Robot de equilibrio de bolas Arduino

Los avances en la tecnología no dejan de sorprendernos y esta vez el escenario no es la ciencia ficción, sino nuestra propia realidad. El increíble mundo de la robótica nos demuestra una vez más su capacidad de asombrarnos con la creación de un robot capaz de mantener el equilibrio de bolas utilizando el famoso sistema Arduino. ¿Te gustaría saber más sobre esta fascinante invención? ¡Sigue leyendo y sumérgete en el futuro!

¿Estás listo para asumir el desafío de construir tu propio robot de equilibrio de bolas Arduino? Con el auge de la robótica y la tecnología, aprender a crear un robot de equilibrio de bolas Arduino puede ser una forma divertida y emocionante de explorar el mundo de la robótica. En esta publicación de blog, obtendrá acceso a todos los consejos y trucos que necesita para tener una compilación exitosa. ¡Así que prepárate para un viaje épico al mundo de Arduino Ball-Balancing Robots!

que es un arduino

Un Arduino es una placa de microcontrolador de código abierto que se puede utilizar para desarrollar proyectos de electrónica interactiva.

Contiene un procesador Atmel AVR y un conjunto de pines de entrada/salida que le permiten comunicarse con varios componentes electrónicos como sensores, motores, relés, LCD, etc. La placa está programada con el Software Arduino (IDE), que le permite para escribir y cargar código en la placa. ¡Con este software puede crear programas personalizados que interactúen con su proyecto de hardware en formas limitadas solo por su imaginación!

La plataforma Arduino simplifica la programación de la electrónica al proporcionar bloques de construcción básicos que puede usar para crear fácilmente diseños complejos. Por ejemplo, puede hacer que una luz parpadee cuando se detecte movimiento o recibir datos de un sensor remoto. También puede usar Arduino para controlar motores, leer entradas analógicas y digitales o enviar datos a una computadora u otros dispositivos. Las posibilidades son infinitas gracias al lenguaje de programación simple pero poderoso. [1]

Robot de equilibrio de bolas Arduino

Instrucciones de montaje

El robot de equilibrio de bolas Arduino es un buen ejemplo de cómo se utiliza esta tecnología en proyectos de robótica. Se puede usar para crear un robot autoequilibrado que pueda moverse y reaccionar a su entorno. La placa Arduino se utiliza como el cerebro del robot, mientras que los motores y sensores proporcionan las entradas y salidas necesarias para que pueda maniobrar. Al programar el tablero con unas pocas instrucciones simples, puede controlar fácilmente cómo se mueve y reacciona su robot dentro de su entorno.

Hacer una plataforma base

Primero, necesitará hacer una plataforma base para su robot. Esto puede ser tan simple como una pieza plana de madera o acrílico, o puedes usar algo más elaborado como un marco de aluminio. Sea cual sea el material que decida utilizar, asegúrese de que sea lo suficientemente resistente para soportar el peso del robot y sus componentes.

Una vez que haya elegido su material, córtelo en la forma y el tamaño deseados con una sierra o un cortador si es necesario. Dependiendo de su diseño, es posible que también desee perforar algunos agujeros para montar componentes más adelante.

Imprime las piezas en 3D

A continuación, deberá imprimir en 3D las piezas de su robot. Puede diseñarlos usted mismo o descargar modelos prefabricados de varios sitios web como Thingiverse. Una vez que haya elegido los modelos y los haya descargado, puede utilizar una impresora 3D para imprimir todas sus piezas. Dependiendo de la complejidad de su robot, esto podría llevar desde varios minutos hasta varias horas. ¡Una vez terminado, debe tener todos los componentes necesarios para el montaje! Las piezas deben incluir una bola, un soporte, una placa base y un formulario.

