafruit.com/products/64
• 16- Heren-heren truien- adafruit.com/products/759
• 1- Micro servo- adafruit.com/products/169
• 1 - SPDT-schuifschakelaar - adafruit.com/product/805 of www.digikey.com/product-detail/en/EG1218/EG1903-ND/101726
• 1- Mannelijke pin header- digikey.com/short/t93cbd
• 2- 2 x AA-houder-digikey.com/short/tz5bd1
• 1- USB-microkabel
• 4-AA-batterijen

*Opmerking: zie de laatste stap voor een discussie over het gebruik van gewone Arduino- of Raspberry Pi-borden.

Hardware:

• 2- 1 7/8" ID x 1/8" O-ring- mcmaster.com/#9452K96
• 1- Caster 5/8" lager- mcmaster.com/#96455k58/=yskbki
• 10- M3 x 8 mm schroef met platte kop- mcmaster.com/#92005a118/=z80pbr
• 4- M3 x 6 mm schroef met platte kop- mcmaster.com/#91420a116/=yskru0
• 12- M3 Nut- mcmaster.com/#90591a250/=yskc6u

3D-geprinte onderdelen (kijk op www.3dhubs.com als u geen toegang heeft tot een printer):

• 1 x zwenkwiel met kogellager - thingiverse.com/thing:1052674 (gebaseerd op werk van onebytegone, CC BY-SA 3.0)
• 1 x chassis - thingiverse.com/thing:1053269 (origineel werk van Maker's Box, CC BY-SA 3.0)
• 2 x wielen - thingiverse.com/thing:862438 (gebaseerd op werk van Mark Benson, CC BY-NC 3.0*)
• 2 x Stepper-beugel - thingiverse.com/thing:1053267 (gebaseerd op werk van jbeale, CC BY-SA 3.0)
• 1 x pennenhouder / servobeugel - thingiverse.com/thing:1052725 (origineel werk van Maker's Box, CC BY-SA 3.0)
• 1 x penhalsband - thingiverse.com/thing:1053273 (origineel werk van Maker's Box, CC BY-SA 3.0)

* Opmerking: CC BY-NC is een niet-commerciële licentie

Gereedschap en benodigdheden:

• Phillips schroevendraaier
• Heet lijmpistool
• Digitale multimeter
• Scherp mes
• Crayola gekleurde stiften

Stap 2: Flash de firmware

Voordat we te ver in de constructie gaan, laten we de testfirmware op de microcontroller laden. Het testprogramma tekent alleen voor dozen, zodat we kunnen controleren op de juiste richting en afmeting.

Om met de Trinket Pro te praten, heb je nodig:

1. Stuurprogramma van
2. Arduino-software van

Lady Ada en het Adafruit-team hebben een veel betere set instructies in de bovenstaande links gemaakt dan ik kan geven. Gebruik ze als je vastzit.

Opmerking: de enige truc die de Trinket anders maakt dan de gewone Arduino, is dat je het bord moet resetten voordat je de schets uploadt.

Stap 3: Pennenhouder en batterijhouders

1. Installeer de pennenhouder met de servobeugel aan de kortere kant van het chassis (afbeelding 1).
2. Plaats de moeren aan de bovenzijde van het chassis (Afbeelding 2)
3. Bevestig de batterijhouders aan de onderkant van het chassis met behulp van 3Mx6mm platkopschroeven (Afbeeldingen 3 & 4).
4. Leid de accudraden door de rechthoekige kabelgeleidingen (Afbeelding 4 & 5).
5. Herhaal dit voor de andere batterijhouder.

Opmerking: Tenzij anders aangegeven, zijn de overige schroeven 3Mx8mm pankopschroeven.

Stap 4: Wielen

1. Test uw wiel op de stappenas (Afbeelding 1).

   1. Als deze te strak zit, kunt u de wielnaaf verwarmen met een föhn of heteluchtpistool en vervolgens de as erin steken.
   2. Als het te los zit, kun je een schroef van 3Mx8mm gebruiken om het tegen de platte kant van de as te houden (Afbeelding 2).
   3. Als u een perfectionist bent, kunt u uw printer kalibreren en precies goed krijgen.
2. Plaats de o-ring rond de velg van het wiel (Afbeelding 3 & 4).
3. Herhaal dit voor het andere wiel.

Stap 5: Stepper Backets

1. Steek een moer in de stepperbeugel en bevestig deze met een schroef aan de bovenkant van het chassis (Afbeelding 1).
2. Plaats de stepper in de beugel en bevestig met schroeven en moeren.
3. Herhaal dit voor de andere beugel.

