DIY Educational Micro: bit Robot: 8 Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:11

Ipapakita sa iyo ng itinuturo na ito kung paano bumuo ng isang medyo naa-access, may kakayahang at murang robot. Ang aking layunin sa pagdidisenyo ng robot na ito ay upang magmungkahi ng isang bagay na kayang bayaran ng karamihan sa mga tao, upang magturo sila ng computer science sa isang nakakaengganyong paraan o upang malaman ang tungkol dito.

Kapag nakuha mo ang robot na ito na binuo maaari mong matamasa ang iba't ibang mga sensor at actuator upang gawin ang pangunahing ngunit pati na rin ang mga advanced na bagay depende sa bersyon na iyong itinatayo (Magbibigay ako ng dalawang bersyon). Gamit ang robot na ito ay binibigyan mo ang mga mata (180 ° view!) At mga binti (na may tumpak na paggalaw na posible!) Sa micro: bit habang ang micro: bit ay nagbibigay sa iyo ng magagandang tampok tulad ng LED matrix, komunikasyon sa radyo, komunikasyon sa bluetooth, accelerometer, compas, ngunit pag-access din sa lahat ng bagay na iyon sa alinman sa MicroPython o may isang visual na programa ng wika na katulad ng simula (talagang nasa C ++ at javascript din ngunit nakita ko ang mga hindi gaanong angkop para sa edukasyon).

Tatrabaho din ako sa itinuturo na ito upang maitakda ko sa mga track ang mga mambabasa at gumagawa upang matuklasan ang higit pa tungkol sa mga mobile robotics, electronics, pagdidisenyo at pagputol ng kahoy. Upang magawa ito, dinisenyo ko ang lahat upang maging modular hangga't maaari. Halimbawa hindi ako gagamit ng anumang pandikit upang pahintulutang magtipon at mag-disassemble nang malaya, ginagawang mas madali ang mga pag-upgrade pati na rin ang pag-debug. Gagawa rin ako ng mga hakbang na bilang karagdagan hangga't makakaya ko, upang maaari mong progresibong maunawaan kung ano ang nangyayari, suriin kung gumagana ang mga bagay ayon sa nararapat at maabot ang dulo ng isang robot na gumagana.

Hakbang 1: Pagtitipon ng mga Piraso

Para sa proyektong ito, ang minimum na bear na kakailanganin mo ay:

• 5 mm makapal na MDF na kahoy at isang laser cutter para sa balangkas
• 1x18650 lithium baterya, 1x baterya kalasag para sa enerhiya at isang nakagambala
• 1xMicro: Bit card at 1xMicro: bit extension board para sa utak (bagaman ang parehong maaaring madaling mapalitan ng isang Arduino)
• 2x28BYJ-5V stepper motors, 2xA4988 stepper motor driver at 2x development board upang mai-mount ang mga driver para sa mga binti
• 1x TOF10120 at 1x Mini 9g Servo motor para sa mga mata Ilang mga kable at turnilyo
• 1x unibersal na gulong, taas = 15mm

Kabilang sa mga iyon, tatlong bahagi lamang ang hindi pamantayan, samakatuwid narito ang mga link upang hanapin ang mga ito: hanapin ang extension board na ginamit ko dito (ngunit inirerekumenda kong gamitin mo ang isang ito sa halip para sa maayos na bersyon ng robot. Kailangan mong baguhin ang halos wala sa disenyo at gagawing mas simple ang mga kable na may liko na mga header na babae at babae), ang kalasag ng baterya dito, at ang unibersal na gulong dito.

Sa isip na mayroon ka rin sa iyong disposisyon:

• Isang multimeter
• Isang breadboard
• Isang bakal na bakal

Para sa mga pati na rin ang pamutol ng laser, suriin kung mayroon kang anumang mga fablab sa paligid ng iyong lugar! Ang mga magagaling na lugar upang matugunan ang ilang mga nakasisiglang gumagawa!

