Costruire piccoli robot: realizzare robot micro-sumo da un pollice cubico e più piccoli: 5 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:05

Ecco alcuni dettagli sulla costruzione di piccoli robot e circuiti. Questo tutorial coprirà anche alcuni suggerimenti e tecniche di base utili per costruire robot di qualsiasi dimensione. Per me, una delle grandi sfide dell'elettronica è vedere quanto piccolo posso realizzare un robot. La cosa bella dell'elettronica è che i componenti continuano a diventare sempre più piccoli, economici ed efficienti a un ritmo incredibilmente veloce. Immagina se la tecnologia automobilistica fosse così. Sfortunatamente, i sistemi meccanici in questo momento non stanno avanzando così velocemente come l'elettronica. Questo porta ad una delle principali difficoltà nella costruzione di robot molto piccoli: cercare di inserire in uno spazio ridotto il sistema meccanico che muove il robot. Il sistema meccanico e le batterie tendono a occupare la maggior parte del volume di un robot davvero piccolo. La foto1 mostra Mr. Cube R-16, un micro-robot di un pollice cubico che è in grado di reagire al suo ambiente con baffi di filo musicale (paraurti interruttore). Può muoversi ed esplorare il perimetro di una piccola scatola. Può essere controllato a distanza utilizzando un telecomando universale a infrarossi per TV configurato per un TV Sony. Può anche avere il suo microcontrollore Picaxe pre-programmato con schemi di reazione. I dettagli iniziano dal passaggio 1.

