Oficina de Robótica HackerBoxes: 22 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

O HackerBoxes Robotics Workshop foi projetado para fornecer uma introdução muito desafiadora, mas agradável, aos sistemas robóticos DIY e também à eletrônica para amadores em geral. O Workshop de Robótica é projetado para expor o participante a estes tópicos e objetivos de aprendizagem importantes:

• Robôs ambulantes
• Conjuntos de engrenagens para coordenar o movimento
• Projetos eletrônicos de soldagem
• Diagramas esquemáticos de circuito
• Sensores ópticos para direção e navegação autônomas
• Circuitos de controle analógico de malha fechada
• Programação Arduino
• Processadores RISC incorporados NodeMCU
• Wi-Fi em sistemas de processador embarcado
• Controle de IoT usando a plataforma Blyk
• Fiação e calibração de servo motores
• Montagem robótica complexa e integração de controle

HackerBoxes é o serviço de caixa de assinatura mensal para eletrônicos DIY e tecnologia de computador. Somos criadores, amadores e experimentadores. Se você gostaria de comprar uma oficina de HackerBoxes ou receber a caixa de assinatura surpresa HackerBoxes de grandes projetos eletrônicos pelo correio todos os meses, visite-nos em HackerBoxes.com e junte-se à revolução.

Os projetos nas oficinas do HackerBox, bem como os da assinatura mensal dos HackerBoxes, não são exatamente para iniciantes. Eles geralmente exigem alguma exposição anterior de eletrônicos DIY, habilidades básicas de soldagem e conforto ao trabalhar com microcontroladores, plataformas de computador, recursos do sistema operacional, bibliotecas de funções e codificação de programa simples. Também usamos todas as ferramentas típicas de amadores para construir, depurar e testar projetos eletrônicos DIY.

Hack the Planet!

Etapa 1: Conteúdo do Workshop

• RoboSpider Kit
• Kit de Robô Seguidor de Linha Autônoma
• Controlador Wi-Fi Arduino Robotic Arm
• Kit de braço robótico MeArm
• Patch de realização de robótica

Itens adicionais que podem ser úteis:

• Sete Pilhas AA
• Ferramentas básicas de solda
• Computador para executar o IDE Arduino

Um item adicional muito importante de que precisaremos é um verdadeiro senso de aventura, espírito faça-você-mesmo e curiosidade de hacker. Começar qualquer aventura como criador e criador pode ser um desafio emocionante. Em particular, este tipo de eletrônica de passatempo nem sempre é fácil, mas quando você persiste e aproveita a aventura, uma grande satisfação pode derivar de perseverar e descobrir tudo!

Etapa 2: RoboSpider

Construa seu próprio RoboSpider com este kit de robô. Possui oito pernas com várias articulações que duplicam o movimento de caminhada de aranhas reais. Examine as peças do kit para verificar as 71 peças mostradas aqui. Você consegue adivinhar para que cada peça é usada no design do RoboSpider?

Etapa 3: RoboSpider - Fiação

Primeiro, conecte o motor e o compartimento da bateria para o RoboSpider. Os fios podem ser simplesmente enroscados nos terminais da bateria, conforme mostrado nas instruções. No entanto, os fios também podem ser CUIDADOSAMENTE soldados no lugar, se desejar.

Etapa 4: RoboSpider - Montagem Mecânica

Um conjunto de engrenagens muito interessante é formado para cada par de pernas. Cada RoboSpider tem quatro conjuntos de duas pernas cada para coordenar o movimento de oito pernas de aranha separadas. Observe como um acessório é fornecido para ajudar no alinhamento das engrenagens.

O restante do RoboSpider pode ser montado conforme mostrado nas instruções. Que tipo de dinâmica de caminhada é exibida por este RoboSpider?

Etapa 5: vamos nos preparar para soldar

Soldar é um processo no qual dois ou mais itens de metal (geralmente fios ou condutores) são unidos pela fusão de um metal de adição chamado solda na junta entre os itens de metal. Vários tipos de ferramentas de solda estão disponíveis. O HackerBoxes Starter Workship inclui um bom conjunto de ferramentas básicas para soldar pequenos eletrônicos:

• Ferro de solda
• Dicas de Substituição
• Suporte de ferro de solda
• Limpador de ponta de ferro de solda
• Solda
• Desoldering Wick

Se você é novo em soldagem, há muitos guias e vídeos excelentes online sobre soldagem. Aqui está um exemplo. Se você sentir que precisa de assistência adicional, tente encontrar um grupo de fabricantes local ou espaço de hacker em sua área. Além disso, os rádios amadores são sempre excelentes fontes de experiência em eletrônica.