Hakbang 2: Paghanda ng Mga binti

Ang iyong unang misyon, kung tatanggapin mo ito, ay upang paikutin ang aming stepper motor gamit ang micro: bit bilang isang controller! Bakit isang stepper motor? Maaari akong pumunta para sa DC motor na may mga reducer ngunit sinubukan ko sila at nahihirapan akong makakuha ng murang mga motor na tumakbo sa mababang bilis. Naisip ko rin na masarap malaman nang tumpak sa kung anong bilis ng pag-ikot ng aking mga gulong. Para sa mga kadahilanang ang mga stepper motor ay ang pinakamahusay na pagpipilian.

Kaya ngayon, paano makontrol ang isang 28BYJ motor gamit ang isang 4988 driver? Ang sagot ay… medyo mahaba. Hindi ko namamahala na gawin itong maayos sa pagtuturo na ito, kaya gumawa ako ng isa pa para lamang sa hangaring ito na makikita mo rito. Inaanyayahan kita na sundin ang mga hakbang na iyon hanggang sa katapusan sa paglikha ng isang maliit na board ng prototyping 26x22mm malaki na may 2x2mm hole 17 mm appart upang mai-mount ito sa mga gilid tulad ng ipinakita sa larawan sa itaas (Tandaan na tulad ng nakasaad sa na-referensiyang artikulo ang dilaw na kawad sa kaliwang dumidikit ay naroon lamang upang ipaalala sa iyo na maghinang ng SLP at RST nang magkasama).

Matapos itong makatrabaho sa isang motor na may prototyping board, dinisenyo ko rin ang aking sariling PCB upang gawing mas malinis ang mga bagay. Ikinabit ko ang kaukulang easyEDA file. Ito ay isang txt file ngunit maaari mo pa ring buksan ito gamit ang easyEDA libreng online na pag-edit ng platform.

Hakbang 3: Nakikita Ko ang Liwanag !! (Opsyonal)

Kung nais mo lamang na bumuo at wala nang iba, tumalon sa bago bago ang talata ng hakbang na ito upang makita kung paano ikonekta ang isang TOF10120 sa micro: bit. Kung hindi matuloy.

Tulad ng aming micro: ang bit ay hindi nagmumula sa anumang camera o proximity sensor, ginagawa nitong uri ng bulag para sa anumang application ng mobile robotics. Dumating ito sa isang radio emitter at receptor kahit na papayagan kaming magtayo ng balangkas sa mayroon na kami at makakuha ng isang remote control robot. Ngunit hindi ba't mahusay na gawin nating autonomous ang aming robot? Oo magiging! Tingnan natin kung paano makakarating doon.

Ang interesado kami ngayon ay upang bigyan ng kasangkapan ang aming robot sa mga sensor, upang makakuha ang aming robot ng ilang impormasyon tungkol sa kapaligiran nito. Mayroong maraming mga uri ng mga sensor na magagamit, ngunit dito kami mag-focus sa proximity sensor. Kapag dinidisenyo ko ang robot na ito, ang aking hangarin ay karamihan na ang robot ay hindi nag-crash sa anumang bagay, samakatuwid nais kong magkaroon ito ng mga hadlang. Para sa mga ito mayroon ding ilang mga pagpipilian. Ang una, napaka-simple, ay maaaring gumamit ng mga bumper, ngunit nahanap ko ang impormasyon tungkol sa kapaligiran na medyo limitado. Sa iba pang matinding, maaari mong isipin ang pagdaragdag ng isang kamera (o isang Lidar o isang kamag-anak!). Gustung-gusto ko ang mga camera, paningin sa computer at lahat ng mga bagay na iyon, ngunit sa kasamaang palad Micro: bit ay hindi sumusuporta sa mga (kailangan naming gumamit ng isang raspberry Pi upang suportahan ang mga naturang aparato, hindi isang micro: bit o Arduino).

