Робот из хлама за 20 минут

Многие из тех, кто имеет дело с вычислительной техникой, мечтают собрать своего робота. Хотят, чтобы это устройство выполняло какие-то обязанности по дому, к примеру: приносило пиво. И сразу берутся за создание наисложнейшего робота, однако зачастую быстро разочаровываются в результатах. Своего первого робота, который должен был делать уйму всего, мы так и не довели до ума. Поэтому лучше начинать с простого, постепенно усложняя своего зверя. Сейчас мы поведаем тебе, как из подручных средств можно создать простейшего робота, который будет самостоятельно передвигаться по твоей квартире.



Концепция

Мы поставили перед собой задачу сделать робота из подручных средств за 15 минут. Обычно подобные поделки конструируются годами. Народ по нескольку месяцев бегает по магазинам в поисках нужной шестеренки. Но мы сразу осознали: это не наш путь! Мы будем использовать в конструкции робота только такие детали, которые всегда можно найти под рукой или выкорчевать из старой техники. В крайнем случае - купить за гроши в любом радиомагазине или на рынке.

Другая задача состояла в том, чтобы максимально удешевить нашу поделку. В магазинах радиоэлектроники подобный робот стоит от 800 до 1500 рублей, а его ведь еще и собирать придется, поскольку продается он в виде деталей. И гарантий, что после сборки он заработает, никто не дает. Производители таких наборов нередко забывают положить туда какую-нибудь детальку. Зачем нам такое «счастье»? Наш робот по деталям должен быть не дороже 100-150 рублей, включая двигатели и батарейки. При этом если моторчики выковырять из старой детской машинки, то общая стоимость его составляющих вообще снизится до 20-30 рублей! Чувствуешь, какая экономия, и при этом ты получаешь отличного товарища!

Важный этап в работе – определение того, что будет делать наш красавец. Мы решили изготовить робота, ищущего источники света. Если источник света будет поворачиваться, то наша машинка будет рулить вслед за ним. Мы назвали эту концепцию «Робот, стремящийся жить». При замене батареек солнечными элементами робот будет искать свет, чтобы ездить.
Необходимые детали и инструменты

Что же нам понадобится для изготовления нашего детища? Поскольку идея состоит в сборе робота из подручных средств, нам понадобится монтажная плата или просто обычная плотная картонка. В картонке шилом можно проделать дырочки для крепления всех деталей. Мы же будем использовать монтажку, поскольку под рукой оказалась именно она, а картонку в моем доме днем с огнем не сыщешь. Она сыграет роль шасси, на которое мы будем монтировать весь остальной обвяз робота, крепить двигатели и датчики. В качестве движущий силы мы используем трех- или пятивольтовые моторчики, которые можно выковырять из старой машинки. Колесики мы сделаем из крышек от пластиковых бутылок, например от сосасола .

Детали. Исходники.



В качестве датчиков мы задействуем трехвольтовые фототранзисторы или фотодиоды. Их можно вынуть из старой оптомеханической мышки. В ней стоят инфракрасные датчики (в нашем случае они черненькие). Они там спарены, то есть два фотоэлемента - в одном флаконе. При наличии тестера ничего не мешает выяснить, какая ножка для чего предназначена. Управляющим элементом у нас будут отечественные транзисторы 816Г. В качестве источников питания заюзаем три пальчиковых батарейки, спаянных между собой. Можно взять батарейный отсек от старой машинки, как это сделали мы. Для монтажа нужны будут проводочки. Для этих целей идеально подходят провода из витой пары, которых в доме любого уважающего себя хакера должно быть завались. Для закрепления всех деталей удобно использовать термоклей с термопистолетом. Это прекрасное изобретение быстро плавится и так же быстро схватывается. Штука идеально подходит для таких поделок, и dlinyj не раз использовал ее в своих статьях. Еще нам понадобится жесткая проволока, на роль последней вполне сгодится обычная канцелярская скрепка.
Монтируем схему

Ты подготовил все детали и сложил их на своем столе? Твой паяльник уже тлеет канифолью и ты потираешь руки, жаждя сборки? Ну что ж, тогда приступим.

