Robot de dessin à faible coût et compatible Arduino : 15 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

Remarque: j'ai une nouvelle version de ce robot qui utilise une carte de circuit imprimé, est plus facile à construire et dispose d'une détection d'obstacles infrarouge ! Découvrez-le sur

J'ai conçu ce projet pour un atelier de 10 heures pour ChickTech.org dont le but est d'initier les adolescentes aux sujets STEM. Les objectifs de ce projet étaient:

• Facile à construire.
• Facile à programmer.
• A fait quelque chose d'intéressant.
• Peu coûteux pour que les participants puissent l'emporter chez eux et continuer à apprendre.

Avec ces objectifs à l'esprit, voici quelques choix de conception:

• Compatible Arduino pour faciliter la programmation.
• Alimentation par batterie 4xAA pour le coût et la disponibilité.
• Moteurs pas à pas pour un mouvement précis.
• Imprimé en 3D pour faciliter la personnalisation.
• Traçage au stylo avec des graphiques Turtle pour une sortie intéressante.
• Open Source pour que vous puissiez en créer un vous-même !

Voici le robot qui se rapproche le plus de ce que je voulais faire: https://mirobot.io. Je n'ai pas de découpeuse laser et l'expédition depuis l'Angleterre était prohibitive. J'ai une imprimante 3D, donc je suppose que vous pouvez voir où cela va…

Ne laissez pas le manque d'imprimante 3D vous décourager. Vous pouvez localiser des amateurs locaux prêts à vous aider sur

Ce projet est sous licence Creative Commons et utilise des pièces 3D basées sur des conceptions d'autres (comme indiqué dans la section suivante), dont la plus restrictive est la roue, qui est non commerciale. Cela signifie que ce projet doit également être non commercial. Ne sois pas ce gars.

Étape 1: Pièces

Il existe plusieurs façons d'alimenter, de conduire et de contrôler des robots. Vous pouvez avoir différentes pièces sous la main qui fonctionneront, mais ce sont celles que j'ai essayées et que j'ai trouvées qui fonctionnent bien:

Électronique:

• 1- *Adafruit Pro Trinket 3V- adafruit.com/products/2010

  • Matériel sous licence CC BY-SA
  • Logiciel (Bootloader) sous licence GPL
• 2- Stepper 5V à engrenages - adafruit.com/products/858
• 1- Pilote Darlington ULN2803 - adafruit.com/products/970
• 1- Planche à pain demi-taille - adafruit.com/products/64
• 16- Pulls homme-homme- adafruit.com/products/759
• 1- Micro servo- adafruit.com/products/169
• 1 - Interrupteur à glissière SPDT - adafruit.com/product/805 ou www.digikey.com/product-detail/en/EG1218/EG1903-ND/101726
• 1- En-tête de broche mâle- digikey.com/short/t93cbd
• 2- 2 x porte-AA - digikey.com/short/tz5bd1
• 1- Câble micro USB
• 4- Piles AA

*Remarque: voir la dernière étape pour une discussion sur l'utilisation de cartes Arduino ou Raspberry Pi standard.

Matériel:

• 2- 1 7/8" ID x 1/8" joint torique- mcmaster.com/#9452K96
• 1- Roulement de roulette 5/8"- mcmaster.com/#96455k58/=yskbki
• 10- Vis à tête cylindrique M3 x 8mm- mcmaster.com/#92005a118/=z80pbr
• 4- Vis à tête plate M3 x 6mm- mcmaster.com/#91420a116/=yskru0
• 12- Écrou M3- mcmaster.com/#90591a250/=yskc6u

Pièces imprimées en 3D (consultez www.3dhubs.com si vous n'avez pas accès à une imprimante):

• 1 x roulette à roulement à billes - thingverse.com/thing:1052674 (basé sur le travail de onebytegone, CC BY-SA 3.0)
• 1 x châssis - thingiverse.com/thing:1053269 (œuvre originale de Maker's Box, CC BY-SA 3.0)
• 2 x roues - thingverse.com/thing:862438 (basé sur le travail de Mark Benson, CC BY-NC 3.0*)
• 2 x support pas à pas - thingverse.com/thing:1053267 (basé sur le travail de jbeale, CC BY-SA 3.0)
• 1 x porte-stylo / support servo - thingverse.com/thing:1052725 (œuvre originale de Maker's Box, CC BY-SA 3.0)
• 1 x collier stylo - thingiverse.com/thing:1053273 (œuvre originale de Maker's Box, CC BY-SA 3.0)

