HackerBoxes Robotics Workshop - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:19

De HackerBoxes Robotics Workshop is ontworpen om een zeer uitdagende maar plezierige introductie te bieden tot doe-het-zelf robotsystemen en ook voor hobbyelektronica in het algemeen. De Robotics Workshop is ontworpen om de deelnemer kennis te laten maken met deze belangrijke onderwerpen en leerdoelen:

• Lopende robots
• Geared assemblages voor het coördineren van beweging
• Elektronische projecten solderen
• Schematische schakelschema's
• Optische sensoren voor autonoom sturen en navigeren
• Analoge regelcircuits met gesloten lus
• Arduino-programmering
• NodeMCU embedded RISC-processors
• Wi-Fi in embedded processorsystemen
• IoT-besturing met behulp van het Blyk-platform
• Bedrading en kalibratie van servomotoren
• Complexe robotmontage en besturingsintegratie

HackerBoxes is de maandelijkse abonnementsservice voor doe-het-zelf-elektronica en computertechnologie. Wij zijn makers, hobbyisten en experimenteerders. Als je een HackerBoxes Workshop wilt kopen of elke maand de HackerBoxes verrassingsabonnementsdoos met geweldige elektronicaprojecten per post wilt ontvangen, bezoek ons dan op HackerBoxes.com en doe mee aan de revolutie.

Projecten in de HackerBox Workshops en die in het maandelijkse abonnement HackerBoxen zijn niet bepaald voor beginners. Ze vereisen over het algemeen enige voorafgaande blootstelling aan doe-het-zelf-elektronica, elementaire soldeervaardigheden en comfort bij het werken met microcontrollers, computerplatforms, functies van het besturingssysteem, functiebibliotheken en eenvoudige programmacodering. We gebruiken ook alle typische tools voor hobbyisten voor het bouwen, debuggen en testen van doe-het-zelf-elektronicaprojecten.

Hack de planeet!

Stap 1: Inhoud workshop

• RoboSpider-kit
• Autonome lijn volgende robotkit
• Arduino robotarm wifi-controller
• MeArm Robotarm Kit
• Robotica-prestatiepatch

Extra items die nuttig kunnen zijn:

• Zeven AA-batterijen
• Basis soldeergereedschappen
• Computer voor het uitvoeren van de Arduino IDE

Een heel belangrijk extra item dat we nodig hebben, is een echt gevoel voor avontuur, doe-het-zelf-geest en nieuwsgierigheid van hackers. Elk avontuur beginnen als maker en maker kan een spannende uitdaging zijn. Vooral dit soort hobby-elektronica is niet altijd gemakkelijk, maar als je volhoudt en geniet van het avontuur, kan er veel voldoening worden gehaald uit doorzetten en alles uitzoeken!

Stap 2: RoboSpider

Bouw je eigen RoboSpider met deze robotkit. Het beschikt over acht poten met meerdere gewrichten die de loopbeweging van echte spinnen nabootsen. Onderzoek de onderdelen van de set om de 71 stuks die hier worden getoond te verifiëren. Kun jij raden waar elk stuk voor wordt gebruikt in het RoboSpider-ontwerp?

Stap 3: RoboSpider - bedrading

Sluit eerst de motor- en batterijbehuizing voor de RoboSpider aan. De draden kunnen eenvoudig op de accupolen worden gedraaid, zoals aangegeven in de instructies. De draden kunnen desgewenst echter ook ZORGVULDIG op hun plaats worden gesoldeerd.

Stap 4: RoboSpider - Mechanische montage

Voor elk paar poten wordt een zeer interessant tandwielsamenstel gevormd. Elke RoboSpider heeft vier van dergelijke assemblages van elk twee poten om de beweging van acht afzonderlijke spinpoten te coördineren. Merk op hoe een armatuur wordt geleverd om te helpen bij het uitlijnen van de tandwielen.

De rest van de RoboSpider kan worden gemonteerd zoals aangegeven in de instructies. Welk type loopdynamiek vertoont deze RoboSpider?

