Animatronics Basics - o servo motor: 8 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Quer seja uma exibição alegre de feriado na vitrine de uma loja de departamentos ou uma brincadeira de Halloween assustadora, nada atrai a atenção como um boneco animado.

Essas animações controladas eletronicamente são às vezes chamadas de "animatrônicas" e este instrutível irá ensiná-lo a fazer o tipo mais básico, controlado por um único servo motor.

Usaremos o microcontrolador Arduino como o cérebro e veremos como um potenciômetro e um servo funcionam internamente, e também ensinaremos como construir três métodos de controle diferentes:

1 - Movimento de repetição contínua

2 - Movimento controlado remotamente

3 - Movimento disparado (usando um sensor de luz)

Etapa 1: Lista de peças

Você precisará de um microcontrolador (mostrado na primeira imagem é o Arduino de https://adafru.it junto com seu kit de peças de orçamento para um total de $ 30) e um servo motor (uma versão pequena em torre é mostrada na segunda imagem junto com algumas peças de conector, da mesma loja por US $ 12). Você também precisará de um pequeno capacitor ou uma fonte de tensão mais potente se estiver operando vários servo motores (um carregador de parede de 9 V para Arduino funcionará)

Um microcontrolador é um computador PC inteiro em um único chip. Obviamente, não é tão poderoso quanto o seu computador doméstico, ele tem pouca RAM, nenhuma unidade de disco, nenhum teclado ou mouse, mas é realmente ótimo para controlar coisas (daí o nome). Você encontrará um desses chips dentro de muitos itens do dia-a-dia, como máquinas de lavar e computadores com injetores de combustível automotivos.

A marca "Arduino" de microcontroladores também adiciona alguns outros circuitos que o conectam ao mundo externo e os coloca em uma placa conveniente.

Observe que no "kit de peças de orçamento" existem alguns fios, resistores, luzes de LED e um par de botões azuis, chamados de potenciômetros. Mais sobre os potenciômetros na próxima etapa.

Finalmente, você precisará de um servo motor, e ele vem com alguns conectores de rosca para prendê-lo ao seu boneco em movimento. Estaremos usando o conector em forma de X nesta lição.

Etapa 2: Revisão do potenciômetro

Um potenciômetro é essencialmente um botão dimmer - ou na terminologia eletrônica - um par de resistores variáveis. Girando o botão, você torna um resistor maior e o outro menor.

Na maioria das vezes, usamos um potenciômetro (às vezes chamado de "potenciômetro") para controlar uma tensão usando o diagrama de circuito mostrado acima.

A imagem mais à esquerda mostra o potenciômetro real, com os fios superior e inferior conectados à tensão +5 e Terra, e o fio do meio produzindo a tensão desejada. O diagrama do meio mostra o símbolo de um potenciômetro e o último diagrama mostra o circuito equivalente.

As imagens são cortesia de Wikimedia.org

Etapa 3: Revisão do Servo Motor

Um servo motor tem quatro partes principais.

1. Um motor que pode girar para frente e para trás, geralmente em alta velocidade e torque.

2. Um sistema de detecção de posição, que pode dizer em qual ângulo o servo motor está atualmente

3. Um sistema de engrenagens que pode fazer várias voltas de um motor e transformá-lo em um pequeno movimento angular.

4. Um circuito de controle que pode corrigir o erro entre o ângulo real e o ângulo do ponto de ajuste desejado.

As partes 1 e 2 são mostradas na primeira imagem. Observe que a parte 2 é um potenciômetro.

A parte 3 é mostrada na segunda imagem.

A parte 4 é mostrada na terceira imagem.

Etapa 4: movimento repetitivo

Aqui, vamos fazer a cabeça do nosso boneco "Bender" virar para a esquerda e para a direita, para a frente e para trás, desde que a alimentação esteja conectada ao cabo USB. Isso é ótimo para uma exibição divertida de férias que você deseja manter em movimento o dia todo.

O Arduino vem com um Ambiente de Desenvolvimento Integrado (IDE), que é uma maneira elegante de dizer que vem com um aplicativo para o seu PC que permite fornecer instruções (o ícone do IDE do Arduino é uma figura 8 lateral). Essas instruções permanecem armazenadas na placa mesmo se você desconectar o PC e começarão a funcionar novamente quando você reconectar a alimentação ao Arduino. Neste caso, estaremos usando o software chamado "Sweep" que você pode encontrar nos exemplos de IDE na categoria "Servo".