Use óculos de segurança durante a soldagem

Você também vai querer um pouco de álcool isopropílico e cotonetes para limpar o resíduo de fluxo acastanhado que ficou nas juntas de solda. Se deixado no lugar, esse resíduo acabará corroendo o metal dentro da conexão.

Finalmente, você pode querer dar uma olhada no gibi "Soldering is Easy" de Mitch Altman.

Etapa 6: Robô Seguidor de Linha

O robô de seguimento de linha (também conhecido como rastreamento de linha) pode seguir uma linha preta grossa desenhada em uma superfície branca. A linha deve ter cerca de 15 mm de espessura.

Etapa 7: Robô seguindo a linha - esquemático e componentes

Peças para o robô que segue a linha, bem como o diagrama esquemático do circuito, são mostrados aqui. Tente identificar todas as peças. Ao revisar a teoria de operações abaixo, veja se você consegue descobrir o propósito de cada uma das partes e talvez até mesmo por que seus valores foram especificados. Tentar fazer a "engenharia reversa" dos circuitos existentes é uma ótima maneira de aprender como projetar os seus próprios.

Teoria de Operação:

Em cada lado da linha, um LED (D4 e D5) é usado para projetar um ponto de luz na superfície abaixo. Esses LEDs inferiores têm lentes transparentes para formar um feixe de luz direcionado, em oposição a um feixe difuso. Dependendo da superfície abaixo do LED ser branca ou preta, uma quantidade diferente de luz refletirá de volta no fotorresistor correspondente (D13 e D14). O tubo preto ao redor do fotorresistor ajuda a focalizar o reflexo diretamente no sensor. Os sinais do fotorresistor são comparados no chip LM393 para determinar se o robô deve continuar em frente ou deve ser girado. Observe que os dois comparadores no LM393 têm os mesmos sinais de entrada, mas os sinais são orientados de forma oposta.

A rotação do robô é realizada ligando o motor DC (M1 ou M2) do lado de fora da curva, enquanto deixa o motor voltado para dentro da curva no estado desligado. Os motores são ligados e desligados usando os transistores de acionamento (Q1 e Q2). Os LEDs vermelhos montados na parte superior (D1 e D2) mostram qual motor está ligado em um determinado momento. Este mecanismo de direção é um exemplo de controle de malha fechada e fornece orientação adaptativa rápida para atualizar a trajetória do robô de uma forma muito simples, mas eficaz.

Etapa 8: Robô Seguidor de Linha - Resistores

Um resistor é um componente elétrico passivo de dois terminais que implementa a resistência elétrica como um elemento de circuito. Em circuitos eletrônicos, os resistores são usados para reduzir o fluxo de corrente, ajustar níveis de sinal, dividir tensões, polarizar elementos ativos e encerrar linhas de transmissão, entre outros usos. Os resistores são elementos comuns de redes elétricas e circuitos eletrônicos e são onipresentes em equipamentos eletrônicos.

O kit de robô a seguir à linha inclui quatro valores diferentes de resistores de orifício axial com as bandas codificadas por cores, conforme mostrado:

• 10 ohm: marrom, preto, preto, dourado
• 51 ohm: verde, marrom, preto, dourado
• 1K ohm: marrom, preto, preto, marrom
• 3,3K ohm: laranja, laranja, preto, marrom

Os resistores devem ser inseridos na parte superior da placa de circuito impresso (PCB) conforme ilustrado e, em seguida, soldados na parte inferior. Claro, o valor correto do resistor deve ser inserido foram indicados, eles não são intercambiáveis. No entanto, os resistores não são polarizados e podem ser inseridos em qualquer direção.

Etapa 9: Robô Seguidor de Linha - Componentes Restantes

Outros elementos de circuito, como mostrado aqui, podem ser inseridos na parte superior do PCB e soldados abaixo, assim como os resistores.

Observe que os quatro componentes do sensor de luz são, na verdade, inseridos na parte inferior do PCB. O parafuso longo é inserido entre os componentes do sensor de luz e apertado firmemente com a porca aberta. Em seguida, a porca de capa arredondada pode ser colocada na extremidade do parafuso como um parapente liso.

