Taller de robótica de HackerBoxes: 22 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

El taller de robótica de HackerBoxes fue diseñado para proporcionar una introducción muy desafiante pero agradable a los sistemas robóticos de bricolaje y también a la electrónica de aficionados en general. El taller de robótica está diseñado para exponer al participante a estos importantes temas y objetivos de aprendizaje:

• Robots andantes
• Conjuntos con engranajes para coordinar el movimiento
• Proyectos electrónicos de soldadura
• Diagramas esquemáticos de circuitos
• Sensores ópticos para navegación y conducción autónomas
• Circuitos de control analógicos de bucle cerrado
• Programación Arduino
• Procesadores RISC integrados NodeMCU
• Wi-Fi en sistemas de procesadores integrados
• Control de IoT utilizando la plataforma Blyk
• Cableado y calibración de servomotores
• Integración de control y ensamblaje robótico complejo

HackerBoxes es el servicio de caja de suscripción mensual para electrónica de bricolaje y tecnología informática. Somos creadores, aficionados y experimentadores. Si desea comprar un Taller de HackerBoxes o recibir la caja de suscripción sorpresa de HackerBoxes con grandes proyectos de electrónica por correo cada mes, visítenos en HackerBoxes.com y únase a la revolución.

Los proyectos de los talleres de HackerBox, así como los de la suscripción mensual de HackerBoxes, no son exactamente para principiantes. Por lo general, requieren cierta exposición previa a la electrónica de bricolaje, habilidades básicas de soldadura y comodidad para trabajar con microcontroladores, plataformas de computadora, características del sistema operativo, bibliotecas de funciones y codificación de programas simples. También utilizamos todas las herramientas típicas de los aficionados para construir, depurar y probar proyectos de electrónica de bricolaje.

¡Hackea el planeta!

Paso 1: Contenido del taller

• Kit de RoboSpider
• Kit de robot de seguimiento de línea autónomo
• Controlador Wi-Fi de brazo robótico Arduino
• Kit de brazo robótico MeArm
• Parche de logro de robótica

Elementos adicionales que pueden resultar útiles:

• Siete pilas AA
• Herramientas de soldadura básicas
• Computadora para ejecutar el IDE de Arduino

Un elemento adicional muy importante que necesitaremos es un verdadero sentido de la aventura, el espíritu de bricolaje y la curiosidad de los piratas informáticos. Comenzar cualquier aventura como creador y creador puede ser un desafío emocionante. En particular, este tipo de electrónica para pasatiempos no siempre es fácil, pero cuando persiste y disfruta de la aventura, puede derivar una gran satisfacción de perseverar y descubrir todo.

Paso 2: RoboSpider

Construye tu propio RoboSpider con este kit de robot. Cuenta con ocho patas de múltiples articulaciones que duplican el movimiento de caminar de las arañas reales. Examine las partes del kit para verificar las 71 piezas que se muestran aquí. ¿Puedes adivinar para qué se usa cada pieza dentro del diseño de RoboSpider?

Paso 3: RoboSpider - Cableado

Primero conecte el motor y la carcasa de la batería del RoboSpider. Los cables simplemente se pueden enrollar en los terminales de la batería como se muestra en las instrucciones. Sin embargo, los cables también pueden soldarse CUIDADOSAMENTE en su lugar si lo desea.

Paso 4: RoboSpider - Ensamblaje mecánico

Se forma un conjunto de engranajes muy interesante para cada par de patas. Cada RoboSpider tiene cuatro conjuntos de dos patas cada uno para coordinar el movimiento de ocho patas de araña separadas. Observe cómo se proporciona un accesorio para ayudar en la alineación de los engranajes.

El resto del RoboSpider se puede ensamblar como se muestra en las instrucciones. ¿Qué tipo de dinámica de marcha exhibe este RoboSpider?

Paso 5: Preparémonos para soldar

La soldadura es un proceso en el que dos o más elementos metálicos (a menudo cables o conductores) se unen fundiendo un metal de relleno llamado soldadura en la unión entre los elementos metálicos. Hay varios tipos de herramientas de soldadura disponibles. El Starter Workship de HackerBoxes incluye un buen conjunto de herramientas básicas para soldar pequeños dispositivos electrónicos:

• Soldador
• Consejos de reemplazo
• Soporte para cautín
• Limpiador de puntas de cautín
• Soldar
• Mecha desoldadora

Si es nuevo en la soldadura, hay muchas guías y videos excelentes en línea sobre la soldadura. He aquí un ejemplo. Si cree que necesita ayuda adicional, intente encontrar un grupo de creadores locales o un espacio de piratas informáticos en su área. Además, los clubes de radioaficionados son siempre excelentes fuentes de experiencia en electrónica.

