Текст книги "Простые роботы своими руками или несерьёзная электроника"
Автор книги: Дмитрий Мамичев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 7 страниц)
Мамичев Дмитрий Иванович
«Простые роботы своими руками или несерьёзная электроника»
Родным и близким,
Ирине, Алёше и Ксении посвящаю…
Предисловие
Совершенство достигнуто не тогда, когда нечего добавить, а тогда, когда нечего убрать.
Антуан де Сент-Экзюпери
В этой книге, в отличие от предыдущих, много внимания уделено именно практическим конструкциям, их схемотехнике и концептам изготовления.
Успешность человека, имеющего хобби практической направленности, по крайней мере, внутренняя (на мой взгляд), состоит из трёх компонент: владение технологиями, знание и понимание «схемотехники увлечения» и… творческое начало личности. Добавить, пожалуй, можно желание делиться идеями и наработками с другими. Обо всех составляющих понемногу было рассказано в книгах. Рассказано на примерах конструкций игрушек, игр, сувениров. Эта книга – финал повествования.
Глава 1
ЛЕТНИЕ КОНСТРУКЦИИ
Конструкции этой главы навеяны холодно-дождливым июлем 2015 года. Лишь в последнюю неделю пришла долгожданная летняя жара. Учительское лето короткое, и его всегда так мало…
Поэтому, наверное, и конструкции этой главы простые и быстрые на реализацию. В них нет как таковых печатных плат, монтаж в основном навесной.
Страж
Игрушка, изображение которой представлено на рис. 1, имитирует преданное хранение вверенного имущества. Зоркий страж, постоянно поворачиваясь, пытливо всматривается в окрестности, защищая добро от посягательств. Выполненная в «традициях БИМов», игрушка не содержит химических источников тока. Работает конструкция от энергии солнца, используя в качестве преобразователя солнечную батарею G1 (pис. 2). Игрушка будет интересна как настольный сувенир, может стать завсегдатаем подоконников окон солнечной стороны в качестве предмета релакса.
Схема управления двигателем M1 представлена на рис. 2. Трансформатор Т1 и транзистор VT1 образуют блокинг-генератор. После помещения конструкции под яркие солнечные лучи в моменты времени, когда транзистор закрыт, импульсы тока индуцированного суммарного напряжения обмоток трансформатора через развязывающий диод VD1 заряжают конденсатор С1. Резистор R2 ограничивает импульсы тока, управляющие работой транзистора. С течением времени напряжение на конденсаторе растёт. При его значении около 11 В происходит лавинообразное открывание транзистора VT2. Через развязывающий диод VD2 заряжается конденсатор С3. Статор мотора М1 начинает вращаться. При снижении напряжения конденсатора С1 до 8–9 В транзистор закрывается, однако открывается транзистор VT3.
Происходит дальнейший разряд накопительного конденсатора С1 на обмотки двигателя. Статор с закреплённой на нём конструкцией совершает поворот на угол около 120 градусов относительно ротора-основания. Далее цикл работы схемы повторяется. Конденсатор С2 обеспечивает устойчивый «лавинный пробой» транзистора VT2.
Таким образом, схема представляет собой так называемый солнечный двигатель. Его отличие от «классического двигателя Марка Тилдена» по схеме (рис. 3) – в наличии повышающего преобразователя напряжения и иного «спускового механизма» (транзисторы VT2,VT3). За счёт зарядки накопительного конденсатора до напряжения 11В энергия разряда существенно увеличивается, что повышает «тяговые возможности двигателя».
Резистор R1 является своего рода предохранителем на случай обрыва в цепях транзисторов. В таких ситуациях он защищает конденсатор С1 от перезаряда.
Конструктивно игрушка выполнена в «вертикальном наращивании». Элементы схемы смонтированы объёмно-навесным способом монтажа. Рисунок 4 поясняет её исполнение. На вал двигателя 3 надевают пластмассовый круг-основание 2. Снизу к поверхности основания приклеено резиновое кольцо 1. К контактным лепесткам мотора через сквозные отверстия припаяна плата 4, изготовленная из односторонне фольгированного гетинакса, её диаметр 25 мм. К плате, в свою очередь, припаяна стойка 6 для крепления солнечной батареи. На неё предварительно натянута переходная муфта 5. Муфта скручена на оправке (велосипедной спице) из проволоки канцелярских скрепок. К концам муфты на заключительном этапе сборки припаивают руки стража. Таким образом, получается шарнирное соединение рук.
