Atelier de robotique HackerBoxes : 22 étapes

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

L'atelier de robotique HackerBoxes a été conçu pour fournir une introduction très stimulante mais agréable aux systèmes robotiques de bricolage et à l'électronique amateur en général. L'atelier de robotique est conçu pour exposer le participant à ces sujets et objectifs d'apprentissage importants:

• Robots marcheurs
• Ensembles à engrenages pour coordonner le mouvement
• Souder des projets électroniques
• Schémas de principe
• Capteurs optiques pour pilotage et navigation autonomes
• Circuits de commande analogiques en boucle fermée
• Programmation Arduino
• Processeurs RISC NodeMCU embarqués
• Wi-Fi dans les systèmes de processeurs embarqués
• Contrôle IoT à l'aide de la plateforme Blyk
• Câblage et calibrage des servomoteurs
• Assemblage robotique complexe et intégration de contrôle

HackerBoxes est le service de box d'abonnement mensuel pour l'électronique de bricolage et la technologie informatique. Nous sommes des fabricants, des amateurs et des expérimentateurs. Si vous souhaitez acheter un atelier HackerBoxes ou recevoir la boîte d'abonnement surprise HackerBoxes de grands projets électroniques par la poste chaque mois, veuillez nous rendre visite sur HackerBoxes.com et rejoindre la révolution.

Les projets des HackerBox Workshops ainsi que ceux de l'abonnement mensuel HackerBoxes ne sont pas exactement pour les débutants. Ils nécessitent généralement une certaine exposition préalable à l'électronique de bricolage, des compétences de base en soudure et une aisance de travail avec des microcontrôleurs, des plates-formes informatiques, des fonctionnalités de système d'exploitation, des bibliothèques de fonctions et un codage de programme simple. Nous utilisons également tous les outils typiques des amateurs pour la construction, le débogage et le test de projets électroniques de bricolage.

Piratez la planète !

Étape 1: Contenu de l'atelier

• Kit RoboSpider
• Kit robot suiveur de ligne autonome
• Contrôleur Wi-Fi à bras robotique Arduino
• Kit de bras robotique MeArm
• Patch de réussite en robotique

Éléments supplémentaires pouvant être utiles:

• Sept piles AA
• Outils de soudage de base
• Ordinateur pour exécuter l'IDE Arduino

Un élément supplémentaire très important dont nous aurons besoin est un vrai sens de l'aventure, un esprit de bricolage et une curiosité de hacker. Commencer n'importe quelle aventure en tant que fabricant et créateur peut être un défi passionnant. En particulier, ce type d'électronique de loisir n'est pas toujours facile, mais lorsque vous persistez et aimez l'aventure, une grande satisfaction peut être tirée de persévérer et de tout comprendre !

Étape 2: RoboSpider

Construisez votre propre RoboSpider avec ce kit de robot. Il comporte huit pattes à articulations multiples qui reproduisent le mouvement de marche de vraies araignées. Examinez les pièces du kit pour vérifier les 71 pièces illustrées ici. Pouvez-vous deviner à quoi sert chaque pièce dans la conception RoboSpider ?

Étape 3: RoboSpider - Câblage

Branchez d'abord le moteur et le boîtier de la batterie pour le RoboSpider. Les fils peuvent simplement être torsadés sur les bornes de la batterie comme indiqué dans les instructions. Cependant, les fils peuvent également être ATTENTIVEMENT soudés en place si vous le souhaitez.

Étape 4: RoboSpider - Assemblage mécanique

Un ensemble d'engrenages très intéressant est formé pour chaque paire de pattes. Chaque RoboSpider possède quatre assemblages de deux pattes chacun pour coordonner le mouvement de huit pattes d'araignée distinctes. Notez comment un dispositif est fourni pour aider à l'alignement des engrenages.

Le reste du RoboSpider peut être assemblé comme indiqué dans les instructions. Quel type de dynamique de marche est présenté par ce RoboSpider ?

