HeadBot - Robot Mengimbangkan Diri untuk Pembelajaran dan Jangkauan STEM: 7 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:08

Headbot - sebuah robot pengimbang diri setinggi dua kaki - adalah idea dari Pasukan Robotik Eugene Selatan (SERT, FRC 2521), sebuah pasukan robotik sekolah menengah yang kompetitif dalam Pertandingan Robotik PERTAMA, dari Eugene, Oregon. Robot jangkauan popular ini membuat penampilan biasa di sekolah dan acara komuniti di mana ia menarik orang dewasa dan kanak-kanak. Kerana robot ini tahan lama dan mudah dikendalikan menggunakan telefon atau tablet Android, kanak-kanak semuda tiga tahun dapat menggerakkannya dengan jayanya. Dan kerana bot dapat mengenakan berbagai topi, topeng, dan kostum lain, itu adalah tambahan yang menghiburkan untuk semua perjumpaan. Anggota SERT menggunakan bot untuk merekrut ahli pasukan baru, dan untuk menginspirasi minat umum STEM dalam komuniti.

Jumlah kos projek adalah kira-kira $ 200 (dengan andaian bahawa anda mempunyai pencetak 3D dan peranti Android), walaupun boleh dicukur menjadi kurang dari $ 100 jika anda mempunyai kedai elektronik yang lengkap dengan akses mudah ke solder, tiub penyusutan panas, kabel jumper, perintang, kapasitor, bateri dan kabel USB mikro. Pembinaannya berjalan lancar sekiranya anda sudah mempunyai pengalaman elektronik, dan ini memberi peluang besar bagi mereka yang ingin belajar. Bagi mereka yang mempunyai minat khusus dalam robotik, Headbot juga menyediakan platform yang baik untuk mengembangkan kemahiran dalam penyesuaian Proportional-Integral-Derivative (PID) untuk kawalan maklum balas.

Bekalan

Perhatikan bahawa senarai bahagian di bawah menunjukkan bilangan bahagian yang diperlukan bagi setiap jenis, bukan jumlah bungkusan. Beberapa pautan merujuk ke halaman di mana beberapa bahagian dapat dibeli sebagai bungkusan (yang memberikan penjimatan kos) - berhati-hati untuk memastikan bahawa anda membeli jumlah paket yang diperlukan untuk mendapatkan jumlah bahagian yang sesuai.

Komponen elektronik

• 1x ESP32 Mikrokontroler
• Motor Stepper 2x
• 2x Pemandu Motor Stepper A4988
• Giroskop / Accelerometer 1x MPU-6050
• Kapasitor 1x 100uF
• 1x UBEC (Litar Penghapusan Bateri Universal)
• Pembahagi Voltan 1x (1x 10kohm dan 1x 26.7kohm perintang)
• Lampu LED RGB anod biasa 2x5mm
• Perintang 6x 220 ohm
• Kabel Jumper (lelaki-lelaki dan wanita-wanita)
• Wayar Elektrik
• Palam Penyambung SM 3x JST
• Sarung 2-Bateri 2x
• Panas mengecut
• Pateri

Perkakasan

• 1x 3D, Casing, Cap, and Electrical Board yang dicetak 3D (lihat arahan di bawah)
• Roda Cakera Presisi 2x5"
• Hub Roda 2x 0,770 "dengan bore 5mm
• 8x Bateri & Pengecas AA yang boleh dicas semula
• Kepala Styrofoam 1x
• 1x 2.5 "sekeping paip PVC 3/4" (untuk memasang kepala)
• Pencuci Kunci 8x M3 (untuk memasang motor)
• Skru 8x M3 x 8mm (untuk memasang motor)
• Skru 8x 6-32 x 3/8 "(untuk memasang roda ke hub)
• 2x Zipties
• Pita Saluran atau Gaff
• 2x batang logam kaku atau wayar yang kukuh (mis., Dipotong dari penyangkut kot wayar) lebih kurang. 12 "panjang

Alat yang Disyorkan

• Stripper Wayar
• Pemotong wayar
• Besi pematerian
• Pistol haba
• Gerudi elektrik
• Bit Spade 1 "x 16"
• Set Perengkuh Kunci Hex
• Senapang Gam Panas
• Kabel USB Mikro dengan Palam Bersudut

Langkah 1: Cetak 3D Casing, Cap dan Electronics Board

3D mencetak selongsong, penutup dan papan elektronik. Muat turun fail stl di sini. Bahagian hendaklah dicetak dengan PLA pada resolusi 0.25mm dan 20% isi, tanpa perlu rakit atau sokongan.

