DIY التعليمي الصغير: روبوت بت: 8 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:37

سيوضح لك هذا الدليل كيفية بناء روبوت يمكن الوصول إليه نسبيًا وقادرًا ورخيصًا. كان هدفي في تصميم هذا الروبوت هو اقتراح شيء يمكن لمعظم الناس تحمله ، لتعليم علوم الكمبيوتر بطريقة جذابة أو التعرف عليها.

بمجرد إنشاء هذا الروبوت ، يمكنك الاستمتاع بمجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار والمشغلات للقيام بأشياء أساسية ولكن أيضًا متقدمة جدًا اعتمادًا على الإصدار الذي تقوم بإنشائه (سأقدم نسختين). مع هذا الروبوت ، فإنك تمنح العينين (رؤية 180 درجة!) والساقين (مع إمكانية الحركة الدقيقة!) إلى micro: bit بينما يوفر لك micro: bit ميزات رائعة مثل مصفوفة LED والاتصال اللاسلكي واتصال البلوتوث ومقياس التسارع ، compas ، ولكن أيضًا الوصول إلى كل تلك الأشياء باستخدام MicroPython أو بلغة برمجة مرئية مشابهة للخدش (في الواقع أيضًا في C ++ و javascript ولكني أجد تلك أقل ملاءمة للتعليم).

سأعمل أيضًا على هذه التعليمات حتى أتمكن من ضبط القراء والصناع على المسار الصحيح لاكتشاف المزيد حول الروبوتات المحمولة والإلكترونيات والتصميم وقطع الأخشاب. للقيام بذلك ، صممت كل شيء ليكون معياريًا قدر الإمكان. على سبيل المثال ، لن أستخدم أي غراء للسماح بالتجميع والتفكيك بحرية ، مما يجعل الترقيات وتصحيح الأخطاء أسهل. سأقوم أيضًا بجعل الخطوات تدريجية بقدر ما أستطيع ، حتى تتمكن من فهم ما يحدث تدريجيًا ، والتحقق من أن الأشياء تعمل كما ينبغي ، والوصول إلى النهاية باستخدام روبوت يعمل.

الخطوة 1: جمع القطع

بالنسبة لهذا المشروع ، فإن الحد الأدنى للدب الذي ستحتاجه هو:

• خشب MDF بسمك 5 مم وقاطع ليزر للهيكل العظمي
• بطارية ليثيوم 1x18650 ، درع بطارية 1x للطاقة والمقاطعة
• 1xMicro: بطاقة بت و 1xMicro: لوحة تمديد بت للدماغ (على الرغم من أنه يمكن استبدال كليهما بسهولة بواسطة Arduino)
• 2x28BYJ-5V محركات متدرجة ، 2xA4988 محركات متدرجة ولوحة تطوير 2x لتركيب محركات الأرجل
• 1x TOF10120 و 1x Mini 9g محرك سيرفو للعيون بعض الكابلات والمسامير
• 1x عجلة عالمية ، الارتفاع = 15 مم

من بين هذه الأجزاء الثلاثة فقط ليست معايير ، لذلك إليك روابط للعثور عليها: ابحث عن لوحة الامتداد التي استخدمتها هنا (لكنني أوصيك باستخدام هذا الجزء بدلاً من ذلك للإصدار الأنيق من الروبوت. سيتعين عليك لا يغير أي شيء تقريبًا في التصميم وسيجعل الأسلاك أكثر بساطة مع رؤوس الانحناء الأنثوية) ، ودرع البطارية هنا ، والعجلة العامة هنا.

من الناحية المثالية ، سيكون لديك أيضًا تحت تصرفك:

• جهاز متعدد
• لوح التجارب
• لحام الحديد

بالنسبة لأولئك بالإضافة إلى قاطع الليزر ، تحقق مما إذا كان لديك أي فاب لاب حول مكانك! هذه أماكن رائعة لمقابلة بعض الصانعين الملهمين!