Étape 5: Préparons-nous à souder

La soudure est un processus dans lequel deux ou plusieurs éléments métalliques (souvent des fils ou des fils) sont assemblés en faisant fondre un métal d'apport appelé soudure dans le joint entre les éléments métalliques. Différents types d'outils de soudage sont facilement disponibles. L'atelier de démarrage HackerBoxes comprend un bel ensemble d'outils de base pour souder de petits appareils électroniques:

• Fer à souder
• Conseils de remplacement
• Support de fer à souder
• Nettoyant pour panne de fer à souder
• Souder
• Mèche à dessouder

Si vous débutez dans le soudage, il existe de nombreux guides et vidéos en ligne sur le soudage. Voici un exemple. Si vous pensez avoir besoin d'une aide supplémentaire, essayez de trouver un groupe de fabricants locaux ou un espace de hacker dans votre région. De plus, les clubs de radio amateur sont toujours d'excellentes sources d'expérience en électronique.

Portez des lunettes de sécurité pendant le soudage

Vous voudrez également avoir de l'alcool isopropylique et des tampons pour nettoyer les résidus de flux brunâtre laissés sur vos joints de soudure. S'il est laissé en place, ce résidu finira par corroder le métal à l'intérieur de la connexion.

Enfin, vous voudrez peut-être consulter la bande dessinée "Soldering is Easy" de Mitch Altman.

Étape 6: Robot de suivi de ligne

Le robot de suivi de ligne (alias Line Tracing) peut suivre une ligne noire épaisse tracée sur une surface blanche. La ligne doit avoir une épaisseur d'environ 15 mm.

Étape 7: Robot de suivi de ligne - Schéma et composants

Les pièces du robot suiveur de ligne ainsi que le schéma de circuit sont présentés ici. Essayez d'identifier toutes les pièces. Tout en examinant la théorie des opérations ci-dessous, voyez si vous pouvez comprendre le but de chacune des parties et peut-être même pourquoi leurs valeurs ont été ainsi spécifiées. Essayer de "reverse engineering" des circuits existants est un excellent moyen d'apprendre à concevoir les vôtres.

Théorie du fonctionnement:

De chaque côté de la ligne, une LED (D4 et D5) permet de projeter un spot lumineux sur la surface en dessous. Ces LED inférieures ont des lentilles transparentes pour former un faisceau lumineux dirigé par opposition à un faisceau diffus. Selon que la surface sous la LED est blanche ou noire, une quantité différente de lumière sera réfléchie dans la photorésistance correspondante (D13 et D14). Le tube noir autour de la photorésistance aide à focaliser la puissance réfléchie directement dans le capteur. Les signaux de la photorésistance sont comparés dans la puce LM393 pour déterminer si le robot doit continuer tout droit ou doit être tourné. Notez que les deux comparateurs du LM393 ont les mêmes signaux d'entrée, mais les signaux sont orientés de manière opposée.

La rotation du robot s'effectue en allumant le moteur à courant continu (M1 ou M2) à l'extérieur du virage tout en laissant le moteur vers l'intérieur du virage à l'état éteint. Les moteurs sont allumés et éteints à l'aide des transistors d'entraînement (Q1 et Q2). Les LED rouges montées sur le dessus (D1 et D2) nous indiquent quel moteur est sous tension à un moment donné. Ce mécanisme de direction est un exemple de contrôle en boucle fermée et fournit un guidage adaptatif rapide pour mettre à jour la trajectoire du robot de manière très simple mais efficace.

Étape 8: Robot de suivi de ligne - Résistances

Une résistance est un composant électrique passif à deux bornes qui implémente la résistance électrique en tant qu'élément de circuit. Dans les circuits électroniques, les résistances sont utilisées pour réduire le flux de courant, ajuster les niveaux de signal, diviser les tensions, polariser les éléments actifs et terminer les lignes de transmission, entre autres utilisations. Les résistances sont des éléments communs des réseaux électriques et des circuits électroniques et sont omniprésentes dans les équipements électroniques.