Берем кусок монтажки и обрезаем его по размерам будущего робота. Для резки текстолита используй ножницы по металлу. Мы сделали квадрат со стороной примерно 4-5 см. Главное, чтобы на нем уместилась наша крохотная схемка, батарейки питания, два двигателя и крепеж для переднего колеса. Чтобы плата не лохматилась и была ровной, можно обработать ее напильником и убрать острые края.


Следующим нашим шагом будет запайка датчиков. Учти, фототранзисторы и фотодиоды имеют плюс и минус. Нужно соблюдать полярность их включения, что несложно сделать при помощи простейшего тестера. В случае если ты ошибешься, ничего не сгорит, но робот ездить не будет. Датчики впаивай по углам монтажной платы с одного края, чтобы они смотрели в стороны. Не запаивай их в плату полностью, оставь где-то полтора сантиметра выводов, чтобы их легко можно было изгибать в любую сторону – в дальнейшем нам это понадобиться при настройке нашего робота. Это будут глаза, они должны находиться на одной стороне шасси, которая в будущем станет передом робота. Сразу можно отметить, что мы собираем две управляющие схемы: одну для управления правым, вторую - левым двигателем.



Чуть поодаль переднего края шасси рядом с нашими датчиками нужно впаять транзисторы. Для удобства запайки и дальнейшей сборки схемы оба транзистора мы запаяли «смотрящими» своей маркировкой в сторону правого колеса. Сразу надо отметить расположение ножек у транзистора. Если взять транзистор в руки и повернуть металлической подложкой к себе, а маркировкой к лесу (как в сказке), и при этом ножки будут направлены вниз, то ножки слева направо - база, коллектор и эмиттер. Если ты посмотришь на схему, где изображен наш транзистор, то база – палочка, перпендикулярная толстому отрезку в кружке, эмиттер - палочка со стрелочкой, коллектор - такая же палочка, только без стрелки. Здесь вроде все понятно.

Подготовим батарейки и приступим непосредственно к сборке электрической схемы. Изначально мы просто взяли три пальчиковых батарейки и спаяли их последовательно. Их можно сразу вставить в специальный держатель для батареек, который, как мы уже говорили, вытаскивается из старой детской машинки. Теперь подпаяй провода к батарейкам и определи у себя на плате две ключевые точки, куда будут сходиться все провода. Это будет плюс и минус. Мы поступили просто: продели витую пару в края платы, запаяли концы к транзисторам и фотодатчикам, сделали скрученную петельку и туда подпаяли батарейки. Возможно, это не самый лучший вариант, но зато самый удобный.



Ну что ж, теперь готовь провода, и приступим к сборке электрики нашего робота. Будем идти от отрицательного полюса батарейки к положительному контакту по всей электрической схеме. Берем кусок витой пары и начинаем идти: припаиваем отрицательный контакт обоих фотодатчиков к минусу батареек, в то же место запаиваем коллекторы транзисторов. Вторую ножку фотоэлемента припаиваем небольшим куском провода к базе транзистора. Оставшиеся ножки транзюков припаиваем к двигателям. Второй контакт моторчиков можно подпаять к батарейке через выключатель. Но мы, как истинные фрикеры, решили включать/выключать нашего робота подпаиванием/отпаиванием провода, так как выключателя подходящих размеров в моих закромах не обнаружилось.
Отладка электрики

Все, электрическую часть мы собрали, теперь приступим к тестированию схемы. Включаем нашу схему и подносим ее к зажженной настольной лампе, поворачивая по очереди то одним, то другим фотоэлементом. Если двигатели начинают вращаться по очереди с разной скоростью в зависимости от освещения, значит все в порядке. Если нет, то ищи косяки в сборке. Электроника – наука о контактах, а это значит, что если что-то не работает, то где-то нет контакта.