Langkah 2: Tambahkan Motor, Roda dan Pita ke Selongsong

Motor: Letakkan motor stepper ke bahagian bawah selongsong (dengan wayar keluar dari bahagian atas motor) dan selamatkan dengan skru M3x8mm dan mesin basuh mur kunci M3, menggunakan sepana hex atau pemutar skru yang sesuai. Letakkan hub roda pada gandar dan selamatkan dengan mengetatkan skru tetapan ke bahagian gandar yang rata.

Roda: Regangkan gelang getah di bahagian luar cakera roda. Pasang roda ke hub roda dengan skru 6-32x3 / 8 . (Roda mungkin pas di sekitar hub. Jika demikian, posisi sebaik mungkin, kemudian perlahan-lahan kencangkan skru sedikit demi sedikit, bergerak dari skru ke skru dan berulang, untuk membolehkan skru menarik roda ke tempatnya.)

Sediakan penutup dan paip PVC: Tambahkan saluran atau pita gaff ke bahagian atas selongsong sehingga penutupnya meluncur dengan kemas dan pas. Tambahkan pita ke salah satu hujung paip PVC”” berukuran 2,5”sehingga meluncur ke dalam lubang di penutup dengan kemas dan pas. Sekiranya diperlukan, pita juga dapat ditambahkan ke ujung PVC yang lain untuk memastikan kemas masuk ke dalam lubang di pangkal kepala.

Langkah 3: Sediakan Papan Elektronik

Sapukan pita ke papan elektronik: Tambahkan saluran atau pita gaff ke sisi papan elektronik sehingga akan meluncur ke rel di bahagian dalam selongsong dengan pas.

MPU-6050 Giroskop / Accelerometer: Memasukkan pin ke Giroskop / Accelerometer MPU-6050, dengan sisi panjang pin di sisi yang sama dari papan litar dengan cip. Gunakan cukup banyak lem panas untuk menahan MPU ke rak kecil yang menonjol dari dasar papan elektron, berorientasikan sehingga pin berada di sebelah kiri papan semasa anda menghadap rak.

Pemacu Motor Stepper A4988: Gunakan pemutar skru kecil untuk memutar potensiometer pengehad arus kecil pada setiap pemacu motor stepper A4988 mengikut arah jam sejauh mungkin. Kupas kertas dari pita pada pendingin untuk pemandu motor dan sapukan untuk menutup cip di tengah papan litar. Gunakan gam panas yang mencukupi untuk menahan pemandu motor (dengan potensiometer ke arah atas) ke sisi papan elektronik di seberang rak dengan MPU, dengan pin yang menonjol melalui dua pasang celah menegak di bahagian atas papan elektronik (berhati-hati agar tidak terkena gam pada pin, yang seharusnya menonjol pada sisi yang sama dengan MPU). Tali tali leher melalui lubang kecil di atas setiap pemandu motor untuk mengamankannya di tempatnya.

Mikrokontroler ESP32: Letakkan kabel USB mikro ke dalam palam pada mikrokontroler ESP32 (ini akan digunakan untuk menahan hujung papan litar yang agak jauh dari papan elektronik, supaya akses ke palam dapat dijamin setelah ESP32 terpaku di tempat). Letakkan ESP32 dengan palam di sebelah kanan ketika anda menghadap sisi cip, dan gunakan gam yang cukup untuk mengikatnya ke papan litar, dengan pin menonjol melalui celah mendatar di tengah papan ke sisi dengan MPU (ambil berhati-hatilah untuk tidak merekatkan pin, atau kabel USB). Setelah gam mengeras, tanggalkan kabel USB.