Ao contrário dos resistores, vários outros componentes são polarizados:

Os transistores têm um lado plano e um lado semicircular. Quando forem inseridos no PCB, certifique-se de que correspondam às marcações da tela de seda branca no PCB.

Os LEDs têm um cabo longo e um cabo mais curto. O cabo longo deve ser combinado com o terminal + conforme indicado na tela de seda.

Os capacitores eletrolíticos em forma de lata têm um indicador de terminal negativo (geralmente uma faixa branca) descendo em um lado da lata. A liderança desse lado é a negativa e a outra é a positiva. Eles devem ser inseridos no PCB de acordo com os indicadores de pino na tela de seda.

O chip de 8 pinos, seu soquete e a tela de PCB para inseri-los, todos têm um indicador semicircular em uma extremidade. Estes devem ser alinhados para todos os três. O soquete deve ser soldado no PCB e o chip não deve ser inserido no soquete até que a solda seja concluída e resfriada. Embora o chip possa ser soldado diretamente na placa de circuito impresso, é preciso ser muito rápido e cuidadoso ao fazer isso. Recomendamos usar um soquete sempre que possível.

Etapa 10: Robô Seguidor de Linha - Pacote de Bateria

A fina camada superior da fita dupla-face pode ser removida para fixar a bateria. Os terminais podem ser alimentados através do PCB e soldados abaixo. O excesso de fio pode ser útil para soldar os motores.

Etapa 11: Robô Seguidor de Linha - Motores

Os fios dos motores podem ser soldados às almofadas na parte inferior do PCB, conforme mostrado. Uma vez que os condutores tenham sido soldados, a fina camada superior da fita dupla-face pode ser removida para afixar os motores ao PCB.

Etapa 12: Robô seguindo a linha - Watch It Go

A linha que segue o robô é uma alegria de assistir. Coloque algumas células de bateria AA e deixe-as explodir.

Se necessário, os potenciômetros do trimmer podem ser ajustados para refinar a detecção de bordas do robô.

Se houver qualquer outro problema de "comportamento" com o robô, também é útil verificar o alinhamento dos quatro componentes do sensor do lado inferior e, especialmente, do tubo preto ao redor dos fotorresistores.

Por último, certifique-se de usar baterias novas. Notamos um desempenho irregular quando a bateria se esgota.

Etapa 13: Braço robótico do MeArm

O MeArm Robot Arm foi desenvolvido para ser a ferramenta de aprendizado mais acessível do mundo e o menor e mais legal braço de robô. O MeArm vem como um kit de braço robótico de pacote plano que compreende folhas de acrílico cortadas a laser e micro servos. Você pode construí-lo com nada mais do que uma chave de fenda e entusiasmo. Ele foi descrito como o "Projeto Arduino perfeito para iniciantes" pelo site Lifehacker. O MeArm é um ótimo design e muito divertido, mas pode definitivamente ser um pouco complicado de montar. Leve o seu tempo e seja paciente. Tente nunca forçar os servo motores. Isso pode danificar as pequenas engrenagens de plástico dentro do servo.

O MeArm neste workshop é controlado a partir de um aplicativo de smartphone ou tablet usando um módulo NodeMCU Wi-Fi adaptado para a plataforma de desenvolvimento Arduino. Este novo mecanismo de controle é bastante diferente da placa "cérebros" original discutida na documentação do MeArm, então certifique-se de seguir as instruções para o controlador que são apresentadas aqui e não aquelas na documentação original do MeArm. Os detalhes mecânicos relativos à montagem dos componentes acrílicos do MeArm e dos servo motores permanecem os mesmos.

Etapa 14: Controlador Wi-Fi de braço robótico - Prepare o Arduino para o NodeMCU

NodeMCU é uma plataforma de código aberto baseada no chip ESP8266. Este chip inclui um processador RISC de 32 bits rodando a 80 MHz, Wi-Fi (IEEE 802.11 b / g / n), memória RAM, memória Flash e 16 pinos de E / S.

Nosso hardware de controlador é baseado no módulo ESP-12 mostrado aqui, que inclui um chip ESP8266 junto com seu suporte de rede Wi-Fi incluído.

