Laboratorio di robotica HackerBox: 22 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

L'HackerBoxes Robotics Workshop è stato progettato per fornire un'introduzione molto impegnativa ma divertente ai sistemi robotici fai-da-te e anche all'elettronica per hobbisti in generale. Il Laboratorio di Robotica è progettato per esporre il partecipante a questi importanti argomenti e obiettivi di apprendimento:

• Robot ambulanti
• Gruppi dentati per coordinare il movimento
• Saldatura di progetti elettronici
• Schemi schematici
• Sensori ottici per guida e navigazione autonomi
• Circuiti di controllo analogici ad anello chiuso
• Programmazione Arduino
• Processori RISC embedded NodeMCU
• Wi-Fi in sistemi di processori embedded
• Controllo IoT utilizzando la piattaforma Blyk
• Cablaggio e calibrazione servomotori
• Assemblaggio robotico complesso e integrazione del controllo

HackerBoxes è il servizio di box in abbonamento mensile per l'elettronica fai da te e la tecnologia informatica. Siamo maker, hobbisti e sperimentatori. Se desideri acquistare un HackerBoxes Workshop o ricevere la scatola di abbonamento a sorpresa HackerBoxes di grandi progetti di elettronica per posta ogni mese, visitaci su HackerBoxes.com e unisciti alla rivoluzione.

I progetti negli HackerBox Workshop così come quelli negli HackerBox ad abbonamento mensile non sono esattamente per principianti. In genere richiedono una precedente esposizione all'elettronica fai-da-te, abilità di saldatura di base e comfort nel lavorare con microcontrollori, piattaforme di computer, funzionalità del sistema operativo, librerie di funzioni e semplice codifica dei programmi. Utilizziamo anche tutti gli strumenti tipici degli hobbisti per la creazione, il debug e il test di progetti di elettronica fai-da-te.

Hackera il pianeta!

Fase 1: Contenuti del workshop

• Kit RoboSpider
• Kit robot che segue la linea autonoma
• Controller Wi-Fi con braccio robotico Arduino
• Kit braccio robotico MeArm
• Patch per il successo della robotica

Elementi aggiuntivi che possono essere utili:

• Sette batterie AA
• Strumenti di saldatura di base
• Computer per eseguire l'IDE Arduino

Un elemento aggiuntivo molto importante di cui avremo bisogno è un vero senso di avventura, spirito fai-da-te e curiosità da hacker. Iniziare qualsiasi avventura come creatore e creatore può essere una sfida entusiasmante. In particolare, questo tipo di elettronica per hobby non è sempre facile, ma quando perseveri e ti godi l'avventura, una grande soddisfazione può derivare dal perseverare e capire tutto!

Passaggio 2: RoboSpider

Costruisci il tuo RoboSpider con questo kit robot. È dotato di otto gambe multi-snodate che duplicano il movimento di camminata dei veri ragni. Esaminare le parti del kit per verificare i 71 pezzi mostrati qui. Riuscite a indovinare per cosa viene utilizzato ogni pezzo all'interno del design RoboSpider?

Passaggio 3: RoboSpider - Cablaggio

Prima collega il motore e l'alloggiamento della batteria per RoboSpider. I fili possono essere semplicemente attorcigliati sui terminali della batteria come mostrato nelle istruzioni. Tuttavia, se lo si desidera, i fili possono anche essere saldati ATTENTAMENTE in posizione.

Passaggio 4: RoboSpider - Assemblaggio meccanico

Per ogni coppia di gambe viene formato un gruppo di ingranaggi molto interessante. Ogni RoboSpider ha quattro di questi gruppi di due gambe ciascuno per coordinare il movimento di otto zampe di ragno separate. Notare come viene fornito un dispositivo per facilitare l'allineamento degli ingranaggi.

Il resto del RoboSpider può essere assemblato come mostrato nelle istruzioni. Che tipo di dinamiche di camminata sono esibite da questo RoboSpider?

Passaggio 5: prepariamoci a saldare

La saldatura è un processo in cui due o più elementi metallici (spesso fili o cavi) sono uniti insieme fondendo un metallo d'apporto chiamato saldatura nel giunto tra gli elementi metallici. Vari tipi di strumenti di saldatura sono prontamente disponibili. L'HackerBoxes Starter Workship include un bel set di strumenti di base per la saldatura di piccoli dispositivi elettronici:

• Saldatore
• Suggerimenti per la sostituzione
• Supporto per saldatore
• Pulitore per punte per saldatore
• Saldare
• Stoppino dissaldante

Se non conosci la saldatura, ci sono molte ottime guide e video online sulla saldatura. Ecco un esempio. Se ritieni di aver bisogno di ulteriore assistenza, prova a trovare un gruppo di produttori locali o uno spazio hacker nella tua zona. Inoltre, i club di radioamatori sono sempre ottime fonti di esperienza nel campo dell'elettronica.