Langkah 4: Litar Elektronik

Arahan am: Ikuti rajah litar (muat turun pdf di bawah untuk versi resolusi tinggi) untuk membuat tali sawat yang diperlukan untuk menyambungkan komponen elektronik. Sambungan antara dua pin boleh dibuat secara langsung dengan wayar pelompat wanita-wanita tunggal. Sambungan antara 3 atau lebih pin boleh dibuat dengan tali wayar yang lebih kompleks yang dijelaskan di bawah. Harnesses boleh dibuat dengan memotong jumper wanita-wanita menjadi dua, kemudian menyoldernya bersama-sama dengan komponen lain (perintang, kapasitor, palam, wayar pendek) yang sesuai. Dalam semua kes, gunakan tiub pengecutan panas untuk melindungi sendi pateri.

Pek Bateri: Pastikan bahawa pek bateri boleh masuk ke dalam slot di dasar casing 3D. Sekiranya tidak sesuai, gunakan fail untuk membentuknya sehingga sesuai. Klip wayar dari dua palam penyambung JST SM wanita (meninggalkan kira-kira satu inci), dan pateri satu ke plag dari setiap pek bateri.

Harness kuasa utama: Harness kuasa utama menerima input dari dua palam penyambung JST SM lelaki, dengan plumbum + dari satu palam yang bergabung ke - plumbum dari yang lain untuk menghubungkan dua pek bateri secara bersiri (menghasilkan input 12v gabungan). Sambungan lain disambungkan melalui kapasitor 100uF (untuk lonjakan voltan; kaki yang lebih pendek dari kapasitor itu melekat pada plumbum -, sementara kaki yang lebih panjang melekat pada plumbum + 12v) dan dengan pembahagi voltan yang terdiri daripada perintang 10kohm (disambungkan ke plumbum - dan perintang 26.7kohm (disambungkan ke plumbum + 12v), dengan pelompat wanita dari antara perintang akan menyematkan SVP pada ESP32 (ini memberikan input berskala dengan maksimum 3.3v yang digunakan untuk berikan bacaan voltan yang tinggal dalam pek bateri). Pelompat wanita tambahan menyediakan + 12v (2 pelompat) dan - input (2 pelompat) ke VMOT dan pin GND yang berdekatan, masing-masing, pada pemacu stepper. Selain itu, Penghapusan Bateri Sejagat (UBEC) disolder ke + 12v dan - petunjuk harness kuasa utama (input ke UBEC adalah sisi dengan kapasitor berbentuk tong), dengan output + 5v dan - keluaran UBEC disolder ke palam SM JST wanita.

Input 5v ke ESP32: Memateri palam penyambung JST SM lelaki ke dua palam jumper wanita, untuk memberikan input ke input 5v dan GND ke ESP32 dari UBEC (palam ini memungkinkan untuk memutuskan sambungan dengan mudah ketika ESP32 dikuasakan oleh input USB mikro, untuk kod yang dimuat ke mikrokontroler).

Harness kuasa 3.3v: Pelompat wanita 7 untuk menyambung pin 3.3v pada ESP32 ke pin VCC pada MPU, pin VDD dan MS1 pada setiap pemacu motor stepper, dan ke jumper lelaki yang memberi kuasa pada mata LED (memungkinkan untuk memutuskan sambungan dengan mudah ke mata, ketika ESP32 dihidupkan dari USB mikro semasa kod sedang dimuat).

Harness ground: Solder 3 jumper wanita untuk menyambungkan pin GND pada ESP32 ke pin GND (di sebelah pin VDD) pada setiap pemandu motor stepper.

Stepper membolehkan abah-abah: Solder 3 jumper wanita untuk menyambungkan pin P23 pada ESP32 ke pin ENABLE pada setiap pemacu motor stepper.

Penyambung pelompat tunggal: Pelompat tunggal digunakan untuk membuat sambungan berikut:

• GND pada ESP32 hingga GND pada MPU
• P21 pada ESP32 hingga SCL pada MPU
• P22 pada ESP32 hingga SDA di MPU
• P26 pada ESP32 hingga DIR pada pemacu stepper kiri
• P25 pada ESP32 hingga LANGKAH pada pemacu stepper kiri
• Jumper SLEEP dan RESET pada pemacu stepper kiri
• P33 pada ESP32 hingga DIR pada pemacu stepper kanan
• P32 pada ESP32 hingga LANGKAH pada pemacu stepper kanan
• Jumper SLEEP dan RESET pada pemacu stepper kanan

Sambungkan UBEC: Palam JST SM wanita pada output UBEC boleh dipasang ke palam lelaki yang sepadan yang membekalkan kuasa dan arde ke input 5v dan GND pada ESP32. Walau bagaimanapun, palam ini harus dilepaskan semasa ESP32 dihidupkan oleh USB mikro (mis., Semasa memuatkan kod), atau arus terbalik dari ESP32 ke harness kuasa utama akan mengganggu fungsi ESP32 yang betul.

