Конструирование робота своими руками

Как собрать робота самостоятельно в домашних условиях: от простого к сложному

Роботы заменяют людей на производстве и в быту, трудятся в опасных условиях. Андроиды, напоминающие человека, работают, как правило, в качестве промоутеров, а промышленные машины настроены на точное выполнение функций. Их разработкой занимаются специалисты.

Домашних же мастеров интересует вопрос, как сделать робота из подручных средств. Оригинальные механизмы можно сконструировать самостоятельно и запрограммировать на реализацию несложных задач.

Робот, реагирующий на источник света

Для быстрого сбора механизмов используются предметы, которые можно найти дома. Это моторчики и батарейки из детских игрушек, проволока, солнечные аккумуляторы от старых калькуляторов, светодиоды. Дополнительно потребуются фиксаторы (клей, изолента), отвертка и другие инструменты из домашней мастерской.

Перед началом работы следует определить, какие функции возьмет на себя готовый механизм. За 15 минут можно собрать робота, который ищет источник света. При включении лампы он будет двигаться к ней, а при перемещении фонаря — следовать за потоком лучей.

Необходимые инструменты и детали

При сборке конструкции простого робота своими руками потребуются:

• основа – монтажная плата или плотный материал (картон);
• движущая сила – миниатюрные моторчики мощностью 3 или 5 В (из старой игрушки);
• колеса – крышки от пластиковых бутылок;
• датчики – фототранзисторы на 3 В;
• источник питания — 3 спаянные батарейки АА (пальчиковые);
• управляющие элементы – транзисторы 816Г (производство – Россия);
• монтажные приспособления – провода из витой пары.

Для проделывания отверстий на картоне потребуется шило, а фиксатором элементов послужит термопластичный клей (из термопистолета). Для работы также понадобится паяльник и жесткая проволока, которую заменит разогнутая скрепка.

Процесс сборки

Готовые детали следует разложить на рабочем столе и включить паяльник. Первоначально собирают плату, для чего подготавливают текстолитовую или картонную основу со сторонами от 4 до 5 см. На ней должна уместиться схема, батарейки, двигатели и крепеж переднего колеса.

Первоначально запаивают датчики с учетом полярности подсоединения фотодиодов и фототранзисторов. Их размещают по углам платы с одного края, располагая так, чтобы они смотрели в разные стороны. Это передняя часть робота, его «глаза».

Поодаль от переднего края фиксируют транзисторы, запаивая их так, чтобы маркировка располагалась на стороне правого колеса.

К 3 соединенным батарейкам подпаивают провода и определяют на плате 2 точки их схождения (плюс и минус). Удобно продеть в края платы витую пару, запаять концы к транзисторам и датчикам, вывести петлю и к ней подпаять батарейки.

Двигатели устанавливают в конце шасси с противоположной стороны платы. Управляющий моторчик крепят напротив управляемой системы. Это необходимо, чтобы робот поворачивался на свет.

Сборку электрики начинают от отрицательного полюса батарейки к положительному контакту по всей схеме. Взяв часть витой пары, припаивают отрицательный контакт датчиков к минусу батарей, и в это же место добавляют коллекторы транзисторов.

Второй фотоэлемент припаивают небольшим куском провода к транзисторной базе. Остальные ножки присоединяют к моторчикам. Для проверки правильности сборки используют тестер полярности напряжения.

После сборки проводят тестирование. Для этого включают схему и подносят ее к источнику света, поворачивая сначала одним, затем другим чувствительным элементом.

Когда все сделано правильно, двигатели на плате вращаются, меняя скорость в зависимости от степени освещения.

Если устройство не работает, проверяют правильность подключения контактов. В схеме каждый из датчиков отвечает за работу колес — правый за левое, и наоборот. Если это не так, корректируют полярность включения моторов.

Далее осуществляют сборку устройства. Первым делом изготавливают боковые колеса, склеив крышки между собой полой частью внутрь. Для их фиксации просверливают небольшые отверстия, используя миниатюрную дрель с насадками. В колесо продевают проволоку (бывшую скрепку) и закрепляют ее концы между фотодатчиками на плате.

На последнем этапе проверяют работу механизма, используя источники освещения разной интенсивности. Колеса робота должны ехать вперед. Если система работает, зафиксированные на плате моторчики и батарейки закрепляют термоклеем.

После приступают к изучению возможностей робота и расширению его функционала. Например, ставят задачу, чтобы он ездил по заданной траектории.