Indossare occhiali di sicurezza durante la saldatura

Dovrai anche avere dell'alcol isopropilico e dei tamponi per pulire i residui di fondente brunastri lasciati sui giunti di saldatura. Se lasciato in posizione, questo residuo alla fine corroderà il metallo all'interno della connessione.

Infine, potresti voler dare un'occhiata al fumetto "La saldatura è facile" di Mitch Altman.

Passaggio 6: robot che segue la linea

Il robot Line Following (alias Line Tracing) può seguire una spessa linea nera disegnata su una superficie bianca. La linea dovrebbe avere uno spessore di circa 15 mm.

Passaggio 7: Robot che segue la linea - Schema e componenti

Qui sono mostrate le parti per il robot che segue la linea e lo schema del circuito. Prova a identificare tutte le parti. Mentre esamini la teoria delle operazioni di seguito, vedi se riesci a capire lo scopo di ciascuna delle parti e forse anche perché i loro valori sono stati così specificati. Provare a "reverse engineering" circuiti esistenti è un ottimo modo per imparare a progettare il proprio.

Teoria del funzionamento:

Su ogni lato della linea, un LED (D4 e D5) viene utilizzato per proiettare un punto luminoso sulla superficie sottostante. Questi LED inferiori hanno lenti trasparenti per formare un raggio di luce diretto rispetto a un raggio diffuso. A seconda che la superficie sotto il LED sia bianca o nera, una diversa quantità di luce si rifletterà nella fotoresistenza corrispondente (D13 e D14). Il tubo nero attorno alla fotoresistenza aiuta a focalizzare la potenza riflessa direttamente nel sensore. I segnali della fotoresistenza vengono confrontati nel chip LM393 per determinare se il robot deve continuare dritto o deve essere girato. Si noti che i due comparatori nell'LM393 hanno gli stessi segnali di ingresso, ma i segnali sono orientati in modo opposto.

La rotazione del robot si ottiene accendendo il motore CC (M1 o M2) all'esterno della curva e lasciando il motore spento verso l'interno della curva. I motori vengono accesi e spenti utilizzando i transistor di azionamento dell'azionamento (Q1 e Q2). I LED rossi montati in alto (D1 e D2) ci mostrano quale motore è acceso in un dato momento. Questo meccanismo di guida è un esempio di controllo a circuito chiuso e fornisce una guida rapidamente adattabile per aggiornare la traiettoria del robot in modo molto semplice ma efficace.

Passaggio 8: Robot che segue la linea - Resistori

Un resistore è un componente elettrico passivo, a due terminali, che implementa la resistenza elettrica come elemento del circuito. Nei circuiti elettronici, i resistori vengono utilizzati per ridurre il flusso di corrente, regolare i livelli di segnale, dividere le tensioni, polarizzare gli elementi attivi e terminare le linee di trasmissione, tra gli altri usi. I resistori sono elementi comuni delle reti elettriche e dei circuiti elettronici e sono onnipresenti nelle apparecchiature elettroniche.

Il kit del robot che segue la linea include quattro diversi valori di resistori a cavo assiale a foro passante con le bande codificate a colori come mostrato:

• 10 ohm: marrone, nero, nero, oro
• 51 ohm: verde, marrone, nero, oro
• 1K ohm: marrone, nero, nero, marrone
• 3.3K ohm: arancione, arancione, nero, marrone

I resistori devono essere inseriti dalla parte superiore del circuito stampato (PCB) come illustrato e quindi saldati dal basso. Ovviamente è stato indicato il corretto valore di resistore da inserire, non sono intercambiabili. Tuttavia, i resistori non sono polarizzati e possono essere inseriti in entrambe le direzioni.

Passaggio 9: Robot che segue la linea - Componenti rimanenti

Altri elementi del circuito, come mostrato qui, possono essere inseriti dalla parte superiore del PCB e saldati sotto, proprio come i resistori.

Si noti che i quattro componenti del sensore di luce sono effettivamente inseriti dalla parte inferiore del PCB. Il bullone lungo viene inserito tra i componenti del sensore di luce e fissato saldamente con il dado aperto. Quindi il dado arrotondato può essere posizionato sull'estremità del bullone come un aliante liscio.

