Как построить робот - дизайн и схема
Начните строить робота, который может следовать за линиями или стенами и избегать препятствий!
Статьи по Теме
Как построить робот:
Часть 2. Дизайн печатной платы
Часть 3: Тестирование оборудования
Часть 4: Линейный последователь
Часть 5: Предотвращение препятствий
Часть 6: Настенный робот
обзор
Это часть 1 серии статей о моем опыте создания робота, который может делать разные вещи. Я думал, что было бы аккуратно создать робота, который легко было бы собрать вместе с одним паяльником и был бы также доступным. Я выполнил следующие требования для своего робота:
- Многие комплекты стоят дорого, поэтому они должны быть относительно недорогими.
- Его необходимо легко собрать без специального оборудования.
- Он должен быть легко программирован без сложной среды разработки или программиста.
- Он должен быть достаточно мощным для расширяемости.
- Он должен работать от простого источника питания.
- Он должен иметь возможность следовать по линии или стене и избегать препятствий.
В этой статье я расскажу о том, как я решил выполнить эти требования.
Выбор компонентов
Первый шаг в любом проекте - выяснить, какие части необходимы. Роботу нужно несколько ключевых вещей, чтобы быть полезным: способ двигаться, думать и взаимодействовать с его окружением. Чтобы снизить издержки, мне нужно пройти двумя колесами. Это означает, что мне нужно управлять двумя отдельными двигателями, которые могут работать независимо. Мне также нужен заклинатель шара, который робот может наклоняться, чтобы скользить. У этого есть неудачный недостаток, который робот действительно не может пойти ни на какие поверхности, кроме гладких полов. Я хочу, чтобы мозги были своего рода известной микроконтроллерной платформой. Таким образом, ему потребовался программист или руководство по использованию инструментов разработки. У робота должны быть датчики, которые позволяют ему знать о линиях, стенах и препятствиях. Я также хочу свести к минимуму количество разных мест, которые я покупаю, чтобы цены на доставку были низкими. Наконец, компоненты должны быть небольшими, потому что я хочу спроектировать плату для производства недорогих печатных плат и оставаться в пределах бесплатной версии Eagle CAD.
Механические: двигатели, шестерни, колеса
Я нашел пару веб-сайтов, которые предлагают различные мотивы хобби и роботов, но я остановился на Pololu, потому что их цены были приличными, и у них было все, что мне нужно. Продукты Tamiya выглядели неплохо. Комплект 70168 Double Gearbox поставляется с шестернями, двигателями и валами, что значительно упрощает механику. Это тоже очень дешево! Обычно двигатели работают на 3 В, но могут работать выше за счет сокращения срока службы. Поддерживается несколько передаточных чисел, поэтому я могу точно настроить скорость робота, когда я его получу. Я решил на самых дешевых колесах, которые подойдут к валу этого комплекта, Tyya 70101 Truck Tire Set. Этот комплект поставляется с четырьмя колесами, и мне нужны только два, но это дешево, а запасные части никогда не болят! Переднее колесо - это просто заклинатель или пластиковый винт, чтобы робот мог скользить по полу.
Мозги: Микроконтроллер
Существует несколько различных платформ микроконтроллеров, которые довольно популярны. Очевидным выбором является какой-то Ардуино, основанный на полярности. Другие варианты: Teensy, Launchpad и Raspberry Pi. Pi слишком большой и голоден, а Launchpad слишком большой. Я использовал Teensy в прошлом и имел хороший успех. Teensy немного дороже, чем Arduino Mini, но предлагает гораздо более мощную платформу. У последнего Teensy есть Cortex M4, который обладает достаточной мощностью для простого робота. Бонус в том, что у Teensy есть встроенный регулятор 500 мА, который может использоваться для всех датчиков.
Взаимодействие: датчики
Для следующих линий и следующих стенок необходимы разные датчики. Линейка, следующая за датчиками, обычно отражает рефлектометры, которые изменяют напряжение в зависимости от того, сколько света отражается от земли. Это делается с использованием светодиода и фотодиода или светового детектора. Детекторы стен и препятствий обычно являются своего рода датчиком расстояния. Оба эти типа были доступны в удобной форме прорыва DIP из того же магазина, что и моторы, что позволяет мне экономить на транспортировке и легко паять! Для линейного датчика я нашел тот, у которого есть 3 датчика, которые позволяют линии центрироваться на роботе в любое время. Для датчика расстояния я решил использовать ИК-датчик высокой яркости, так как я работаю на более низком напряжении, чем ожидалось.