Use anteojos de seguridad mientras suelda

También querrá tener un poco de alcohol isopropílico e hisopos para limpiar el residuo de fundente marrón que queda en las juntas de soldadura. Si se deja en su lugar, este residuo eventualmente corroerá el metal dentro de la conexión.

Por último, es posible que desee consultar el cómic "Soldar es fácil" de Mitch Altman.

Paso 6: Robot de seguimiento de línea

El robot de seguimiento de línea (también conocido como seguimiento de línea) puede seguir una línea negra gruesa dibujada sobre una superficie blanca. La línea debe tener un grosor de aproximadamente 15 mm.

Paso 7: Robot de seguimiento de línea: esquema y componentes

Aquí se muestran las piezas del robot de seguimiento de línea, así como el diagrama esquemático del circuito. Intente identificar todas las partes. Mientras revisa la teoría de las operaciones a continuación, vea si puede descubrir el propósito de cada una de las partes y quizás incluso por qué sus valores se han especificado de esa manera. Tratar de "aplicar ingeniería inversa" a los circuitos existentes es una excelente manera de aprender a diseñar los suyos propios.

Teoría de operación:

A cada lado de la línea, se utiliza un LED (D4 y D5) para proyectar un punto de luz en la superficie de abajo. Estos LED inferiores tienen lentes transparentes para formar un haz de luz dirigido en lugar de un haz difuso. Dependiendo de que la superficie debajo del LED sea blanca o negra, una cantidad diferente de luz se reflejará nuevamente en el fotorresistor correspondiente (D13 y D14). El tubo negro alrededor del fotorresistor ayuda a enfocar el poder reflejado directamente en el sensor. Las señales del fotoresistor se comparan en el chip LM393 para determinar si el robot debe continuar en línea recta o debe girar. Tenga en cuenta que los dos comparadores del LM393 tienen las mismas señales de entrada, pero las señales están orientadas de manera opuesta.

Para girar el robot, se enciende el motor de CC (M1 o M2) en el exterior del giro mientras se deja el motor hacia el interior del giro en estado apagado. Los motores se encienden y apagan mediante los transistores de accionamiento (Q1 y Q2). Los LED rojos montados en la parte superior (D1 y D2) nos muestran qué motor está encendido en un momento dado. Este mecanismo de dirección es un ejemplo de control de circuito cerrado y proporciona una guía de adaptación rápida para actualizar la trayectoria del robot de una manera muy simple pero efectiva.

Paso 8: Robot de seguimiento de línea - Resistencias

Una resistencia es un componente eléctrico pasivo de dos terminales que implementa la resistencia eléctrica como un elemento de circuito. En los circuitos electrónicos, las resistencias se utilizan para reducir el flujo de corriente, ajustar los niveles de señal, dividir voltajes, polarizar elementos activos y terminar líneas de transmisión, entre otros usos. Las resistencias son elementos comunes de las redes eléctricas y los circuitos electrónicos y son omnipresentes en los equipos electrónicos.

El siguiente kit de robot de línea incluye cuatro valores diferentes de resistencias de orificio pasante de cable axial que tienen las bandas codificadas por colores como se muestra:

• 10 ohmios: marrón, negro, negro, dorado
• 51 ohmios: verde, marrón, negro, dorado
• 1K ohmios: marrón, negro, negro, marrón
• 3.3K ohmios: naranja, naranja, negro, marrón

Las resistencias deben insertarse desde la parte superior de la placa de circuito impreso (PCB) como se muestra en la ilustración y luego soldarse desde la parte inferior. Por supuesto, se debe insertar el valor correcto de la resistencia, no son intercambiables. Sin embargo, las resistencias no están polarizadas y pueden insertarse en cualquier dirección.

Paso 9: Robot de seguimiento de línea - Componentes restantes

Otros elementos del circuito, como se muestra aquí, pueden insertarse desde la parte superior de la PCB y soldarse debajo, al igual que las resistencias.

Tenga en cuenta que los cuatro componentes del sensor de luz se insertan en realidad desde la parte inferior de la PCB. El perno largo se inserta entre los componentes del sensor de luz y se ajusta firmemente con la tuerca abierta. Luego, la tuerca de tapa redondeada se puede colocar en el extremo del perno como un deslizador suave.