Stap 5: Laten we ons klaarmaken om te solderen

Solderen is een proces waarbij twee of meer metalen voorwerpen (vaak draden of leidingen) met elkaar worden verbonden door een vulmetaal, soldeer genaamd, in de verbinding tussen de metalen voorwerpen te smelten. Verschillende soorten soldeergereedschap zijn direct beschikbaar. Het HackerBoxes Starter Workship bevat een mooie set basisgereedschappen voor het solderen van kleine elektronica:

• Soldeerbout
• Vervangingstips
• Soldeerboutstandaard
• Soldeerbout Tip Cleaner
• Soldeer
• Desoldeerlont

Als solderen nieuw voor u is, zijn er veel geweldige handleidingen en video's online over solderen. Hier is een voorbeeld. Als je denkt dat je extra hulp nodig hebt, probeer dan een lokale makersgroep of hackerruimte bij jou in de buurt te vinden. Ook zijn amateurradioclubs altijd uitstekende bronnen van elektronica-ervaring.

Draag een veiligheidsbril tijdens het solderen

U wilt ook wat isopropylalcohol en wattenstaafjes hebben voor het reinigen van de bruinachtige fluxresten die achterblijven op uw soldeerverbindingen. Als het op zijn plaats blijft, zal dit residu uiteindelijk het metaal in de verbinding aantasten.

Ten slotte wil je misschien het stripboek "Soldering is Easy" van Mitch Altman eens bekijken.

Stap 6: Lijn volgende robot

De lijnvolgrobot (ook bekend als lijntracering) kan een dikke zwarte lijn volgen die op een wit oppervlak is getekend. De lijn moet ongeveer 15 mm dik zijn.

Stap 7: Lijnvolgende Robot - Schema en Componenten

Onderdelen voor de lijnvolgrobot en het schakelschema worden hier getoond. Probeer alle onderdelen te identificeren. Kijk tijdens het bekijken van de onderstaande bewerkingstheorie of je het doel van elk van de onderdelen kunt achterhalen en misschien zelfs waarom hun waarden zo zijn gespecificeerd. Het proberen om bestaande circuits te 'reverse engineeren' is een geweldige manier om te leren hoe u uw eigen circuits kunt ontwerpen.

Theorie van de werking:

Aan elke kant van de lijn wordt een LED (D4 en D5) gebruikt om een lichtvlek op het onderliggende oppervlak te projecteren. Deze onderste LED's hebben heldere lenzen om een gerichte lichtstraal te vormen in plaats van een diffuse lichtbundel. Afhankelijk van het oppervlak onder de LED dat wit of zwart is, zal een andere hoeveelheid licht terugkaatsen in de corresponderende fotoweerstand (D13 en D14). De zwarte buis rond de fotoresistor helpt om het gereflecteerde licht direct in de sensor te focussen. De fotoresistorsignalen worden vergeleken in de LM393-chip om te bepalen of de robot rechtdoor moet rijden of moet worden gedraaid. Merk op dat de twee comparatoren in de LM393 dezelfde ingangssignalen hebben, maar de signalen zijn tegengesteld georiënteerd.

Het draaien van de robot wordt bereikt door de gelijkstroommotor (M1 of M2) aan de buitenkant van de bocht in te schakelen terwijl de motor aan de binnenkant van de bocht in de uit-stand blijft. De motoren worden in- en uitgeschakeld met behulp van de aandrijftransistors (Q1 en Q2). De aan de bovenzijde gemonteerde rode LED's (D1 en D2) laten ons op elk moment zien welke motor is ingeschakeld. Dit stuurmechanisme is een voorbeeld van closed-loop-besturing en biedt snel adaptieve begeleiding om het traject van de robot op een zeer eenvoudige maar effectieve manier bij te werken.

Stap 8: Lijn volgende robot - weerstanden

Een weerstand is een passieve elektrische component met twee aansluitingen die elektrische weerstand implementeert als een circuitelement. In elektronische schakelingen worden weerstanden gebruikt om onder andere de stroom te verminderen, signaalniveaus aan te passen, spanningen te verdelen, actieve elementen voorin te stellen en transmissielijnen te beëindigen. Weerstanden zijn veelvoorkomende elementen van elektrische netwerken en elektronische circuits en zijn alomtegenwoordig in elektronische apparatuur.