الخطوة الثانية: تجهيز الساقين

ستكون مهمتك الأولى ، إذا قبلتها ، هي جعل محركنا السائر يدور باستخدام micro: bit كوحدة تحكم! لماذا محرك متدرج؟ كان من الممكن أن أذهب لمحرك DC مع مخفضات لكنني جربتها ووجدت صعوبة في الحصول على محركات رخيصة تعمل بسرعة منخفضة. اعتقدت أيضًا أنه سيكون من الجيد معرفة السرعة التي تدور بها عجلاتي بدقة. لهذه الأسباب كانت المحركات السائر الخيار الأفضل.

حتى الآن ، كيف تتحكم في محرك 28BYJ باستخدام برنامج تشغيل 4988؟ الجواب … طويل بعض الشيء. لم أتمكن من جعله مناسبًا بدقة في هذه التعليمات ، لذلك صنعت واحدة أخرى لهذا الغرض فقط ستجدها هنا. أدعوك لاتباع هذه الخطوات حتى النهاية مع إنشاء لوحة نماذج أولية صغيرة بحجم 26 × 22 مم مع فتحات 2 × 2 مم 17 مم لتثبيتها على الجانبين كما هو موضح في الصورة أعلاه (لاحظ أنه كما هو مذكور في المقالة المرجعية السلك الأصفر على اليسار ، يوجد فقط لتذكيرك بلحام SLP و RST معًا).

بعد الحصول على هذا العمل مع محرك واحد مع لوحة النماذج الأولية ، قمت أيضًا بتصميم PCB الخاص بي لجعل الأشياء أكثر ترتيبًا. أرفقت ملف easyEDA المقابل. إنه ملف txt ولكن لا يزال بإمكانك فتحه باستخدام منصة التحرير المجانية عبر الإنترنت easyEDA.

الخطوة الثالثة: أرى النور !! (اختياري)

إذا كنت ترغب فقط في البناء وليس أكثر ، فانتقل إلى الفقرة السابقة للفقرة الأخيرة من هذه الخطوة لمعرفة كيفية توصيل TOF10120 بـ micro: bit. إن لم يكن من خلال المتابعة.

نظرًا لأن micro: bit الخاص بنا لا يأتي مع أي كاميرا أو مستشعر القرب ، فإنه يجعله نوعًا من الأعمى لأي تطبيق روبوتات محمول. إنه يأتي مع باعث ومستقبل راديو على الرغم من أنه سيسمح لنا ببناء الهيكل العظمي فوق ما لدينا بالفعل والحصول على روبوت يتم التحكم فيه عن بعد. لكن أليس من الرائع أن نجعل الروبوت الخاص بنا مستقلاً؟ نعم سيكون ! لذلك دعونا نرى كيف نصل إلى هناك.

ما يهمنا الآن هو تزويد الروبوت بأجهزة استشعار ، حتى يتمكن الروبوت الخاص بنا من الحصول على بعض المعلومات حول بيئته. هناك العديد من أنواع المستشعرات المتاحة ، ولكننا سنركز هنا على مستشعر القرب. عندما كنت أصمم هذا الروبوت ، كان هدفي في الغالب ألا يصطدم الروبوت بأي شيء ، لذلك أردت أن يشعر بالعقبات. لهذا هناك أيضًا بعض الخيارات. الأول ، البسيط للغاية ، يمكن أن يكون استخدام المصدات ، لكني أجد المعلومات حول البيئة محدودة بعض الشيء. على الطرف الآخر ، يمكنك التفكير في إضافة كاميرا (أو Lidar أو kinect!). أنا أحب الكاميرات ورؤية الكمبيوتر وكل هذه الأشياء ، لكن للأسف لا يدعم Micro: bit تلك (علينا استخدام Raspberry Pi لدعم مثل هذه الأجهزة ، وليس micro: bit أو Arduino).

