Robô de desenho de baixo custo compatível com Arduino: 15 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Nota: Eu tenho uma nova versão deste robô que usa uma placa de circuito impresso, é mais fácil de construir e possui detecção de obstáculos por infravermelho! Confira em

Elaborei este projeto para um workshop de 10 horas para ChickTech.org, cujo objetivo é apresentar as mulheres adolescentes aos tópicos STEM. Os objetivos deste projeto eram:

• Fácil de construir.
• Fácil de programar.
• Fez algo interessante.
• Baixo custo para que os participantes possam levar para casa e continuar aprendendo.

Com esses objetivos em mente, aqui estão algumas opções de design:

• Compatível com Arduino para facilidade de programação.
• Energia da bateria 4xAA para custo e disponibilidade.
• Motores de passo para movimento preciso.
• Impresso em 3D para facilitar a personalização.
• Plotagem de caneta com gráficos de tartaruga para resultados interessantes.
• Código aberto para que você possa fazer seu próprio!

Aqui está o robô que mais se aproximou do que eu queria fazer: https://mirobot.io. Não tenho um cortador a laser e o envio da Inglaterra era proibitivo. Eu tenho uma impressora 3D, então acho que você pode ver onde isso vai dar…

Não deixe que a falta de uma impressora 3D o impeça. Você pode localizar entusiastas locais dispostos a ajudá-lo em

Este projeto é licenciado pela Creative Commons e utiliza peças 3D baseadas em designs de terceiros (conforme indicado na próxima seção), sendo que a mais restritiva delas é a roda, que não é comercial. Isso significa que este projeto também deve ser não comercial. Não seja esse cara.

Etapa 1: peças

Existem várias maneiras de alimentar, conduzir e controlar robôs. Você pode ter diferentes peças disponíveis que funcionarão, mas estas são as que tentei e descobri que funcionam bem:

Eletrônicos:

• 1- * Adafruit Pro Trinket 3V- adafruit.com/products/2010

  • Hardware sob licença CC BY-SA
  • Software (Bootloader) sob licença GPL
• 2- Geared 5V Stepper- adafruit.com/products/858
• 1- ULN2803 Darlington Driver - adafruit.com/products/970
• 1- breadboard de meio tamanho- adafruit.com/products/64
• 16- Jumpers masculino-masculino- adafruit.com/products/759
• 1- Micro servo-adafruit.com/products/169
• 1 - Chave deslizante SPDT - adafruit.com/product/805 ou www.digikey.com/product-detail/en/EG1218/EG1903-ND/101726
• 1- Cabeçalho de pino masculino- digikey.com/short/t93cbd
• 2- 2 suportes AA- digikey.com/short/tz5bd1
• 1- micro cabo USB
• 4- Pilhas AA

* Observação: consulte a última etapa para uma discussão sobre o uso de placas Arduino ou Raspberry Pi regulares.

Hardware:

• 2- 1 7/8 "ID x 1/8" O-ring- mcmaster.com/#9452K96
• 1- Caster 5/8 "bearing- mcmaster.com/#96455k58/=yskbki
• 10- Parafuso de cabeça panela M3 x 8mm- mcmaster.com/#92005a118/=z80pbr
• 4- Parafuso de cabeça chata M3 x 6mm- mcmaster.com/#91420a116/=yskru0
• 12- M3 Nut- mcmaster.com/#90591a250/=yskc6u

Peças impressas em 3D (visite www.3dhubs.com se você não tiver acesso a uma impressora):

• 1 x rodízio de rolamento de esferas - thingiverse.com/thing:1052674 (com base no trabalho de onebytegone, CC BY-SA 3.0)
• 1 x Chassis - thingiverse.com/thing:1053269 (trabalho original da Maker's Box, CC BY-SA 3.0)
• 2 x rodas - thingiverse.com/thing:862438 (baseado no trabalho de Mark Benson, CC BY-NC 3.0 *)
• 2 x suporte deslizante - thingiverse.com/thing:1053267 (baseado no trabalho de jbeale, CC BY-SA 3.0)
• 1 x suporte para caneta / suporte servo - thingiverse.com/thing:1052725 (trabalho original da Maker's Box, CC BY-SA 3.0)
• 1 x Pen Collar - thingiverse.com/thing:1053273 (trabalho original da Maker's Box, CC BY-SA 3.0)

