Набор для 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

Обзор железок для занятий робототехникой с детьми

UPD: к нижеприведенному материалу поступило множество дельных замечаний, поэтому он был полностью переработан: habrahabr.ru/company/makeitlab/blog/252015

Сейчас мы готовим новую площадку для детских занятий. В процессе подготовки стал вопрос выбора платформы, на которой будем обучать. По такому случаю мы подготовили обзор имеющихся платформ с обоснованием выбора. Документ, вроде, интересный получился, решил его здесь опубликовать. Некоторые вещи изложены сильно упрощенно, поскольку текст предназначен не только для хардкорных технарей.

Самый распространенный детский конструктор роботов и самый распространенный конструктор вообще. В России >80% детей занимаются на Лего. Имеет следующие достоинства:

1. Большая методическая база на русском языке;
2. От преподавателя требуется не очень высокая квалификация;
3. Конструктор очень прочный, детям редко удается что-то сломать.

Недостатки:

1. Изначально это все-таки детский конструктор, для серьезных задач не предназначенный;
2. Конструктор закрытый, ни с чем не совместим, производитель искусственно создает препятствия к тому, чтобы можно было цеплять к нему компоненты других конструкторов и разрабатывать собственные компоненты;
3. Программировать можно либо в визуальных средах программирования, либо на С++.

По нашему опыту Лего хорош для детей до 7 класса, тем, кто постарше, лучше что-то другое.

Fishertechnic

http://habrahabr.ru/company/neuronspace/blog/243929/
В целом повторяет идеологию Lego. По сравнению с ним имеет ряд интересных дополнительных элементов: пневмоприводы, хемотроника, ионисторы, электрохимические суперконденсаторы и др. Есть специальные комплекты, моделирующие разного рода производство. Если Лего — это общеразвивающая игрушка, то fischertechnik больше инженерно развивающая, однако по прежнему игрушка.

Есть и другие конструкторы, основной смысл которых — демонстрировать детям какие-то отдельные интересные инженерные элементы. Они имеют достаточно узкое применение, мы их особо не изучали.
Стоимость Fishertechnic примерно соответствует стоимости Лего.

Arduino

Arduino — самая распространенная платформа для взрослой робототехники и электроники, вторая по распространённости среди детей. Разработка полностью открытая, у нее есть множество ответвлений.

Можно выделить три направления работы детей с Ардуино:

1. Сборка электрических схем. Соответствующие комплекты поставляет Амперка: wiki.amperka.ru;
2. Сборка и программирование простейших машинок, типа такой: amperka.ru/product/turtle-chassis. В основном эти машинки занимаются тем, что ездят по нарисованной линии (лайнфоловеры);
3. Сборка более сложных механизмов из конструкторов. (Конструкторы для ардуино — это отдельная большая тема, на ней мы остановимся ниже.)

Достоинства Ардуино:

1. Открытость и совместимость со всем на свете;
2. Универсальность: и шестиклассники на нем могут заниматься, и взрослые выполнять серьезные проекты;
3. Сравнительно низкая цена.

Недостатки:

1. Сравнительная ломкость (это открытая электронная плата с небольшим уровнем защиты от неправильных подключений);
2. Программировать можно либо в визуальных средах программирования, либо на С++. Не поддерживаются параллельные процессы, обработка изображений и прочее.

Raspberry Pi и аналоги

Raspberry Pi — это компьютер под управлением операционной системы Linux, имеющий размеры баковской карты. На нем можно запускать те же программы, делать те же вычисления, что и на настольном компьютере (есть видеовыходы, аудиовыходы, USB). Малые размеры вкупе с низким энергопотреблением позволяют устанавливать его на подвижных роботов.

Raspberry поддерживает язык программирования Python. Это наиболее перспективный учебный язык программирования. На западе учебные заведения постепенно переводят на него свои учебные программы. Поддержка этого языка, по нашему мнению, является главным достоинством Raspberry.