* Remarque: CC BY-NC est une licence non commerciale

Outils et fournitures:

• Tournevis cruciforme
• Pistolet à colle chaude
• Multimètre digital
• Couteau bien aiguisé
• Marqueurs de couleur Crayola

Étape 2: Flashez le micrologiciel

Avant d'aller trop loin dans la construction, chargeons le micrologiciel de test sur le microcontrôleur. Le programme de test ne fait que dessiner des boîtes afin que nous puissions vérifier la direction et la dimension appropriées.

Pour parler au Trinket Pro, vous aurez besoin de:

1. Pilote de
2. Logiciel Arduino de

Lady Ada et l'équipe Adafruit ont créé un bien meilleur ensemble d'instructions dans les liens ci-dessus que je ne peux fournir. Veuillez les utiliser si vous êtes bloqué.

Remarque: La seule astuce qui différencie le Trinket de l'Arduino ordinaire est que vous devez réinitialiser la carte avant de télécharger le croquis.

Étape 3: porte-stylo et porte-piles

1. Installez le porte-stylo avec le support de servo sur le côté le plus court du châssis (Image 1).
2. Insérez les écrous sur la partie supérieure du châssis (Image 2)
3. Fixez les supports de batterie au bas du châssis à l'aide de vis à tête plate 3Mx6mm (Images 3 & 4).
4. Faites passer les câbles de la batterie dans les chemins de câbles rectangulaires (Image 4 et 5).
5. Répétez l'opération pour l'autre support de batterie.

Remarque: Sauf indication contraire, les autres vis sont des vis à tête cylindrique 3Mx8mm.

Étape 4: Roues

1. Testez l'ajustement de votre roue sur l'arbre pas à pas (Image 1).

   1. S'il est trop serré, vous pouvez chauffer le moyeu de roue avec un sèche-cheveux ou un pistolet à air chaud, puis insérer l'arbre.
   2. S'il est trop lâche, vous pouvez utiliser une vis 3Mx8mm pour le maintenir contre le plat de l'arbre (Image 2).
   3. Si vous êtes un perfectionniste, vous pouvez calibrer votre imprimante et l'obtenir parfaitement.
2. Placez le joint torique autour de la jante de la roue (Image 3 & 4).
3. Répétez l'opération pour l'autre roue.

Étape 5: Backets pas à pas

1. Insérez un écrou dans le support du moteur pas à pas et fixez-le au sommet du châssis avec une vis (Image 1).
2. Insérez le stepper dans le support et fixez-le avec des vis et des écrous.
3. Répétez l'opération pour l'autre support.

Étape 6: lanceur de sorts

1. Insérez le roulement à billes dans la roulette.

   Ne forcez pas ou il se cassera. Utilisez un sèche-cheveux ou un pistolet à air chaud pour ramollir le matériau si nécessaire

2. Fixez la roulette au bas du châssis devant le support de batterie.

Étape 7: Planche à pain

1. Retirez l'un des rails d'alimentation à l'aide d'un couteau bien aiguisé, en coupant l'adhésif inférieur (Image 1).
2. En tenant la planche à pain sur les rails du châssis, marquez l'endroit où ils croisent le bord (Image 2).
3. À l'aide d'une règle (comme le rail d'alimentation retiré), marquez les lignes et coupez le support (Image 3).
4. Placez la maquette sur le châssis avec les rails touchant l'adhésif exposé (Image 4).

Étape 8: Alimentation

1. Placez le microcontrôleur, le pilote Darlington et l'interrupteur d'alimentation sur la planche à pain (Image 1).

   • J'ai ajouté des points oranges pour la visibilité pour marquer les éléments suivants:

     • Broche 1 du driver Darlington.
     • La broche de la batterie du microtroller.
     • L'interrupteur d'alimentation en position « on ».

2. Avec les câbles de batterie de droite:

   1. Connectez la ligne rouge à la première broche de l'interrupteur d'alimentation (Image 2).
   2. Connectez le fil noir à une rangée vide entre le microcontrôleur et la puce Darlington (Image 2).