Stap 6: Caster

1. Plaats het kogellager in het zwenkwiel.

   Forceer het niet, anders breekt het. Gebruik indien nodig een föhn of heteluchtpistool om het materiaal zacht te maken

2. Bevestig het zwenkwiel aan de onderkant van het chassis voor de batterijhouder.

Stap 7: Breadboard

1. Verwijder een van de stroomrails met een scherp mes en snijd door de onderste lijm (Afbeelding 1).
2. Houd het breadboard over de chassisrails en markeer waar ze de rand kruisen (afbeelding 2).
3. Gebruik een richtliniaal (zoals de verwijderde stroomrail), markeer de lijnen en snijd door de achterkant (afbeelding 3).
4. Plaats het breadboard op het chassis met de rails tegen de blootliggende lijm (afbeelding 4).

Stap 8: Stroom

1. Plaats de microcontroller, de darlington-driver en de aan / uit-schakelaar op het breadboard (afbeelding 1).

   • Ik heb oranje stippen toegevoegd voor zichtbaarheid om het volgende te markeren:

     • Pin 1 van de darlington-driver.
     • De batterijpin van de microtroller.
     • De stroomschakelaar "aan" positie.

2. Met de rechter accukabels:

   1. Sluit de rode lijn aan op de eerste pin van de aan/uit-schakelaar (Afbeelding 2).
   2. Sluit de zwarte draad aan op een lege rij tussen de microcontroller en de darlington-chip (afbeelding 2).

3. Met de linker accukabels:

   1. Sluit de rode lijn aan op dezelfde rij als de zwarte draad van de andere batterij (Afbeelding 3).
   2. Verbind de zwarte lijn met de negatieve rail van het breadboard (Afbeelding 3).

4. Sluit de voeding aan op de microcontroller:

   1. Rode jumper van positieve rail naar de batterijpin (oranje stip, afbeelding 4).
   2. Zwarte jumper van de negatieve rail naar de pin gemarkeerd met "G" (Afbeelding 4).
5. Plaats batterijen en schakel de stroom in. Je zou de groene en rode lampjes van de controller moeten zien gaan branden (Afbeelding 5).

Probleemoplossing: Als de lampjes van de microcontroller niet gaan branden, schakelt u de stroom onmiddellijk uit en lost u de volgende problemen op:

1. Batterijen in de juiste richting geplaatst?
2. Controleer de positionering van de batterijkabels nogmaals.
3. Controleer de positionering van de schakelaarkabels.
4. Gebruik een multimeter om de spanning van batterijen te controleren.
5. Gebruik een multimeter om de spanningen van de stroomrail te controleren.

Stap 9: Headers en servobedrading

Met mannelijke header-pinnen kunnen we de 5-pins servo JST-connectoren aansluiten op de voeding en de darlington-driver (afbeelding 1):

1. De eerste 5-pins header begint één rij voor de darlington-driver.
2. De tweede servo-header moet dan uitgelijnd zijn met het einde van de darlington-driver.

Voordat de bedrading te ingewikkeld wordt, laten we de servo aansluiten:

1. Voeg een 3-pins header toe voor de servo aan de rechterkant van het voorste gedeelte van het breadboard (afbeelding 2).
2. Voeg een rode jumper toe van de middelste pin naar de positieve kant van de stroomrail.
3. Voeg een zwarte of bruine jumper toe van de buitenste pin naar de negatieve kant van de stroomrail.
4. Voeg een gekleurde jumper toe van de binnenste pin naar pin 8 van de microcontroller.
5. Installeer de servohoorn met de as volledig met de klok mee en de arm strekt zich uit naar het rechterwiel (Afbeelding 3)
6. Installeer de servo in de pennenhouder met behulp van de servo-schroeven (afbeelding 3).
7. Sluit de servoconnector aan en lijn de kleuren uit (Afbeelding 4).

Stap 10: Stepper Control

Tijd om stroom te bedraden voor de darlington-driver en steppers, die rechtstreeks door de batterij worden aangedreven:

1. Sluit een zwarte of bruine jumper van de darlington-pin rechtsonder aan op de negatieve kant van de stroomrail (afbeelding 1).
2. Sluit een rode jumper van de darlington-pin rechtsboven aan op de positieve kant van de stroomrail.
3. Sluit een rode jumper van de pin-header linksboven aan op de positieve kant van de stroomrail (Afbeelding 2).
4. Sluit de linker stepper-connector aan op de pin-header aan de linkerkant met de rode kabel aan de rechterkant (afbeelding 3).
5. Sluit de rechter stepper-connector aan op de pin-header aan de rechterkant met de leeskabel aan de linkerkant.

Opmerking: de rode draad van de stepper-connector is de stroom en moet overeenkomen met de rode draden op het breadboard.

Stap 11: Stepper Control (vervolg)

Nu zullen we de stappensignaaldraden van de microcontroller verbinden met de invoerzijde van de darlington-driver:

1. Begin met pin 6 van de microcontroller en sluit de kabels aan voor vier besturingsjumpers voor de linker stappenmotor (afbeelding 1).
2. Koppel deze jumpers aan de invoerzijde van de darlington aan de rechterkant. Alle kleuren moeten overeenkomen met uitzondering van groen, dat overeenkomt met de roze draad van de stepper (afbeelding 2).
3. Begin met pin 13 van de microcontroller en sluit de draden aan voor de vier besturingsjumpers voor de rechter stappenmotor (Afbeelding (3).
4. Koppel deze jumpers aan de invoerzijde van de darlington aan de linkerkant. Alle kleuren moeten overeenkomen met uitzondering van groen, dat overeenkomt met de roze draad van de stepper (afbeelding 3).