Смотри, теперь важный момент: правый фотодатчик отвечает за левое колесо, а левый - соответственно, за правое. Теперь прикинь, в какую сторону вращаются правый и левый двигатели. Они оба должны крутиться вперед. Если этого не происходит, поменяй полярность включения двигателя, который крутится не в ту сторону, просто перепаяв провода на клеммах моторчика наоборот. Оцени еще раз расположение моторчиков на шасси и проверь направление движения в сторону. Все двигатели должны вращаться так, чтобы робот двигался вперед. Если все в порядке, то двигаемся дальше. В любом случае ты сможешь это исправить даже после того, как соберешь все окончательно.


Сборка девайса

С муторной электрической частью мы разобрались, теперь займемся механикой. Колесики, как мы и договаривались, мы будем делать из крышек от пластиковых бутылок. Для изготовления переднего колеса возьмем две крышки и склеим их между собой. Мы склеивали по периметру полой частью вовнутрь для большей устойчивости колеса.

Дальше точно по центру просверливаем отверстие в первой и второй крышке. Для сверления и всяких домашних дел очень удобно пользоваться дремелем – маленькой дрелью с уймищей насадок: фрезеровальных, отрезных и многих других. Она незаменима для сверления отверстий меньше одного миллиметра, где обычная дрель уже не справляется.

Прикрепляем моторы к шасси.

После того как мы просверлим крышки, вдеваем в отверстие предварительно разогнутую скрепку. Изгибаем скрепку в форме буквы п, где на верхней планке будет болтаться наше колесо. Теперь закрепляем эту скрепку между фотодатчиками спереди нашей машины. Скрепка удобна тем, что можно легко подрегулировать высоту переднего колеса, и этой юстировкой мы займемся позже.

Перейдем к движущим колесам. Их мы тоже будем делать из крышек. Аналогично просверливаем каждое колесо строго по центру. Хорошо, если сверло будет диаметром с ось моторчика, а в идеале - на доли миллиметра меньше ее, чтобы ось в отверстие вставлялась, но с трудом. Одеваем оба колеса на вал движков и, чтобы они не соскакивали, закрепляем их термоклеем. Это важно сделать еще и для того, чтобы колеса не проворачивались в месте крепежа.

Самая ответственная часть – крепеж электродвигателей. Мы их ставили в самом конце нашего шасси с противоположной относительно всей остальной электрики стороны монтажной платы. Не забудь, что управляемый двигатель крепится напротив своей управляющей фотосистемы. Это сделано для того, чтобы робот мог поворачивать на свет. Справа фотодатчик, слева двигатель, и наоборот.

Для начала мы перехватим движки кусочками витой пары, продев их сквозь отверстия в монтажке и скрутив сверху. Подадим питание и посмотрим, куда у нас будут вращаться движки. Не забудь, что в темной комнате вращаться они не будут вообще, желательно направить робота в сторону лампы. Проверяем, все ли двигатели работают. Поворачиваем робота и наблюдаем, как двигатели изменяют свою скорость вращения в зависимости от освещения. Поворачиваемся правым фотодатчиком - и левый движок должен шустренько закрутиться, поворачиваемся левым – и он должен, наоборот, притормозиться. В конце проверь направление вращения колес - нам надо, чтобы робот ехал вперед.

Если все работает, как мы описали, то можно аккуратно закреплять движки термоклеем. Постарайся сделать так, чтобы их колеса находились на одной оси. Все – закрепляй батарейки на верхней площадке шасси и переходи к настройке и играм с роботом.


Подводные камни и настройка

Когда мы собрали всю схему и техническую часть, все двигатели прекрасно реагировали на свет, и вроде все было отлично. Но поставив нашего робота на пол, мы обнаружили, что он у нас не едет. Оказалось, что попросту не хватает мощности моторчиков. Пришлось в срочном порядке раскурочивать очередную игрушечную машинку, чтобы достать оттуда движки помощнее. Кстати, если возьмешь моторчики из таких игрушек, точно не прогадаешь с их мощностью, так как они рассчитаны на то, чтобы возить массу машинок с батарейками.