Pasang papan elektronik: Geser papan elektronik ke rel di bahagian dalam selongsong.

Sambungkan kabel motor: Sambungkan kabel dari motor kiri ke pemacu stepper kiri, dengan wayar biru, merah, hijau dan hitam masing-masing menghubungkan ke pin 1B, 1A, 2A dan 2B. Sambungkan plumbum dari motor kanan ke pemacu stepper kanan, dengan wayar biru, merah, hijau dan hitam masing-masing menghubungkan ke pin 2B, 2A, 1A dan 1B (perhatikan bahawa motor disambungkan dengan cara gambar cermin, kerana mereka mempunyai orientasi bertentangan). Masukkan lebihan pendawaian motor ke bahagian bawah selongsong.

Sambungkan pek bateri: Geser pek bateri ke dalam poketnya di dalam selongsong, dan sambungkan palam penyambung JST SM wanita mereka ke palam lelaki yang sesuai pada input ke harness kuasa utama (petunjuk dari pek bateri depan dapat dipandu melalui lubang di bahagian tengah papan elektronik untuk mendapatkan akses ke palam di bahagian belakang). Pek bateri boleh diputuskan untuk memudahkan penggunaan bateri segar. Menghidupkan suis kuasa pada kedua-dua pek bateri ke posisi mati akan memutuskan bekalan kuasa ke litar (kerana pek tersebut berada dalam siri) - suis di bahagian belakang bot mesti dihidupkan agar litar dihidupkan.

Langkah 5: Sediakan Kepala dan Mata

Panjangkan lubang di pangkal kepala: Gunakan gerudi bit sekop 1 "untuk meningkatkan kedalaman lubang di bahagian bawah kepala, sehingga ujung di atas ketinggian mata (berguna untuk meletakkan potongan kecil pita pada lokasi yang sesuai pada batang bit untuk menunjukkan bila kedalaman yang sesuai telah dicapai). Tolak bit 2-3 "ke dalam lubang sebelum menggerudi agar tidak merosakkan bukaan lubang (anda mahukan pemasangan ketat pada paip PVC yang akan menahannya ke penutup selongsong). Simpan sebilangan besar styrofoam untuk mengisi semula mata kemudian.

Buat cangkuk untuk mendorong / menarik wayar: Di salah satu hujung batang logam yang kaku, bengkokkan bentuk N kecil (ini akan digunakan untuk mendorong wayar untuk menghidupkan mata LED melalui kepala styrofoam). Bengkokkan cangkuk kecil di hujung batang logam kaku yang lain (ini akan digunakan untuk memancing wayar dari lubang di bahagian bawah kepala).

Kabel run: Ikat gelung besar di hujung wayar merah, kuning, hijau dan biru, menggunakan simpul yang ketat. Bekerja dengan satu wayar pada satu masa, pasangkan gelung di hujung cangkuk berbentuk N dan tolakkannya melalui mata kepala, menjaga jalan mendatar dan mengarah ke lubang di tengah kepala. Apabila wayar didorong ke dalam lubang, gunakan batang yang dipaut untuk menangkap gelung dari bahagian bawah kepala, dan tarik dari lubang, mengeluarkan batang lain dari mata juga (meninggalkan wayar 2-3 inci di bahagian bawah kepala, dan tergantung dari mata). Ulangi proses dengan tiga wayar berwarna yang lain, ikuti jalan yang sama dari mata ke lubang tengah (gunakan tali leher berlabel untuk mengikat wayar ini bersama-sama dan tunjukkan mata yang mereka kendalikan). Ulangi dengan 4 wayar lagi di mata kedua.