Солнечная батарея вырезается из газонного светильника. Чтобы не повредить рабочий слой солнечной батареи (рис. 5), удобнее при приклеивании бруска 7 предварительно закрепить на обратной стороне элемента пластмассовую планку-переходник 8, используя для крепления боковые пластмассовые бортики лицевой панели светильника. Клей лучше использовать вязкий. Стержень Г-образной стойки 6 должен входить в сквозное отверстие бруска 7 с небольшим усилием. Такая конструкция позволит регулировать угол наклона батареи G1 на солнце. Утром, когда света ещё мало, страж сможет отворачиваться даже при слабой освещённости. А для того, чтобы обеспечить стабильное вращение игрушки, можно воспользоваться зеркальцем. Солнечный зайчик, играющий на панели батареи, заставит её работать на заряд конденсатора.
Оружие стража изготовлено из пластиковой шпажки для коктейлей, глаза из шариков – пулек от пневматики. Они помещены внутрь ячеек отрезка «таблетного блистера». Сзади отрезок заклеен плотным картоном, вырезанным по контуру глаз. Нос изготовлен из отрезка резиновой трубки. В торец вставлен пластмассовый шарик (пулька детского пружинного пистолета). Лицо «приклеено» к бруску 7. Опорное резиновое кольцо 1 склеено секундным клеем из отрезка шнура скакалки. Двигатель 3 и основание 2 изъяты из DVD привода компьютера.
Настройка изделия сводится к подбору ёмкости конденсатора С1 в пределах 220-2200 мкФ для регулировки угла поворота стража. При подборе следует учесть, что с увеличением ёмкости увеличивается и время заряда конденсатора. Экземпляр транзистора VT2 на необходимое напряжение лавинного режима, возможно, придётся также подбирать.
В конструкции допустимо применение резисторов MЛT, С2-23, R2 – его номинал может быть в интервале 1…10 кОм. Транзистор С3199 заменим отечественными транзисторами КТ315Б, КТ315Г, или любым из серии КТ3102. Вместо транзистора КТ815В подойдут и транзисторы серии КТ315. Трансформатор намотан вдвое сложенным проводом ПЭЛ-0,2 (25 витков) на магнитопроводе К7х5,5х2 из феррита с проницаемостью 1000…2000. Диод Шоттки можно использовать импортный, серий 1N5818, 1N5817 или 1N5819, или заменить обычным серии Д220, Д223.
Пограничник
Концепт этого робота подробно изложен в моей книге «Роботы своими руками. Игрушечная электроника» (СОЛОН-ПРЕСС, 2015, с.87). Отличие данной конструкции состоит в существенном упрощении ходовой части и схемного решения изделия. Как и предыдущая поделка, при освещении полигона внешним источником света робот движется вдоль границы белого и чёрного полей.
Внешний вид игрушки изображен на рисунке 6. Это хорошо известная всем опорная «трёхточка». Две точки образуют валы двигателей, третья – проволочная скоба. Поочерёдно переключаясь, моторы заставляют робота двигаться по криволинейной траектории на плоскости.
Схема управления двигателями дана на рис. 7. После включения питания, в зависимости от освещённости фототранзистора VT1, включается либо мотор M1, либо мотор М2. Так, если фотодатчик находится над светлой поверхностью, сопротивление перехода фототранзистора мало, открывающий ток поступает на базу транзистора VT2. Сопротивление коллектор – эмиттерного перехода уменьшается и включается М1.
База транзистора VT2 через резистор R2 и открытый переход транзистора VT1 замкнута на «минус», поэтому транзистор закрыт и ротор двигателя М2 неподвижен. Робот начинает разворачиваться.
При заходе датчика на чёрное поле, сопротивление его возрастает до многих десятков кОм, и транзистор VT2 закрывается. База транзистора VT3 через резистор R2 и обмотку двигателя М1 оказывается подключённой к «плюсу» питания. Мотор М2 запускается, и робот разворачивается в противоположном направлении. При выходе робота на белое поле цикл повторяется. Таким образом, он движется вдоль границы раздела белого и чёрного полей. Конденсатор С1 задаёт инерционность «принятию решений» робота о развороте. При его отсутствии пограничник может замереть ровно на границе и далее не станет двигаться. Диод VD1 снижает напряжение питания двигателей, создавая иллюзию вальяжного, неспешного движения робота вдоль границы.