Passaggio 1: componenti di un robot da un pollice cubico

Mr cube R-16, è il sedicesimo robot che ho costruito. È un robot da un pollice cubo che misura 1"x1"x1". È in grado di comportarsi autonomamente programmabile o può essere controllato a distanza. Non è pensato per essere qualcosa di molto pratico o particolarmente utile. È solo un prototipo e proof of concept. È, tuttavia, utile nel senso che costruire un minuscolo robot ti consente di affinare le tue abilità di miniaturizzazione per robot e altri piccoli circuiti. Costruire piccoli robot e circuitiTieni presente che costruire il più piccolo possibile significa impiegare il doppio del tempo normalmente necessario per costruire lo stesso circuito in uno spazio più ampio. Sono necessari tutti i tipi di morsetti per tenere in posizione i piccoli componenti e i fili durante la saldatura o l'incollaggio. Una luce da lavoro brillante e una buona cuffia con ingrandimento o un la lente d'ingrandimento fissa è un must. Piccoli motoriSi scopre che uno dei maggiori ostacoli alla realizzazione di robot davvero piccoli è il motoriduttore necessario. L'elettronica di controllo (microcontrollori) continua a rimpicciolirsi. Tuttavia, trovando g motoriduttori a basso numero di giri abbastanza piccoli non è così facile. Mr. Cube utilizza piccoli motoriduttori cercapersone che sono orientati a un rapporto 25:1. Con quella marcia, il robot è più veloce di quanto vorrei e un po' nervoso. Per adattarsi allo spazio, i motori dovevano essere sfalsati con una ruota più avanti dell'altra. Anche con quello, si muove avanti, indietro e gira bene. I motori sono stati collegati alla perfboard con filo di 24 gauge che è stato saldato e poi incollato con cemento a contatto. Nella parte posteriore del robot un bullone di nylon di dimensioni 4-40 è stato avvitato in un foro filettato sotto la scheda del circuito inferiore. Questa testa di bullone in plastica liscia funge da ruota per bilanciare il robot. Lo puoi vedere in basso a destra nella foto 4. Questo dà una distanza della ruota nella parte inferiore del robot di circa 1/32". Per montare le ruote, le pulegge in plastica da 3/16" montate sui motori sono state accese e poi, durante la filatura, venivano carteggiate al giusto diametro. Sono stati quindi inseriti in un foro in una rondella di metallo che si adattava all'interno di una rondella di nylon e tutto è stato epossidico insieme. La ruota è stata quindi rivestita con due strati di gomma Liquid Tape per darle trazione. Piccole batterie Un altro problema con i robot più piccoli è trovare batterie piccole che dureranno. I motoriduttori utilizzati richiedono correnti abbastanza elevate (90-115ma) per funzionare. Ciò si traduce in un piccolo robot che mangia le batterie per colazione. Le migliori che riuscii a trovare all'epoca erano le batterie a bottone al litio 3-LM44. La durata della batteria in robot molto piccoli di questo tipo è così breve (pochi minuti) che di solito non possono fare nulla di pratico. C'era spazio solo per tre batterie da 1,5 V, quindi hanno finito per alimentare sia i motori che il controller Picaxe. A causa del rumore elettrico che possono creare i piccoli motori CC, un alimentatore per tutto, di solito non è una buona idea. Ma finora funziona bene. Lo spazio in questo robot da un pollice era così stretto che lo spessore dell'isolamento del filo da 28 gauge (dal cavo a nastro) si è rivelato un problema. Riuscivo a malapena a mettere insieme le due metà del robot. Stimo che circa l'85% del volume del robot sia pieno di componenti. Il robot era così piccolo che anche un interruttore on-off era problematico. Alla fine, potrei sostituire i baffi grezzi con sensori a infrarossi. Ho letteralmente esaurito lo spazio facile da usare, quindi montare qualcosa di più, senza ricorrere alla tecnologia di montaggio superficiale, sarebbe una sfida interessante. Mi piace usare la costruzione a conchiglia per robot davvero piccoli. Vedere la figura 2. Questo è costituito da due metà che si agganciano insieme a connettori e prese a striscia da.1". Ciò consente un facile accesso a tutti i componenti, rendendo più semplice il debug dei circuiti o apportare modifiche. La figura 3 mostra la posizione di alcuni dei componenti principali. MATERIALS2 Motoriduttori GM15 - Motore cercapersone con ingranaggio planetario da 25:1 6 mm: https://www.solarbotics.com/motors_accessories/4/18x Microcontrollore Picaxe disponibile su: https://www.hvwtech.com/products_list.asp ?CatID=90&SubCatID=249&SubSubCatID=250L293 controllore motore DIP IC: https://www.mouser.comRivelatore a infrarossi Panasonic PNA4602M: https://www.mouser.com30 AWG Beldsol filo smaltato estraibile (saldabile): https://www.mouser.com3 LM44 1,5 V. Batterie a bottone al litio: https://www.mouser.com Piccolo interruttore di accensione/spegnimento blu: https://www.jameco.com Saldatura sottile - Saldatura con nucleo di colofonia.015": https:// www.mouser.comResistori e un condensatore al tantalio da 150 uf. Scheda perfboard da 1" in fibra di vetro tracciata in rame da: https://www.allelectronics.com/cgi-bin/item/ECS-4/455/SOLDERABLE_PERF _BOARD, _LINE_PATTERN_.htmlNastro liquido Performix (tm), nero-Disponibile su Wal-Mart o

