Pirmojo roboto konstravimas: Gidas pradedantiesiems

Robotika yra žavi sritis, jungianti elektroniką, programavimą ir mechaniką, siekiant sukurti išmanias mašinas. Nesvarbu, ar esate studentas, mėgėjas, ar tiesiog domitės technologijomis, pirmojo roboto konstravimas gali būti neįtikėtinai naudinga patirtis. Šis vadovas suteikia išsamią pagrindinių sąvokų ir susijusių žingsnių apžvalgą, nepriklausomai nuo jūsų geografinės vietos ar ankstesnės patirties.

Kodėl verta konstruoti robotą?

Roboto konstravimas suteikia daugybę privalumų:

• Mokymasis veikiant: Robotika suteikia praktinio mokymosi patirtį, leidžiančią pritaikyti teorines žinias sprendžiant realaus pasaulio problemas.
• Problemų sprendimo įgūdžių lavinimas: Susidursite su iššūkiais, kurie reikalauja kūrybingų sprendimų ir kritinio mąstymo.
• Kūrybiškumo ir inovacijų skatinimas: Robotika skatina kurti ir konstruoti savo unikalius kūrinius.
• STEM sričių tyrinėjimas: Tai puikus būdas tyrinėti mokslo, technologijų, inžinerijos ir matematikos (STEM) sritis.
• Karjeros galimybės: Robotika yra sparčiai auganti sritis, siūlanti daugybę karjeros galimybių įvairiose pramonės šakose.

Pirmojo roboto projekto pasirinkimas

Sėkmingo pirmojo roboto projekto raktas – pradėti nuo mažo ir valdomo projekto. Venkite sudėtingų projektų, reikalaujančių pažangių įgūdžių ir didelių išteklių. Štai keletas pradedantiesiems tinkamų projektų idėjų:

• Liniją sekantis robotas: Šis robotas seka juodą liniją ant balto paviršiaus naudodamas infraraudonųjų spindulių jutiklius. Tai klasikinis pradedančiųjų projektas, kuris moko pagrindinės jutiklių integracijos ir variklių valdymo.
• Kliūtis aplenkiantis robotas: Šis robotas naudoja ultragarso jutiklius, kad aptiktų kliūtis ir jas apvažiuotų. Jis supažindina su atstumo jutimo ir autonominės navigacijos sąvokomis.
• Paprasta roboto ranka: Maža roboto ranka su ribotu laisvės laipsnių skaičiumi gali būti sukonstruota naudojant servo variklius. Šis projektas supažindina su kinematikos ir roboto valdymo sąvokomis.
• Nuotoliniu būdu valdomas robotas: Valdykite robotą nuotolinio valdymo pultu, leisdami jam judėti pirmyn, atgal, į kairę ir į dešinę.

Rinkdamiesi projektą, atsižvelkite į savo interesus ir turimus išteklius. Pradėkite nuo gerai dokumentuoto projekto su lengvai prieinamomis instrukcijomis ir kodo pavyzdžiais. Daugelyje internetinių išteklių, tokių kaip „Instructables“, „Hackaday“ ir „YouTube“ kanalai, siūlomi žingsnis po žingsnio vadovai, kaip konstruoti įvairius robotus.

Esminiai komponentai roboto konstravimui

Štai sąrašas esminių komponentų, kurių jums prireiks konstruojant pirmąjį robotą:

Mikrovaldiklis

Mikrovaldiklis yra jūsų roboto „smegenys“. Jis apdoroja jutiklių duomenis, valdo pavaras ir vykdo jūsų programą. Populiarūs pasirinkimai pradedantiesiems:

• Arduino: Patogi platforma su didele bendruomene ir gausiomis bibliotekomis. „Arduino Uno“ yra puikus atspirties taškas. „Arduino“ yra populiarus visame pasaulyje – nuo švietimo įstaigų Europoje iki mėgėjų grupių Pietų Amerikoje.
• Raspberry Pi: Mažas vienos plokštės kompiuteris, siūlantis daugiau apdorojimo galios ir lankstumo nei „Arduino“. Tinka sudėtingesniems projektams, apimantiems vaizdo apdorojimą ar tinklų kūrimą. „Raspberry Pi“ ypač populiarus Azijoje ir Šiaurės Amerikoje pažangiems robotikos projektams.
• ESP32: Nebrangus mikrovaldiklis su integruotu „Wi-Fi“ ir „Bluetooth“ ryšiu. Idealiai tinka robotams, kuriems reikalingas belaidis ryšys.