Kaya't ano ang suporta ng micro: bit na nasa pagitan ng isang camera at bumper? Mayroong maliit na mga aktibong sensor na nagpapadala ng ilaw sa kapaligiran at suriin kung ano ang natanggap upang makakuha ng ilang impormasyon tungkol sa mundo. Ang alam ko na ay ang GP2Y0A41SK0F na gumagamit ng isang paraan ng triangulation upang matantya ang distansya sa mga hadlang. Gayunpaman naisip ko kung makakahanap ako ng anumang mas mahusay, kaya't nagsaliksik ako at natapos ko ang pagtuklas ng TOF10120 (at ang GY-VL53L0XV2 ngunit hindi ko pa ito natanggap:(). Narito ang isang magandang artikulo para matuklasan mo ito. Karaniwan ang sensor na ito ay naglalabas ng isang infrared signal na sumasalamin sa mga hadlang at pagkatapos ay tumatanggap ito ng sinasalamin na ilaw. Depende sa oras na kinuha ng ilaw upang pabalik-balik, maaaring tantyahin ng sensor ang distansya ng balakid (samakatuwid ang pangalang TOF = oras ng paglipad). Para sa maliit na sukat, saklaw ng distansya at kinakailangan ng kuryente nagpasya akong gamitin ang TOF10120.

Habang ang aking unang ideya ay ilagay ang tatlo sa mga robot (isa sa harap at dalawa sa mga gilid), ang bagong taon ng Tsino at ang pandamihang COVID-19 ay hindi ginusto na sa ganoong paraan dahil tila nagdudulot ito ng mga problema sa mga kargamento. Kaya't nalimitahan ako sa isang TOF10120, na nais kong makita sa mga gilid din at mayroon akong ilang mga motor na servo na nakahiga, nagpasya akong i-mount ang aking sensor sa isang servo. Kaya't dalawang bagay ang nawawala ngayon: paano ko magagamit ang TOF10120 sa micro: bit? At parehong tanong sa servo.

Sa kabutihang palad ang micro: bit ay nilagyan ng I2C komunikasyon protocol at ginagawa nitong madali ang aming buhay: isaksak ang pulang kawad sa 3.3V, itim sa lupa, berde sa SCL at asul sa SDA at iyan lamang para sa bahagi ng hardware. Para sa software, hinihikayat ko kayo na basahin nang kaunti tungkol sa komunikasyon ng I2C at subukan ang code ng sawa na ikinabit ko sa micro: bit. Dapat i-print ka ng program na iyon ang distansya na sinusukat ng sensor sa REPL (Basahin ang Suriin ang Loop ng I-print). Ayan yun. Binigyan lamang namin ng paningin ang aming micro: bit.

Ngayon ay gawin nating iikot ang leeg nito kung papayagan mo akong ipagpatuloy ang aking mga pagkakatulad sa anatomya ng hayop. Ang iniisip lamang na kakailanganin namin iyan ay upang maghimok ng isang motor na servo gamit ang micro: bit. Ang bahaging ito ay tumatagal kaya bibigyan lamang kita ng link na ito na mayroong lahat ng impormasyong kakailanganin mo at ang code na ginamit ko upang subukan ito. Kung nais mo nagdagdag din ako ng isang simpleng code upang makontrol ang servo gamit ang pin0. Huwag kalimutan na i-power ang iyong servo gamit ang 5V at hindi 3.3V.

Hakbang 4: Pag-hack sa Shield ng Baterya

Ngayong handa na namin ang aming mga actuator at sensor, oras na upang tingnan ang system ng pamamahala ng baterya. Upang malaman mo ang tungkol sa baterya na pinili ko, payuhan ko kayong basahin ang artikulong ito. Tingin ko ito ay napakalinaw at naa-access. Mula sa artikulong ito maaari nating makita ang maraming mga pakinabang ng kalasag ng baterya na ito, ngunit may isang mahalagang sagabal na hindi ko nais na tanggapin: ang ON / OFF switch ay nakakaapekto lamang sa output ng USB. Nangangahulugan ito na kung patayin mo ang switch, ang lahat ng iba pang mga 3.3V at 5V na pin ay pinapagana. Bilang isang resulta, habang ginagamit namin ang mga pin para sa aming robot, ang switch ay walang gagawin kahit ano …