3. Avec les câbles de batterie de gauche:

   1. Connectez la ligne rouge à la même rangée que le fil noir de l'autre batterie (Image 3).
   2. Connectez la ligne noire au rail négatif de la planche à pain (Image 3).

4. Connectez l'alimentation au microcontrôleur:

   1. Cavalier rouge du rail positif à la broche de la batterie (point orange, Image 4).
   2. Cavalier noir du rail négatif à la broche marquée "G" (Image 4).
5. Installez les piles et mettez l'appareil sous tension. Vous devriez voir les voyants vert et rouge du contrôleur s'allumer (Image 5).

Dépannage: Si les voyants du microcontrôleur ne s'allument pas, éteignez immédiatement l'appareil et dépannez:

1. Piles installées dans le bon sens ?
2. Vérifiez le positionnement des câbles de batterie.
3. Vérifiez le positionnement des fils de l'interrupteur.
4. Utilisez un multimètre pour vérifier les tensions des batteries.
5. Utilisez un multimètre pour vérifier les tensions des rails d'alimentation.

Étape 9: Embases et câblage servo

Les broches d'en-tête mâles nous permettent de connecter les connecteurs servo JST à 5 broches à l'alimentation et au pilote Darlington (Image 1):

1. Le premier en-tête à 5 broches commence une rangée devant le pilote Darlington.
2. Le deuxième en-tête de servo doit alors s'aligner avec l'extrémité du pilote Darlington.

Avant que le câblage ne se complique, câblé le servo:

1. Ajoutez un en-tête à 3 broches pour le servo sur le bord droit de la section avant de la planche à pain (Image 2).
2. Ajoutez un cavalier rouge de la broche centrale au côté positif du rail d'alimentation.
3. Ajoutez un cavalier noir ou marron de la broche extérieure au côté négatif du rail d'alimentation.
4. Ajoutez un cavalier coloré de la broche intérieure à la broche 8 du microcontrôleur.
5. Installez le palonnier de servo avec l'arbre dans le sens des aiguilles d'une montre et le bras s'étendant jusqu'à la roue de droite (Image 3)
6. Installez le servo dans le porte-stylo à l'aide des vis du servo (Image 3).
7. Branchez le connecteur du servo en alignant les couleurs (Image 4).

Étape 10: Contrôle pas à pas

Il est temps de câbler l'alimentation du pilote Darlington et des steppers, qui seront directement alimentés par la batterie:

1. Connectez un cavalier noir ou marron de la broche Darlington inférieure droite au côté négatif du rail d'alimentation (Image 1).
2. Connectez un cavalier rouge de la broche Darlington supérieure droite au côté positif du rail d'alimentation.
3. Connectez un cavalier rouge de l'en-tête de broche supérieur gauche au côté positif du rail d'alimentation (Image 2).
4. Connectez le connecteur pas à pas gauche à l'en-tête de broche du côté gauche avec le fil rouge sur le côté droit (Image 3).
5. Connectez le connecteur pas à pas droit à l'en-tête de broche du côté droit avec le fil de lecture sur le côté gauche.

Remarque: le fil rouge du connecteur pas à pas correspond à l'alimentation et doit correspondre aux fils rouges de la planche à pain.

Étape 11: contrôle pas à pas (suite)

Nous allons maintenant connecter les fils de signal pas à pas du microcontrôleur au côté entrée du pilote Darlington:

1. En commençant par la broche 6 du microcontrôleur, connectez les fils de quatre cavaliers de commande pour le moteur pas à pas gauche (Image 1).
2. Faites correspondre ces cavaliers au côté entrée du darlington sur la droite. Toutes les couleurs doivent correspondre à l'exception du vert, qui correspond au fil rose du stepper (Image 2).
3. En commençant par la broche 13 du microcontrôleur, connectez les fils des quatre cavaliers de commande du moteur pas à pas droit (Image (3).
4. Faites correspondre ces cavaliers au côté entrée du darlington sur la gauche. Toutes les couleurs doivent correspondre à l'exception du vert, qui correspond au fil rose du stepper (Image 3).

Étape 12: Test et étalonnage

J'espère que vous avez déjà téléchargé le firmware à l'étape 2. Sinon, faites-le maintenant.

Le micrologiciel de test dessine simplement un carré à plusieurs reprises afin que nous puissions vérifier la direction et la précision.