* Nota: CC BY-NC é uma licença não comercial

Ferramentas e suprimentos:

• Chave Phillips
• Pistola de cola quente
• Multímetro digital
• Faca afiada
• Marcadores coloridos de giz de cera

Etapa 2: atualize o firmware

Antes de irmos muito longe na construção, vamos carregar o firmware de teste no microcontrolador. O programa de teste apenas desenha caixas para que possamos verificar a direção e dimensão adequadas.

Para falar com o Trinket Pro, você vai precisar de:

1. Driver de
2. Software Arduino de

Lady Ada e a equipe Adafruit criaram um conjunto de instruções muito melhor nos links acima do que eu posso fornecer. Use-os se você estiver travado.

Nota: O único truque que torna o Trinket diferente do Arduino normal é que você precisa reinicializar a placa antes de enviar o esboço.

Etapa 3: porta-canetas e porta-pilhas

1. Instale o Pen Holder com o Servo Bracket no lado mais curto do chassi (Imagem 1).
2. Insira as porcas na parte superior do chassi (Imagem 2)
3. Prenda os suportes da bateria na parte inferior do chassi usando parafusos de cabeça chata de 3Mx6mm (Imagens 3 e 4).
4. Passe os fios da bateria pelos lances retangulares do cabo (Imagem 4 e 5).
5. Repita para o outro suporte de bateria.

Nota: A menos que especificado, o restante dos parafusos são parafusos de cabeça panela de 3Mx8mm.

Etapa 4: Rodas

1. Teste o ajuste de sua roda no eixo do passo (Imagem 1).

   1. Se estiver muito apertado, você pode aquecer o cubo da roda com um secador de cabelo ou pistola de ar quente e, em seguida, inserir o eixo.
   2. Se estiver muito solto, você pode usar um parafuso de 3Mx8mm para prendê-lo contra a parte plana do eixo (Imagem 2).
   3. Se você é um perfeccionista, pode calibrar sua impressora e acertar.
2. Coloque o anel de vedação ao redor do aro da roda (Imagem 3 e 4).
3. Repita para a outra roda.

Etapa 5: Backets escalonados

1. Insira uma porca no suporte de passo e prenda-os na parte superior do chassi com um parafuso (Imagem 1).
2. Insira o stepper no suporte e prenda com parafusos e porcas.
3. Repita para o outro suporte.

Etapa 6: Caster

1. Insira o rolamento de esferas no rodízio.

   Não force ou quebrará. Use um secador de cabelo ou pistola de ar quente para amolecer o material, se necessário

2. Prenda o rodízio na parte inferior do chassi na frente do suporte da bateria.

Etapa 7: placa de ensaio

1. Remova um dos trilhos de alimentação usando uma faca afiada, cortando o adesivo inferior (Imagem 1).
2. Segurando a placa de ensaio sobre os trilhos do chassi, marque onde eles cruzam a borda (Imagem 2).
3. Usando uma régua (como o barramento de alimentação removido), marque as linhas e corte a parte de trás (Imagem 3).
4. Coloque a placa de ensaio no chassi com os trilhos tocando o adesivo exposto (Imagem 4).

Etapa 8: Alimentação

1. Coloque o microcontrolador, o driver darlington e a chave liga / desliga na placa do bread (Imagem 1).

   • Adicionei pontos laranja para visibilidade para marcar o seguinte:

     • Pino 1 do driver darlington.
     • O pino da bateria do microtroller.
     • A posição do interruptor de alimentação "ligado".

2. Com os cabos de bateria do lado direito:

   1. Conecte a linha vermelha ao primeiro pino da chave liga / desliga (Imagem 2).
   2. Conecte o cabo preto a uma fileira vazia entre o microcontrolador e o chip darlington (Imagem 2).