Le kit de robot de suivi de ligne comprend quatre valeurs différentes de résistances axiales et traversantes ayant les bandes codées par couleur, comme indiqué:

• 10 ohms: marron, noir, noir, or
• 51 ohms: vert, marron, noir, or
• 1K ohm: marron, noir, noir, marron
• 3.3K ohm: orange, orange, noir, marron

Les résistances doivent être insérées par le haut de la carte de circuit imprimé (PCB) comme illustré, puis soudées par le bas. Bien sûr, la valeur correcte de la résistance doit être insérée ont été indiqués, ils ne sont pas interchangeables. Cependant, les résistances ne sont pas polarisées et peuvent être insérées dans les deux sens.

Étape 9: Robot de suivi de ligne - Composants restants

D'autres éléments de circuit, comme illustré ici, peuvent être insérés par le haut du PCB et soudés en dessous, tout comme les résistances.

Notez que les quatre composants du capteur de lumière sont en fait insérés par le bas du PCB. Le boulon long est inséré entre les composants du capteur de lumière et serré avec l'écrou ouvert. Ensuite, l'écrou à capuchon arrondi peut être placé à l'extrémité du boulon comme un patin lisse.

Contrairement aux résistances, plusieurs autres composants sont polarisés:

Les transistors ont un côté plat et un côté semi-circulaire. Lorsqu'ils sont insérés dans le PCB, assurez-vous qu'ils correspondent aux marquages sérigraphiés blancs sur le PCB.

Les LED ont un fil long et un fil plus court. Le fil long doit être mis en correspondance avec la borne + comme indiqué sur la sérigraphie.

Les condensateurs électrolytiques en forme de boîte ont un indicateur de borne négative (généralement une bande blanche) descendant d'un côté de la boîte. Le fil de ce côté est le fil négatif et l'autre est le positif. Ceux-ci doivent être insérés dans le PCB selon les indicateurs de broche dans la sérigraphie.

La puce à 8 broches, son support et la sérigraphie du PCB pour les insérer, ont tous un indicateur semi-circulaire à une extrémité. Ceux-ci doivent être alignés pour les trois. Le support doit être soudé dans le PCB et la puce ne doit pas être insérée dans le support tant que la soudure n'est pas terminée et refroidie. Bien que la puce puisse être directement soudée dans le PCB, il faut être très rapide et prudent en le faisant. Nous vous recommandons d'utiliser une prise lorsque cela est possible.

Étape 10: Robot de suivi de ligne - Batterie

La fine couche supérieure du ruban adhésif double face peut être décollée pour fixer la batterie. Les fils peuvent être alimentés à travers le PCB et soudés en dessous. L'excès de fil peut être utile pour souder les moteurs.

Étape 11: Robot de suivi de ligne - Moteurs

Les fils pour les moteurs peuvent être soudés aux plots sur la face inférieure du PCB comme indiqué. Une fois les fils soudés, la fine couche supérieure du ruban adhésif double face peut être retirée pour fixer les moteurs sur le PCB.

Étape 12: Robot de suivi de ligne - Regardez-le partir

Le robot qui suit la ligne est un plaisir à regarder. Insérez quelques piles AA et laissez-les se déchirer.

Si nécessaire, les potentiomètres du trimmer peuvent être réglés pour affiner la détection des contours du robot.

S'il y a d'autres problèmes de "comportement" avec le robot, il est également utile de vérifier l'alignement des quatre composants du capteur inférieurs et en particulier le tube noir autour des photorésistances.

Enfin, veillez à utiliser des piles neuves. Nous avons remarqué des performances erratiques une fois la batterie déchargée.