Passaggio 2: circuito di un robot da un pollice cubico

La figura 4 mostra la posizione del microcontrollore Picaxe 18x e del controller del motore L293 che sono i circuiti principali del robot. Al momento della costruzione, non ho potuto ottenere le versioni a montaggio superficiale del Picaxe o dell'L293. L'utilizzo dei circuiti integrati a montaggio superficiale lascerebbe sicuramente più spazio per circuiti e sensori aggiuntivi. Microcontrollori Picaxe 18x I microcontrollori Picaxe sono ancora i miei controller preferiti da utilizzare sui robot sperimentali. Sebbene abbiano meno memoria e non siano veloci come PicMicros, Arduino, Basic Stamp o altri microcontrollori, sono abbastanza veloci per la maggior parte dei piccoli robot sperimentali. Molti di essi possono essere facilmente collegati insieme quando è necessaria più velocità o memoria. Sono anche molto indulgenti. Li ho saldati direttamente, cortocircuitati e sovraccaricato le loro uscite e devo ancora bruciarne uno. Poiché possono essere programmati nel linguaggio di programmazione BASIC, sono anche più facili da programmare rispetto alla maggior parte dei microcontrollori. Se vuoi costruire davvero piccoli, i controller Picaxe 08M e 18x sono disponibili in formato a montaggio superficiale (SOIC-Small Outline Integrated Circuits). Per vedere alcuni dei progetti che puoi fare con i microcontrollori Picaxe puoi dare un'occhiata a: https://www.inklesspress.com/picaxe_projects.htm Controller motore L293 Il controller motore L293 è un modo eccellente per controllare due motori in qualsiasi piccolo robot. Quattro pin di uscita dal microcontrollore possono controllare l'alimentazione a due motori: avanti, indietro o spento. La potenza ai motori può anche essere pulsata (modulazione di larghezza di impulso PWM) per controllarne la velocità. Stile Dead Bug Non c'era spazio sulle perfboard per montare il controller L293, quindi è stato installato utilizzando la tecnica del dead bug. Ciò significa semplicemente che l'IC è capovolto e i fili sottili sono saldati direttamente ai pin che sono stati piegati o tagliati corti. Può quindi essere incollato su un circuito stampato o inserito in qualsiasi spazio disponibile. In questo caso, dopo che l'L293 è stato saldato e testato, l'ho rivestito con due mani della sempre pratica gomma Liquid Tape per assicurarmi che nulla andasse in cortocircuito quando è stato stipato nello spazio disponibile. Potrebbe essere utilizzato anche cemento di contatto trasparente. Per un ottimo esempio di costruzione di circuiti utilizzando lo stile del bug morto, vedere qui: https://www.bigmech.com/misc/smallcircuit/Pic 5 mostra una maschera di saldatura per le mani che ho modificato aggiungendo piccole clip a coccodrillo a una perfboard per aiutare a saldare piccoli fili ai circuiti integrati in stile bug morto. La foto 6 mostra lo schema del robot Mr. Cube. Puoi vedere un video di Mr. Cube che esegue una breve sequenza programmata facendo clic sul collegamento inch-robot-sm.wmv di seguito. Mostra il robot a circa il 30% della velocità massima che è stata ridotta utilizzando la modulazione della larghezza di impulso sui motori.

