Разработка автономного робота на базе Arduino Uno для создания изображений
Гулькин Арсений Викторович, учащийся 11-го класса
ГБОУ СОШ № 8 «ОЦ» г. Новокуйбышевска (Самарская обл.)
Научный руководитель: Склез Оксана Сергеевна, методист
Центр технического творчества детей «НОВАпарк» (г. Новокуйбышевск, Самарская обл.)
В статье описывается процесс создания автономного робота-рисовальщика для создания сложных изображений.
Ключевые слова: робот-художник, робототехника, G-code, Arduino Uno.
Роботизация и автоматизация затронут все секторы экономики. Новые технологии и глобализирующиеся рынки позволят производить продукты массового потребления, вовлекая относительно небольшое число рабочих. Человеческий труд больше всего будет востребован в производстве handmade объектов и кастомизированной продукции. На всех рабочих местах сотрудники неизбежно столкнутся с необходимостью повысить уровень решаемых ими когнитивных задач. Все больше работы будет связано со способностью придумывать новые решения или выносить собственные суждения, не опираясь на заранее заданные параметры [1].
Но мало думать о развитии технологий, важно также задуматься о подготовке будущих кадров. Сфера образования и подготовки кадров — одна из наиболее старомодных, и, к сожалению, в большинстве случаев программа подготовки не изменяется в течение многих лет.
На производстве остро встает вопрос в новых кадрах. И возникает парадокс: повышается риск структурной безработицы, ввиду усовершенствования производства и замены рабочих на различных этапах производства, но остро встает вопрос кадрового дефицита в области управления и производства инженерных и робототехнических систем. Безработные люди не будут иметь возможности найти работу, потому что спрос со стороны рынка на умения и навыки, которыми они обладают будет отсутствовать [2].
Чтобы этого не допустить, необходимо привлечь внимание детей среднего и старшего школьного возраста к направлению «робототехника». Одним из таких способов по привлечению внимания детей к, на первый взгляд, сложной робототехнике, может быть работа по созданию робота-рисовальщика. Работа над данным проектом включает в себя 3D-моделирование корпуса будущего робота, его печать и сборку, подключение электронных компонентов и программирование контроллера.
Первым этапом подбираются необходимые электронные и механические компоненты (таблица 1).
Таблица 1
Перечень компонентов и их стоимость
|
Наименование |
Количество |
Стоимость |
|
SG90 Servo |
1 |
149 |
|
Ремень GT2 2000 мм |
1 |
180 |
|
Arduino Uno |
1 |
720 |
|
CNC Shield |
1 |
189 |
|
Адаптер питания 12V 2A |
1 |
240 |
|
Шаговый двигатель Nema17 |
2 |
1818 |
|
Линейный опорный стержень М8 х 450 мм |
2 |
110 |
|
Линейный опорный стержень М8 х 350 мм |
2 |
110 |
|
Линейный опорный стержень М8 х 75 мм |
2 |
160 |
|
Шкив GT2 16 зубьев |
2 |
220 |
|
Контроллер шагового двигателя А4988 |
2 |
198 |
|
Подшипники 624 zz |
5 |
150 |
|
Линейные подшипники LM8UU |
8 |
608 |
|
Винты и гайки M3, M4, M8 |
- |
~200 |
|
Шпилька с резьбой M8 x 480 мм |
1 |
120 |
|
Итого: |
5172 |
|
Помимо электронных компонентов робот на 50 % состоит из пластиковых корпусных элементов. При помощи современных технологий сегодня можно распечатать необходимые детали при помощи 3D-принтера.
3D-печать работает по принципу наслаивания расплавленного пластика, создавая таким образом слой за слоем нужную фигуру. Эта технология позволяет любому желающему создать предметы самых различных форм и размеров. Зачастую распечатанная вещь на 3D-принтере обходится дешевле и получается точнее, чем заказ аналога на токарных или в любых других производственных мастерских.
Рис. 1. Корпусные элементы будущего робота
1–3D-модель, 2 — печать на 3D-принтере
Для работы над 3D-моделями была использована программа «Tinkercad», а для подготовки к печати — слайсер «CURA». Скорость печати принтера — 60 мм/сек, процент заполнения фигуры — 40 %.
После печати детали необходимо произвести ее обработку: удалить поддержки и зачистить шероховатости используя наждачную бумагу. В противном случае не все детали будут соединяться должным образом.
Сборка конструкции происходит следующим образом. Первым делом нужно установить все линейные подшипники на свои места. Надеть пару подшипников с фланцем на винт М3, чтобы получить обводной шкив, накидываем шайбу М3 (4 штуки). Соединить обе опоры при помощи направляющих, установить шпильку для жесткости. Установить шаговики. Собрать заднюю пластину оси Y, в нее устанавливается один подшипник в качестве обводного шкива. Далее установить переднюю пластину оси Y. На каждом креплении осей есть отверстия для их фиксации. Затем натянуть ремень. Установить sg90 Servo, затем установить каретку оси Z, а после установить держатель ручки. Соединить CNC Shield и плату Arduino Uno, питая блоком питания на 12 вольт и 2 ампера. На каждом драйвере должно быть напряжение 0,8 Вольт. Подключить двигатели и сервопривод. Правый двигатель подключается к драйверу X, а левый к драйверу Y. Установить пишущий инструмент, подключить питание и USB-кабель, зафиксировать лист бумаги на столе.
Далее на плату Arduino Uno загружается управляющая программа. Данный робот позволяет обрабатывать только векторные изображения в формате G-code.
G-code — это язык, который условно именует язык программирования устройств с числовым программным управлением. Создала этот язык программа Electronic Industries Alliance в начале 1960-х годов. Программа, созданная с помощью G-code, обладает жесткой структурой. Все команды управления соединяются в некоторое количество групп, которые состоят из одной или нескольких команд.
Любое растровое изображение можно преобразовать в G-code при помощи программ-конвекторов.
Рис. 2. Пример G-code
Принцип работы управляющей программы следующий. На плату приходит код с набором координат для последовательного передвижение по ним. В первую координату, путем регулирования двумя сервоприводами ремня движется пишущее устройство (ручка или маркер), закрепленное на нем. Далее, получая координаты второй точки, ручка или маркер перемещаются в новое место, не отрываясь от бумаги. Таким образом быстро и аккуратно можно получить довольно сложное изображение, на отрисовку которого даже у подготовленного человека может уйти несколько часов.
Рис. 3. Готовое устройство
Таким образом, в работе был рассмотрен способ по поддержанию интереса к робототехнике среди детей посредством создания интересных и несложных конструкций. Данные работы показывают детям, что заниматься робототехникой может быть интересно, что можно разработать свое устройство, что в дальнейшем, отразиться на количестве будущих специалистов в этой области.
Литература:
- Доклад экспертов Global Education Futures и WorldSkills Russia «Навыки будущего». [Электронный ресурс] / URL-адрес: https://futuref.org/futureskills_ru (дата обращения 24.10.2021)
- Робототехника — история развития данной области [Электронный ресурс] / URL-адрес: https://iot.ru/wiki/robototekhnika (дата обращения 4.11.2021)
- Drawing Robot. Assembly guide. [Электронный ресурс] / URL-адрес: https://cdn.thingiverse.com/assets/a4/53/71/e5/cd/DrawBotAssemblyUserGuideV3.pdf (дата обращения 2.12.2021)