A differenza dei resistori, molti altri componenti sono polarizzati:

I transistor hanno un lato piatto e un lato semicircolare. Quando vengono inseriti nel PCB, assicurarsi che corrispondano ai segni serigrafici bianchi sul PCB.

I LED hanno un cavo lungo e uno corto. Il cavo lungo deve essere abbinato al terminale + come indicato sulla serigrafia.

I condensatori elettrolitici a forma di lattina hanno un indicatore del terminale negativo (di solito una striscia bianca) che scende lungo un lato della lattina. Il vantaggio su quel lato è il piombo negativo e l'altro è il positivo. Questi devono essere inseriti nel PCB secondo gli indicatori dei pin nella serigrafia.

Il chip a 8 pin, il suo zoccolo e la serigrafia del PCB per inserirli, hanno tutti un indicatore semicircolare su un'estremità. Questi devono essere allineati per tutti e tre. Lo zoccolo deve essere saldato nel PCB e il chip non deve essere inserito nello zoccolo fino a quando la saldatura non è completa e si è raffreddata. Sebbene il chip possa essere saldato direttamente nel PCB, è necessario essere molto veloci e attenti quando si esegue questa operazione. Si consiglia di utilizzare una presa quando possibile.

Passaggio 10: Robot che segue la linea - Pacco batteria

Il sottile strato superiore del nastro biadesivo può essere rimosso per fissare il pacco batteria. I cavi possono essere alimentati attraverso il PCB e saldati sotto. Il filo in eccesso può essere utile per saldare i motori.

Passaggio 11: Robot che segue la linea - Motori

I cavi per i motori possono essere saldati ai pad sul lato inferiore del PCB come mostrato. Una volta che i cavi sono stati saldati, il sottile strato superiore del nastro biadesivo può essere rimosso per fissare i motori al PCB.

Passaggio 12: Robot che segue la linea - Guardalo andare

La linea che segue il robot è una gioia da guardare. Inserisci un paio di celle della batteria AA e lascia che si strappi.

Se necessario, i potenziometri del trimmer possono essere sintonizzati per perfezionare il rilevamento dei bordi del robot.

Se ci sono altri problemi di "comportamento" con il robot, è anche utile controllare l'allineamento dei quattro componenti del sensore sul lato inferiore e in particolare il tubo nero attorno alle fotoresistenze.

Infine, assicurati di utilizzare batterie nuove. Abbiamo notato prestazioni irregolari una volta scaricata la batteria.

Passaggio 13: braccio robotico da MeArm

Il braccio robotico MeArm è stato sviluppato per essere lo strumento di apprendimento più accessibile al mondo e il braccio robotico più piccolo e cool. Il MeArm si presenta come un kit di braccio robotico flat-pack composto da fogli acrilici tagliati al laser e micro servi. Puoi costruirlo con nient'altro che un cacciavite ed entusiasmo. È stato descritto come il "Progetto Arduino perfetto per principianti" dal sito Web di Lifehacker. Il MeArm è un ottimo design e molto divertente, ma può sicuramente essere un po' complicato da montare. Prenditi il tuo tempo e sii paziente. Cerca di non forzare mai i servomotori. Ciò potrebbe danneggiare i piccoli ingranaggi di plastica all'interno del servo.

Il MeArm in questo workshop è controllato da un'app per smartphone o tablet utilizzando un modulo Wi-Fi NodeMCU adattato alla piattaforma di sviluppo Arduino. Questo nuovo meccanismo di controllo è molto diverso dalla scheda "cervello" originale discussa nella documentazione di MeArm, quindi assicurati di seguire le istruzioni per il controller presentate qui e non quelle nella documentazione originale di MeArm. I dettagli meccanici relativi all'assemblaggio dei componenti in acrilico MeArm e dei servomotori rimangono gli stessi.

Passaggio 14: Controller Wi-Fi del braccio robotico - Prepara Arduino per NodeMCU

NodeMCU è una piattaforma open source basata sul chip ESP8266. Questo chip include un processore RISC a 32 bit in esecuzione a 80 MHz, Wi-Fi (IEEE 802.11 b/g/n), memoria RAM, memoria flash e 16 pin I/O.

Il nostro hardware del controller si basa sul modulo ESP-12 mostrato qui che include un chip ESP8266 insieme al supporto di rete Wi-Fi incluso.

Arduino è una piattaforma elettronica open source basata su hardware e software di facile utilizzo. È destinato a chiunque realizzi progetti interattivi. Sebbene la piattaforma Arduino utilizzi generalmente il microcontrollore Atmel AVR, può essere un adattatore per funzionare con altri microcontrollori, incluso il nostro ESP8266.