Преимущества Raspberry перед Ардуино описаны выше. Недостатки следующие:

1. По сравнению с Ардуино, Raspberry имеет примерно в два раза более высокую стоимость;
2. Подключать внешние устройства (датчики, моторчики) к ней существенно сложнее, если не использовать специальные модули расширения.

Raspberry имеет множество аналогов, среди них Raspberry самая дешевая и распространенная. Последняя версия Raspberry по своим характеристикам ничем особо не уступает аналогам, поэтому мы работаем с ней.

Наиболее перспективным направлением сейчас является совмещение Raspberry и Ардуино. Существуют следующие варианты:

1. Интегрирование разъемов арудино в плату, аналогичную Raspberry (например). Таким образом, Raspberry лишается своего недостатка неудобства подключения внешних устройств;
2. Подключение к оригинальной Raspberry специального переходника с разъемами ардуино (например). Это дает те же преимущества, что и в предыдущем пункте, плюс к этому появляется дополнительная гибкость: можно отцепить этот переходник и использовать оригинальные разъемы Raspberry (редко, но с ними тоже бывает удобнее). Кроме того, если одна плата сгорит, это не помешает продолжить использовать другую;
3. Интегрирование в одну плату процессора Raspberry, процессора и разъемов Ардуино (http://www.udoo.org/). Помимо преимуществ из предыдущих пунктов такая схема дает преимущества двухпроцессорной схемы, некоторые вещи на ней делать гораздо удобнее;
4. Специальная плата Ардуино, имеющая разъем для подключения к Raspberry (поскольку оба проекта открыты, они прекрасно взаимодействуют друг с другом). Помимо преимуществ предыдущего пункта это дает гибкость.

Стоимость первого варианта за западе — около 50$, второй вариант — 75$; третий — 100$; четвертый — 60$. (Чтобы получить стоимость в России эти цены нужно умножить примерно на 2.) При этом последний вариант предоставляет наибольшие возможности и гибкость.

Например, может быть реализован следующий сценарий использования: сначала, когда ребенок только начинает заниматься робототехникой, он работает с Ардуино в графической среде программирования; далее, когда он вырастает из графической среды, подключаем к ардуине Raspberry, и ребенок начинает программировать на Python, использовать различные дополнительные возможности. Если дорогая Raspberry недоступна, ребенок может программировать имеющуюся ардуину на С++.

Механические конструкторы для Arduino и Raspberri

Наиболее известный — это Huna Тор:
По сути, это старый советский металлический конструктор на винтах (к слову у него помимо ардуины есть и собственный контроллер). Похожий на него конструктор предлагает Трик: blog.trikset.com/p/blog-page_6355.html

На наш взгляд, наиболее перспективным является недавно появившийся конструктор Multiplo. В отличии от других конструкторов у него основные детали не металлические, а вырезаны из трехмиллиметрового пластика. Благодаря этому их можно вырезать самостоятельно на специальном станке (тем более, что 3Д-модели деталей выложены в открытый доступ, проект опенсорсный). Если специальный станок недоступен, детали можно вырезать руками с помощью лобзика и дрели.
Помимо винтов в Multiplo широко используются пластиковые заклепки, благодаря этому собирать конструктор гораздо интереснее и быстрее.

Стоимость Huna с Ардуино на борту примерно соответствует стоимости Лего. Стоимость Multiplo с Ардуино на борту примерно в полтора раза ниже.

Преимущества конструкторов на винтах перед Лего:

1. У детей развивается мелкая моторика;
2. Нигде на производстве не используются крепления как в Лего, везде крепеж на винтах.

Недостатком является то, что на винтах сборка конструктора идет несколько медленнее и менее интересно.

Заключение

Мы остановились на варианте arduino + Raspberry Pi + конструктор Multiplo.

До седьмого класса нужно что-то другое, этот вопрос мы пока мало изучали.

Если стоит задача привить интерес к каким-то узким отраслям промышленности, то нужен Fishertechnic или аналог.

Если стоит задача научить детей самих нарезать и печатать детали, то за основу лучше брать Multiplo.

Источник