Pasirinkite mikrovaldiklį atsižvelgdami į savo projekto reikalavimus ir programavimo įgūdžius. Pradedantiesiems paprastai rekomenduojamas „Arduino“ dėl savo paprastumo ir lengvo naudojimo.

Pavaros

Pavaros yra atsakingos už jūsų roboto judėjimą. Dažniausiai naudojami pavarų tipai:

• Nuolatinės srovės (DC) varikliai: Naudojami ratams ar kitoms judančioms dalims varyti. Reikalingas variklio valdiklis greičiui ir krypčiai valdyti.
• Servo varikliai: Naudojami tiksliam kampiniam judėjimui, dažnai naudojami robotų rankose ar pasukimo-pakreipimo mechanizmuose.
• Žingsniniai varikliai: Naudojami tiksliam sukamajam judėjimui, idealiai tinka programoms, reikalaujančioms didelio tikslumo.

Pasirinkite pavaras, kurios tinka jūsų roboto dydžiui, svoriui ir reikiamam judėjimui.

Jutikliai

Jutikliai leidžia jūsų robotui suvokti aplinką. Dažniausiai naudojami jutiklių tipai:

• Infraraudonųjų spindulių (IR) jutikliai: Naudojami objektams ar linijoms aptikti.
• Ultragarso jutikliai: Naudojami atstumui iki objektų matuoti.
• Šviesos jutikliai: Naudojami aplinkos apšvietimo lygiui nustatyti.
• Temperatūros jutikliai: Naudojami temperatūrai matuoti.
• Akselerometrai ir giroskopai: Naudojami pagreičiui ir orientacijai matuoti.

Pasirinkite jutiklius, kurie yra svarbūs jūsų roboto užduočiai. Pavyzdžiui, liniją sekantis robotas naudotų IR jutiklius, o kliūtis aplenkiantis robotas – ultragarso jutiklius.

Maitinimo šaltinis

Jūsų robotui veikti reikalingas maitinimo šaltinis. Dažniausiai pasirenkami variantai:

• Baterijos: Suteikia nešiojamą energiją. Apsvarstykite įkraunamas baterijas, pvz., ličio jonų (Li-ion) ar nikelio-metalo hidrido (NiMH).
• USB maitinimas: Galima naudoti robotui maitinti, kai jis prijungtas prie kompiuterio.
• Maitinimo adapteriai: Suteikia stabilų maitinimą iš sieninio lizdo.

Užtikrinkite, kad jūsų maitinimo šaltinis tiektų tinkamą įtampą ir srovę jūsų komponentams.

Važiuoklė

Važiuoklė suteikia fizinę struktūrą jūsų komponentams montuoti. Galite naudoti iš anksto pagamintą roboto važiuoklę arba susikurti savo, naudodami tokias medžiagas kaip plastikas, mediena ar metalas. Paprasta važiuoklė pradedančiojo projektui gali būti pagaminta iš kartono.

Laidai ir jungtys

Jums reikės laidų ir jungčių, kad sujungtumėte komponentus. Prototipams kurti patogūs yra trumpikliai (jumper wires), o nuolatinius sujungimus galima atlikti lituojant.

Įrankiai

Pagrindiniai įrankiai, kurių jums prireiks:

• Lituoklis ir lydmetalis: Nuolatiniams sujungimams atlikti.
• Laidų izoliacijos nuėmiklis: Izoliacijai nuo laidų pašalinti.
• Replės: Laidams lankstyti ir kirpti.
• Atsuktuvai: Komponentams surinkti.
• Multimetras: Įtampai, srovei ir varžai matuoti.

Žingsnis po žingsnio vadovas, kaip sukonstruoti liniją sekantį robotą

Panagrinėkime, kaip sukonstruoti paprastą liniją sekantį robotą naudojant „Arduino“.

1 žingsnis: Surinkite medžiagas

• Arduino Uno
• Du IR jutikliai
• Du nuolatinės srovės varikliai
• Variklio valdiklis (pvz., L298N)
• Roboto važiuoklė
• Ratai
• Baterijų paketas
• Trumpikliai (jumper wires)
• Juoda izoliacinė juosta

2 žingsnis: Surinkite važiuoklę

Pritvirtinkite variklius ir ratus prie važiuoklės. Įsitikinkite, kad varikliai yra tvirtai pritvirtinti ir ratai gali laisvai suktis.