Робот, различающий препятствия

Перед сборкой интеллектуального устройства обдумывают его внешний вид и принцип передвижения. Оптимальный вариант – использование гусеничной цепи (как в танке).

Такими роботами легче управлять, и они способны передвигаться по любому типу поверхности. Снять гусеницы, моторчик и редуктор можно с игрушечного танка.

Инструменты и запчасти

Перед созданием робота следует подготовить:

• микроконтроллер (ATmega 16 в корпусе Dip-40);
• керамические конденсаторы 0,1 мкФ, 1 мкФ, 22 пФ;
• резисторы на 25 Вт номиналом 10 кОм (1 единицу) и 220 Ом (4 штуки);
• диод 1N4004;
• L7805 в корпусе ТО-220;
• паяльник;
• инфракрасные диоды (2 шт.);
• фототранзисторы, способные реагировать на длину ик-лучей;
• резонатор кварцевый на 16 МГц;
• мультиметр;
• радиодетали;
• гусеницы и мотор от игрушечного экскаватора, танка.

Работа с платой

Для обеспечения питания микроконтроллера подбирают стабилизатор напряжения. Оптимальный выбор – микросхема L7805, дающая на выходе стабильные 5 В. Дополнением к ней идут конденсаторы для сглаживания напряжения и диоды, защищающие от переполюсовки.

Далее осматривают корпус контроллера MK-Dip и выделяют в нем узлы:

• вывод Reset, подтянутый резистором к «плюсу» источника питания;
• электролит на 1000 мкФ для защиты от скачков напряжения;
• кварцевый резонатор и конденсаторы, которые нужно располагать вблизи от выводов Xtal1 и Xtal2.

Управление двигателями

В приспособлении используется микросхема L293D со встроенными диодами, которые защищают систему от перегрузки. Она имеет 2 канала, что позволяет подключить сразу 2 двигателя. Моторчики на плате запрещено присоединять напрямую к МК. Контакт обеспечивается с помощью ключевых транзисторов.

Во время работы возможен нагрев микроэлектронного устройства. Для отведения тепла предусмотрены ножки GND, которые следует распаивать на контактной площадке.

Установка датчиков препятствий

Ориентирование робота в пространстве обеспечивает простой инфракрасный датчик. Он состоит из диода, способного излучать в инфракрасном диапазоне, и фототранзистора для приема лучей. В отсутствии преграды перед механизмом транзистор закрыт.

При его приближении к мебели, стене, элементы улавливают тепло. Транзистор открывается, что активирует течение тока по цепи и побуждает устройство изменять траекторию движения.

Датчики устанавливают на передней части платы, подключая их с помощью проводов к основной схеме. По бокам от основы располагают гусеничный механизм.

Прошивка робота

Для работы устройства требуется программа, которая позволит снимать показания с датчиков и управлять двигателями. Простым роботам ее пишут с использованием языка программирования Си. Он представляет собой набор функций, вызывающих друг друга для дополнения.

Прописывая команды, следует учесть, что по инструкции у робота 2 датчика. Если на 1 из фототранзисторов поступает свет от инфракрасного диода, механизм начинает движение назад, отъезжая от препятствия. Он разворачивается и снова едет вперед.

Наличие преград следует проверять справа и слева, что прописывается с помощью команд. Алгоритм работы можно усовершенствовать, задав командную строку, что делать при возникновении угрозы прямого столкновения.

Улучшить готовый механизм позволит энкодер, который распознает положение робота в пространстве. Для информативности в дальнейшем устанавливается дисплей, на котором будет отображаться отладочная информация, расстояние до препятствий и другие нужные сведения.

Роботы для детей

Робототехника позволяет школьникам развивать творческие навыки и знакомить с техническими терминами. Освоив принципы конструирования lego-роботов (как правило, в школах робототехники используют для обучения lego-платформы), дети учатся разбираться в новых технологиях и осваивают азы востребованной профессии.

Ребятам будет интересно самостоятельно построить или поучаствовать в сборке:

• механических насекомых, которые передвигаются, светятся в темноте;
• квадропода (4-хногого шагохода) по специальным чертежам;
• умных робоживотных, которые могут передвигаться по заданной траектории;
• робота-колобка для накопления солнечной энергии;
• настоящей роботизированной руки для игры на барабане и других манипуляций.

Полезные роботизированные устройства для начинающих

Первые шаги в робототехнике можно начать:

• со знакомства с наборами для конструирования и программирования Lego BOOST (7-12 лет) и Lego EV3 (с 10 лет);
• с конструирования вибророботов, предназначенных для детских игр;
• с занятий с использованием электронных конструкторов «Знаток»;
• со сборки простых конструкторов для начинающих на основе Arduino;
• с конструирования моделей, представленных обучающими конструкторами Engino.