Arduino é uma plataforma eletrônica de código aberto baseada em hardware e software fáceis de usar. Destina-se a qualquer pessoa que faça projetos interativos. Embora a plataforma Arduino geralmente use o microcontrolador Atmel AVR, ele pode ser um adaptador para funcionar com outros microcontroladores, incluindo nosso ESP8266.

Para começar, você precisa ter certeza de que o IDE do Arduino está instalado em seu computador. Se você não tiver o IDE instalado, pode baixá-lo gratuitamente (www.arduino.cc).

Você também precisará de drivers para o sistema operacional (SO) do seu computador para acessar o chip Serial-USB apropriado no módulo NodeMCU que você está usando. Atualmente, a maioria dos módulos NodeMCU incluem o chip CH340 Serial-USB. O fabricante dos chips CH340 (WCH.cn) possui drivers disponíveis para todos os sistemas operacionais populares. É melhor usar a página traduzida do Google para seu site.

Assim que tivermos o IDE Arduino instalado e os drivers do sistema operacional instalados para o chip de interface USB, precisamos estender o IDE Ardino para operar com o chip ESP8266. Execute o IDE, vá em preferências e localize o campo para inserir "URLs adicionais do gerenciador de placa"

Para instalar o Board Manager para ESP8266, cole este URL:

arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

Após a instalação, feche o IDE e reinicie-o.

Agora conecte o módulo NodeMCU ao seu computador usando o cabo microUSB.

Selecione o tipo de placa dentro do Arduino IDE como NodeMCU 1.0

Aqui está um instrutivo que aborda o processo de configuração do Arduino NodeMCU usando alguns exemplos de aplicativos diferentes. Está um pouco fora do objetivo aqui, mas pode ser útil olhar para outro ponto de vista se você ficar preso.

Etapa 15: Controlador Wi-Fi com braço robótico - hackear seu primeiro programa NodeMCU

Sempre que conectamos um novo hardware ou instalamos uma nova ferramenta de software, gostamos de ter certeza de que funciona, tentando algo muito simples. Os programadores costumam chamar isso de programa "hello world". Para hardware embarcado (o que estamos fazendo aqui), o "hello world" geralmente pisca um LED (diodo emissor de luz).

Felizmente, o NodeMCU tem um LED integrado que podemos piscar. Além disso, o Arduino IDE tem um programa de exemplo para LEDs piscando.

No IDE do Arduino, abra o exemplo chamado blink. Se você examinar esse código de perto, verá que ele alterna girando o pino 13 para cima e para baixo. Nas placas Arduino originais, o LED do usuário está no pino 13. No entanto, o LED NodeMCU está no pino 16. Portanto, podemos editar o programa blink.ino para alterar cada referência do pino 13 para o pino 16. Então, podemos compilar o programa e carregue-o no módulo NodeMCU. Isso pode levar algumas tentativas e pode exigir a verificação do driver USB e a verificação dupla da configuração da placa e da porta no IDE. Leve o seu tempo e seja paciente.

Assim que o programa for carregado corretamente, o IDE dirá "upload concluído" e o LED começará a piscar. Veja o que acontece se você alterar a duração da função delay () dentro do programa e, em seguida, carregá-la novamente. É o que você esperava. Em caso afirmativo, você hackeou seu primeiro código incorporado. Parabéns!

Etapa 16: Controlador Wi-Fi de braço robótico - Exemplo de código de software

Blynk (www.blynk.cc) é uma plataforma que inclui aplicativos iOS e Android para controlar Arduino, Raspberry Pi e outros hardwares pela Internet. É um painel digital onde você pode construir uma interface gráfica para seu projeto simplesmente arrastando e soltando widgets. É muito simples configurar tudo e você começará a mexer imediatamente. Blynk o colocará online e pronto para a Internet das suas coisas.

Dê uma olhada no site Blynk e siga as instruções para configurar a Biblioteca Arduino Blynk.

Pegue o programa ArmBlynkMCU.ino Arduino anexado aqui. Você notará que ele possui três strings que precisam ser inicializadas. Você pode ignorá-los por enquanto e apenas certificar-se de que pode compilar e fazer upload do código para o NodeMCU. Você precisará deste programa carregado no NodeMCU para a próxima etapa de calibração dos servo motores.

Etapa 17: Controlador Wi-Fi de braço robótico - calibrando servo motores

A placa de blindagem do motor ESP-12E suporta a conexão direta do módulo NodeMCU. Alinhe e insira cuidadosamente o módulo NodeMCU na placa de blindagem do motor. Também conecte os quatro servos à blindagem, conforme mostrado. Observe que os conectores são polarizados e devem ser orientados conforme mostrado.