Ngunit nais kong ma-patay ang aking robot upang hindi maalis ang aking batterie nang wala, kaya kinailangan kong tadtarin ang kalasag ng baterya. Hindi ito magiging maganda, ngunit gumagana ito at wala itong gastos. Samakatuwid nais ko ang isang switch upang buksan o isara ang circuit upang ihiwalay nito ang aking cell ng baterya mula sa kalasag ng baterya. Wala akong kagamitan upang hawakan ang PCB, ngunit mayroon akong mga piraso ng plastik sa paligid. Kaya ngayon isipin na pinutol ko ang isang piraso ng plastik upang magkasya ito sa isang dulo ng aking cell ng baterya sa kalasag tulad ng sa unang imahe sa itaas. Ang circuit ay bukas na at ang aking baterya ay ligtas na nakaimbak.

Oo ngunit hindi ko nais na buksan ang robot upang ma-access ang kalasag ng baterya upang mailagay at alisin ang piraso ng plastik na ito! Madali: kumuha ng isang switch at i-tape ang dalawang maliit na mga parisukat ng aluminyo sa bawat isa sa mga wire na konektado sa switch. Ngayon i-tape ang dalawang piraso ng aluminyo sa piraso ng plastik upang mailayo ang dalawang piraso ng aluminyo mula sa bawat isa at upang mailantad ang aluminyo sa labas ng iyong system. Karaniwan dapat gawin iyon. Ipasok ang iyong bagong nilikha sa kalasag ng baterya sa tabi ng cell, at ang switch ay dapat payagan kang buksan o isara ang circuit na konektado sa cell.

Isang huling bagay: upang gawing madali upang tipunin at i-disemble ang robot, payuhan ko kayo na maghinang ng mga babaeng header sa kalasag ng baterya. Sa ganitong paraan madali mong mai-plug at i-unplug ang iyong itinatayo sa mga motor at kanilang mga driver.

Hakbang 5: Disenyo at Gupit ng 3D

Ang tanging bagay na nawawala ngayon ay upang buuin ang istraktura na magkakasama sa lahat ng aming mga bahagi. Upang magawa ito ginamit ko ang online platform tinkercad. Ito ay isang talagang magandang kapaligiran upang gumawa ng ilang pangunahing CAD na madalas na sapat para sa pagdidisenyo ng mga bagay para sa pamutol ng laser.

Pagkatapos ng ilang oras na pag-iisip, oras na para mag-tinker. Upang magawa ito nagsimula akong pagsamahin ang mga modelo ng 3D ng iba't ibang bahagi na mayroon ako (unang pinapanatili ang servo at TOF sa labas ng equation). Kasama rito ang baterya at kalasag, ang mga motor na stepper at ang mga driver ng motor, at syempre ang micro: bit kasama ang extension board. Ikinabit ko ang lahat ng kaukulang mga modelo ng 3D bilang mga file ng stl. Upang mapagaan ang proseso, nagpasya akong gawing simetriko ang aking robot. Bilang isang resulta tinkered ako sa kalahati lamang ng robot at naabot ang disenyo na ipinakita sa imahe sa itaas.

Mula dito nabuhay ang ilang mga bersyon, kung saan pinili ko ang dalawa:

• Ang isang medyo malinis, nang walang proximity sensor, na nagbibigay-daan upang walang mga wire na lumilitaw. Habang hindi nagsasarili ang bersyon na ito ay maaari pa ring mai-program sa pamamagitan ng bluetooth sa pamamagitan ng isang iPad halimbawa, o maaaring mai-program upang makontrol gamit ang mga signal ng radyo na maaaring halimbawa ay maipadala ng isa pang micro: kagaya ng ipinakita sa video sa itaas.
• Ang isang mas mas malinis na kung saan ay nagbibigay-daan upang pumunta sa karagdagang mga robot na pang-mobile dahil pinahihintulutan nitong makuha ang distansya ng balakid na may 180 ° view salamat sa proximity sensor na itinayo sa isang servo motor.