A diferencia de las resistencias, varios otros componentes están polarizados:

Los transistores tienen un lado plano y un lado semicircular. Cuando se inserten en la PCB, asegúrese de que coincidan con las marcas blancas de la serigrafía en la PCB.

Los LED tienen un cable largo y un cable más corto. El cable largo debe coincidir con el terminal + como se indica en la serigrafía.

Los condensadores electrolíticos en forma de lata tienen un indicador de terminal negativo (generalmente una raya blanca) que desciende por un lado de la lata. La ventaja de ese lado es la negativa y la otra es la positiva. Estos deben insertarse en la PCB de acuerdo con los indicadores de clavija en la serigrafía.

El chip de 8 pines, su zócalo y la serigrafía de PCB para insertarlos tienen un indicador semicircular en un extremo. Estos deben estar alineados para los tres. El zócalo debe soldarse en la PCB y el chip no debe insertarse en el zócalo hasta que la soldadura esté completa y enfriada. Si bien el chip puede soldarse directamente en la PCB, hay que ser muy rápido y cuidadoso al hacerlo. Recomendamos utilizar un enchufe siempre que sea posible.

Paso 10: Robot de seguimiento de línea - Paquete de baterías

La fina capa superior de la cinta de doble cara se puede despegar para fijar la batería. Los cables se pueden alimentar a través de la PCB y soldar a continuación. El cable sobrante puede ser útil para soldar los motores.

Paso 11: Robot de seguimiento de línea - Motores

Los cables de los motores se pueden soldar a las almohadillas en la parte inferior de la PCB como se muestra. Una vez que se han soldado los cables, se puede quitar la capa superior delgada de la cinta de doble cara para fijar los motores a la PCB.

Paso 12: Robot de seguimiento de línea - ¡Míralo ir

El robot que sigue la línea es un placer de ver. Inserta un par de pilas AA y deja que se rompa.

Si es necesario, los potenciómetros de ajuste se pueden ajustar para refinar la detección de bordes del robot.

Si hay algún otro problema de "comportamiento" con el robot, también es útil verificar la alineación de los cuatro componentes del sensor de la parte inferior y especialmente el tubo negro alrededor de los fotorresistores.

Por último, asegúrese de utilizar pilas nuevas. Hemos notado un rendimiento errático una vez que se agota la batería.

Paso 13: Brazo robótico de MeArm

El brazo robótico MeArm fue desarrollado para ser la herramienta de aprendizaje más accesible del mundo y el brazo robótico más pequeño y genial. El MeArm viene como un kit de brazo robótico de paquete plano que comprende láminas acrílicas cortadas con láser y micro servos. Puede construirlo con nada más que un destornillador y entusiasmo. Ha sido descrito como el "Proyecto Arduino perfecto para principiantes" por el sitio web de Lifehacker. El MeArm es un gran diseño y muy divertido, pero definitivamente puede ser un poco complicado de montar. Tómate tu tiempo y ten paciencia. Trate de no forzar nunca los servomotores. Hacerlo puede dañar los diminutos engranajes de plástico dentro del servo.

El MeArm en este taller se controla desde una aplicación de teléfono inteligente o tableta utilizando un módulo Wi-Fi NodeMCU adaptado a la plataforma de desarrollo Arduino. Este nuevo mecanismo de control es bastante diferente de la placa "cerebros" original discutida en la documentación de MeArm, así que asegúrese de seguir las instrucciones para el controlador que se presentan aquí y no las de la documentación original de MeArm. Los detalles mecánicos relacionados con el montaje de los componentes acrílicos MeArm y los servomotores siguen siendo los mismos.

Paso 14: Controlador Wi-Fi de brazo robótico: prepare Arduino para NodeMCU

NodeMCU es una plataforma de código abierto basada en el chip ESP8266. Este chip incluye un procesador RISC de 32 bits que funciona a 80 MHz, Wi-Fi (IEEE 802.11 b / g / n), memoria RAM, memoria Flash y 16 pines de E / S.

El hardware de nuestro controlador se basa en el módulo ESP-12 que se muestra aquí, que incluye un chip ESP8266 junto con su soporte de red Wi-Fi incluido.