De lijnvolgende robotkit bevat vier verschillende waarden van doorlopende axiale geleidingsweerstanden met de kleurgecodeerde banden zoals weergegeven:

• 10 ohm: bruin, zwart, zwart, goud
• 51 ohm: groen, bruin, zwart, goud
• 1K ohm: bruin, zwart, zwart, bruin
• 3.3K ohm: oranje, oranje, zwart, bruin

De weerstanden moeten vanaf de bovenkant van de printplaat (PCB) worden geplaatst zoals afgebeeld en vervolgens vanaf de onderkant worden gesoldeerd. Natuurlijk moet de juiste waarde van de weerstand worden aangegeven, deze zijn niet uitwisselbaar. Weerstanden zijn echter niet gepolariseerd en kunnen in beide richtingen worden geplaatst.

Stap 9: Lijn volgende robot - overige componenten

Andere circuitelementen, zoals hier getoond, kunnen net als de weerstanden vanaf de bovenkant van de PCB worden ingevoegd en eronder worden gesoldeerd.

Merk op dat de vier lichtsensorcomponenten eigenlijk vanaf de onderkant van de PCB worden ingebracht. De lange bout wordt tussen de lichtsensorcomponenten gestoken en stevig vastgemaakt met de open moer. Vervolgens kan de bolle dopmoer als een soepele glijder op het uiteinde van de bout worden geplaatst.

In tegenstelling tot de weerstanden zijn verschillende andere componenten gepolariseerd:

De transistoren hebben een platte zijde en een halfronde zijde. Wanneer ze in de printplaat worden gestoken, zorg er dan voor dat deze overeenkomen met de witte zeefdrukmarkeringen op de printplaat.

De LED's hebben een lange en een kortere kabel. De lange kabel moet overeenkomen met de + terminal zoals aangegeven op de zeefdruk.

De blikvormige elektrolytische condensatoren hebben een negatieve klemindicator (meestal een witte streep) die aan één kant van het blikje naar beneden gaat. De voorsprong aan die kant is de negatieve voorsprong en de andere is de positieve. Deze moeten in de print worden gestoken volgens de pin-indicatoren in de zeefdruk.

De 8-pins chip, de aansluiting en de zeefdruk van de printplaat om ze in te steken, hebben allemaal een halfronde indicator aan het ene uiteinde. Deze moeten voor alle drie worden opgesteld. De socket moet in de print worden gesoldeerd en de chip mag niet in de socket worden gestoken totdat het solderen is voltooid en afgekoeld. Hoewel de chip direct in de printplaat kan worden gesoldeerd, moet men daarbij zeer snel en voorzichtig zijn. We raden aan om zoveel mogelijk een stopcontact te gebruiken.

Stap 10: Lijn volgende robot - batterijpakket

De dunne toplaag van de dubbelzijdige tape kan worden afgepeld om het batterijpakket te bevestigen. De draden kunnen door de print worden gevoerd en eronder worden gesoldeerd. De overtollige draad kan nuttig zijn voor het solderen van de motoren.

Stap 11: Lijn volgende robot - motoren

Kabels voor de motoren kunnen worden gesoldeerd aan de pads aan de onderkant van de print, zoals afgebeeld. Nadat de draden zijn gesoldeerd, kan de dunne bovenste laag van de dubbelzijdige tape worden verwijderd om de motoren op de printplaat te bevestigen.

Stap 12: Lijn volgende robot - Watch It Go

De lijnvolgende robot is een genot om naar te kijken. Steek een paar AA-batterijcellen in en laat het scheuren.

Indien nodig kunnen de trimmerpotentiometers worden afgesteld om de randdetectie van de robot te verfijnen.

Als er andere "gedragsproblemen" zijn met de robot, is het ook nuttig om de uitlijning van de vier sensorcomponenten aan de onderkant te controleren en vooral de zwarte buizen rond de fotoweerstanden.

Zorg er ten slotte voor dat u nieuwe batterijen gebruikt. We hebben onregelmatige prestaties opgemerkt zodra de batterij leeg raakt.