Конструктивные особенности реализации игрушки поясняют рисунок 8 и рисунок 9. Каркас (элементы 5, 6) изготовлен из проволоки трёх канцелярских скрепок. Две контактные планки (элемент 9) служат для соединения двигателей и каркаса в одно целое. Они изготовлены из односторонне фольгированного гетинакса. Их размеры 10x25 мм.
Планки имеют пары контактных площадок с отверстиями для соединения с выводами двигателей (лепестки) и скрепками. Батарейный отсек 8 на два элемента типа АА полоской изоляционной ленты 4 соединён с каркасом. К его контактным лепесткам припаяны: стойка 2 для монтажа фототранзистора, крючок 1 – контактный элемент выключателя SA1. Выключатель самодельный – его образует пара крючков и замыкатель (неодимовый магнит на рисунках не показан). Корпус фототранзистора закрыт отрезком 3 изоляции шнура компьютерной мыши. Он предохраняет датчик от засветки ярким дневным солнечным светом. Пара подобных отрезков 7 выполняет функцию покрышек колёс «бота». Монтаж остальных элементов схемы – навесной, на планках. Между собой удалённые элементы соединены тонкими проводами.
Схемный вариант иного поведения-движения робота дан на рис. 10.
Транзистор VT3 постоянно открыт, благодаря соединению R2 с «плюсом» питания, и мотор М2 разворачивает робота при его заходе на чёрное поле. Действительно, в этот момент транзистор VT2 закрыт, и мотор M1 не работает.
Поведение робота меняется, он оказывается заключённым внутри границ белого поля и может двигаться только в них. Робот – узник, или отшельник.
О настройке изделия. Робота удобно эксплуатировать на полигонах с резкими цветовыми переходами, с плавными линиями границ. Например, как представлено на рисунках 11 и 12.
Полигон изготовлен из многослойной фанеры в форме квадрата и имеет размер стороны 70-100 см. Разметку можно наносить на обеих сторонах листа, получая, таким образом, два маршрута. Робот их выполняет при освещении полигона дневным светом или подсветки лампой накаливания мощностью около 75-100 Вт с высоты 50–80 см. В последнем случае защитный отрезок изоляции нужно с датчика снять.
Следует отметить варианты регулировки светопотока на датчик. Их два: изменение высоты фототранзистора от поверхности в пределах 2-10 мм, подбор длины отрезка изоляции от 5 мм до 10 мм.
Вместо транзисторов КТ815В подойдут транзисторы КТ815А, КТ815Б. Фототранзистор извлечён из компьютера РОБОТРОН, можно извлечь из привода автомобильного проигрывателя компакт дисков. Там же, в приводе, можно добыть магнит на выключатель SA1. Моторы проще найти в старом DVD приводе от компьютера. Напряжение их питания 5,9 В, но они уверенно работают и от 2 В.
Елка-палка 2
Эта забавная и в техническом плане, и для новогодних развлечений игрушка-сувенир (рис. 13) подробно описана на страницах вышеупомянутой книги (страница 66). В данном пункте хочу рассказать о варианте её модернизации.
Схема преобразованного варианта дана на рис. 14.
К исходной схеме (элементы VT1-VT3, HL1-HL32, T1, R1, С1,С2) добавлен дополнительный узел управления включением гирлянд светодиодов.
Контактная группа К1.1 электромагнитного реле непосредственно выполняет эту функцию. Свободно замкнутая пара ограничивает ток питания исходной схемы сопротивлением резистора R3. Напомню, частота переключений гирлянд зависит от тока питания схемы. В итоге они переключаются с частотой порядка 1 Гц. При переключении группы (замыкание выводов резистора R3 накоротко) ток питания увеличивается, и гирлянды переключаются гораздо быстрее. Таким образом периодическое переключение контактной группы добавляет дополнительный эффект в работе устройства.
Рассмотрим работу cxемы – элементы VT4, VT5, Т2, R4, С3, R2, VD1, К1. После включен питания (замыкание SA1) повышающий преобразователь через развязывающий диод VD1 начнёт заряжать конденсатор С3. Он (преобразователь) реализован на трансформаторе Т2, транзисторе VT4, резисторе R2. Когда напряжение на конденсаторе достигнет значения 10–11 В, произойдёт лавинообразное открывание транзистора VT5. Импульс тока через обмотку реле заставит его самоблокироваться. Контакты группы К1.2 замкнутся. Якорь реле будет замкнут на сердечнике, пока конденсатор С3 не разрядится на обмотку через подстроечный резистор R4 до величины тока отпускания реле. Далее цикл повторится вновь.