Arduino es una plataforma electrónica de código abierto basada en hardware y software fáciles de usar. Está destinado a cualquiera que realice proyectos interactivos. Si bien la plataforma Arduino generalmente usa el microcontrolador Atmel AVR, puede ser un adaptador para trabajar con otros microcontroladores, incluido nuestro ESP8266.

Para comenzar, deberá asegurarse de tener el IDE de Arduino instalado en su computadora. Si no tiene el IDE instalado, puede descargarlo gratis (www.arduino.cc).

También necesitará controladores para el sistema operativo (SO) de su computadora para acceder al chip Serial-USB apropiado en el módulo NodeMCU que está utilizando. Actualmente, la mayoría de los módulos NodeMCU incluyen el chip CH340 Serial-USB. El fabricante de los chips CH340 (WCH.cn) tiene controladores disponibles para todos los sistemas operativos populares. Es mejor utilizar la página traducida de Google para su sitio.

Una vez que tenemos el IDE de Arduino instalado y los controladores del sistema operativo instalados para el chip de interfaz USB, necesitamos extender el IDE de Ardino para usarlo con el chip ESP8266. Ejecute el IDE, acceda a las preferencias y busque el campo para ingresar "URL adicionales del administrador de la junta"

Para instalar Board Manager para ESP8266, pegue esta URL:

arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

Después de la instalación, cierre el IDE y luego vuelva a iniciarlo.

Ahora conecte el módulo NodeMCU a su computadora usando el cable microUSB.

Seleccione el tipo de placa dentro del IDE de Arduino como NodeMCU 1.0

Aquí hay un instructivo que repasa el proceso de configuración de Arduino NodeMCU usando algunos ejemplos de aplicaciones diferentes. Aquí está un poco desviado del objetivo, pero puede ser útil buscar otro punto de vista si se queda atascado.

Paso 15: Controlador Wi-Fi de brazo robótico: piratea tu primer programa NodeMCU

Siempre que conectamos una nueva pieza de hardware o instalamos una nueva herramienta de software, nos gusta asegurarnos de que funcione probando algo muy simple. Los programadores a menudo llaman a esto el programa "hola mundo". Para el hardware integrado (lo que estamos haciendo aquí), el "hola mundo" suele hacer parpadear un LED (diodo emisor de luz).

Afortunadamente, NodeMCU tiene un LED incorporado que podemos parpadear. Además, el IDE de Arduino tiene un programa de ejemplo para LED parpadeantes.

Dentro del IDE de Arduino, abra el ejemplo llamado blink. Si examina detenidamente este código, puede ver que alterna entre el pin 13 alto y bajo. En las placas Arduino originales, el LED del usuario está en el pin 13. Sin embargo, el LED NodeMCU está en el pin 16. Entonces podemos editar el programa blink.ino para cambiar cada referencia del pin 13 al pin 16. Luego podemos compilar el programa y cárguelo en el módulo NodeMCU. Esto puede requerir varios intentos y puede requerir verificar el controlador USB y verificar dos veces la configuración de la placa y el puerto en el IDE. Tómate tu tiempo y ten paciencia.

Una vez que el programa se carga correctamente, el IDE dirá "carga completa" y el LED comenzará a parpadear. Vea lo que sucede si cambia la duración de la función delay () dentro del programa y luego la carga nuevamente. Es lo que esperabas. Si es así, ha pirateado su primer código incrustado. ¡Felicidades!

Paso 16: Controlador Wi-Fi de brazo robótico: código de software de ejemplo

Blynk (www.blynk.cc) es una plataforma que incluye aplicaciones de iOS y Android para controlar Arduino, Raspberry Pi y otro hardware a través de Internet. Es un tablero digital donde puede crear una interfaz gráfica para su proyecto simplemente arrastrando y soltando widgets. Es realmente simple configurar todo y comenzará a retocar de inmediato. Blynk lo pondrá en línea y lo preparará para el Internet de sus cosas.

Eche un vistazo al sitio de Blynk y siga las instrucciones para configurar la biblioteca Arduino Blynk.

Coge el programa Arduino ArmBlynkMCU.ino adjunto aquí. Notará que tiene tres cadenas que deben inicializarse. Puede ignorarlos por ahora y asegurarse de que puede compilar y cargar el código tal como está en NodeMCU. Necesitará cargar este programa en NodeMCU para el siguiente paso de calibración de los servomotores.