Stap 13: Robotarm van MeArm

De MeArm Robotarm is ontwikkeld als 's werelds meest toegankelijke leermiddel en de kleinste, coolste robotarm. De MeArm wordt geleverd als een flat-pack robotarmkit die bestaat uit lasergesneden acrylplaten en microservo's. Je kunt het bouwen met niets meer dan een schroevendraaier en enthousiasme. Het is door de Lifehacker-website beschreven als het "Perfect Arduino Project for Beginners". De MeArm is een geweldig ontwerp en erg leuk, maar kan zeker een beetje lastig zijn om te monteren. Neem de tijd en wees geduldig. Probeer de servomotoren nooit te forceren. Als u dit wel doet, kunnen de kleine plastic tandwielen in de servo mogelijk worden beschadigd.

De MeArm in deze workshop wordt bestuurd vanaf een smartphone- of tablet-app met behulp van een NodeMCU Wi-Fi-module die is aangepast aan het Arduino-ontwikkelplatform. Dit nieuwe besturingsmechanisme is heel anders dan het originele "hersenen" -bord dat wordt besproken in de MeArm-documentatie, dus zorg ervoor dat u de instructies voor de controller volgt die hier worden gepresenteerd en niet die in de originele documentatie van MeArm. De mechanische details met betrekking tot de montage van de MeArm acrylcomponenten en de servomotoren blijven hetzelfde.

Stap 14: Robotic Arm Wi-Fi Controller - Bereid Arduino voor op de NodeMCU

NodeMCU is een open source platform gebaseerd op de ESP8266-chip. Deze chip bevat een 32-bits RISC-processor met een snelheid van 80 MHz, Wi-Fi (IEEE 802.11 b/g/n), RAM-geheugen, Flash-geheugen en 16 I/O-pinnen.

Onze controllerhardware is gebaseerd op de hier getoonde ESP-12-module die een ESP8266-chip bevat en de meegeleverde Wi-Fi-netwerkondersteuning.

Arduino is een open-source elektronicaplatform gebaseerd op gebruiksvriendelijke hardware en software. Het is bedoeld voor iedereen die interactieve projecten maakt. Hoewel het Arduino-platform over het algemeen de Atmel AVR-microcontroller gebruikt, kan het een adapter zijn om met andere microcontrollers te werken, waaronder onze ESP8266.

Om te beginnen, moet u ervoor zorgen dat de Arduino IDE op uw computer is geïnstalleerd. Als je de IDE niet hebt geïnstalleerd, kun je deze gratis downloaden (www.arduino.cc).

U hebt ook stuurprogramma's nodig voor het besturingssysteem (OS) van uw computer om toegang te krijgen tot de juiste seriële USB-chip op de NodeMCU-module die u gebruikt. Momenteel bevatten de meeste NodeMCU-modules de CH340 Serial-USB-chip. De fabrikant van de CH340-chips (WCH.cn) heeft drivers beschikbaar voor alle populaire besturingssystemen. Het is het beste om de door Google vertaalde pagina voor hun site te gebruiken.

Zodra we de Arduino IDE hebben geïnstalleerd en de OS-stuurprogramma's zijn geïnstalleerd voor de USB-interfacechip, moeten we de Ardino IDE uitbreiden om te kunnen werken met de ESP8266-chip. Voer de IDE uit, ga naar voorkeuren en zoek het veld voor het invoeren van "Extra Board Manager-URL's"

Om de Board Manager voor ESP8266 te installeren, plak je deze URL:

arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

Sluit na de installatie de IDE en start deze vervolgens weer op.

Sluit nu de NodeMCU-module aan op uw computer met behulp van de microUSB-kabel.

Selecteer het bordtype binnen de Arduino IDE als NodeMCU 1.0

Hier is een instructable die het installatieproces voor Arduino NodeMCU doorloopt met behulp van enkele verschillende toepassingsvoorbeelden. Het dwaalt hier een beetje af van het doel, maar het kan nuttig zijn om naar een ander gezichtspunt te kijken als je vastloopt.