Необходимые навыки

Для изготовления роботов новичкам потребуются следующие навыки:

• умение конструировать, создавать механизмы;
• знание того, как обеспечивается взаимодействие маленьких помощников с внешней средой;
• изучение темы, так как сделать шагающего робота своими руками – задача не из легких;
• начальное представление о программировании – переменных, алгоритмах, современных языках.

Познакомившись с азами программирования, можно переходить к созданию самодельных роботов-пылесосов, мойщиков бассейнов и окон в доме. Применение роботам можно найти и в других сферах жизни.

Источник

Шаг 9. Изготовление робота. Создание основания или каркаса робота.

Изготовление робота

Теперь, вы выбрали все основные компоненты для сборки робота. Изготовление робота начинается со следующего шага — необходимо спроектировать и построить основание или каркас. Каркас держит их всех вместе и придает вашему роботу законченный вид и форму.

сборка робота

Создание каркаса

Нет никакого «идеального» способа создания каркаса. Почти всегда требуется компромисс. Возможно, вам нужен легкий каркас. Но может потребоваться использование дорогостоящих материалов или слишком хрупких материалов.

Вы можете захотеть сделать надежное или большое шасси. Хоты вы понимаете, что это будет дорого, тяжело или сложно в производстве. Ваш «идеальный» каркас или рама может быть очень сложным.Изготовление каркаса робота может потребовать слишком много времени для разработки и создания.

При этом простой каркас может быть не менее хорошим. Идеальная форма встречается редко, но некоторые проекты могут выглядеть более элегантно из-за своей простоты. Возможно другие проекты могут привлечь внимание из-за их сложности.

Материалы

Существует много материалов, которые вы можете использовать для создания основания. Вы используете все множество материалов для создания не только роботов, но и других устройств. Следовательно вы получите хорошее представление о том, что наиболее подходит для данного проекта.

Список предлагаемых строительных материалов, приведенных ниже включает только наиболее распространенные. Как только вы используете некоторые из них, вы сможете поэкспериментировать с теми, которые не входят в список, или объединить их вместе.

Использовать существующие коммерческие продукты

Вероятно, вы видели школьные проекты, которые были основаны на существующих массовых продуктах. В первую очередь таких как бутылки, картонные коробки и т.д. Это, по сути, «повторное использование» продукта.

Оно может либо сэкономить вам много времени и денег. Хотя и может создать дополнительные хлопоты и головную боль. Есть много очень хороших примеров того, как перепрофилировать материалы и сделать из них очень хорошего робота.

Основной строительный материал

Например, изготовление робота из картона. Некоторые из самых основных строительных материалов могут быть использованы для создания отличных каркасов. Одним из самых дешевых и наиболее доступных материалов является картон. Вы часто можете найти картон бесплатно, и его можно легко вырезать, согнуть, склеить и сложить.

робот из картона

Может быть вы можете создать усиленную картонную коробку, которая выглядит намного более красиво. И она соответствует размеру вашего робота. Затем вы можете нанести эпоксидную смолу или клей, чтобы сделать ее более долговечной. В заключение дополнительно можно разукрасить ее.

Плоский материал для конструкции

Один из наиболее распространенных способов сделать раму – это использовать стандартные материалы, такие как лист фанеры, пластика или металла. И просверлить отверстия для подключения всех исполнительных механизмов и электроники. Прочный кусок фанеры может быть довольно толстым и тяжелы. В то самое время как тонкий лист металла может быть слишком гибким.

Например, доску или фанеру из плотной древесины можно легко разрезать с помощью пилы, просверлить (не опасаясь разрушения), покрасить, отшлифовать и т.д. Следовательно вы можете устанавливать устройства с двух сторон. Например, подключить двигатели и колесики колес к нижней части, а электронику и аккумулятор к верхней части. При этом древесина останется неподвижной и твердой.

Лазерная резка, изогнутый пластик или металл

Если вы находитесь на том этапе, когда вам необходим внешний блок, то лучшим вариантом будет высокоточная резка деталей лазером. Любая ошибка в расчетах будет дорогостоящей и приведет к порче материалов. Для изготовления робота нужна собственная мастерская. Возможно нужно найти компанию, производящую такой тип роботов. Может быть она предлагает множество других услуг, включая работы с металлом и покраску.