Pasang LED RGB: Memendekkan petunjuk pada LED RGB, pastikan menandakan anod biasa (plumbum yang lebih panjang, dan perhatikan lokasi R (plumbum tunggal di satu sisi anod, seperti yang ditunjukkan pada rajah litar) dan Sokongan G dan B (dua petunjuk di sisi lain anod). Memateri wayar yang sesuai yang tergantung dari salah satu mata ke LED (merah ke anod, kuning ke R, hijau ke G, dan biru ke B), penebat sambungan dengan tiub penyusutan haba. Tolak plumbum LED ke kepala, tetapi biarkan sedikit menonjol sehingga dapat diuji. Ulangi proses dengan LED yang lain dan wayar dari mata yang lain.

Pasang wayar pelompat: Pateri perintang 220 ohm dan wayar pelompat dengan penyambung wanita ke setiap wayar kuning, hijau dan biru yang menonjol dari bahagian bawah kepala. Sambungkan dua wayar merah, dan pasangkan pelompat dengan penyambung lelaki (nota: ini adalah satu-satunya pelompat lelaki yang diperlukan dalam litar).

Sambungkan jumper dan pasangkan kepala: Arahkan pelompat melalui tiub PVC di penutup dan luncurkan PVC ke lubang di kepala, pasangkannya ke penutup. Pasang pelompat kuasa lelaki ke pelompat wanita pada harness 3.3v, dan jumper RGB wanita ke ESP32 (wayar kuning, hijau dan biru mata kiri masing-masing ke P4, P0 dan P2, dan kuning, hijau dan biru wayar mata kanan masing-masing ke P12, P14 dan P27). Akhirnya, pasangkan kepala / penutup ke selongsong utama.

Langkah 6: Muat naik Kod dan Pasang Stesen Pemandu

Memasang kod HeadBot pada ESP32: Muat turun dan pasang Arduino IDE di komputer anda. Lawati https://github.com/SouthEugeneRoboticsTeam/ursa dan klik "Muat turun Zip" di bawah butang "Klon atau Muat turun" hijau. Pindahkan folder zip ke dalam ke mana sahaja di komputer anda, dan namakan semula menjadi "ursa"

Buka ursa.ino menggunakan Arduino IDE. Dalam menu pilihan di bawah "Fail", tambahkan https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json ke "URL Pengurus Papan Tambahan". Pasang esp32boards oleh Espressif Systems di bawah Tools> Board manager. Pilih "modul dev esp32" di bawah Alat> Papan. Pasang PID oleh Brett Beauregard library dengan mengklik "Manage Libraries" di bawah menu "Sketch".

Sambungkan ke ESP32 menggunakan kabel USB-MicroUSB. Pilih papan di bawah Alat. Tekan dan tahan butang kecil berlabel "I00" di sebelah penyambung mikro USB pada ESP32, kemudian tekan butang muat naik pada Arduino IDE, dan lepaskan "I00" apabila Arduino IDE mengatakan bahawa ia adalah "Menyambung …". Setelah muat naik selesai, kabel MicroUSB dapat diputuskan.

Memasang stesen pemacu HeadBot: Muat turun dan pasang Pemprosesan di komputer anda. Lawati https://github.com/SouthEugeneRoboticsTeam/ursa-ds-prototype dan muat turun kodnya. Buka "ursaDSproto.pde" menggunakan IDE Pemprosesan. Pasang perpustakaan Ketai, Game Control Plus, dan UDP melalui pengurus perpustakaan Pemprosesan (Sketsa> Import Library). Sekiranya anda menjalankan stesen pemacu di komputer anda, pilih Mode Java di menu lungsur di sebelah kanan atas tetingkap Pemprosesan; untuk menjalankannya di Android, pasang Mode Android untuk Pemprosesan dengan mengklik menu dropdown "Java" di kanan atas. Kemudian, sambungkan peranti, aktifkan penyahpepijatan USB, pilih Mod Android. Untuk menjalankan stesen pemacu, klik "Jalankan Sketsa." Sekiranya komputer anda disambungkan ke peranti Android, stesen pemacu akan dipasang di atasnya.

