Как собрать робота с нуля: пошаговая инструкция

В интернете полно статей и видео с названиями в духе: «Собираем робота с нуля в домашних условиях». Однако большинство из них довольно беспощадны по части требуемых компонентов и сложны для новичков: повторяешь точь-в-точь все шаги из инструкции, вот только у авторов всё работает, а у тебя почему-то нет.

Поэтому мы решили подготовить собственное руководство для тех, кто жаждет собрать робота, но не знает, как подступиться к этому делу. Вы узнаете, как собирать (и обязательно соберёте!) собственного робота — машинку на дистанционном управлении. Выглядеть наш агрегат будет примерно так:

Роботом можно будет управлять прямо с вашего смартфона по Bluetooth. Именно с такого проекта новички часто начинают свой путь в робототехнике.

Это руководство будет состоять из двух частей. В первой части мы соберём саму машинку, а во второй расскажем, как запрограммировать движения и настроить управление роботом со смартфона.

Этапы создания мини-платформы

Вот основные шаги нашего туториала:

• Подготовка деталей. Можно использовать детали из готовых наборов или смоделировать собственные и распечатать на 3D-принтере.
• 3D-моделирование*. Если всё же решитесь печатать детали сами, в середине статьи вас ждёт инструкция и готовые модели для печати.
• Сборка. Физически соединим элементы корпуса.
• Подключение электроники. Подключим моторы, проведём питание для робота. В некоторых случаях может понадобиться паяльник, если вы купили «голые» моторы с ещё не припаянными проводами.
• Программирование. Напишем программу для управления роботом. Настроим и «пульт управления» — мобильное приложение Arduino Bluetooth Control.

В первой части гайда мы рассмотрим только первые три этапа.

Читайте также:

ChatGPT, RT-1, PaLM-E и другие нейросети, которые приближают восстание машин

Какие материалы понадобятся

Для создания робота понадобятся стандартные материалы для сферы робототехники — их можно приобрести в специальных магазинах с товарами для Raspberry Pi и Arduino или на любом маркетплейсе. Чтобы ускорить процесс, приобретите готовый набор для сборки умного автомобиля — например, такие есть на Ozon и AliExpress.

Теперь пройдёмся по основным компонентам нашего будущего робота.

Arduino Uno

Именно эта плата будет управлять всеми компонентами робота. Мы советуем выбрать самый распространённый микроконтроллер в семействе Arduino — Arduino Uno. Он прост и понятен для новичков, а его функций будет достаточно для реализации любой идеи. К тому же о нём создано огромное количество материалов — их можно использовать для вдохновения или в качестве пошаговой инструкции при создании дальнейших проектов.

Компоненты корпуса

Вот из каких частей будет состоять «скелет» робота:

• Пластины (нижнее основание и верхняя платформа) — основа корпуса. На верхней пластине (крышке) будет закреплён батарейный отсек и плата Arduino Uno. К нижней пластине (основанию) будут прикреплены моторы и драйвер для моторов.

• Соединительные пластины. В нашей модели и нижнее основание, и верхняя платформа сделаны из половинок, соединённых перемычками — соединительными пластинами. Вы же можете использовать две цельные детали.

• Кронштейны (стойки-фиксаторы) для моторов — 8 штук.

Если вы используете готовый набор, то, скорее всего, найдёте все нужные детали в комплекте.

DC-моторы с редукторами (4 штуки)

Чтобы привести нашего робота в движение, нам понадобится по два мотора на каждую сторону конструкции — всего 4 штуки. Они будут крепиться к нижнему основанию с помощью вертикальных кронштейнов и управлять движением колёс.

Драйвер двигателя L298N

Драйвер будет управлять скоростью и направлением движения робота.

Bluetooth-модуль HC-06

Bluetooth-модуль нужен для беспроводного управления роботом с телефона.

Колёса

Ну и куда же без них :)

Дополнительные компоненты

• Крепёж: винты, гайки, а также стойки длиной 3 см (8 штук) — они будут соединять верхнюю и нижнюю пластины конструкции.

• Провода, стяжки для проводов.
• Источник питания — две литийионные батареи по 3,7 вольта.
• Держатель для батареи.

3D-моделирование*

Если же вы решили спроектировать модель сами, сделать это можно в любом доступном CAD-редакторе, например Fusion 360, Siemens NX, SolidWorks, Onshape.

При подготовке этого туториала мы использовали программу Onshape. Для работы с ней не нужно ничего устанавливать на компьютер, можно работать прямо в браузере. Эта программа удобна для создания простых деталей, а также имеет встроенную систему контроля версий, что позволит откатиться к предыдущей версии в случае, если вы допустили ошибку. Если же вы планируете серьёзно заниматься прототипированием, рекомендуем освоить работу и в полноценных десктопных CAD-программах.

Теперь приступим к моделированию деталей. Габариты робота сделаем такими:

• длина — 54 см,
• ширина — 22 см,
• высота — 3 см.

Нам понадобятся пластины для верхнего и нижнего основания нашего робота. Мы заранее учли ограничения принтера — размеры печатного стола не позволили бы распечатать цельную пластину, поэтому мы изначально смоделировали две пары полупластин. Вы можете сделать нижнее и верхнее основания цельными.

Две пластины будут фиксироваться вертикальными металлическими стойками, поэтому не забудьте предусмотреть отверстия для винтов по краям пластин. На нижней пластине нужно предусмотреть отверстия для крепления драйвера и вставки кронштейнов.