Em seguida, você conectará o servo a um capacitor estabilizado de 5 volts (fio servo vermelho ao Arduino +5, fio servo marrom ao GND do Arduino) e ao sinal de controle (fio servo amarelo ao pino de saída 9 do Arduino). A cabeça do fantoche é opcional;-)

DETALHES:

Se o que foi dito acima foi um pouco confuso, as instruções detalhadas são as seguintes:

Etapa A - Programando o Arduino

• Abra o IDE do Arduino (deve ser um ícone em forma de 8 em sua área de trabalho)
• Em "Ferramentas", certifique-se de que "Placa" esteja definida como "Arduino / Genuino Uno".
• Conecte o hardware Arduino ao computador usando o cabo USB
• Certifique-se de que a configuração “Porta” em “Ferramentas” também esteja configurada para o Arduino.
• Em “Arquivos” selecione o “Exemplo” chamado “Varredura” (você pode encontrá-lo em “Servos”)
• Antes de usar ou editar este arquivo, “Salvar como” um nome de arquivo diferente (pode ser o seu nome ou o que você escolher). Isso manterá o arquivo inalterado para o próximo aluno que usar este computador.
• Use o botão de seta (ou em "Sketch" selecione "Upload") para fazer o upload do esboço de varredura para o Arduino

Etapa B - Conectando o servo motor para varredura

Nesta parte, estaremos construindo variações dos circuitos descritos em https://learn.adafruit.com/adafruit-arduino-lesso … Iremos conectar os fios Vermelho e Marrom do Servo a +5 e GND do Ardiuno, respectivamente. Também colocaremos um capacitor de achatamento de tensão nessa tensão e, finalmente, conectaremos o fio amarelo do servo ao pino de saída 9 do Arduino.

• Desconecte o Arduino da porta USB ao construir o circuito.
• Estaremos usando o 5V e o aterramento da placa Arduino, então traga-os para sua placa de ensaio usando os fios vermelho e verde, respectivamente.
• Como a alimentação pode ser um pouco instável na porta USB (não há muita corrente, e o servo motor pode fazer com que a placa Arduino seja reiniciada devido à baixa corrente), colocaremos um capacitor nesta tensão, certificando-se de que o fio identificado como "menos - “Fica no lado do solo.
• Agora conecte os fios vermelho (+5) e marrom (terra) do Servo à placa de ensaio.
• A conexão elétrica final é a do sinal de controle. O programa SWEEP usará o pino nº 9 do Arduino para enviar o sinal de controle, portanto, conecte-o ao fio amarelo (controle) do servo motor.
• OPCIONAL - Você pode colocar um Animatronic Head de sua escolha e sua base no topo do servo motor antes de testá-lo. Por favor, seja gentil, pois o ajuste não é perfeito e as peças de plástico quebram.
• Você deve ser capaz de aplicar a alimentação USB ao Arduino e o programa SWEEP deve ser executado, fazendo com que o servo motor varra para frente e para trás.

Etapa C - Modificando o programa SWEEP

• Antes de usar ou editar este arquivo, “Salvar como” um nome de arquivo diferente (pode ser o seu nome ou o que você escolher). Você provavelmente já fez isso na etapa A. Para cada uma das partes abaixo, registre suas observações, bem como todas as alterações feitas no código.
• Usando um cronômetro, meça quanto tempo leva para varrer todo o caminho e voltar _
• Você fará alterações no software (às vezes chamado de "código" ou "esboço")
• Altere os valores de “Atraso” de 15 para outro número maior (escolha um múltiplo redondo de 15 para facilitar os cálculos). Qual valor você usou? _. Qual você acha que será o novo tempo de SWEEP? _. Meça o novo tempo de SWEEP e anote quaisquer discrepâncias _.
• Altere os atrasos de volta para 15 e agora altere os ângulos de posição de 180 para simplesmente 90 (ambos os valores). Qual é a nova amplitude de movimento do servo motor (90 graus, ou mais ou menos?) _.
• Deixando a amplitude de movimento para 90 graus, diminua o “Delay” para um número menor que 15. Quão pequeno de um número você pode chegar antes que o servo comece a se comportar erraticamente ou não complete toda a amplitude de movimento? _

Depois de concluir essas etapas, você terá todas as medições e prática de que precisa para estar pronto para usar seu servo motor para controlar uma variedade de movimentos animatrônicos repetitivos para frente e para trás, em qualquer lugar de um pequeno ângulo até 180 graus, e também em uma ampla variedade de velocidades que você controla.