Passaggio 3: suggerimenti e trucchi per la costruzione di robot

Dopo aver costruito 18 robot, ecco alcune delle cose che ho imparato a mie spese. Alimentatori separati Se hai spazio, ti risparmierai un sacco di problemi se usi alimentatori separati per il microcontrollore, i suoi circuiti e i motori. La tensione fluttuante e il rumore elettrico che i motori producono possono provocare il caos con il microcontrollore e gli ingressi del sensore per produrre risposte molto incoerenti nel tuo robot. Risoluzione dei problemi Trovo che sia meglio costruire prima il circuito completo del robot su una breadboard. I componenti raramente si guastano o sono difettosi. Se il tuo progetto è valido e il circuito non funziona, è quasi sempre un errore nel cablaggio. Per informazioni su come eseguire la prototipazione rapida di circuiti, vedere qui: https://www.inklesspress.com/fast_circuits.htm Quindi monto tutti i motori e i sensori sul corpo del robot e programma il microcontrollore per controllarli. Solo dopo che tutto funziona bene, provo a creare una versione saldata permanente del circuito. Quindi lo provo mentre è ancora separato dal corpo del robot. Se funziona, lo monto in modo permanente sul robot. Se smette di funzionare, spesso è colpa di problemi di rumore. Problemi di rumoreUno dei maggiori problemi che ho riscontrato è il rumore elettrico che rende un circuito inutile. Ciò è spesso causato dal rumore elettrico o magnetico che può emanare dai motori CC. Questo rumore può sopraffare gli ingressi del sensore e persino il microcontrollore. Per risolvere questo problema, puoi assicurarti che i motori e i loro cavi non siano vicini a nessuna linea di ingresso che va al tuo microcontrollore. La foto 7 mostra Sparky, R-12, un robot che ho realizzato che utilizza uno Stamp 2 di base come microcontrollore. L'ho prima testato con il circuito principale lontano dal robot e dopo aver eseguito la programmazione di base, tutto ha funzionato bene. Quando l'ho montato proprio sopra i motori, è impazzito ed era totalmente incoerente. Ho provato ad aggiungere una scheda rivestita in rame con messa a terra tra i motori e il circuito, ma non ha fatto differenza. Alla fine ho dovuto sollevare fisicamente il circuito di 3/4" (vedi frecce blu) prima che il robot funzionasse di nuovo. Un'altra fonte comune di rumore devastante nei piccoli robot possono essere i segnali pulsanti. Se si inviano segnali PWM a servocomandi o motori, i fili possono agire come antenne e inviare segnali che possono confondere le linee di ingresso. Per evitare ciò, mantieni i cavi di ingresso e uscita del microcontrollore separati il più possibile. Inoltre, tieni i cavi che trasportano energia ai motori lontano dalle linee di ingresso. Cavo magneticoIl problema dello spessore del cavo è molto i piccoli circuiti possono essere risolti usando un filo smaltato di calibro 30-36. Ho usato un filo di calibro 36 per alcuni progetti, ma l'ho trovato così sottile che era difficile da spellare e usare. Un buon compromesso è il filo smaltato di calibro 30. Magnete normale è possibile utilizzare il filo, ma io preferisco il filo smaltato a caldo. Questo filo ha un rivestimento che può essere spellato semplicemente saldandolo con abbastanza calore per fondere l'isolamento. Ci vogliono fino a 10 secondi per spellare il rivestimento durante la saldatura. Per alcuni composto delicato enti come la saldatura a LED o circuiti integrati, questo può essere un calore dannoso. Il miglior compromesso per me è usare questo filo smaltato a caldo, ma prima spelalo un po'. Per prima cosa prendo un coltello affilato e lo faccio scorrere attraverso il filo magnetico per staccare il rivestimento e poi ruoto il filo finché non viene spelato abbastanza bene attorno al suo diametro. Quindi ho saldato l'estremità del filo spelato fino a quando non è ben stagnato. Quindi, puoi saldarlo rapidamente a qualsiasi componente delicato con meno possibilità di danni da calore. Saldatura sottile Quando i componenti sono molto vicini tra loro, può essere difficile saldarli senza rigonfiamenti e cortocircuitare pad e fili vicini. La soluzione migliore è utilizzare un saldatore a caldo regolabile con punta piccola (1/32 ") e la saldatura più sottile che puoi trovare. La saldatura standard ha solitamente un diametro di 0,032" che funziona bene per la maggior parte delle cose. L'utilizzo di una saldatura con diametro più sottile di.015" consente di controllare facilmente la quantità di saldatura sul giunto. Se si utilizza la quantità minima di saldatura necessaria, non solo occupa il volume più piccolo, ma consente anche di saldare un giunto il più rapidamente possibile il più possibile. Ciò riduce la possibilità di surriscaldamento e danneggiamento di componenti delicati come circuiti integrati e LED a montaggio superficiale. Componenti a montaggio superficialeI componenti a montaggio superficiale sono il massimo della miniaturizzazione. Per utilizzare circuiti integrati di dimensioni SOIC di solito uso saldature sottili e filo smaltato. Per vedere un abbastanza facile modo per realizzare schede o circuiti di breakout SOIC vedere qui: https://www.inklesspress.com/robot_surface_mount.htmIncollaggio sui componenti invece di saldareAlcuni componenti a montaggio superficiale possono anche essere incollati direttamente sui circuiti stampati. È possibile creare la propria colla conduttiva e utilizzare da incollare su LED e circuiti integrati. Vedi: https://www.instructables.com/id/Make-Conductive-Glue-and-Glue-a-Circuit/Mentre funziona, può essere un po' difficile perché l'azione capillare tende a stoppino il c colla onduttiva sotto i LED a montaggio superficiale e altri componenti e metterli in cortocircuito. Incollaggio sui componenti utilizzando colla non conduttiva Recentemente ho sperimentato l'incollaggio di componenti su schede di circuiti in rame e tessuti conduttivi utilizzando una colla che non conduce. Vedere la foto 8 per un'immagine di una barra luminosa da 12 volt (spenta e accesa) utilizzando LED a montaggio superficiale incollati con colla non conduttiva. Ho scoperto che se metti un sottile strato di smalto trasparente sulle tracce di rame e poi fissi fisicamente il LED e lo lasci asciugare per 24 ore, rimarrai con un buon giunto meccanico che è elettricamente conduttivo. La colla per smalto si restringe efficacemente e fissa i contatti led alle tracce di rame formando un buon collegamento meccanico. Deve essere bloccato per tutte le 24 ore. Successivamente, puoi testarlo per la conduttività. Se si accende, puoi aggiungere il secondo strato di colla. Per il secondo strato utilizzo un cemento a contatto trasparente come Welders o Goop. Questa colla più spessa circonda i componenti e si restringe anche quando si asciuga per assicurare in modo sicuro un buon collegamento solido alle tracce di rame. Attendi 24 ore che si asciughi prima di testare di nuovo. Essendo dubbioso su quanto tempo sarebbe durato, ho lasciato accesa la barra luminosa a LED blu nella foto 8 per sette giorni e sette notti. La resistenza del circuito in realtà è diminuita nel tempo. Mesi dopo, la barra si accende ancora completamente senza prove di una maggiore resistenza. Usando questo metodo, ho incollato con successo LED a montaggio superficiale molto piccoli - 0805 - di dimensioni e più grandi su una perfboard rivestita in rame. Questa tecnica mostra alcune promesse nella realizzazione di circuiti davvero piccoli, display a LED e robot.