3 žingsnis: Prijunkite variklius prie variklio valdiklio

Prijunkite variklius prie variklio valdiklio pagal valdiklio duomenų lapą. L298N variklio valdiklis paprastai turi du kanalus, skirtus valdyti du variklius nepriklausomai.

4 žingsnis: Prijunkite IR jutiklius prie „Arduino“

Prijunkite IR jutiklius prie „Arduino“ analoginių įvesties kontaktų. Kiekvienas IR jutiklis paprastai turi tris kontaktus: VCC (maitinimas), GND (įžeminimas) ir OUT (signalas). Prijunkite VCC prie 5V ant „Arduino“, GND prie GND, o OUT prie analoginio įvesties kontakto (pvz., A0 ir A1).

5 žingsnis: Prijunkite variklio valdiklį prie „Arduino“

Prijunkite variklio valdiklį prie „Arduino“ skaitmeninių išvesties kontaktų. Variklio valdikliui reikalingi valdymo signalai krypčiai ir greičiui. Prijunkite atitinkamus variklio valdiklio kontaktus prie „Arduino“ skaitmeninių išvesties kontaktų (pvz., kontaktai 8, 9, 10 ir 11).

6 žingsnis: Maitinkite robotą

Prijunkite baterijų paketą prie variklio valdiklio ir „Arduino“. Įsitikinkite, kad visų komponentų įtampa yra teisinga.

7 žingsnis: Parašykite „Arduino“ kodą

Štai pavyzdinis „Arduino“ kodas liniją sekančiam robotui:

const int leftSensorPin = A0;
const int rightSensorPin = A1;
const int leftMotorForwardPin = 8;
const int leftMotorBackwardPin = 9;
const int rightMotorForwardPin = 10;
const int rightMotorBackwardPin = 11;

void setup() {
  pinMode(leftMotorForwardPin, OUTPUT);
  pinMode(leftMotorBackwardPin, OUTPUT);
  pinMode(rightMotorForwardPin, OUTPUT);
  pinMode(rightMotorBackwardPin, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int leftSensorValue = analogRead(leftSensorPin);
  int rightSensorValue = analogRead(rightSensorPin);

  Serial.print("Kairysis: ");
  Serial.print(leftSensorValue);
  Serial.print(", Dešinysis: ");
  Serial.println(rightSensorValue);

  // Pritaikykite šias ribas pagal savo jutiklių rodmenis
  int threshold = 500;

  if (leftSensorValue > threshold && rightSensorValue > threshold) {
    // Abu jutikliai ant linijos, judėti pirmyn
    digitalWrite(leftMotorForwardPin, HIGH);
    digitalWrite(leftMotorBackwardPin, LOW);
    digitalWrite(rightMotorForwardPin, HIGH);
    digitalWrite(rightMotorBackwardPin, LOW);
  } else if (leftSensorValue > threshold) {
    // Kairysis jutiklis ant linijos, sukti dešinėn
    digitalWrite(leftMotorForwardPin, LOW);
    digitalWrite(leftMotorBackwardPin, LOW);
    digitalWrite(rightMotorForwardPin, HIGH);
    digitalWrite(rightMotorBackwardPin, LOW);
  } else if (rightSensorValue > threshold) {
    // Dešinysis jutiklis ant linijos, sukti kairėn
    digitalWrite(leftMotorForwardPin, HIGH);
    digitalWrite(leftMotorBackwardPin, LOW);
    digitalWrite(rightMotorForwardPin, LOW);
    digitalWrite(rightMotorBackwardPin, LOW);
  } else {
    // Nė vienas jutiklis ne ant linijos, sustoti
    digitalWrite(leftMotorForwardPin, LOW);
    digitalWrite(leftMotorBackwardPin, LOW);
    digitalWrite(rightMotorForwardPin, LOW);
    digitalWrite(rightMotorBackwardPin, LOW);
  }

  delay(10);
}

Šis kodas nuskaito analogines vertes iš IR jutiklių ir palygina jas su riba. Remiantis jutiklių rodmenimis, jis valdo variklius, kad sektų liniją. Gali tekti pakoreguoti ribos vertę ir variklių valdymo logiką atsižvelgiant į jūsų konkrečią aparatinę įrangą ir aplinką. Internete galite rasti daug kodo pavyzdžių ir bibliotekų.