Etapa 5: movimento controlado remotamente

Em vez de repetir o mesmo movimento continuamente ao longo do dia, nesta etapa iremos controlar remotamente a posição de nosso boneco animatrônico "C3PO" para olhar para a esquerda e para a direita e qualquer posição intermediária. Como um ser humano está fazendo o controle, chamamos isso de controle de "circuito aberto".

Com o controle de malha aberta, você controla a posição exata do servo motor. Precisaremos de um botão para você girar e usaremos o potenciômetro azul para isso.

• Precisaremos de outro local na placa de ensaio que tenha +5 e 0 (terra) volts. Execute esses fios de jumper para separar as fileiras na placa de ensaio e faça-os uma fileira à parte, para alinhar com os pinos externos do potenciômetro que adicionaremos em um momento.
• Agora adicione o potenciômetro. Antes de empurrar os pinos do potenciômetro na placa de ensaio, certifique-se de que todos os três estão alinhados com os orifícios corretos e, em seguida, empurre os pinos para baixo para que não dobrem. O pino central do potenciômetro será conectado à entrada analógica zero (A0) no Arduino. Um fio adicional é adicionado para fazer isso.
• Para ler a tensão do potenciômetro, e usá-la para controlar o servo motor, usaremos o software “KNOB”, também encontrado em Arquivo -> Exemplos -> Servo. Execute o programa, gire o botão e registre o que você observar.

Naturalmente, você poderia passar alguns fios muito longos para que o botão de controle ficasse em uma sala diferente do boneco animatrônico, ou você poderia estar apenas a uma curta distância (fora da tomada da câmera se você estiver fazendo um filme, por exemplo).

Etapa 6: movimento disparado (usando um sensor)

Às vezes, você quer que seu fantoche se mova de repente - especialmente para pegadinhas assustadoras de Halloween ou para atrair ainda mais atenção. Nesta etapa, iremos reconfigurar nosso boneco "Easter Island Head" para rapidamente virar e enfrentar quem passa e projeta uma sombra em um sensor de luz.

No caso de Controle por Sensor do Servo Motor, estaremos utilizando um sensor de luz que controlará a posição exata do servo motor. Quanto mais escura a sombra projetada no sensor (e presumivelmente quanto mais perto a pessoa se aproxima do boneco), mais rápido e mais longe o boneco gira sua cabeça.

• Vamos remover o potenciômetro e substituí-lo pelo circuito equivalente de dois resistores. Nesse caso, um dos dois resistores (R2) será um sensor de luz.
• Para nos dar algum espaço, espalhamos os lumpers de + 5V (esquerda) e 0V de aterramento (direita) para que possamos adicionar o resistor de 10K Ohm e o sensor de luz, conectado no centro na mesma linha do cabo jumper que leva à entrada analógica zero (A0) na placa Arduino.
• Use a sombra de sua mão para obscurecer o sensor de luz e use outras maneiras para fazer com que o sensor de luz obtenha o máximo e o mínimo possível de luz. Você consegue obter a amplitude de movimento de 180 graus?

Assim como na versão com controle remoto, você pode colocar o resistor fotográfico a uma boa distância de seu boneco animatrônico e pode alterar os valores do resistor ou a programação do software para alterar as reações do boneco.

Etapa 7: Agora você experimente

Agora você já domina os três tipos básicos de movimento animatrônico que pode criar com um único servo motor.

- Movimento repetitivo

- Movimento controlado remotamente

- Movimento disparado usando sensores

Você pode levar isso para o próximo nível usando diferentes tipos de fantoches, movimentos, controles e, naturalmente, a arte que só você pode criar!