3. Com os cabos de bateria do lado esquerdo:

   1. Conecte a linha vermelha à mesma linha do cabo preto da outra bateria (Imagem 3).
   2. Conecte a linha preta ao trilho negativo da placa de ensaio (Imagem 3).

4. Conecte a alimentação ao microcontrolador:

   1. Jumper vermelho do trilho positivo para o pino da bateria (ponto laranja, Imagem 4).
   2. Jumper preto do trilho negativo para o pino marcado com "G" (Imagem 4).
5. Instale as baterias e ligue a alimentação. Você deve ver as luzes verde e vermelha do controlador acendendo (Imagem 5).

Solução de problemas: se as luzes do microcontrolador não acenderem, desligue-o imediatamente e resolva o problema:

1. Baterias instaladas na orientação correta?
2. Verifique novamente o posicionamento dos cabos da bateria.
3. Verifique novamente o posicionamento dos cabos da chave.
4. Use um multímetro para verificar as tensões das baterias.
5. Use um multímetro para verificar as tensões do barramento de alimentação.

Etapa 9: Cabeçalhos e fiação do servo

Os pinos de encaixe machos nos permitem conectar os conectores JST servo de 5 pinos à alimentação e ao driver darlington (Imagem 1):

1. O primeiro cabeçalho de 5 pinos começa uma linha à frente do driver darlington.
2. O segundo cabeçalho do servo deve então se alinhar com a extremidade do driver darlington.

Antes que a fiação fique complicada, vamos fazer o servo:

1. Adicione um cabeçalho de 3 pinos para o servo na borda direita da seção dianteira da placa de ensaio (Imagem 2).
2. Adicione um jumper vermelho do pino central ao lado positivo do barramento de alimentação.
3. Adicione um jumper preto ou marrom do pino externo para o lado negativo do barramento de alimentação.
4. Adicione um jumper colorido do pino interno ao pino 8 do microcontrolador.
5. Instale a buzina do servo com o eixo totalmente no sentido horário e o braço estendendo-se para a roda do lado direito (Imagem 3)
6. Instale o servo no suporte da caneta usando os parafusos do servo (Imagem 3).
7. Conecte o conector servo alinhando as cores (Imagem 4).

Etapa 10: controle escalonado

É hora de conectar a energia ao driver darlington e aos steppers, que serão acionados diretamente da bateria:

1. Conecte um jumper preto ou marrom do pino darlington inferior direito ao lado negativo do barramento de alimentação (Imagem 1).
2. Conecte um jumper vermelho do pino darlington superior direito ao lado positivo do barramento de alimentação.
3. Conecte um jumper vermelho do conector do pino superior esquerdo ao lado positivo do barramento de alimentação (Imagem 2).
4. Conecte o conector de passo esquerdo ao conector de pino do lado esquerdo com o fio vermelho do lado direito (Imagem 3).
5. Conecte o conector de passo direito ao cabeçalho do pino do lado direito com o cabo de leitura no lado esquerdo.

Observação: o fio vermelho do conector de passo é a alimentação e deve corresponder aos fios vermelhos da placa de ensaio.

Etapa 11: controle de passo (continuação)

Agora, conectaremos os fios de sinal de passo do microcontrolador ao lado de entrada do driver darlington:

1. Começando com o pino 6 do microcontrolador, conecte os cabos para quatro jumpers de controle para o motor de passo esquerdo (Imagem 1).
2. Combine esses jumpers com o lado de entrada do darlington à direita. Todas as cores devem corresponder, exceto o verde, que corresponde ao fio rosa do stepper (Imagem 2).
3. Começando com o pino 13 do microcontrolador, conecte os cabos para os quatro jumpers de controle para o motor de passo direito (Imagem (3).
4. Combine esses jumpers com o lado de entrada do darlington à esquerda. Todas as cores devem corresponder, exceto o verde, que combina com o fio rosa do stepper (Imagem 3).

Etapa 12: Teste e Calibração

Esperançosamente, você já carregou o firmware na Etapa 2. Caso contrário, faça-o agora.