При моделировании верхней пластины важно учесть отверстия для Arduino Uno, батарейного отсека, а также отверстия для проведения проводов.

Теперь нужно смоделировать кронштейны и соединительные пластинки. Внешний вид и размеры не принципиальны, главное — учесть отверстия для креплений и замеренное расстояние между ними (штангенциркуль или просто линейка вам в помощь 😉).

Итак, корпус робота в сборке вместе с моторами будет выглядеть примерно так (листайте, чтобы посмотреть в разных проекциях):

Готовую 3D-модель нужно экспортировать в формате STL, а затем сгенерировать GCODE — это формат файлов, который поддерживает большинство 3D-принтеров. Теперь всё должно быть готово к печати.

Подготовка к сборке

Перед тем как начать, давайте убедимся, что у нас есть всё необходимое, — чтобы в процессе сборки не пришлось дополнительно что-то заказывать.

Вот полный список материалов:

• детали корпуса:

• верхняя пластина;
• нижняя пластина;
• соединительные пластины;
• вертикальные кронштейны для моторов;

• моторы с редукторами;
• колёса;
• плата Arduino Uno;
• драйвер для моторов;
• батарейный отсек;
• стойки, винты и гайки;
• провода и соединения;
• зажимы и стяжки для проводов;
• паяльник — чтобы соединять провода с контактами.

А теперь переходим к сборке робота.

Собираем робота

Готовим нижнее основание

Шаг 1. Для начала нужно припаять провода к моторам.

Шаг 2. Затем закрепим моторы к платформе с помощью фиксаторов. Также закрепим драйвер. Спаяем провода, соединённые попарно, как показано на иллюстрации.

Подключаем моторы к драйверу

Драйвер нам необходим для предотвращения перегрузки Arduino, так как моторы требуют более высокого напряжения, чем то, которое может поддерживать плата. А ещё драйвер помогает управлять скоростью и направлением движения мотора.

Используемый нами модуль L298N имеет два выхода для подключения моторов, что позволяет управлять двумя моторами напрямую. Однако к нему мы можем подключить и четыре мотора так, что каждый из двух каналов драйвера будет управлять двумя моторами одновременно.

Для удобства подключения пронумеруем каждый мотор:

Шаг 4. Подключим выводы моторов к выводам драйвера в следующем порядке.

Канал A (разъёмы OUT1, OUT2):

• первый мотор — к контактам OUT1 и OUT2;
• второй мотор — к контактам OUT1 и OUT2.

Получится, что один провод мотора подключён к контакту OUT1, а другой — к контакту OUT2.

Канал B (разъёмы OUT3, OUT4):

• третий мотор — к контактам OUT3 и OUT4;
• четвёртый мотор — к контактам OUT3 и OUT4.

Аналогично: один провод мотора подключён к контакту OUT3, а другой — к контакту OUT4.

Шаг 5. Подключаем питание. Напомним, что в нашем случае это две аккумуляторные батарейки по 3,7 вольта. Положительный вывод источника подключим к драйверу (вход +12V на драйвере). Драйвер может работать с напряжением от 5 вольт до 35 вольт, так что 7,4 вольта подходит.

Шаг 6. Подключим отрицательный вывод источника питания к GND на драйвере L298N.

В игру вступает Arduino

Самое время имплантировать «мозг» нашему роботу.

Шаг 7. Подключим GND Arduino к GND драйвера. Подадим питание на логику драйвера (контакт 5V) от микроконтроллера.

Важный момент: модуль L298N обычно поставляется с перемычками, которые обеспечивают вращение моторов на полной скорости. Если их убрать, можно будет управлять скоростью моторов программно. Мы оставим перемычки на месте.

Шаг 8. Подключим провода к контактам управления двигателями для дальнейшего подключения к Arduino.

Подключаем элементы к Arduino

Шаг 9. Присоединим контакты моторов к пинам 6–9 Arduino. Затем подключим «землю» от выводов GND и 5V драйвера к GND, 5V на Arduino соответственно.

Шаг 10. Подключаем Bluetooth-модуль.

Bluetooth-модуль нужно подключить к последовательным портам ввода/вывода 0 (RX) и 1 (TX). RXD и TXD Bluetooth-модуля подключим к TX- и RX-порту Arduino соответственно (они так и подписаны на плате). Подключим синезубый модуль к питанию от Arduino: соединим VCC и GND Bluetooth-модуля с питанием (5V) и «землёй» (GND) Arduino соответственно.

Финальные штрихи

Теперь дело за малым: осталось соединить верхнюю и нижнюю части робота. Для этого нам понадобятся соединительные пластины, стойки и винты.

Шаг 11. Прикрепим верхнюю часть платформы к нижней при помощи стоек. Соединим части крышки и основания соединительными пластинами, как показано на иллюстрациях. Закрепим Arduino и батарейный отсек на верхней платформе робота.

По завершении сборки ваш робот будет выглядеть так.

Что дальше

Поздравляем, вы только что собрали своего собственного робота 🥳 Самое время заказывать пиццу, запускать сериал и всячески праздновать первый крупный робоуспех. В следующей части расскажем, как запрограммировать робота, настроить Arduino IDE и наладить управление машинкой со смартфона. Чтобы не пропустить вторую часть, продолжайте следить за выходом статей на сайте и в нашем телеграм-канале 😉