Passaggio 4: infrangere le regole

Per creare robot davvero minuscoli, potresti dover infrangere molte delle regole sopra menzionate. Per realizzare Mr. Cube ho infranto le seguenti regole:1- Ho usato un unico alimentatore invece di uno per i motori e uno per il microcontrollore.2- Ho montato il microcontrollore Picaxe molto vicino ad un motore.3- Ho usato delle batterie che sono classificati per un basso assorbimento di corrente e li hanno fatti funzionare a correnti molto più elevate di quelle per cui sono stati progettati. Ciò limita gravemente la durata delle batterie.4- Ho stipato tutti i cavi in un miscuglio che può creare problemi di diafonia e rumore elettrico. Sono stato semplicemente fortunato a non farlo.5- Ho cablato il circuito sul robot senza prima effettuare il breadboard. Questo può rendere molto difficile il debug del circuito. Puoi scaricare il codice di programmazione Picaxe per Mr. Cube all'indirizzo: https://www.inklesspress.com/mr-cube.txt Se sei interessato a vedere alcuni degli altri robot che ho costruito, puoi andare su: https://www.inklesspress.com/robots.htm La foto 9 mostra Mr. Cube e Mr. Cube due, R-18, un robot da 1/3 di pollice cubo che ho iniziato a costruire. Dettagli sul passaggio 5.

Passaggio 5: Mr. Cube Two: creazione di un robot da 1/3 di pollice cubo

Dopo aver realizzato un robot da un pollice cubico che funzionava, ho dovuto provare qualcosa di più piccolo. Sto puntando a un robot di circa 1/3 di pollice cubo. A questo punto, Mr. Cube Two è di circa 0,56 "x 0,58" x,72". Ha un microcontrollore Picaxe 08 che gli permetterà di muoversi autonomamente. La foto 10 mostra il robot su un righello. La foto 11 mostra l'altro lato del robot su un quarto. Le due batterie sono batterie al litio cr1220 da 3 volt e resta da vedere se avranno una capacità sufficiente per alimentare il Picaxe e i motori. Potrebbero essere necessarie più batterie. È un lavoro in corso. Quindi per quanto i due motori cercapersone funzionano bene per spostare e girare il robot su superfici lisce. Il microcontrollore Picaxe è installato ed è stato programmato e testato. Ancora da aggiungere sono il controller del motore SOIC L293 e il sensore a riflettore a infrarossi. Al termine, questo sarà essere uno dei più piccoli robot autonomi in circolazione con sensori e un microcontrollore. Anche se questo è un robot minuscolo, ci sono robot amatoriali più piccoli programmabili? Sì, davvero. Vedi: Robot 1cc: https://diwww.epfl.ch/lami/ mirobots/smoovy.htmlPico Robot:

Secondo Premio al Concorso Robot Instructables e RoboGames

Primo Premio al Concorso del Libro The Instructables