Stap 15: Wi-Fi-controller met robotarm - Hack uw eerste NodeMCU-programma

Telkens wanneer we een nieuw stuk hardware aansluiten of een nieuwe softwaretool installeren, willen we ervoor zorgen dat het werkt door iets heel eenvoudigs te proberen. Programmeurs noemen dit vaak het "hello world"-programma. Voor embedded hardware (wat we hier doen) knippert de "hallo wereld" meestal een LED (light emitting diode).

Gelukkig heeft de NodeMCU een ingebouwde LED die we kunnen laten knipperen. Ook heeft de Arduino IDE een voorbeeldprogramma voor knipperende LED's.

Open in de Arduino IDE het voorbeeld met de naam blink. Als je deze code nauwkeurig bekijkt, kun je zien dat deze pen 13 afwisselend hoog en laag draait. Op de originele Arduino-kaarten bevindt de gebruikers-LED zich op pin 13. De NodeMCU-LED bevindt zich echter op pin 16. Dus we kunnen het blink.ino-programma bewerken om elke verwijzing naar pin 13 te veranderen in pin 16. Dan kunnen we het programma compileren en upload het naar de NodeMCU-module. Dit kan een paar pogingen kosten en het kan nodig zijn om het USB-stuurprogramma te verifiëren en de instelling van het bord en de poort in de IDE dubbel te controleren. Neem de tijd en wees geduldig.

Zodra het programma correct is geüpload, zegt de IDE "upload voltooid" en begint de LED te knipperen. Kijk wat er gebeurt als je de lengte van de functie delay() in het programma wijzigt en deze vervolgens opnieuw uploadt. Is het wat je verwachtte. Zo ja, dan heb je je eerste embedded code gehackt. Gefeliciteerd!

Stap 16: Wi-Fi-controller met robotarm - voorbeeldsoftwarecode

Blynk (www.blynk.cc) is een platform met iOS- en Android-apps om Arduino, Raspberry Pi en andere hardware via internet te bedienen. Het is een digitaal dashboard waar u een grafische interface voor uw project kunt bouwen door eenvoudig widgets te slepen en neer te zetten. Het is heel eenvoudig om alles in te stellen en je kunt meteen beginnen met knutselen. Blynk zorgt ervoor dat je online bent en klaar bent voor het internet van je dingen.

Neem een kijkje op de Blynk-site en volg de instructies voor het instellen van de Arduino Blynk-bibliotheek.

Pak het ArmBlynkMCU.ino Arduino-programma dat hier is bijgevoegd. U zult merken dat het drie strings heeft die moeten worden geïnitialiseerd. Je kunt die voor nu negeren en ervoor zorgen dat je de code kunt compileren en uploaden zoals deze is naar de NodeMCU. U moet dit programma in de NodeMCU hebben geladen voor de volgende stap van het kalibreren van de servomotoren.

Stap 17: Wi-Fi-controller met robotarm - Servomotoren kalibreren

De ESP-12E-motorafschermingskaart ondersteunt het rechtstreeks aansluiten van de NodeMCU-module. Lijn de NodeMCU-module zorgvuldig uit en plaats deze in de motorafschermingskaart. Sluit ook de vier servo's aan op het schild zoals afgebeeld. Houd er rekening mee dat de connectoren gepolariseerd zijn en moeten worden georiënteerd zoals weergegeven.

De NodeMCU-code die in de laatste stap is geladen, initialiseert de servo's naar hun kalibratiepositie zoals hier getoond en besproken in de MeArm-documentatie. Door de servo-armen in de juiste richting te bevestigen terwijl de servo's zijn ingesteld op hun kalibratiepositie, worden het juiste startpunt, eindpunt en bewegingsbereik geconfigureerd voor elk van de vier servo's.

Over het gebruik van batterijvoeding met de NodeMCU- en MeArm-servomotoren:

De accukabels moeten worden aangesloten op de schroefaansluitingen van de accu-ingang. Er is een plastic aan/uit-knop op het motorschild om de voeding van de batterij te activeren. Het kleine plastic jumperblok wordt gebruikt om stroom naar de NodeMCU te leiden vanaf het motorschild. Zonder dat het jumperblok is geïnstalleerd, kan de NodeMCU zichzelf van stroom voorzien via de USB-kabel. Met het jumperblok geïnstalleerd (zoals afgebeeld), wordt de batterijvoeding naar de NodeMCU-module geleid.