Per iniziare, dovrai assicurarti di avere l'IDE Arduino installato sul tuo computer. Se non hai l'IDE installato, puoi scaricarlo gratuitamente (www.arduino.cc).

Avrai anche bisogno dei driver per il sistema operativo (OS) del tuo computer per accedere al chip Serial-USB appropriato sul modulo NodeMCU che stai utilizzando. Attualmente la maggior parte dei moduli NodeMCU include il chip USB seriale CH340. Il produttore dei chip CH340 (WCH.cn) dispone di driver per tutti i sistemi operativi più diffusi. È meglio usare la pagina tradotta di Google per il loro sito.

Una volta installato l'IDE di Arduino e installati i driver del sistema operativo per il chip dell'interfaccia USB, è necessario estendere l'IDE di Ardino per operare con il chip ESP8266. Esegui l'IDE, vai nelle preferenze e individua il campo per l'inserimento di "Ulteriori URL di Board Manager"

Per installare Board Manager per ESP8266, incolla questo URL:

arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

Dopo l'installazione, chiudi l'IDE e riavvialo.

Ora collega il modulo NodeMCU al tuo computer usando il cavo microUSB.

Seleziona il tipo di scheda all'interno dell'IDE Arduino come NodeMCU 1.0

Ecco un'istruzione che illustra il processo di installazione per Arduino NodeMCU utilizzando alcuni esempi di applicazioni differenti. È un po' fuori strada rispetto all'obiettivo qui, ma potrebbe essere utile cercare un altro punto di vista se rimani bloccato.

Passaggio 15: controller Wi-Fi del braccio robotico: hackera il tuo primo programma NodeMCU

Ogni volta che colleghiamo un nuovo componente hardware o installiamo un nuovo strumento software, ci piace assicurarci che funzioni provando qualcosa di molto semplice. I programmatori spesso lo chiamano il programma "ciao mondo". Per l'hardware integrato (quello che stiamo facendo qui) il "ciao mondo" di solito fa lampeggiare un LED (diodo a emissione di luce).

Fortunatamente, il NodeMCU ha un LED integrato che possiamo lampeggiare. Inoltre, l'IDE di Arduino ha un programma di esempio per i LED lampeggianti.

All'interno dell'IDE Arduino, apri l'esempio chiamato blink. Se esamini attentamente questo codice puoi vedere che alterna la rotazione del pin 13 in alto e in basso. Sulle schede Arduino originali, il LED utente è sul pin 13. Tuttavia, il LED NodeMCU è sul pin 16. Quindi possiamo modificare il programma blink.ino per cambiare ogni riferimento dal pin 13 al pin 16. Quindi possiamo compilare il programma e caricalo sul modulo NodeMCU. Questo potrebbe richiedere alcuni tentativi e potrebbe richiedere la verifica del driver USB e il doppio controllo dell'impostazione della scheda e della porta nell'IDE. Prenditi il tuo tempo e sii paziente.

Una volta che il programma si è caricato correttamente, l'IDE dirà "caricamento completato" e il LED inizierà a lampeggiare. Guarda cosa succede se cambi la lunghezza della funzione delay() all'interno del programma e poi la carichi di nuovo. È quello che ti aspettavi. In tal caso, hai violato il tuo primo codice incorporato. Congratulazioni!

Passaggio 16: controller Wi-Fi braccio robotico - Esempio di codice software

Blynk (www.blynk.cc) è una piattaforma che include app iOS e Android per controllare Arduino, Raspberry Pi e altro hardware su Internet. È una dashboard digitale in cui puoi creare un'interfaccia grafica per il tuo progetto semplicemente trascinando e rilasciando i widget. È davvero semplice impostare tutto e inizierai subito ad armeggiare. Blynk ti metterà online e pronto per l'Internet delle tue cose.

Dai un'occhiata al sito Blynk e segui le istruzioni per configurare la libreria Arduino Blynk.

Prendi il programma Arduino ArmBlynkMCU.ino allegato qui. Noterai che ha tre stringhe che devono essere inizializzate. Puoi ignorarli per ora e assicurarti di poter compilare e caricare il codice così com'è sul NodeMCU. Avrai bisogno di questo programma caricato nel NodeMCU per la fase successiva di calibrazione dei servomotori.

Passaggio 17: Controller Wi-Fi del braccio robotico - Calibrazione dei servomotori

La scheda di schermatura del motore ESP-12E supporta il collegamento diretto del modulo NodeMCU. Allineare con attenzione e inserire il modulo NodeMCU nella scheda di schermatura del motore. Collegare anche i quattro servi allo scudo come mostrato. Notare che i connettori sono polarizzati e devono essere orientati come mostrato.