إذن ما الذي يدعمه micro: bit الموجود بين الكاميرا والمصدات؟ هناك مستشعرات صغيرة نشطة ترسل الضوء إلى البيئة وتتحقق مما يتم تلقيه للحصول على بعض المعلومات حول العالم. ما كنت أعرفه بالفعل هو GP2Y0A41SK0F الذي يستخدم طريقة التثليث لتقدير المسافة إلى العوائق. ومع ذلك ، تساءلت عما إذا كان بإمكاني العثور على أي شيء أفضل ، لذلك أجريت بعض الأبحاث وانتهى بي المطاف باكتشاف TOF10120 (و GY-VL53L0XV2 ولكني لم أستلمها بعد:). إليك مقالة لطيفة لك لاكتشافها. يقوم هذا المستشعر بشكل أساسي بإصدار إشارة الأشعة تحت الحمراء التي تنعكس على العوائق ثم يستقبل الضوء المنعكس. اعتمادًا على الوقت الذي يستغرقه الضوء للذهاب ذهابًا وإيابًا ، يمكن للمستشعر تقدير مسافة العائق (ومن هنا جاء الاسم TOF = وقت الرحلة بالنسبة لصغر حجمها ومدى المسافة ومتطلبات الطاقة ، قررت استخدام TOF10120.

بينما كانت فكرتي الأولى هي وضع ثلاثة من هؤلاء على الروبوت (واحد في المقدمة واثنان على الجانبين) ، لم يكن العام الصيني الجديد ووباء COVID-19 يريدان ذلك بهذه الطريقة لأنه بدا أنه يسبب مشاكل في الشحنات. نظرًا لأنني كنت مقيدًا بـ TOF10120 واحدًا ، أردت أن أراه على الجانبين أيضًا وأن لدي بعض المحركات المؤازرة في الجوار ، فقد قررت تركيب المستشعر على جهاز مؤازر. هناك شيئان مفقودان الآن: كيف يمكنني استخدام TOF10120 مع micro: bit؟ ونفس السؤال مع المؤازرة.

لحسن الحظ ، تم تجهيز micro: bit ببروتوكول اتصال I2C وهو يجعل حياتنا سهلة حقًا: قم بتوصيل السلك الأحمر بـ 3.3 فولت والأسود بالأرضي والأخضر بـ SCL والأزرق بـ SDA وهذا كل شيء بالنسبة لجزء الأجهزة. بالنسبة للبرنامج ، أشجعك على قراءة القليل عن اتصال I2C وتجربة كود Python الذي أرفقته على micro: bit. يجب أن يقوم هذا البرنامج بطباعة المسافة التي تم قياسها بواسطة المستشعر الموجود على REPL (قراءة تقييم حلقة الطباعة). هذا كل شيء. لقد أعطينا البصيرة لـ micro: bit الخاص بنا.

الآن دعنا نجعله يدير رقبته إذا سمحت لي بمواصلة تشبيهاتي مع تشريح الحيوانات. الاعتقاد الوحيد الذي سنحتاج إليه هو قيادة محرك مؤازر باستخدام micro: bit. يستغرق هذا الجزء وقتًا طويلاً ، لذا سأعطيك هذا الرابط الذي يحتوي على جميع المعلومات التي ستحتاج إليها والرمز الذي استخدمته لاختباره. إذا كنت تريد أيضًا إضافة رمز بسيط للتحكم في المؤازرة باستخدام pin0. فقط لا تنسى تشغيل المؤازرة الخاصة بك بجهد 5 فولت وليس 3.3 فولت.

الخطوة 4: اختراق درع البطارية

الآن بعد أن جهزنا مشغلاتنا وأجهزة الاستشعار ، حان الوقت لإلقاء نظرة على نظام إدارة البطارية. لكي تتعلم المزيد عن درع البطارية الذي اخترته ، أنصحك بقراءة هذا المقال. أجده واضحًا جدًا ويمكن الوصول إليه. من هذه المقالة يمكننا أن نرى العديد من مزايا درع البطارية هذا ، ولكن هناك عيبًا واحدًا مهمًا لم أرغب في قبوله: لا يؤثر مفتاح التشغيل / الإيقاف إلا على إخراج USB. هذا يعني أنه إذا قمت بإيقاف تشغيل المفتاح ، فسيتم تشغيل جميع المسامير الأخرى 3.3 فولت و 5 فولت. نتيجة لذلك ، نظرًا لأننا نستخدم هذه المسامير لروبوتنا ، فلن يفعل المفتاح شيئًا على الإطلاق …