Stap 18: Gebruikersinterface robotarm - integreren met Blynk

We kunnen nu de Blynk-app configureren om de servomotoren te besturen.

Installeer de Blyk-app op uw mobiele iOS- of Android-apparaat (smartphone of tabletcomputer). Eenmaal geïnstalleerd, stelt u een nieuw Blynk-project in met vier schuifregelaars zoals weergegeven voor het besturen van de vier servomotoren. Let op het Blynk-autorisatietoken dat voor uw nieuwe Blynk-project is gegenereerd. U kunt het naar u laten e-mailen om het plakken te vergemakkelijken.

Bewerk het ArmBlynkMCU.ino Arduino-programma om de drie strings in te vullen:

• Wi-Fi SSID (voor uw Wi-Fi-toegangspunt)
• Wi-Fi-wachtwoord (voor uw Wi-Fi-toegangspunt)
• Blynk-autorisatietoken (van uw Blynk-project)

Compileer en upload nu de bijgewerkte code met de drie strings.

Controleer of u de vier servomotoren via Wi-Fi kunt verplaatsen met behulp van de schuifregelaars op uw mobiele apparaat.

Stap 19: Robotarm - Mechanische montage

We kunnen nu doorgaan met de mechanische montage van de MeArm. Zoals eerder opgemerkt, kan dit een beetje lastig zijn. Neem de tijd en wees geduldig. Probeer de servomotoren niet te forceren.

Onthoud dat deze MeArm wordt bestuurd door de NodeMCU Wi-Fi-module die behoorlijk verschilt van het originele "hersenen" -bord dat wordt besproken in de MeArm-documentatie. Zorg ervoor dat u de instructies voor de controller volgt die hier worden gepresenteerd en niet die in de originele documentatie van MeArm.

De volledige details van de mechanische montage zijn te vinden op deze site. Ze worden aangeduid als de Build Guide for MeArm v1.0.

Stap 20: Online bronnen voor het bestuderen van robotica

Er zijn een groeiend aantal online robotica-cursussen, boeken en andere bronnen…

• Stanford-cursus: inleiding tot robotica
• Columbia-cursus: Robotica
• MIT-cursus: onvoldoende geactiveerde robotica
• Robotica WikiBook
• Robotica CourseWare
• Leren computeren met robots
• Robotica gedemystificeerd
• Robotmechanismen
• Wiskundige robotmanipulatie
• Educatieve robots met Lego NXT
• LEGO Onderwijs
• Geavanceerde robotica
• Ingebedde robotica
• Autonome mobiele robots
• Klim- en looprobots
• Klim- en looprobots Nieuwe toepassingen
• Humanoïde Robots
• Robotarmen
• Robotmanipulatoren
• Vooruitgang in robotmanipulators
• AI-robotica

Door deze en andere bronnen te verkennen, wordt uw kennis van de wereld van robotica voortdurend uitgebreid.

Stap 21: Robotica-prestatiepatch

Gefeliciteerd! Als je je uiterste best hebt gedaan voor deze robotica-projecten en je kennis hebt verbeterd, mag je de meegeleverde prestatiepatch met trots dragen. Laat de wereld weten dat je een meester bent in servo's en sensoren.

Stap 22: Hack de planeet

We hopen dat je geniet van de HackerBoxes Robotics Workshop. Deze en andere workshops kunnen worden gekocht in de online winkel op HackerBoxes.com, waar u zich ook kunt abonneren op de maandelijkse HackerBoxes-abonnementsbox en elke maand geweldige projecten rechtstreeks in uw mailbox kunt krijgen.

Deel uw succes in de opmerkingen hieronder en/of op de HackerBoxes Facebook Group. Laat het ons zeker weten als je vragen hebt of ergens hulp bij nodig hebt. Bedankt dat je deel uitmaakt van het HackerBoxes-avontuur. Laten we er iets geweldigs van maken!