Il codice NodeMCU che è stato caricato nell'ultimo passaggio inizializza i servi nella loro posizione di calibrazione come mostrato qui e discusso nella documentazione MeArm. Fissare i bracci dei servi nell'orientamento corretto mentre i servi sono impostati nella posizione di calibrazione assicura che il punto di inizio, il punto finale e l'intervallo di movimento corretti siano configurati per ciascuno dei quattro servi.

Informazioni sull'utilizzo della batteria con i servomotori NodeMCU e MeArm:

I cavi della batteria devono essere collegati ai terminali a vite di ingresso della batteria. C'è un pulsante di accensione in plastica sullo scudo del motore per attivare l'alimentazione in ingresso della batteria. Il minuscolo ponticello in plastica viene utilizzato per indirizzare l'alimentazione al NodeMCU dallo scudo del motore. Senza il blocco jumper installato, il NodeMCU può autoalimentarsi dal cavo USB. Con il blocco jumper installato (come mostrato), l'alimentazione della batteria viene indirizzata al modulo NodeMCU.

Passaggio 18: interfaccia utente del braccio robotico: integrazione con Blynk

Ora possiamo configurare l'app Blynk per controllare i servomotori.

Installa l'app Blyk sul tuo dispositivo mobile iOS o Android (smartphone o tablet). Una volta installato, configura un nuovo progetto Blynk con quattro slider come mostrato per controllare i quattro servomotori. Prendi nota del token di autorizzazione Blynk generato per il tuo nuovo progetto Blynk. Puoi averlo inviato via email per facilitare l'incollaggio.

Modifica il programma Arduino ArmBlynkMCU.ino per compilare le tre stringhe:

• SSID Wi-Fi (per il punto di accesso Wi-Fi)
• Password Wi-Fi (per il tuo punto di accesso Wi-Fi)
• Token di autorizzazione Blynk (dal tuo progetto Blynk)

Ora compila e carica il codice aggiornato contenente le tre stringhe.

Verifica di poter spostare i quattro servomotori tramite Wi-Fi utilizzando i cursori sul tuo dispositivo mobile.

Passaggio 19: braccio robotico - assemblaggio meccanico

Possiamo ora procedere con l'assemblaggio meccanico del MeArm. Come notato in precedenza, questo può essere un po' complicato. Prenditi il tuo tempo e sii paziente. Cerca di non forzare i servomotori.

Ricorda che questo MeArm è controllato dal modulo Wi-Fi NodeMCU che è molto diverso dalla scheda "cervello" originale discussa nella documentazione MeArm. Assicurarsi di seguire le istruzioni per il controller presentate qui e non quelle nella documentazione originale di MeArm.

I dettagli completi dell'assemblaggio meccanico possono essere trovati in questo sito. Sono etichettati come Build Guide per MeArm v1.0.

Passaggio 20: risorse online per lo studio della robotica

Esiste un numero crescente di corsi di robotica online, libri e altre risorse…

• Corso di Stanford: Introduzione alla robotica
• Corso Columbia: Robotica
• Corso MIT: Robotica non attuata
• Robotica WikiBook
• Corso di roboticaWare
• Imparare l'informatica con i robot
• Robotica demistificata
• Meccanismi robot
• Manipolazione robotica matematica
• Robot Didattici con Lego NXT
• LEGO Education
• Robotica all'avanguardia
• Robotica incorporata
• Robot mobili autonomi
• Robot che si arrampicano e camminano
• Robot per arrampicarsi e camminare Nuove applicazioni
• Robot umanoidi
• Braccia Robot
• Robot manipolatori
• Progressi nei manipolatori robot
• Robotica AI

Esplorare queste e altre risorse amplierà continuamente la tua conoscenza del mondo della robotica.

Passaggio 21: Patch per il raggiungimento della robotica

Congratulazioni! Se ti sei impegnato al massimo in questi progetti di robotica e hai avanzato le tue conoscenze, dovresti indossare con orgoglio la toppa inclusa. Fai sapere al mondo che sei un maestro di servi e sensori.

Passaggio 22: hackerare il pianeta

Ci auguriamo che il workshop di robotica HackerBoxes ti stia divertendo. Questo e altri workshop possono essere acquistati dal negozio online di HackerBoxes.com, dove puoi anche iscriverti alla casella di abbonamento mensile HackerBoxes e ricevere ogni mese fantastici progetti direttamente nella tua casella di posta.

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