لكني أريد أن أكون قادرًا على إيقاف تشغيل الروبوت الخاص بي حتى لا أفراغ بطاريتي من أجل لا شيء ، لذلك اضطررت إلى اختراق درع البطارية. لن تكون جميلة ، لكنها تعمل ولا تكلف شيئًا. لذلك أريد مفتاحًا لفتح الدائرة أو إغلاقها بحيث تعزل خلية بطاريتي عن درع البطارية. ليس لدي المعدات اللازمة للمس ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، لكن لدي قطع بلاستيكية في كل مكان. تخيل الآن أنني قطعت قطعة من البلاستيك بحيث يمكن وضعها في أحد طرفي خلية بطاريتي في الدرع كما في الصورة الأولى أعلاه. الدائرة مفتوحة الآن وبطاريتي مخزنة بأمان.

نعم ولكني لا أريد أن أضطر إلى فتح الروبوت للوصول إلى درع البطارية لوضع وإزالة هذه القطعة البلاستيكية! سهل: احصل على مفتاح وشريط مربعين صغيرين من الألومنيوم لكل من الأسلاك المتصلة بالمفتاح. الآن قم بربط قطعتين من الألمنيوم بقطعة بلاستيكية من أجل عزل قطعتين من الألومنيوم عن بعضهما البعض ومن أجل تعريض الألمنيوم إلى الجزء الخارجي من نظامك. عادة يجب أن تفعل ذلك. أدخل إبداعك الجديد في درع البطارية المجاور للخلية ، ويجب أن يسمح لك المفتاح بفتح أو إغلاق الدائرة المتصلة بالخلية.

شيء أخير: لتسهيل تجميع الروبوت وتفكيكه ، أنصحك بلحام الرؤوس الأنثوية على درع البطارية. بهذه الطريقة يمكنك بسهولة توصيل وفصل ما تقوم ببنائه باستخدام المحركات وبرامج التشغيل الخاصة بها.

الخطوة 5: تصميم وقص ثلاثي الأبعاد

الشيء الوحيد المفقود الآن هو بناء الهيكل الذي سيجمع كل مكوناتنا معًا. للقيام بذلك ، استخدمت منصة tinkercad عبر الإنترنت. هذه بيئة لطيفة حقًا للقيام ببعض CAD الأساسية والتي غالبًا ما تكون كافية لتصميم الأشياء لقاطع الليزر.

بعد بعض الوقت من التفكير ، حان وقت الإصلاح. للقيام بذلك ، بدأت في تجميع نماذج ثلاثية الأبعاد للأجزاء المختلفة التي أمتلكها (أبقيت المؤازرة و TOF أولاً خارج المعادلة). يتضمن ذلك البطارية والدرع ومحركات السائر ومحركات المحركات ، وبالطبع micro: bit بلوحة التمديد الخاصة به. لقد أرفقت جميع النماذج ثلاثية الأبعاد المقابلة كملفات stl. لتسهيل العملية ، قررت أن أجعل الروبوت الخاص بي متماثلًا. نتيجة لذلك ، قمت بالعبث بنصف الروبوت فقط ووصلت إلى التصميم الموضح في الصورة أعلاه.

من هذا ظهرت بعض الإصدارات ، والتي اخترت منها نسختين:

• واحد منظم تمامًا ، بدون مستشعر القرب ، والذي يسمح بعدم ظهور الأسلاك. على الرغم من أن هذا الإصدار غير مستقل ، فلا يزال من الممكن برمجته عبر البلوتوث من خلال جهاز iPad على سبيل المثال ، أو يمكن برمجته للتحكم باستخدام إشارات الراديو التي يمكن إرسالها على سبيل المثال بواسطة micro: bit آخر كما هو موضح في الفيديو أعلاه.
• واحد أقل مرتبة بكثير مما يسمح بالذهاب إلى أبعد من ذلك بكثير في الروبوتات المتنقلة لأنه يسمح بالتقاط مسافة العائق برؤية 180 درجة بفضل مستشعر القرب المبني على محرك مؤازر.