8 žingsnis: Įkelkite kodą į „Arduino“

Prijunkite „Arduino“ prie kompiuterio USB kabeliu. Atidarykite „Arduino IDE“, pasirinkite teisingą plokštę ir prievadą ir įkelkite kodą į „Arduino“.

9 žingsnis: Testuokite ir kalibruokite

Padėkite robotą ant trasos su juoda linija. Stebėkite jo elgesį ir prireikus koreguokite kodą. Norint pasiekti optimalų našumą, gali tekti koreguoti jutiklio ribą, variklių greitį ir sukimosi kampus.

Patarimai sėkmei

• Pradėkite paprastai: Pradėkite nuo pagrindinio projekto ir palaipsniui didinkite sudėtingumą.
• Sekite instrukcijas: Naudokitės internetinėmis instrukcijomis ir vadovais, kad išmoktumėte naujų sąvokų ir metodų.
• Prisijunkite prie bendruomenės: Dalyvaukite internetiniuose forumuose ir bendruomenėse, kad užduotumėte klausimus ir pasidalintumėte savo patirtimi.
• Derinkite sistemingai: Susidūrę su problemomis, suskaidykite problemą į mažesnes dalis ir išbandykite kiekvieną dalį atskirai.
• Būkite kantrūs: Robotika gali būti sudėtinga, todėl būkite kantrūs ir atkaklūs.
• Dokumentuokite savo pažangą: Sekite savo pažangą ir dokumentuokite kodą, schemas bei dizaino sprendimus.

Pasauliniai robotikos ištekliai ir bendruomenės

Nesvarbu, kurioje pasaulio vietoje esate, yra daugybė puikių išteklių ir bendruomenių, galinčių padėti jūsų robotikos kelionėje:

• Internetiniai forumai: Robotics Stack Exchange, Arduino Forum, Raspberry Pi Forums
• Internetinės mokymosi platformos: Coursera, edX, Udacity, Khan Academy siūlo robotikos kursus.
• Robotikos klubai ir varžybos: FIRST Robotics Competition, VEX Robotics Competition, Robocup yra populiarūs visame pasaulyje.
• „Maker Spaces“ ir „Hackerspaces“: Siūlo prieigą prie įrankių, įrangos ir žinių.
• Universitetų robotikos programos: Daugelis universitetų visame pasaulyje siūlo bakalauro ir magistro lygio robotikos programas.

Pavyzdžiui, „FIRST Robotics Competition“ įtraukia studentus visame pasaulyje, o komandos iš Šiaurės Amerikos, Europos, Azijos ir Afrikos dalyvauja kasmet. Panašiai „Robocup“ siekia skatinti robotikos tyrimus per tarptautines varžybas.

Savo robotikos žinių plėtimas

Sukonstravę savo pirmąjį robotą, galite plėsti savo žinias tyrinėdami pažangesnes temas:

• Roboto operacinė sistema (ROS): Sistema, skirta sudėtingoms robotų programoms kurti.
• Kompiuterinė rega: Kamerų ir vaizdo apdorojimo naudojimas, kad robotai galėtų „matyti“.
• Dirbtinis intelektas (DI): Išmaniųjų robotų, galinčių mokytis ir prisitaikyti, kūrimas.
• Mašininis mokymasis (ML): Robotų mokymas atlikti užduotis naudojant duomenis.
• SLAM (vienalaikė lokalizacija ir kartografavimas): Suteikia robotams galimybę kurti savo aplinkos žemėlapius ir autonomiškai naršyti.

Išvada

Pirmojo roboto konstravimas yra sudėtinga, bet naudinga patirtis, atverianti duris į galimybių pasaulį. Vadovaudamiesi šiuo gidu ir naudodamiesi prieinamais ištekliais, galite pradėti savo robotikos kelionę ir sukurti savo išmaniąsias mašinas. Nepamirškite pradėti nuo mažų dalykų, būti kantrūs ir niekada nenustoti mokytis. Nesvarbu, ar esate Šiaurės Amerikoje, Europoje, Azijoje, Afrikoje ar Pietų Amerikoje, robotikos pasaulis yra prieinamas kiekvienam, turinčiam aistrą technologijoms ir norą kurti.