Разобравшись с двигателями, мы перешли к настройке и приведению в порядок внешнего вида устройства. Для начала собираем бороды проводов, которые у нас волочатся по полу, и укрепляем их на шасси термоклеем. Если робот волочится где-то пузом, можно приподнять переднее шасси, изогнув крепящую проволку.

Самое главное – это фотодатчики. Лучше всего их выгнуть так, чтобы они смотрели в сторону под тридцать градусов от основного курса. Тогда робот будет улавливать источники света и направляться к ним. Нужный угол изгиба придется подобрать экспериментально.

Все - вооружайся настольной лампой, клади робота на пол, включай и начинай проверять и радоваться тому, как твое детище четко следует к источнику света и как он ловко его находит.


Усовершенствования

Нет предела совершенству, и расширять функционал нашего робота можно до бесконечности. Были мысли даже поставить контроллер, но тогда стоимость и сложность изготовления возросли бы в разы, а это не наш метод.

Первое усовершенствование – сделать так, чтобы робот ездил по заданной траектории. Здесь все просто: печатается на принтере или рисуется черным перманентным маркером на листе ватмана черная полоса. Важно, чтобы она была немного уже расстояния между фотодатчиками. Сами фотоэлементы мы опускаем вниз, чтобы они смотрели в пол. Рядом с каждым нашим глазиком мы устанавливаем последовательно сверхъяркий светодиод с сопротивлением в 470 Ом. Сам светодиод с сопротивлением запаиваем напрямую к батарейке. Идея проста - свет прекрасно отражается от белого листа бумаги, попадает на наш датчик, и робот едет прямо. Как только луч падает на темную полосу, на фотоэлемент почти не попадает света (черная бумага прекрасно поглощает свет), и, следовательно, один двигатель начинает вращаться медленнее. Другой моторчик резво поворачивает робота, выравнивая курс. В результате робот катается по черной полоске, словно по рельсам. Такую полосу можно начертить на белом полу и, например, посылать робота на кухню за пивом от твоего компутера.

Вторая идея – это усложнить схему, добавив еще два транзистора и два фотодатчика, и сделать так, чтобы робот искал свет не только спереди, но и со всех сторон и, как только находил, устремлялся бы к нему. Для упрощения сборки в этом случае можно использовать микросхему LM293D, однако она стоит порядка 100 рублей. С помощью нее можно легко настроить дифференциальное включение направления вращения колес, или, проще говоря, направление движения робота вперед-назад.

Далее - можно убрать обычные постоянно садящиеся батарейки и поставить солнечную батарею, которая сейчас легко покупается в магазине аксессуаров к мобильным телефонам. Чтобы избежать полной потери дееспособности робота в этом режиме, в случае если он случайно заедет в тень, параллельно солнечной батареи можно подключить электролитический конденсатор очень большой емкости (тысячи микрофарад). Поскольку напряжение там у нас не превышает 5 В, подойдет конденсатор, рассчитанный на 6,3 В. При такой емкости и таком напряжении он будет достаточно миниатюрен. Кондер можно купить или выкорчевать из старого блока питания.

Ну а остальные усовершенствования придумывай сам. Если будет что-то интересное – обязательно напиши нам!
Выводы

Вот ты и приобщился к величайшей науке, двигателю прогресса – кибернетике. В 70-е годы прошлого века конструирование подобных роботов было очень популярно. Надо отметить, что в нашем устройстве применяются зачатки аналоговой вычислительной техники, которая отмерла с появлением цифровых технологий. Но, как мы показали в этой статье, не все потеряно и забыто. Мы надеемся, ты не остановишься на предложенной нами схеме и будешь придумывать свои оригинальные конструкции. Удачи в сборке, фрикер, и смотри не обожгись об паяло!