Upang maitaguyod ito, pumunta sa iyong paboritong Fablab at gamitin ang laser cutter na iyong nahanap upang gupitin ang modelo ng iyong kagustuhan: ang una na naaayon sa mga file na disenyo1_5mmMDF.svg at design1_3mmMDF na tumutugma ayon sa pagkakabanggit sa mga bahagi upang i-cut sa 5mm MDF kahoy at ang mga i-cut mula sa 3mm na isa; ang pangalawa ay tumutugma sa disenyo ng file2_5mmMDF.svg. Itakda ang mga itim na contour upang i-cut at ang mga pula na nakaukit.

Tala sa gilid: Idinagdag ko ang pulang pattern upang bugawin ito. Ito ay isang pagpapaandar ng pagpuno ng Hilbert na aking nabuo gamit ang nakalakip na code ng sawa.

Hakbang 6: Pag-mount ng hayop

Ang mga hakbang na sinundan ko upang mai-mount ang unang bersyon ng robot ay ang mga sumusunod (ang mga larawan ay dapat na nasa tamang pagkakasunud-sunod):

1. Alisin ang asul na takip ng mga motor at gupitin ito ng kaunti upang mailabas ang cable mula sa likuran ng motor.
2. I-mount ang mga motor sa bawat panig gamit ang M2 screws at bolts.
3. I-mount ang prototyping board sa mga gilid gamit ang mga butas ng 2x2mm at ilang mga turnilyo at bolt.
4. Ilagay ang mga driver ng A4988 at i-tape ang mga kable ng motor upang mapanatili itong malinis.
5. I-mount ang unibersal na gulong sa ilalim ng ilalim na bahagi at idagdag ang mga gilid.
6. I-mount ang extension board ng micro: bit sa tuktok na bahagi.
7. I-mount ang ilalim ng nababaluktot na takip sa harap.
8. Ilagay ang kalasag ng batterie at ikonekta ang lahat (upang gawin ito, habang naghihintay pa rin ako para sa paghahatid ng extension board na gusto ko at mayroon lamang ako na may mga babaeng header na nakadikit, nag-recycle ako ng isang IDE cable mula sa isang lumang computer upang pamahalaan wala ang aking mga kable na nakadikit sa board upang masakop ang lahat ng ito sa pamamagitan ng natitiklop na takip sa harap). Bagaman napakadali kong ibagay ang code na ibinigay ko, upang magamit ito nang direkta, kakailanganin mong ikonekta ang kaliwang HAKBANG sa pag-pin 2, kanan na HAKBANG upang i-pin 8, kaliwa DIR upang i-pin 12, kanan DIR upang i-pin ang 1.
9. Ilagay ang micro: kaunti sa extension.
10. Subukan na ang lahat ay gumagana sa MoveTest.py bago magpatuloy.
11. I-mount ang switch sa tuktok na bahagi at ilagay ang plastic bit sa tabi ng lithium cell.
12. I-tornilyo ang tuktok na bahagi ng takip sa harap.
13. I-mount ang likod, at tapos ka na! Phew ! Hindi ko inaasahan na maraming mga hakbang! Napakadali na isipin ito at gawin ito kaysa ipaliwanag ito sa mga salita! (At sigurado akong magkakaroon pa rin ng nawawalang impormasyon!)

Kung binubuo mo ang pangalawang bersyon gamit ang proximity sensor, pagkatapos ay:

1. Sundin ang tagubilin sa itaas. Ang kaibahan lamang ay kailangan mong magdagdag ng ilang mga M2 spacer sa hakbang 7 (bagaman iyon ang ginawa ko ngunit hindi ito kinakailangan), huwag pansinin ang hakbang 8 at hakbang 13 (dahil walang takip sa harap)
2. I-mount ang servo motor na may M2 screws at ikonekta ang VCC at GND ng servo nang direkta sa 5V ng kalasag ng baterya, at ikonekta ang kontrol sa pag-input sa pin 0 ng micro: bit.
3. I-mount ang dalawang piraso ng kahoy na pupunta sa tuktok ng servo gamit ang isang tornilyo, i-tornilyo ang sensor ng TOF dito pati na rin ang puting plastik na piraso na kasama ng servo.
4. I-mount ang huling yunit na ito sa servo at ikonekta ang sensor gamit ang I2C ng micro: kaunti tulad ng inilarawan sa hakbang 3.