3D-печать

3D принтер, печатающий раму или каркас, редко бывает наиболее обоснованным решением (потому что он печатает послойно). В результате этого процесса можно создавать очень сложные формы. Такие формы было бы невозможно (или очень сложно) изготовить другими способами.

3D принтер

Отдельная трехмерная печатная деталь может содержать все необходимые монтажные точки для всех электрических и механических компонентов. При этом способе изготовления каркаса сохраняется незначительный вес изделия. Изготовление робота потребует дополнительной обработки и шлифовки.

Поскольку 3D-печать становится более популярной, цена на детали также снижается. Дополнительно преимуществом 3D-печати является не только то, что ваш дизайн легко воспроизводить, но и им легко делиться. При помощи нескольких кликов мышки можно получить все инструкции по дизайну и файлы САПР.

Полиморф

При комнатной температуре полиморф является твердым пластиком. При нагревании (например, в горячей воде) он становится податливым и может быть сформирован в сложные детали. Затем они охлаждаются и затвердевают в прочные пластмассовые детали.

робот из полиформа

Обычно пластиковые детали требуют высоких температур и необходимы различные формы для изготовления. Изготовление робота таким способом делает их недоступными для большинства любителей. Например, вы можете комбинировать различные формы (цилиндры, плоские листы и т.д.).

Так формируются сложные пластмассовые структуры, которые выглядят как сделанные промышленным способом. Вы также можете экспериментировать с различными формами и достичь с помощью этого материала многого.

Изготовление робота

Конструирование и изготовление робота нужно производить с учетом выбранных материалов и методов. Выполните следующие шаги, чтобы создать эстетичную, простую и структурно обоснованную раму робота меньшего размера.

Сборка компонентов робота, из приведенного выше списка заслуживает отдельного рассмотрения.

Сборка компонентов робота

На предыдущих уроках вы выбрали электрические компоненты и исполнительные механизмы. Теперь вам нужно, чтобы они все работали вместе. Как всегда, техническое описание и руководства — это ваши друзья, когда вы понимаете, как должно работать ваше роботизированное оборудование.

Подключение двигателей к контроллерам двигателей

Электродвигатель постоянного тока или линейный привод постоянного тока, скорее всего, имеют два провода: красный и черный. Подключите красный провод к клемме M + на контроллере двигателя постоянного тока, а черный — к M-.

Реверсирование проводов приведет только к вращению двигателя в противоположном направлении. У сервомотора, есть три провода: один черный (GND), красный (от 4,8 до 6 В) и желтый (сигнал положения). Контроллер серводвигателя имеет контакты, соответствующие этим проводам, поэтому сервопривод может быть подключен непосредственно к нему.

Подключение аккумуляторов к контроллеру двигателя или к микроконтроллеру

Изготовление робота включает в себя подключение электропитания. Большинство контроллеров моторов имеют две винтовые клеммы для проводов батареи, обозначенных как B + и B-. Если ваша батарея поставляется с разъемом, а ваш контроллер использует винтовые клеммы, вы можете найти разъем для соединения с проводами.

Провода вы можете подключить к винтовому соединению. Хотя вам может потребоваться найти другой способ подключения аккумулятора к контроллеру двигателя.Возможно, что не все электромеханические устройства, которые вы выбрали для своего робота, могут работать при одинаковом напряжении.

Следовательно, могут потребоваться несколько цепей управления батареями или напряжением. Ниже приведены обычные уровни напряжения, используемые в общих компонентах роботизированных платформ:

• электродвигатели постоянного тока — от 3 до 24 В
• стандартные серводвигатели — от 4,8 В до 6 В
• специальные сервомоторы — от 7,4 до 12 В
• шаговые двигатели — от 6 до 12 В
• микроконтроллеры обычно включают регуляторы напряжения — от 3 до 12 В
• датчики — 3,3 В, 5 В и 12 В
• контроллеры постоянного тока — от 3 до 48 В
• стандартные батареи: 3.7V, 4.8V, 6V, 7.4V, 9V, 11.1V и 12V.

Если вы создаёте робота с двигателями постоянного тока, микроконтроллером и, возможно, сервомеханизмом или двумя, то можно легко понять, что одна батарея не может напрямую управлять всем. Прежде всего, мы рекомендуем выбрать батарею, к которой можно напрямую подключать как можно больше устройств.

Батарея с наибольшей емкостью должна быть связана с приводными двигателями. Например, если выбранные вами двигатели рассчитаны на номинальное напряжение 12 В, то ваша основная батарея также должна быть 12 В. Дополнительно вы можете использовать регулятор для питания микроконтроллера на 5 В.