لبناء هذا ، انتقل إلى Fablab المفضل لديك واستخدم قاطع الليزر الذي تجده لقص النموذج الذي تفضله: أول واحد يتوافق مع تصميم الملفات الخشب وتلك المراد قطعها من 3 مم ؛ الثاني يتوافق مع ملف design2_5mmMDF.svg. اضبط الخطوط السوداء المراد قطعها والحمراء المراد نقشها.

ملاحظة جانبية: لقد أضفت النمط الأحمر فقط لتقويته. هذه وظيفة تعبئة هلبرت قمت بإنشائها باستخدام كود بيثون المرفق.

الخطوة السادسة: تثبيت الوحش

الخطوات التي اتبعتها لتركيب الإصدار الأول من الروبوت هي التالية (يجب أن تكون الصور بالترتيب الصحيح عادةً):

1. قم بإزالة الغطاء الأزرق للمحركات وقطعه قليلاً لجعل الكابل يبرز من الجزء الخلفي من المحرك.
2. قم بتركيب المحركات على كل جانب باستخدام مسامير ومسامير M2.
3. قم بتركيب لوحة النماذج الأولية على الجانبين باستخدام فتحات 2x2mm وبعض البراغي والمسامير.
4. ضع برامج تشغيل A4988 وقم بربط كابلات المحرك للحفاظ عليها مرتبة.
5. ركب العجلة العامة أسفل الجزء السفلي وأضف الجوانب.
6. قم بتركيب لوحة التمديد الخاصة بـ micro: bit في الجزء العلوي.
7. قم بتركيب الجزء السفلي من الغطاء الأمامي المرن.
8. ضع درع البطاريات وقم بتوصيل كل شيء (للقيام بذلك ، حيث كنت لا أزال أنتظر تسليم لوحة التمديد التي أردتها وأنني لم يكن لدي سوى واحدة برؤوس نسائية بارزة ، قمت بإعادة تدوير كبل IDE من جهاز كمبيوتر قديم لأتمكن من ذلك ليس لدي الكابلات التي تلتصق باللوحة من أجل تغطية كل هذا من خلال الغطاء الأمامي القابل للطي). على الرغم من سهولة تكييف الكود الذي قدمته ، لاستخدامه مباشرة ، ستحتاج إلى توصيل الخطوة اليسرى بالرقم 2 ، والخطوة اليمنى بالرقم 8 ، والدار الأيسر للرقم 12 ، والمدير الأيمن بالدبوس 1.
9. ضع micro: bit في الامتداد.
10. اختبر أن كل شيء يعمل مع MoveTest.py قبل المضي قدمًا.
11. قم بتركيب المفتاح في الجزء العلوي وضع قطعة بلاستيكية بجوار خلية الليثيوم.
12. برغي الجزء العلوي من الغطاء الأمامي.
13. جبل الظهر ، وأنت انتهيت! تفو! لم أكن أتوقع أن خطوات كثيرة! من الأسهل بكثير التفكير في الأمر والقيام به بدلاً من شرحه بالكلمات! (وأنا متأكد من أنه ستظل هناك معلومات مفقودة!)

إذا كنت تقوم ببناء الإصدار الثاني باستخدام مستشعر القرب ، فحينئذٍ:

1. اتبع التعليمات أعلاه. سيكون الاختلاف الوحيد هو أنه سيتعين عليك إضافة بعض فواصل M2 في الخطوة 7 (على الرغم من أن هذا ما فعلته ولكنه ليس مطلوبًا) ، تجاهل الخطوة 8 والخطوة 13 (حيث لا يوجد غطاء أمامي)
2. قم بتركيب محرك سيرفو بمسامير M2 وقم بتوصيل VCC و GND من المؤازرة مباشرة على 5V لدرع البطارية ، وقم بتوصيل مدخل التحكم بالدبوس 0 من micro: bit.
3. قم بتركيب قطعتين من الخشب التي ستوضع أعلى المؤازرة ببرغي ، ثم قم بلف مستشعر TOF على هذا بالإضافة إلى القطعة البلاستيكية البيضاء التي تأتي مع المؤازرة.
4. قم بتركيب هذه الوحدة الأخيرة على المؤازرة وقم بتوصيل المستشعر باستخدام I2C من micro: bit كما هو موضح في الخطوة 3.