Мощность: двигатель, аккумулятор
Драйвер двигателя должен иметь возможность приводить в движение 3-ватные двигатели выше. Я также хотел, чтобы он был масштабируемым, если я захочу модернизировать двигатели в будущем. Я нашел один из того же магазина, что и здесь. Он может работать от 0 до 11 В и подавать много тока для любого двигателя, который я хочу добавить в будущем. Для батареи я бы предпочел, чтобы робот работал практически на чем угодно. Вход в Teensy принимает до 5, 5 В, что означает, что можно использовать литиевую ячейку. Однако для лития требуется зарядное устройство, и я не хочу добавлять это к расходам. Использование двух обычных батарей AA обеспечивает довольно много энергии без этой необходимости. Недостатком является то, что они только поставляют ~ 3V и являются большими. Входное напряжение 3 В ниже линейного регулятора Teensy 3.3V. Робот все равно будет работать, потому что все компоненты, выбранные для Teensy, могут работать на более низком напряжении. Тем не менее, встроенный регулятор на Teensy будет работать нерегулируемым.
Дополнительные элементы
В какой-то момент мне нужен способ управлять доской через мой смартфон, поэтому я включил устройство BLE в схему. Это не обязательно, чтобы следовать линиям и стенам, но я подумал, что это будет отличное дополнение. Я также хочу, чтобы легко удалить элементы, поэтому я собираюсь использовать женские заголовки, чтобы соединить все с доской.
Полный комплект материалов
Необходимые материалы
| Тип детали | номер части | Стоимость |
|---|---|---|
| микроконтроллер | Teensy 3.2 | 19, 80 |
| двигатель | Tamiya 70168 | 9, 25 |
| Двигатель | DRV8835 | 4, 49 |
| Ball Caster | Tamiya 70144 | 5, 99 |
| Датчик отражения | QTR-3RC | 4, 95 |
| Шины | Tamiya 70101 | 4, 10 |
| Датчик расстояния | Пололу 38 кГц | 5, 95 |
| печатная плата | Elecro 10x10cm | 14, 00 |
| Корпус аккумулятора | Держатель батареи 2-AA | 0, 79 |
| Итого без доставки: | $ 49, 52 |
Дополнительные материалы
| Тип детали | номер части | Стоимость |
|---|---|---|
| беспроводной | nRF51 Dongle | 52, 39 |
| Соединители | Различные женские 100-миллиметровые заголовки | 5, 00 |
схема
Я использую бесплатную версию Eagle CAD, чтобы нарисовать схему и макет. Я создал пользовательские символы / следы для всех элементов, за исключением устройства Teensy, доступного для загрузки во второй части этой серии. В Teensy есть библиотеки для Eagle. Вы можете заметить, что на схеме отсутствуют какие-либо простые устройства, такие как резисторы или конденсаторы. Это связано с тем, что каждая из этих плат является разборной доской, чтобы сделать сборку максимально простой. Любой недавний чип, скорее всего, будет поверхностным, что трудно сделать для любителя. Схемы для каждой из этих плат доступны от соответствующих продавцов. Вот несколько ключевых моментов для этой схемы:
- Я поместил перемычку между батареей и остальной частью схемы. Это полезно для отключения питания без снятия батарей, измерения тока или защиты цепи от обратной полярности с помощью диода.
- Все интерфейсы являются цифровыми, за исключением двух. Существует соединение UART между nRF51 и Teensy через контакты 9/10. Контроллер двигателя требует PWM, который проходит через контакты 6 и 4 Teensy.
- На схеме нет светодиода. Светодиод, который находится на Teensy, может использоваться для отладки или индикации.
- Нет кнопки. Я подумал о том, чтобы положить кнопку на линии сброса Teensy, но не снизить расходы.
- При программировании Teensy через USB вы должны либо отрезать небольшую трассировку, соединяющую Vin / Vusb, либо убедиться, что батареи не подключены, когда USB подключен.
Схематический файл
Скачать код
Вывод
В этой статье я изложил требования к роботу и моим вариантам дизайна для удовлетворения этих требований. Эти варианты привели к созданию схемы и спецификации материалов (BOM), чтобы добавить затраты на проект. Во второй части этой серии я рисую печатную плату, чтобы ее можно было изготовить!
Следующая статья в серии: как построить робот - дизайн печатной платы