Langkah 7: Mulakan Nilai HeadBot dan Tune PID

Memulakan: Pastikan bahawa bateri disambungkan, dan output UBEC disambungkan ke penyambung input ESP32. Dengan Headbot berbaring di sisinya dalam posisi stabil, aktifkan dengan menggeser suis kuasa pada kedua-dua pek bateri ke posisi ON, meninggalkan Headbot tidak bergerak selama beberapa saat sementara giroskop memulakan. Setelah berlengah, anda akan dapat melihat isyarat wifi Headbot (SERT_URSA_00) pada perangkat yang akan anda gunakan untuk mengendalikan bot - pilih, dan masukkan kata laluan "Headbot". Setelah sambungan dibuat, jalankan aplikasi stesen pemacu di telefon / tablet anda, atau jalankan skrip stesen pemacu dalam Pemprosesan di komputer anda. Setelah program dimulakan dan sambungan dibuat, anda akan melihat nilai "nada" mula bertindak balas, menunjukkan kemiringan Headbot.

Menetapkan nilai PID: Untuk dapat mengawal Headbot, anda perlu menyesuaikan nilai PID. Untuk versi Headbot yang diterangkan di sini. Mengklik kotak di kiri atas stesen pemacu akan memunculkan slaid untuk menyesuaikan nilai. Tiga gelangsar teratas adalah untuk menyesuaikan P, I dan D untuk Sudut (PA, IA dan DA) - nilai ini sangat penting untuk membolehkan Headbot mengekalkan keseimbangannya. Tiga slaid bawah adalah untuk menyesuaikan P, I dan D untuk Speed (PS, IS dan DS) - nilai-nilai ini penting untuk membolehkan Headbot menyesuaikan kelajuan pemanduannya dengan betul mengikut input joystick. Nilai permulaan yang baik dengan versi Headbot ini adalah PA = 0.08, IA = 0.00, DA = 0.035, PS = 0.02, IS = 0.00, dan DS = 0.006. Setelah menetapkan nilai-nilai ini, klik kotak "Simpan Pengaturan" di kiri atas stesen pemacu (ini menyimpan tetapan dalam bentuk yang lebih tahan lama yang akan bertahan dari reboot bot).

Mencuba: Klik pada bar Joystick Hijau di sebelah kanan atas stesen pemacu untuk memunculkan kayu bedik untuk mengawal robot. Berdiri Headbot ke atas dalam arah yang hampir seimbang, dan tekan kotak hijau Aktifkan hijau gelap di sebelah kanan atas (menekan kotak merah yang bersebelahan akan Melumpuhkan bot). Sekiranya semuanya berjalan lancar, anda akan mempunyai Headbot yang mengimbangkan sendiri, tetapi kemungkinan besar anda perlu menyesuaikan nilai PID. Biasanya terdapat sedikit I atau D berbanding P, jadi mulakan dari sana. Terlalu sedikit, dan ia tidak akan responsif. Terlalu banyak dan akan berayun berulang-alik. Mulakan Mulakan dengan nilai Angle PID, buat perubahan kecil untuk melihat bagaimana keadaan dipengaruhi. Sebilangan istilah D untuk gelung sudut dapat membantu meminimumkan ayunan, tetapi sebilangan kecil dapat dengan cepat membawa banyak kegelisahan, jadi gunakan dengan hemat. Sekiranya nilai Sudut betul, Headbot harus menahan beberapa gerakan lembut tanpa jatuh. Kedutan kecil diharapkan semasa Headbot seimbang, kerana motor stepper bergerak pada separuh langkah 0.9 darjah dengan setiap penyesuaian.

Setelah keseimbangan dicapai, cubalah mengemudi dengan melakukan gerakan kecil dari joystick, membuat penyesuaian kecil pada nilai Speed PID sehingga bot bertindak balas dengan cara yang halus dan anggun. Meningkatkan istilah I mungkin berguna untuk mengatasi robot yang tidak berpegang pada kelajuan yang ditetapkan. Perlu diperhatikan - perubahan pada nilai Speed PID akan memerlukan penyesuaian lebih lanjut terhadap nilai Angle PID (dan sebaliknya), kerana gelung PID berinteraksi.

Perubahan pada keseluruhan berat dan pengedaran berat Headbot (seperti ketika memakai cermin mata, topeng, rambut palsu atau topi) akan memerlukan perubahan nilai PID. Selanjutnya, jika kostum membuang keseimbangan terlalu banyak, anda mungkin perlu mengubah nilai startOffset dalam kod ursa.ino dan memuatkan semula kod ke ESP32.

Naib Johan dalam Peraduan Robotik