Техника безопасности при работе с аккумуляторами

Внимание: аккумуляторные батареи являются мощными устройствами и могут легко сжечь ваши цепи, если они подключены неправильно. Прежде всегда тройная проверка правильной полярности и возможности работы устройства с энергией, обеспечиваемой батареей.

Если вы не уверены, не «догадывайтесь». Электричество намного быстрее, чем вы, и к тому времени, когда вы поймете, что что-то не так, волшебный синий дым уже пойдет от вашего устройства.

говорящий робот

Подключение контроллеров двигателя к микроконтроллеру

Микроконтроллер может взаимодействовать с контроллерами двигателя различными способами:

1. Стандартный: контроллер имеет два контакта с маркировкой Rx (прием) и Tx (передача). Подключите контакт Rx контроллера двигателя к выходу Tx микроконтроллера и наоборот.
2. I2C: контроллер двигателя будет иметь четыре контакта: SDA, SCL, V, GND. Ваш микроконтроллер будет иметь те же четыре контакта, но не обязательно помеченные. Просто подключите их один к одному.
3. PWM (Pulse-width modulation): контроллер двигателя будет иметь как вход ШИМ, так и цифровой вход для каждого двигателя. Подключите входной контакт PWM контроллера двигателя к выходному контакту ШИМ на микроконтроллере. Соедините каждый цифровой входной контакт контроллера двигателя с цифровым выходным выводом на микроконтроллере.
4. R / C: Чтобы подключить микроконтроллер к контроллеру двигателя R / C, вам необходимо подключить сигнальный контакт к цифровому выходу на микроконтроллере.

Независимо от способа связи логика контроллера двигателя и микроконтроллер должны совместно использовать один и тот же опорный сигнал заземления. Это достигается путем соединения контактов GND (земля) вместе.

В первую очередь нужно соединить контакты одного и того же логического высокого уровня. Этого можно добиться, используя тот же вывод V+ для питания оба устройства. Переключатель логического уровня требуется, если устройства не используют одни и те же логические уровни (например, 3.3V и 5V)

Подключение датчиков к микроконтроллеру

При изготовлении робота обязательно используются сенсорные устройстве -в первую очередь датчики. Датчики могут быть сопряжены с микроконтроллерами аналогично контроллерам двигателя. Датчики (сенсоры) могут использовать следующие типы связи:

1. Цифровой: датчик имеет цифровой вывод сигнала, который подключается непосредственно к цифровому выходу микроконтроллера. Простой переключатель можно рассматривать как цифровой датчик.
2. Аналоговый: аналоговые датчики производят аналоговый сигнал напряжения, который должен считываться аналоговым выводом. Если ваш микроконтроллер не имеет аналоговых контактов, вам понадобится отдельная аналого-цифровая схема (АЦП). Кроме того, некоторые датчики с требуемой схемой питания обычно имеют три контакта: V+, GND и Signal. Например, если датчик представляет собой простой переменный резистор, вам потребуется создать делитель напряжения для считывания полученного переменного напряжения.
3. Стандартный или I2C: здесь применяются те же принципы связи, которые описаны для контроллеров двигателей.

Устройство связи с микроконтроллером

Большинство коммуникационных устройств (например, XBee, Bluetooth) используют последовательную связь. Следовательно требуются те же соединения RX, TX, GND и V+. Важно отметить, что, хотя несколько последовательных подключений могут использоваться совместно на одних и тех же выводах RX и TX, для предотвращения перекрестных помех, ошибок и сбоев в целом требуется надежное управление.

Если у вас очень мало последовательных устройств, часто бывает проще использовать один последовательный порт для каждого из них.

Колеса для двигателей

В идеале, вы выбрали колеса или звездочки, которые предназначены для установки на вал вашего электродвигателя. Возможно, вам придется подгонять отверстия для соединения двигателей, рулевого управления и различных проводов в одну конструкцию.

Электрические компоненты для рамы

При изготовлении робота вы можете смонтировать электронные компоненты на раме робота при помощи множества методов. Прежде всего убедитесь в том, что ваши крепления надежны. Основные методы креплений включают в себя: винты, гайки, двухсторонний скотч, липучки, клей, стяжки и т. д.

Практическая часть

В нашем случае мы будем использовать набор Lego EV3 и для создания каркаса робота нам потребуются только стандартные детали, которые уже входят в состав набора. Изготовление робота на основе набора Лего является прежде всего относительно несложным и достаточно быстрым.

Механические детали набора 45544

Источник