Иными словами, схема-добавка – своего рода релейный генератор, обеспечивающий работу реле при низких напряжениях. Схема будет функционировать при использовании реле на 3В, 5В, 6В.
Если последовательно транзистору VT5 присоединить ещё один аналогичный, то схема «потянет» реле с рабочим напряжением 9В и Даже 12В. Подстроечным резистором регулируют частоту переключений реле, добиваясь оптимальных значений. Ток, потребляемый всей конструкцией, составляет порядка 50 мА.
Конструктивно, приставку удобнее выполнять на отдельной плате, соединяя её с основной платой гибкими проводами. Механическое соединение плат можно сделать, используя пару шпилек-стоек, например, из проволоки канцелярских скрепок.
По мнению автора, интересным вариантом может быть одноплатная конструкция, эскиз-вариация которой изображена на рис. 15. Пульсирующее сердце в разных ритмах. Просто и символично…
Фризлайт-копир
Фризлайт, или рисование светом – очень увлекательное и интересное занятие. Основная его трудность состоит в том, что рисовать приходится в буквальном смысле на ощупь, в полной темноте. Не имея практических навыков, это исполнить тяжело. Здесь может приходиться механический копир, о котором пойдет речь в описании.
На рисунках 16, 17 изображены картинки-коллажи на тему двух культовых фильмов братьев Вачовски (хотя сейчас корректней называть их просто Вачовски) – трилогии «Матрица» и киноистории «Облачный атлас». Элементы этих картинок были нарисованы с использованием копира, а затем с помощью компьютера «сложены в коллаж». И хотя основатели фризлайта в России Артём Долгополов и Роман Пальченков не являются сторонниками использования различных приспособлений и «технических ухищрений» при рисовании, тем не менее, рискну и предложу читателям данную конструкцию.
Итак, копир (рис. 18) состоит из нескольких основных частей.
«Механическая рука» 1 с парой шарнирных соединений, непрозрачный экран 2, лист картона 3, подставка для руки 4, вертикальная стойка 5, основание копира 6. Работают с ним так: копир располагают на столе в тёмном помещении, например, в гараже или ванной комнате. С одной стороны от экрана располагается фотограф или фотоаппарат на треноге и в автоматическом режиме съемки, с другой – человек рисующий. После открывания шторок перед матрицей за экраном «художник» в течение 10–15 секунд обводит рукой контур рисунка 7. Рисунок подсвечен с его стороны экрана-перегородки светодиодом – светильником 8.
Подробнее устройство «кисти руки» поясняет рисунок 19.
Светодиоды 1 красного, зелёного и синего цвета свечения создают изображение на матрице фотоаппарата. Их движением и свечением управляют с помощью ручки 10, на которой закреплены три кнопки включения 9. Светодиоды точно повторяют траекторию шарика 7 благодаря двум пластинам 8, жёстко связанным друг с другом. Перегородка-экран находится между шариком и основанием 6. Резисторы 2, 11 ограничивают ток через кристаллы светодиодов. Электрическая схема конструкции изображена на рисунке 20 и в особых пояснениях не нуждается. Светодиоды, резисторы и элемент питания 3 (литиевая батарейка) смонтированы на С-образной плате 4 из фольгированного гетинакса. Плата крепится к металлическому основанию 6 посредством магнита 5. Основание приклеено к пластине 8. Магнит, в свою очередь, припаян к плате. Такая вариация позволяет более точно устанавливать светодиод нужного цвета напротив шарика. Для более удобной замены плат светодиодов других цветов свечения предназначен разъём 11. Плата соединена с кнопками гибким шнуром 13 от компьютерной мыши.
Конструкцию основного шарнирного соединения поясняет рис. 21.
Пластины «механической руки» 1, 2, 3 выполнены из оргстекла толщиной 5 мм длиной 280 мм и шириной 30 мм. В пластину 1 вклеен шарикоподшипник 6 диаметром около 22 мм. Пластины 2 и 3 жестко соединены при помощи двух стоек 8 с внутренней резьбой в торцах под винты М4 (элемент 9). Во внутреннее кольцо подшипника жестко вставлена стальная ось 5. Для уменьшения люфта применена шайба 4 и пластмассовая втулка 7. Шнур 10 для исключения трения об экран при рисовании зафиксирован к пластинам отрезками скотча.
Крепление «руки» к перегородке поясняет рисунок 22.