O firmware de teste apenas desenha um quadrado repetidamente para que possamos verificar a direção e a precisão.

1. Coloque o seu robô em uma superfície lisa, plana e aberta.
2. Ligue a energia.
3. Observe o seu robô desenhar quadrados.

Se você não estiver vendo luzes no microcontrolador, volte e solucione o problema de alimentação como na Etapa 8.

Se o seu robô não estiver se movendo, verifique as conexões de energia para o driver darlington na Etapa 9.

Se o seu robô estiver se movendo erraticamente, verifique as conexões dos pinos do microcontrolador e do driver darlington na Etapa 10.

Se o seu robô está se movendo em um quadrado aproximado, é hora de colocar um papel e colocar uma caneta nele (Imagem 1).

Seus pontos de calibração são:

float wheel_dia = 66,25; // mm (aumento = espiral para fora)

float wheel_base = 112; // mm (aumento = espiral para dentro) int steps_rev = 128; // 128 para caixa de velocidades 16x, 512 para caixa de velocidades 64x

Comecei com um diâmetro de roda medido de 65 mm e você pode ver as caixas girando para dentro (Imagem 2).

Aumentei o diâmetro para 67 e você pode ver que estava girando para fora (Imagem 3).

Finalmente cheguei a um valor de 66,25 mm (Imagem 4). Você pode ver que ainda há algum erro inerente devido ao chicote da engrenagem e tal. Perto o suficiente para fazer algo interessante!

Etapa 13: levantando e abaixando a caneta

Adicionamos um servo, mas não fizemos nada com ele. Ele permite que você levante e abaixe a caneta para que o robô possa se mover sem desenhar.

1. Coloque o colarinho da caneta na caneta (Imagem 1).
2. Se estiver solto, prenda-o com fita adesiva.
3. Verifique se ele tocará no papel quando o braço do servo for abaixado.
4. Certifique-se de que não toque no papel quando levantado (Imagem 2).

Os ângulos do servo podem ser ajustados removendo o chifre e reposicionando-o ou através do software:

int PEN_DOWN = 170; // ângulo do servo quando a caneta está para baixo

int PEN_UP = 80; // ângulo do servo quando a caneta está para cima

Os comandos da caneta são:

penup ();

pendown ();

Etapa 14: Divirta-se

Espero que você tenha chegado até aqui sem muitos palavrões. Deixe-me saber sua dificuldade para que eu possa melhorar as instruções.

Agora é hora de explorar. Se você olhar o esboço de teste, verá que forneci alguns comandos "Turtle" padrão:

para a frente (distância); // milímetros

para trás (distância); esquerda (ângulo); // graus à direita (ângulo); penup (); pendown (); feito(); // libere o stepper para economizar bateria

Usando esses comandos, você deve ser capaz de fazer quase tudo, desde desenhar flocos de neve ou escrever seu nome. Se precisar de ajuda para começar, confira:

• https://code.org/learn
• https://codecombat.com/

Etapa 15: Outras plataformas

Este robô poderia ser feito com um Arduino normal? Sim! Eu escolhi o Trinket por causa do baixo custo e do tamanho pequeno. Se você aumentar o comprimento do chassi, poderá encaixar um Arduino comum de um lado e a placa de ensaio do outro (Imagem 1). Ele deve funcionar pino por pino com o esboço de teste, além disso, agora você pode acessar o console serial para depuração!

Este robô poderia ser feito com um Rasberry Pi? Sim! Esta foi minha primeira linha de investigação porque eu queria programar em Python e ser capaz de controlá-lo pela web. Como o Arduino de tamanho normal acima, basta colocar o Pi de um lado e a placa de ensaio do outro (Imagem 2). O poder se torna a principal preocupação porque quatro AA não vão eliminá-lo. Você precisa fornecer cerca de 1A de corrente em 5 V estáveis, caso contrário, seu módulo WiFi irá parar de se comunicar. Descobri que o Modelo A é muito melhor no consumo de energia, mas ainda estou tentando descobrir como fornecer energia confiável. Se você descobrir, me avise!