الخطوة 7: البرنامج

هذا كل شيء ! لديك روبوت يمكنك برمجته إما في micro: python أو في makecode. لقد أرفقت هنا بعض نماذج التعليمات البرمجية التي استخدمتها لعمل مقاطع الفيديو أعلاه:

• مثال 1: ضع radioControl.py على micro: bit من الروبوت و ReadAccelero.py على ميكرو: بت آخر للتحكم في الروبوت باستخدام ميل micro: bit الثاني.
• مثال 2: ضع Autonomous.py على الإصدار 2 من الروبوت الذي سيقوم باستكشاف البيئة.

هذه مجرد أمثلة أساسية يمكنك استخدامها للذهاب إلى أبعد من ذلك بكثير. على سبيل المثال ، أحب الترجمة المتزامنة ورسم الخرائط ، وعادة ما يكون هناك كل ما تحتاجه في الإصدار 2 من هذا الروبوت للقيام بذلك! على الرغم من أن أحد العوائق الكبيرة بالنسبة لي للقيام بمثل هذا المشروع هو أن برنامج تشغيل micro: bit PWM هو برنامج تشغيل يستخدم نفس المؤقت لجميع القنوات ، مما يعني أن جميع PWM التي قمنا بتعيينها يجب أن يكون لها نفس التردد (وهو ما فعلته لا أعرف متى كتبت رموز العينة على الرغم من أنني اكتشفت شيئًا غريبًا عندما كتبت Autonomous.py).

الخطوة 8: المضي قدمًا

لا تتردد في تحسين التصميم وحل بعض المشاكل التي لم أرها. على سبيل المثال ، أود في النهاية:

• أضف مستشعر الأشعة تحت الحمراء في الجزء السفلي من الروبوت لجعله يكتشف ما إذا كانت الأرض سوداء أو بيضاء أو إذا كان يصل إلى نهاية مكتبي.
• قم بتغيير نظام إدارة البطارية لأنني غير راضٍ عنه حتى الآن. في الواقع ، في الوقت الحالي ، لإعادة شحن البطارية ، يتطلب الأمر تفكيك الروبوت لإخراج الخلية أو درع البطارية … لذلك أخطط لما يلي: 1. إضافة موصل USB صغير في الجزء الخلفي من الروبوت الذي أقوم به سأتصل بدرع البطارية ، حتى أتمكن من إعادة شحنه ؛ 2. اقطع ثقبًا في الأسفل لرؤية مصابيح LED من درع البطارية لترى متى ينتهي الشحن.
• تحقق مما إذا كانت هناك طريقة مقبولة لإخراج PWM بترددات مختلفة.
• جرب VL53L0XV2 لاستبدال TOF10120 لأنه قد يكون خيارًا أرخص مما يجعله في متناول المزيد من الأشخاص. على الرغم من أنني قرأت المزيد عن هذا المستشعر ويبدو أن الشركة التي جعلت هذا المستشعر رخيصًا جعلت التعامل معه صعبًا عن قصد …
• اختبر تصميمات مختلفة للعجلات لجعلها أكثر متانة (في الوقت الحالي ، أتوقع أنه إذا قمت بإدخال العجلات وإخراجها عدة مرات ، سيتعرض الخشب للتلف تدريجيًا. إذا جعلت الخشب أكثر مرونة بتعديل التصميم ، فقد تكون قادرة على جعلها تدوم لفترة أطول)

شكراً جزيلاً لأفراد فريق الروبوتات المتنقلة (الذي أصبح الآن جزءًا من مختبر الروبوتات الحيوية) في EPFL الذين ساعدوني كثيرًا في توسيع معرفتي بالإلكترونيات والميكانيكا!