Прямоугольная пластина 1 изготовлена так же из оргстекла и имеет размеры 40x75 мм. Шарикоподшипник 2 тоже вклеен в пластину, как и первый подшипник. Т-образная вставка 3 соединяет пластину 1 на рис. 22 с пластиной 1 на рис. 21. Она вклеена в неё секундным клеем и жестко вставлена во внутреннее кольцо подшипника. К экрану 4 пластина прикручена четырьмя винтами М3 с гайками (элемент 5).
При правильной и аккуратной сборке рука двигается легко и плавно, повторяя в точности контур изображения на листе 7 (рис. 18). Экран сделан из листового алюминия размерами 330 мм на 550 мм и толщиной 1,5–2 мм. Лист картона 3 смягчает движение шарика карандаша по бумаге. К экрану они крепятся полосками скотча. Размеры остальных элементов не критичны. Их соединение осуществляется при помощи саморезов, расходный материал – обрезки фанеры и ДСП.
Налаживание сводится к подбору номинала токоограничительных резисторов. Навык работы с копиром приобретается достаточно быстро, удобнее работать в паре, корректируя совместную деятельность. Сначала желательно начинать с одноцветных рисунков одного – двух замкнутых контуров (в общем – глазик, носик, ротик и т. д.). Постепенно усложняя линии, делая их прерывными можно получать более сложные изображения.
В заключение, скажу пару слов о ещё одном фризлайт-приспособлении. Зеркальная настольная призма (рис. 23). Три прямоугольных отрезка зеркала размером 10–15 см на 35–45 см скреплены полосками скотча и сложены в треугольную призму. Она, в свою очередь уложена в X– образное основание, сделанное из обрезков ДСП.
Рисование ведут в окрестностях плоскости основания призмы, объектив фотоаппарата помещают со стороны другого основания внутрь призмы. Для стабилизации объектива локти упирают в стол. Получаются красивые разноцветные узоры – рисунки 24–26.
Робот усач
Забавная игрушка (рис. 27) жук-усач сделана, а точнее модернизирована по горячим следам робота пограничника. Теперь он бегает за пальцем, стараясь не упустить его из «поля действия своих усов», этакая игривая зверюшка…
Принципиальная схема конструкции дана на рис. 28.
На транзисторах VT1, VT2 реализован триггер, управляющий работой двигателей M1, М2. «Перекидная кнопка» SB1, в свою очередь, управляет его работой.
Триггер действует, практически, как импульсное устройство. Его основу составляет пара транзисторов, работающих в ключевом режиме. Переход в новое состояние продолжается в течение очень короткого времени. Все триггеры отличаются особым свойством, заключающимся в способности запоминать двоичную информацию. На этом принципе и основано функционирование данных приборов. Сама память триггера заключается в возможности сохранять каждое состояние после того, как прекратит свое действие переключающий сигнал. Если одно состояние принять за единицу, а другое – за ноль, то, по сути, получается запоминание одного числового разряда, из которого состоит двоичный код. В данной конструкции это свойство заключается в том, что переключение моторов происходит при кратковременном касании датчика – уса о препятствие. Следующее переключение моторов произойдёт только при новом касании уса о преграду.
Рассмотрим работу схемы. После замыкания контактов выключателя SA1 (магнитная шайба) произвольно первым откроется любой транзистор, например VT1. Тогда база транзистора VT2 через резистор R2 и коллектор – эмиттерный переход транзистора VT1 окажется соединённой с «минусом батареи питания». В итоге будет работать двигатель М1, а М2 не будет. Робот начнёт разворачиваться на месте. Проволочный ус столкнётся с пальцем – произойдёт кратковременное замыкание центрального контакта датчика с левым контактом (по рисунку).
Транзистор VT1 закрывается и база транзистора VT2 через токоограничительный резистор и обмотку мотора М1 подключается к «плюсу батареи питания». Включается мотор М2. Ротор двигателя M1 останавливается. Робот разворачивается в обратном направлении до следующего касания уса датчика. Далее цикл повторяется, робот следует за подвижной (палец) преградой «след в след».
Конструктивно шасси робота мало чем отличается от исходной версии. V-образная проволочная скоба-усы 2 (рис. 29) изготовлена из отрезка стальной проволоки диаметром 1–2 мм. Посредством отрезка резиновой трубки 3 она крепится на движок переключателя 4 (SB1). На концах усов закреплены два пластмассовых шарика 1. Они придают выразительности игрушке и не несут никакой функциональной нагрузки. Как и в исходной конструкции, монтаж элементов навесной.
На рисунке 30 показан один из приёмов управления роботом. Жук всё время смотрит на палец и стремится его догнать.