O código NodeMCU que foi carregado na última etapa inicializa os servos em suas posições de calibração, conforme mostrado aqui e discutido na documentação do MeArm. Afixar os braços do servo na orientação correta enquanto os servos são configurados para sua posição de calibração garante que o ponto inicial, o ponto final e a amplitude de movimento adequados sejam configurados para cada um dos quatro servos.

Sobre o uso de bateria com os servo motores NodeMCU e MeArm:

Os cabos da bateria devem ser conectados aos terminais de parafuso de entrada da bateria. Há um botão de energia de plástico na blindagem do motor para ativar a alimentação de entrada da bateria. O minúsculo bloco de jumper de plástico é usado para direcionar energia para o NodeMCU da blindagem do motor. Sem o bloco de jumpers instalado, o NodeMCU pode se alimentar a partir do cabo USB. Com o bloco de jumpers instalado (conforme mostrado), a energia da bateria é roteada para o módulo NodeMCU.

Etapa 18: Interface de usuário do braço robótico - Integrar com Blynk

Agora podemos configurar o aplicativo Blynk para controlar os servo motores.

Instale o aplicativo Blyk em seu dispositivo móvel iOS ou Android (smartphone ou tablet). Depois de instalado, configure um novo projeto Blynk com quatro controles deslizantes, conforme mostrado, para controlar os quatro servo motores. Observe o token de autorização Blynk gerado para seu novo projeto Blynk. Você pode receber um e-mail para facilitar a colagem.

Edite o programa ArmBlynkMCU.ino Arduino para preencher as três strings:

• SSID Wi-Fi (para o seu ponto de acesso Wi-Fi)
• Senha Wi-Fi (para o seu ponto de acesso Wi-Fi)
• Token de autorização Blynk (de seu projeto Blynk)

Agora compile e carregue o código atualizado contendo as três strings.

Verifique se você pode mover os quatro servo motores por Wi-Fi usando os controles deslizantes do seu dispositivo móvel.

Etapa 19: Braço Robótico - Montagem Mecânica

Podemos agora prosseguir com a montagem mecânica do MeArm. Conforme observado anteriormente, isso pode ser um pouco complicado. Leve o seu tempo e seja paciente. Tente não forçar os servo motores.

Lembre-se de que este MeArm é controlado pelo módulo NodeMCU Wi-Fi, que é bastante diferente da placa "cérebros" original discutida na documentação do MeArm. Certifique-se de seguir as instruções para o controlador apresentadas aqui e não as da documentação original do MeArm.

Os detalhes completos da montagem mecânica podem ser encontrados neste site. Eles são identificados como Guia de Criação do MeArm v1.0.

Etapa 20: Recursos online para estudar robótica

Há um número crescente de cursos, livros e outros recursos online de robótica …

• Curso de Stanford: Introdução à Robótica
• Curso Columbia: Robótica
• Curso do MIT: Robótica Subactuada
• Robotics WikiBook
• Robotics CourseWare
• Aprendendo Computação com Robôs
• Robótica Desmistificada
• Mecanismos de Robô
• Manipulação Robótica Matemática
• Robôs Educacionais com Lego NXT
• LEGO Education
• Robótica de ponta
• Robótica Embutida
• Robôs móveis autônomos
• Robôs de escalada e caminhada
• Novos aplicativos para robôs de escalada e caminhada
• Robôs Humanóides
• Braços de Robô
• Manipuladores de robôs
• Avanços em manipuladores de robôs
• AI Robotics

Explorar esses e outros recursos expandirá continuamente seu conhecimento do mundo da robótica.

Etapa 21: Patch de conquista de robótica

Parabéns! Se você se esforçou ao máximo nesses projetos de robótica e avançou seu conhecimento, deve usar o patch de conquista incluído com orgulho. Deixe o mundo saber que você é um mestre em servos e sensores.

Etapa 22: hackear o planeta

Esperamos que você esteja gostando do Workshop de Robótica HackerBoxes. Este e outros workshops podem ser adquiridos na loja online em HackerBoxes.com, onde você também pode assinar a caixa de assinatura mensal do HackerBoxes e ter grandes projetos entregues direto em sua caixa de correio a cada mês.

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