Étape 13: Bras robotique de MeArm

Le bras robotique MeArm a été développé pour être l'outil d'apprentissage le plus accessible au monde et le bras robotique le plus petit et le plus cool. Le MeArm se présente sous la forme d'un kit de bras robotisé à plat comprenant des feuilles acryliques découpées au laser et des micro servos. Vous pouvez le construire avec rien de plus qu'un tournevis et de l'enthousiasme. Il a été décrit comme le "Projet Arduino parfait pour les débutants" par le site Web Lifehacker. Le MeArm est un excellent design et très amusant, mais peut certainement être un peu difficile à assembler. Prenez votre temps et soyez patient. Essayez de ne jamais forcer les servomoteurs. Cela pourrait éventuellement endommager les minuscules engrenages en plastique à l'intérieur du servo.

Le MeArm de cet atelier est contrôlé depuis une application pour smartphone ou tablette à l'aide d'un module Wi-Fi NodeMCU adapté à la plate-forme de développement Arduino. Ce nouveau mécanisme de contrôle est assez différent de la carte "cerveau" d'origine discutée dans la documentation MeArm, alors assurez-vous de suivre les instructions pour le contrôleur qui sont présentées ici et non celles de la documentation originale de MeArm. Les détails mécaniques concernant l'assemblage des composants acryliques MeArm et les servomoteurs restent les mêmes.

Étape 14: Contrôleur Wi-Fi du bras robotique - Préparez Arduino pour le NodeMCU

NodeMCU est une plate-forme open source basée sur la puce ESP8266. Cette puce comprend un processeur RISC 32 bits fonctionnant à 80 MHz, une connexion Wi-Fi (IEEE 802.11 b/g/n), une mémoire RAM, une mémoire flash et 16 broches d'E/S.

Notre matériel de contrôleur est basé sur le module ESP-12 illustré ici, qui comprend une puce ESP8266 ainsi que son support réseau Wi-Fi inclus.

Arduino est une plate-forme électronique open source basée sur du matériel et des logiciels faciles à utiliser. Il est destiné à toute personne réalisant des projets interactifs. Alors que la plate-forme Arduino utilise généralement le microcontrôleur Atmel AVR, il peut être adapté pour fonctionner avec d'autres microcontrôleurs, y compris notre ESP8266.

Pour commencer, vous devrez vous assurer que l'IDE Arduino est installé sur votre ordinateur. Si vous n'avez pas installé l'IDE, vous pouvez le télécharger gratuitement (www.arduino.cc).

Vous aurez également besoin de pilotes pour le système d'exploitation (OS) de votre ordinateur pour accéder à la puce série-USB appropriée sur le module NodeMCU que vous utilisez. Actuellement, la plupart des modules NodeMCU incluent la puce CH340 Serial-USB. Le fabricant des puces CH340 (WCH.cn) propose des pilotes pour tous les systèmes d'exploitation courants. Il est préférable d'utiliser la page traduite de Google pour leur site.

Une fois que nous avons installé l'IDE Arduino et les pilotes du système d'exploitation installés pour la puce d'interface USB, nous devons étendre l'IDE Ardino pour qu'il fonctionne avec la puce ESP8266. Exécutez l'IDE, accédez aux préférences et localisez le champ de saisie des « URL supplémentaires du gestionnaire de cartes »

Pour installer Board Manager pour ESP8266, collez cette URL:

arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

Après l'installation, fermez l'IDE, puis redémarrez-le.

Connectez maintenant le module NodeMCU à votre ordinateur à l'aide du câble microUSB.

Sélectionnez le type de carte dans l'IDE Arduino en tant que NodeMCU 1.0

Voici un instructable qui passe en revue le processus de configuration pour Arduino NodeMCU à l'aide de différents exemples d'application. On s'éloigne un peu de l'objectif ici, mais il peut être utile de chercher un autre point de vue si vous êtes bloqué.

Étape 15: Contrôleur Wi-Fi Robotic Arm - Hackez votre premier programme NodeMCU

Chaque fois que nous connectons un nouveau matériel ou installons un nouvel outil logiciel, nous aimons nous assurer qu'il fonctionne en essayant quelque chose de très simple. Les programmeurs appellent souvent cela le programme "hello world". Pour le matériel embarqué (ce que nous faisons ici), le "hello world" fait généralement clignoter une LED (diode électroluminescente).