1. Placez votre robot sur une surface lisse, plate et ouverte.
2. Mettez l'appareil sous tension.
3. Regardez votre robot dessiner des carrés.

Si vous ne voyez pas de voyants sur le microcontrôleur, revenez en arrière et résolvez les problèmes d'alimentation comme à l'étape 8.

Si votre robot ne bouge pas, vérifiez les connexions d'alimentation au pilote Darlington à l'étape 9.

Si votre robot se déplace de manière erratique, vérifiez les connexions des broches du microcontrôleur et du pilote Darlington à l'étape 10.

Si votre robot se déplace dans un carré approximatif, il est temps de poser du papier et d'y mettre un stylo (Image 1).

Vos points d'étalonnage sont:

float wheel_dia=66.25; // mm (augmentation = spirale vers l'extérieur)

float_empattement=112; // mm (augmentation = en spirale) int step_rev=128; // 128 pour la boîte de vitesses 16x, 512 pour la boîte de vitesses 64x

J'ai commencé avec un diamètre de roue mesuré de 65 mm et vous pouvez voir les boîtes tourner vers l'intérieur (Image 2).

J'ai augmenté le diamètre à 67, et vous pouvez voir qu'il tournait vers l'extérieur (Image 3).

Je suis finalement arrivé à une valeur de 66,25 mm (Image 4). Vous pouvez voir qu'il y a encore une erreur inhérente due au jeu d'engrenage et autres. Assez près pour faire quelque chose d'intéressant!

Étape 13: Lever et abaisser le stylet

Nous avons ajouté un servo, mais nous n'avons rien fait avec. Il vous permet de lever et d'abaisser le stylo pour que le robot puisse se déplacer sans dessiner.

1. Placez le collier du stylo sur le stylo (Image 1).
2. S'il est lâche, collez-le en place.
3. Vérifiez qu'il touche le papier lorsque le bras du servo est abaissé.
4. Vérifiez qu'il ne touche pas le papier lorsqu'il est soulevé (Image 2).

Les angles des servos peuvent être ajustés soit en retirant le klaxon et en le repositionnant, soit via le logiciel:

entier PEN_DOWN = 170; // angle du servo lorsque le stylet est abaissé

entier PEN_UP = 80; // angle du servo lorsque le stylet est relevé

Les commandes du stylet sont:

penup();

pendown();

Étape 14: Amusez-vous

J'espère que vous êtes arrivé jusqu'ici sans trop de jurons. Faites-moi savoir avec quoi vous avez lutté afin que je puisse améliorer les instructions.

Il est maintenant temps d'explorer. Si vous regardez le croquis de test, vous verrez que je vous ai fourni quelques commandes standard "Tortue":

vers l'avant (distance); // millimètres

arrière (distance); gauche(angle); // degrés à droite (angle); penup(); pendown(); terminé(); // relâcher le stepper pour économiser la batterie

En utilisant ces commandes, vous devriez être capable de faire à peu près n'importe quoi, de dessiner des flocons de neige ou d'écrire votre nom. Si vous avez besoin d'aide pour commencer, consultez:

• https://code.org/learn
• https://codecombat.com/

Étape 15: Autres plateformes

Ce robot pourrait-il être fait avec un Arduino régulier ? Oui! J'ai opté pour le Trinket en raison de son faible coût et de sa petite taille. Si vous augmentez la longueur du châssis, vous pouvez installer un Arduino ordinaire d'un côté et la maquette de l'autre (Image 1). Cela devrait fonctionner broche par broche avec le croquis de test, et vous pouvez maintenant accéder à la console série pour le débogage !

Ce robot pourrait-il être réalisé avec un Rasberry Pi ? Oui! C'était ma première piste d'investigation car je voulais programmer en Python et pouvoir le contrôler sur le Web. Comme l'Arduino en taille réelle ci-dessus, il vous suffit de placer le Pi d'un côté et la planche à pain de l'autre (Image 2). La puissance devient la principale préoccupation car quatre AA ne vont pas la couper. Vous devez fournir environ 1A de courant à un 5V stable, sinon votre module WiFi cessera de communiquer. J'ai trouvé que le modèle A est bien meilleur en termes de consommation d'énergie, mais je cherche toujours à fournir une alimentation fiable. Si vous le comprenez, faites-le moi savoir!