Stap 12: Testen en kalibreren

Hopelijk heb je de firmware al geüpload in stap 2. Zo niet, doe het dan nu.

De testfirmware tekent gewoon herhaaldelijk een vierkant zodat we richting en nauwkeurigheid kunnen controleren.

1. Plaats uw robot op een glad, vlak, open oppervlak.
2. Schakel de stroom in.
3. Kijk hoe je robot vierkanten tekent.

Als u geen lampjes op de microcontroller ziet, ga dan terug en los de stroomvoorziening op zoals in stap 8.

Als uw robot niet beweegt, controleer dan nogmaals de stroomaansluitingen naar de darlington-driver in stap 9.

Als je robot onregelmatig beweegt, controleer dan de pinverbindingen voor de microcontroller en de darlington-driver in stap 10.

Als uw robot ongeveer in een vierkant beweegt, is het tijd om wat papier neer te leggen en er een pen in te steken (Afbeelding 1).

Uw kalibratiepunten zijn:

vlotterwiel_dia=66.25; // mm (verhogen = spiraal uit)

float wheel_base=112; // mm (verhogen = spiraal naar binnen) int steps_rev=128; // 128 voor 16x versnellingsbak, 512 voor 64x versnellingsbak

Ik ben begonnen met een gemeten wieldiameter van 65 mm en je kunt de dozen naar binnen zien draaien (Afbeelding 2).

Ik heb de diameter vergroot tot 67 en je kunt zien dat hij naar buiten draaide (afbeelding 3).

Ik kwam uiteindelijk uit op een waarde van 66,25 mm (Afbeelding 4). Je kunt zien dat er nog steeds een inherente fout is als gevolg van tandwielen en dergelijke. Dicht genoeg om iets interessants te doen!

Stap 13: De pen omhoog en omlaag brengen

We hebben een servo toegevoegd, maar hebben er niets mee gedaan. Hiermee kunt u de pen omhoog en omlaag brengen, zodat de robot kan bewegen zonder te tekenen.

1. Plaats de penhalsband op de pen (Afbeelding 1).
2. Als het los zit, plak het dan op zijn plaats.
3. Controleer of het papier het papier raakt wanneer de servo-arm wordt neergelaten.
4. Controleer of het het papier niet raakt wanneer het wordt opgetild (Afbeelding 2).

De servohoeken kunnen worden aangepast door de hoorn te verwijderen en opnieuw te positioneren, of via de software:

int PEN_DOWN = 170; // hoek van servo wanneer pen omlaag is

int PEN_UP = 80; // hoek van servo wanneer pen omhoog is

De pencommando's zijn:

pen-up();

pendown();

Stap 14: Veel plezier

Ik hoop dat je zo ver bent gekomen zonder al te veel vloekwoorden. Laat me weten waar je mee worstelde, zodat ik de instructies kan verbeteren.

Nu is het tijd om te verkennen. Als je naar de testschets kijkt, zul je zien dat ik je een aantal standaard "Turtle"-commando's heb gegeven:

vooruit (afstand); // millimeter

achteruit (afstand); links (hoek); // graden rechts (hoek); pen-up(); pendown(); gedaan(); // laat de stepper los om de batterij te sparen

Met deze commando's zou je zo ongeveer alles moeten kunnen doen, van sneeuwvlokken tekenen of je naam schrijven. Als je hulp nodig hebt om aan de slag te gaan, kijk dan op:

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

Stap 15: Andere platforms

Zou deze robot kunnen worden gedaan met een gewone Arduino? Ja! Ik ging voor de Trinket vanwege de lage kosten en het kleine formaat. Als je de chassislengte vergroot, kun je aan de ene kant een gewone Arduino plaatsen en aan de andere kant het breadboard (afbeelding 1). Het zou pin-voor-pin moeten werken met de testschets, plus, je kunt nu naar de seriële console gaan om te debuggen!

Kan deze robot worden gedaan met een Rasberry Pi? Ja! Dit was mijn eerste onderzoekslijn omdat ik in Python wilde programmeren en het via internet wilde besturen. Net als de Arduino op ware grootte hierboven, plaats je de Pi aan de ene kant en het breadboard aan de andere kant (afbeelding 2). Macht wordt de eerste zorg omdat vier AA het niet zullen redden. Je moet ongeveer 1A stroom leveren bij een stabiele 5V, anders stopt je wifi-module met communiceren. Ik heb gemerkt dat de Model A veel beter is op het gebied van stroomverbruik, maar ik ben nog steeds aan het uitzoeken hoe ik betrouwbare stroom kan leveren. Als je er uit komt, laat het me weten!