Heureusement, le NodeMCU a une LED intégrée que nous pouvons faire clignoter. En outre, l'IDE Arduino dispose d'un exemple de programme pour le clignotement des LED.

Dans l'IDE Arduino, ouvrez l'exemple appelé blink. Si vous examinez attentivement ce code, vous pouvez voir qu'il alterne la rotation de la broche 13 en haut et en bas. Sur les cartes Arduino d'origine, la LED utilisateur est sur la broche 13. Cependant, la LED NodeMCU est sur la broche 16. Nous pouvons donc éditer le programme blink.ino pour changer chaque référence de la broche 13 à la broche 16. Ensuite, nous pouvons compiler le programme et téléchargez-le dans le module NodeMCU. Cela peut prendre quelques essais et peut nécessiter la vérification du pilote USB et une double vérification du réglage de la carte et du port dans l'IDE. Prenez votre temps et soyez patient.

Une fois que le programme a correctement téléchargé, l'IDE dira "Téléchargement terminé" et la LED commencera à clignoter. Voyez ce qui se passe si vous modifiez la longueur de la fonction delay() à l'intérieur du programme, puis la téléchargez à nouveau. Est-ce ce que vous attendiez. Si c'est le cas, vous avez piraté votre premier code intégré. Toutes nos félicitations!

Étape 16: Contrôleur Wi-Fi du bras robotisé - Exemple de code logiciel

Blynk (www.blynk.cc) est une plate-forme comprenant des applications iOS et Android pour contrôler Arduino, Raspberry Pi et d'autres matériels via Internet. C'est un tableau de bord numérique où vous pouvez créer une interface graphique pour votre projet en faisant simplement glisser et déposer des widgets. C'est très simple de tout configurer et vous commencerez à bricoler tout de suite. Blynk vous mettra en ligne et vous préparera pour l'Internet de vos objets.

Consultez le site Blynk et suivez les instructions de configuration de la bibliothèque Arduino Blynk.

Prenez le programme Arduino ArmBlynkMCU.ino ci-joint. Vous remarquerez qu'il a trois chaînes qui doivent être initialisées. Vous pouvez les ignorer pour le moment et vous assurer simplement que vous pouvez compiler et télécharger le code tel quel sur le NodeMCU. Vous aurez besoin de ce programme chargé sur le NodeMCU pour la prochaine étape de calibrage des servomoteurs.

Étape 17: Contrôleur Wi-Fi du bras robotisé - Étalonnage des servomoteurs

La carte de blindage du moteur ESP-12E prend en charge le branchement direct du module NodeMCU. Alignez soigneusement et insérez le module NodeMCU sur la carte de blindage du moteur. Branchez également les quatre servos au blindage comme indiqué. Notez que les connecteurs sont polarisés et doivent être orientés comme indiqué.

Le code NodeMCU qui a été chargé à la dernière étape initialise les servos à leur position d'étalonnage comme indiqué ici et discuté dans la documentation MeArm. Fixer les bras de servo dans la bonne orientation tandis que les servos sont réglés sur leur position d'étalonnage garantit que le bon point de départ, le point de fin et la plage de mouvement sont configurés pour chacun des quatre servos.

À propos de l'utilisation de l'alimentation par batterie avec les servomoteurs NodeMCU et MeArm:

Les fils de la batterie doivent être câblés aux bornes à vis d'entrée de la batterie. Il y a un bouton d'alimentation en plastique sur le blindage du moteur pour activer l'alimentation d'entrée de la batterie. Le petit bloc de cavaliers en plastique est utilisé pour acheminer l'alimentation vers le NodeMCU depuis le blindage du moteur. Sans le bloc de cavaliers installé, le NodeMCU peut s'alimenter à partir du câble USB. Une fois le bloc de cavaliers installé (comme illustré), l'alimentation de la batterie est acheminée vers le module NodeMCU.