Hakbang 7: Programa

Ayan yun ! Mayroon kang isang robot na maaari mong i-program alinman sa micro: python o sa makecode. Nag-attach ako dito ng ilang sample code na ginamit ko upang gawin ang mga video sa itaas:

• Halimbawa 1: Ilagay ang radioControl.py sa micro: bit ng robot at ReadAccelero.py sa isa pang micro: bit upang makontrol ang robot gamit ang pagkahilig ng pangalawang micro: bit.
• Halimbawa 2: Ilagay ang Autonomous.py sa bersyon 2 ng robot na ito ang tuklasin ang kapaligiran.

Iyon lamang ang mga pangunahing halimbawa na maaari mong gamitin upang magkano ang mas malayo. Halimbawa ay gusto ko ng sabay-sabay na pag-localize at pagmamapa, at karaniwang may lahat ng kailangan mo sa bersyon 2 ng robot na ito upang magawa iyon! Bagaman isang malaking sagabal para sa akin na gawin ang isang proyekto ay ang micro: bit PWM driver ay isang driver ng software na gumagamit ng parehong timer para sa lahat ng mga channel, nangangahulugang ang lahat ng mga itinakda nating PWM ay dapat magkaroon ng parehong dalas (na kung saan ay isang bagay na ginawa ko hindi alam kung kailan ko sinulat ang mga sample code bagaman may nakita akong kakaiba noong nagsulat ako ng Autonomous.py).

Hakbang 8: Pupunta Pa

Huwag mag-atubiling pagbutihin ang disenyo, malutas ang ilang mga problema na hindi ko nakita. Halimbawa, nais kong sa huli:

• Magdagdag ng isang IR sensor sa ilalim ng robot upang matukoy kung ang lupa ay itim o puti o kung ito ay umabot sa dulo ng aking mesa.
• Baguhin ang system ng pamamahala ng baterya dahil hindi pa ako nasiyahan dito. Sa katunayan, sa ngayon, upang muling magkarga ng baterya, kinakailangan upang i-disassemble ang robot upang mailabas ang cell o ang kalasag ng baterya … Samakatuwid pinaplano kong: 1. magdagdag ng isang mini-USB na konektor sa likod ng robot na makakonekta ako sa kalasag ng baterya, upang ma-recharge ko ito; 2. Gupitin ang isang butas sa ilalim upang makita ang mga LED mula sa kalasag ng baterya upang makita kung tapos na ang pag-charge.
• Suriin kung may katanggap-tanggap na paraan upang mag-output ng mga PWM na may iba't ibang mga frequency.
• Subukan ang VL53L0XV2 upang mapalitan ang TOF10120 dahil maaaring ito ay isang mas murang opsyon na gagawing madali itong ma-access sa mas maraming mga tao. Kahit na nabasa ko ang higit pa tungkol sa sensor na ito at tila ang kumpanya na gumawa ng murang ito ay sadyang napakahirap makitungo sa…
• Subukan ang iba't ibang mga disenyo para sa mga gulong upang gawing mas matibay ang mga ito (Sa ngayon inaasahan ko na kung kukuha ako ng mga gulong sa loob at labas ng maraming beses, ang kahoy ay unti-unting masisira. Kung gagawin ko ang kahoy na mas nababanat na binabago ang disenyo na maaari kong magawa itong mas matagal)

Isang malaking salamat sa mga tao mula sa koponan ng Mobile robotics (bahagi na ngayon ng Biorobotics laboratoryo) ng EPFL na tumulong sa akin ng lubos na palawakin ang aking kaalaman sa electronics at mekanika!