Paso 17: Controlador Wi-Fi de brazo robótico: calibración de servomotores

La placa protectora del motor ESP-12E admite la conexión directa del módulo NodeMCU. Alinee con cuidado e inserte el módulo NodeMCU en la placa de protección del motor. También conecte los cuatro servos al escudo como se muestra. Tenga en cuenta que los conectores están polarizados y deben orientarse como se muestra.

El código NodeMCU que se cargó en el último paso inicializa los servos a su posición de calibración como se muestra aquí y se explica en la documentación de MeArm. La colocación de los brazos del servo en la orientación correcta mientras los servos están configurados en su posición de calibración asegura que el punto de inicio, el punto final y el rango de movimiento correctos estén configurados para cada uno de los cuatro servos.

Acerca del uso de la energía de la batería con los servomotores NodeMCU y MeArm:

Los cables de la batería deben conectarse a los terminales de tornillo de entrada de la batería. Hay un botón de encendido de plástico en el escudo del motor para activar el suministro de entrada de la batería. El pequeño bloque de puentes de plástico se utiliza para enrutar la energía al NodeMCU desde el protector del motor. Sin el bloque de puentes instalado, el NodeMCU puede alimentarse por sí mismo desde el cable USB. Con el bloque de puentes instalado (como se muestra), la energía de la batería se envía al módulo NodeMCU.

Paso 18: Interfaz de usuario del brazo robótico: integración con Blynk

Ahora podemos configurar la aplicación Blynk para controlar los servomotores.

Instale la aplicación Blyk en su dispositivo móvil iOS o Android (teléfono inteligente o tableta). Una vez instalado, configure un nuevo proyecto Blynk con cuatro controles deslizantes como se muestra para controlar los cuatro servomotores. Tenga en cuenta el token de autorización de Blynk generado para su nuevo proyecto de Blynk. Puede recibirlo por correo electrónico para facilitar el pegado.

Edite el programa Arduino ArmBlynkMCU.ino para completar las tres cadenas:

• SSID Wi-Fi (para su punto de acceso Wi-Fi)
• Contraseña de Wi-Fi (para su punto de acceso Wi-Fi)
• Token de autorización de Blynk (de su proyecto Blynk)

Ahora compile y cargue el código actualizado que contiene las tres cadenas.

Verifique que puede mover los cuatro servomotores a través de Wi-Fi usando los controles deslizantes de su dispositivo móvil.

Paso 19: Brazo robótico - Montaje mecánico

Ahora podemos proceder con el montaje mecánico del MeArm. Como se señaló anteriormente, esto puede ser un poco complicado. Tómate tu tiempo y ten paciencia. Trate de no forzar los servomotores.

Recuerde que este MeArm está controlado por el módulo Wi-Fi NodeMCU, que es bastante diferente de la placa "cerebros" original discutida en la documentación de MeArm. Asegúrese de seguir las instrucciones del controlador que se presentan aquí y no las de la documentación original de MeArm.

Los detalles completos del montaje mecánico se pueden encontrar en este sitio. Están etiquetados como la Guía de compilación para MeArm v1.0.

Paso 20: Recursos en línea para estudiar robótica

Hay un número creciente de cursos, libros y otros recursos de robótica en línea …

• Curso de Stanford: Introducción a la robótica
• Curso de Columbia: Robótica
• Curso MIT: Robótica poco activa
• WikiBook de robótica
• Curso de robótica
• Aprender a computar con robots
• Robótica desmitificada
• Mecanismos de robot
• Manipulación robótica matemática
• Robots educativos con Lego NXT
• Educación LEGO
• Robótica de vanguardia
• Robótica integrada
• Robots móviles autónomos
• Robots para escalar y caminar
• Nuevas aplicaciones de robots trepadores y ambulantes
• Robots humanoides
• Brazos de robot
• Manipuladores de robots
• Avances en manipuladores de robots
• Robótica AI

Explorar estos y otros recursos ampliará continuamente su conocimiento del mundo de la robótica.

Paso 21: Parche de mejora de robótica

¡Felicidades! Si ha puesto su mejor esfuerzo en estos proyectos de robótica y ha avanzado en sus conocimientos, debe usar el parche de logros incluido con orgullo. Hazle saber al mundo que eres un maestro de los servos y sensores.

Paso 22: piratea el planeta

Esperamos que esté disfrutando del Taller de robótica de HackerBoxes. Este y otros talleres se pueden comprar en la tienda en línea en HackerBoxes.com, donde también puede suscribirse al cuadro de suscripción mensual de HackerBoxes y recibir excelentes proyectos directamente en su buzón de correo cada mes.

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