Étape 18: Interface utilisateur du bras robotique - Intégration avec Blynk

Nous pouvons maintenant configurer l'application Blynk pour contrôler les servomoteurs.

Installez l'application Blyk sur votre appareil mobile iOS ou Android (smartphone ou tablette). Une fois installé, configurez un nouveau projet Blynk comportant quatre curseurs comme indiqué pour contrôler les quatre servomoteurs. Notez le jeton d'autorisation Blynk généré pour votre nouveau projet Blynk. Vous pouvez vous le faire envoyer par e-mail pour faciliter le collage.

Modifiez le programme Arduino ArmBlynkMCU.ino pour remplir les trois chaînes:

• SSID Wi-Fi (pour votre point d'accès Wi-Fi)
• Mot de passe Wi-Fi (pour votre point d'accès Wi-Fi)
• Jeton d'autorisation Blynk (de votre projet Blynk)

Maintenant, compilez et téléchargez le code mis à jour contenant les trois chaînes.

Vérifiez que vous pouvez déplacer les quatre servomoteurs via Wi-Fi à l'aide des curseurs de votre appareil mobile.

Étape 19: Bras robotique - Assemblage mécanique

Nous pouvons maintenant procéder à l'assemblage mécanique du MeArm. Comme indiqué précédemment, cela peut être un peu délicat. Prenez votre temps et soyez patient. Essayez de ne pas forcer les servomoteurs.

N'oubliez pas que ce MeArm est contrôlé par le module Wi-Fi NodeMCU qui est assez différent de la carte "cerveau" d'origine décrite dans la documentation MeArm. Assurez-vous de suivre les instructions du contrôleur qui sont présentées ici et non celles de la documentation originale de MeArm.

Les détails complets de l'assemblage mécanique peuvent être trouvés sur ce site. Ils sont étiquetés comme le Guide de construction pour MeArm v1.0.

Étape 20: Ressources en ligne pour étudier la robotique

Il existe un nombre croissant de cours de robotique en ligne, de livres et d'autres ressources…

• Cours de Stanford: Introduction à la robotique
• Cours Columbia: Robotique
• Cours MIT: Robotique sous-actionnée
• WikiLivre sur la robotique
• Cours de robotique
• Apprendre l'informatique avec des robots
• La robotique démystifiée
• Mécanismes de robot
• Manipulation robotique mathématique
• Robots éducatifs avec Lego NXT
• LEGO Éducation
• Robotique de pointe
• Robotique embarquée
• Robots mobiles autonomes
• Robots d'escalade et de marche
• Robots grimpeurs et marcheurs Nouvelles applications
• Robots humanoïdes
• Bras de robot
• Robots manipulateurs
• Avancées dans les robots manipulateurs
• Robotique IA

L'exploration de ces ressources, et d'autres, élargira continuellement votre connaissance du monde de la robotique.

Étape 21: Patch de réussite en robotique

Toutes nos félicitations! Si vous avez fait de votre mieux dans ces projets de robotique et perfectionné vos connaissances, vous devriez porter avec fierté l'écusson de réussite inclus. Faites savoir au monde que vous êtes un maître des servos et des capteurs.

Étape 22: pirater la planète

Nous espérons que vous appréciez l'atelier de robotique HackerBoxes. Cet atelier et d'autres peuvent être achetés dans la boutique en ligne de HackerBoxes.com où vous pouvez également vous abonner à la boîte d'abonnement mensuelle HackerBoxes et recevoir de grands projets directement dans votre boîte aux lettres chaque mois.

Veuillez partager votre succès dans les commentaires ci-dessous et/ou sur le groupe Facebook HackerBoxes. N'hésitez pas à nous faire savoir si vous avez des questions ou si vous avez besoin d'aide pour quoi que ce soit. Merci de faire partie de l'aventure HackerBoxes. Faisons quelque chose de grand !