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.

Механика: двигатели, шестеренки, колеса

Я нашел пару веб-сайтов, которые предлагают различные двигатели и компоненты для роботов, но я остановился на Polulu из-за их цен и наличия всего необходимого. Продукты Tamiya выглядели неплохо. Комплект 70168 Double Gearbox Kit поставляется с шестеренками, двигателями и валами, что значительно упрощает механику. И он очень дешев! В нормальном режиме двигатели работают от 3В, но могут работать и от большего напряжения за счет сокращения срока службы. Поддерживается несколько передаточных чисел, поэтому я могу точно настроить скорость робота. Я остановился на самых дешевых колесах, которые подойдут к валу из этого комплекта, Tamiya 70101 Truck Tire Set. Этот комплект поставляется с четырьмя колесами, а мне нужны только два, но он стоит дешево, а запасные части лишними никогда не будут! Переднее колесо – это просто шаровая опора или пластиковый винт, чтобы робот мог скольких по полу.

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.

Выбор компонентов

Первый шаг в любом проекте – выяснить, какие необходимы комплектующие. Чтобы быть полезным, роботу нужно несколько ключевых вещей: способ двигаться, думать и взаимодействовать с окружением. Чтобы снизить стоимость, мне нужно обойтись двумя колесами. Этот означает, что мне нужно управлять двумя отдельными двигателями, которые могут работать независимо друг от друга. Мне также нужна шаровая опора, на которую робот может опираться, чтобы скользить. У этого решения есть недостаток: робот не может перемещаться ни по каким поверхностям, кроме гладких полов. Я хочу, чтобы мозги были построены на базе какой-либо известной микроконтроллерной платформы. Так ему не понадобится программатор или руководство по использованию средств разработки. У робота должны быть датчики, которые позволяют ему знать о линиях, стенах и препятствиях. Я также хочу свести к минимуму количество разных мест для покупок, чтобы снизить итоговую стоимость доставки. Наконец, компоненты должны быть небольшими, потому что я хочу спроектировать плату для недорогого производства и оставаться в пределах бесплатной версии Eagle CAD.

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.

Обзор

Это первая часть в серии статей о моем опыте создания робота, который может делать разные вещи. Я думал, что было бы замечательно создать робота, которого легко было бы собрать лишь с одним паяльником, и комплектующие к нему были бы доступны. Я составил следующий список требований к этому роботу:

1. Многие наборы стоят дорого, поэтому он должен быть относительно недорог.
2. Он должен быть простым в сборке, не требуя специального оборудования.
3. Он должен быть простым в программировании, не требуя сложных IDE и программатора.
4. Он должен быть мощным для расширяемости.
5. Он должен запускаться от простого источника питания.
6. Он должен быть способен следовать за линией или за стеной и избегать препятствий.

В этой статье я расскажу, как я решил выполнить эти требования.

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.

Сборка шагающего механизма

На выходной вал редуктора устанавливаются эксцентрики. Одно из боковых отверстий обеспечивает плотное соединение с осью. Смотрите видео. Обратите внимание на положение эксцентириков на оси. Устанавливаем длинную ось на стойки и фиксируем ее стопорами. Ноги робота — планки с двумя отверстиями. Одно из отверстий в середине, для монтажа ноги на оси или эксцентрике. Взаимное движение ног обеспечивается шарнирами — это планки с отверстиями по краям. Механизм собирается на саморезах и фиксируется на длинной оси стопорами. детали должны свободно двигаться друг относительно друга с минимальным люфтом. Смотри фото и видео.

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.

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.

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.

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.

Мозги: микроконтроллер

Существует несколько различных микроконтроллерных платформ, которые довольно популярны. Основываясь на популярности, очевидным выбором является какая-либо Arduino. Другие варианты: Teensy, Launchpad и Raspberry Pi. Pi слишком большой и прожорливый, Launchpad тоже слишком большой. В прошлом я использовал Teensy, и это был хороший опыт. Teensy немного дороже, чем Arduino Mini, но предлагает гораздо более мощную платформу. Последняя плата Teensy снабжена Cortex M4, который обладает достаточной мощностью для простого робота. Бонусом к Teensy является встроенный стабилизатор на 500 мА, который может быть использован для питания всех датчиков.

Схема

Для рисования схемы и макета я использую бесплатную версию Eagle CAD. Я создал пользовательские условные обозначения и площадки для монтажа для всех элементов, кроме платы Teensy, доступной для скачивания во второй части из данной серии статей. У Teensy есть библиотеки для Eagle. Вы можете заметить, что на схеме отсутствуют какие-либо простые устройства, такие как резисторы и конденсаторы. Это связано с тем, что каждая из этих плат является уже готовой платой с выводами, чтобы сделать сборку максимально простой. Любой современный чип, скорее всего, будет для поверхностного монтажа, что для любителя может вызвать затруднения. Схемы для каждой из этих плат доступны у соответствующих продавцов. Вот несколько ключевых моментов к этой схеме:

• Я поместил перемычку между батареей и остальной частью схемы. Это полезно для отключения питания без снятия батарей, измерения тока или защиты с помощью диода от обратной полярности.
• Все интерфейсы являются цифровыми, за исключением двух. Существует UART соединение между nRF51 и Teensy через выводы 9/10. Контроллер двигателя работает через ШИМ, который поступает через выводы 6 и 4 Teensy.
• На схеме нет светодиода. Светодиод, который находится на Teensy, может использоваться для отладки или индикации.
• Здесь нет кнопки. Я подумал о том, чтобы поставить кнопку на линию сброса Teensy, но решил сэкономить.
• При программировании Teensy через USB вы должны либо разрывать небольшую дорожку, соединяющую Vin/Vusb, либо убедиться, что, когда подключен USB, батареи отключены.

Полный список компонентов

Обязательные компоненты

Дополнительные компоненты

Что дальше?

Робожук — это готовая мобильная платформа на базе одного из самых популярных и доступных контроллеров. Проект открытый: https://github.com/beetle-ringo/arduino. Делай в GitHub форк (ответвление) и добавляй свою функциональность. Дай волю фантазии — добавь ИК-светодиод, и робот готов для робобитвы. Подключи дальномеры, тактильные сенсоры, гироскоп… Научи робота обходить препятствия или ходить по линии, попробуй установить на него веб-камеру. Идей может быть миллион, и ты всегда можешь выбирать самую интересную.

Оригинал статьи в журнале Xakep.

Питание: драйвер двигателя, батарея

Драйвер двигателя должен иметь возможность управлять трехвольтовыми двигателями, выбранными ранее. Я также хотел, чтобы он был масштабируемым на случай, если я захочу в будущем заменить двигатели. Я нашел драйвер всё в том же магазине. Он может работать с напряжениями 0–11 В и обеспечивать достаточно большие токи для двигателей, которые я захотел бы поставить в будущем. По поводу аккумулятора, я бы предпочел, чтобы робот работал на чем угодно. Teensy работает с напряжениями до 5,5 В, что означает, что можно использовать литиевый аккумулятор. Однако для лития требуется зарядное устройство, а я не хочу увеличивать расходы. Использование двух обычных батарей AA обеспечивает довольно много энергии без необходимости зарядного устройства. Недостатком является то, что они обеспечивают только ~3 В и большие по размеру. Входное напряжение 3 В неже линейного стабилизатора Teensy на 3,3 В. Робот всё равно будет работать, потому что все компоненты, выбранные для Teensy, могут работать на более низком напряжении. Тем не менее, встроенный на Teensy стабилизатор напряжения стабилизировать не будет.