No es necesario que imprimas la pelota, ya que puedes encontrar una fácilmente en una tienda de pasatiempos. Pero uno autoimpreso podrá adaptarse perfectamente a su robot y facilitará mucho el montaje.

ensamblar la pelota

La estrella de tu espectáculo será la pelota. Si elige imprimir el suyo propio, deberá lijar y rellenar las líneas de impresión para que quede suave y redondo. Si compró uno en una tienda, debe verificar si tiene defectos o golpes que puedan afectar el rendimiento de su robot.

Una vez preparada la bola, móntela con la montura usando tornillos. Asegúrese de que todas las piezas estén bien aseguradas, ya que esto será crucial para el rendimiento de nuestro robot de equilibrio de bolas.

Agregar inserciones en las partes impresas

A continuación, revisaremos las otras piezas en busca de defectos y luego agregaremos insertos en los orificios del marco de la plataforma base, la placa base, la placa de cubierta y los cuatro marcadores centrales. Puede usar tornillos para asegurarlos o usar una pistola de pegamento caliente para unirlos rápidamente en su lugar. Como puede ver, no todas las piezas requieren insertos, ya que algunos de ellos están diseñados para sujetar los componentes en su lugar sin necesidad de herramientas adicionales.

Crear el circuito del microcontrolador

Ahora es el momento de agregar algunos cerebros a su robot. Para crear el circuito del microcontrolador, necesitará una placa Arduino y todos los componentes que la acompañan, como resistencias, condensadores y transistores.

Robot de equilibrio de bolas Arduino

Usaremos una placa microcontroladora Teensy 4.1 como procesador principal de nuestro robot y la conectaremos a una fuente de alimentación con un regulador de 5V. Deberá descargar Teensyduino, una extensión del IDE de Arduino, para poder programarlo.

Mientras lo hace, puede modificar un poco su microcontrolador. Corta el rastro VIN a USB en la parte posterior de la placa Teensy para que pueda recibir energía de una fuente externa. Esto le permitirá conectar una fuente de alimentación externa, como una batería o un panel solar, y hacer que su robot sea más eficiente energéticamente. En nuestro caso se trata de una batería LiPo de 7,4V.

Adjunte un servocontrolador

El siguiente paso es conectar un servocontrolador. Esto se utilizará para administrar el movimiento de los servos y mantenerlos sincronizados. Recomendamos usar un Polulu Maestro ya que tiene mucha potencia y es fácil de usar. Simplemente conecte sus pines de entrada a los pines de salida digital de la placa Teensy, ¡y estará listo para comenzar!

El Polulu Maestro de 6 pines es responsable de controlar los servos, que se conectan al Maestro, que a su vez se conecta al Teensy a través de sus pines RX y TX. El Maestro es el único componente que se conecta directamente a la batería de 7,4 V y tiene un regulador de 5 V que alimentará al Teensy. Para conectar el Teensy, se sueldan dos cables (+5V y tierra) al Maestro.

Para configurar el Polulu Maestro, es necesario descargar el software Maestro Control Center y verificar/cambiar dos configuraciones. Después de descargar el software y conectar el Maestro, conecte uno de los servos y muévalo desde el software para verificar si la placa funciona. Luego, vaya a la pestaña Configuración de serie para verificar/cambiar dos configuraciones: modo de serie y CRC.

Finalmente, para modificar el Maestro, se necesita soldar un cable que conecte el VIN a la alimentación del servo (+). Esto permite que los servos y la placa Maestro se alimenten con la batería de 7.4V.

instalar una cámara

Tu pequeño robot necesitará algo para usar como ojos. Ahí es donde entra la cámara. Puede comprar uno ya hecho o construir uno propio usando un Arduino Camera Shield y un lector de tarjetas microSD. Para nuestro proyecto, utilizaremos la cámara Pixy2, que es un sensor de imagen de alta calidad con un excelente rendimiento con poca luz.

Para ver las imágenes de la cámara y configurar la detección de objetos, es necesario descargar Pixymon v2. La cámara debe estar conectada a la computadora y se debe usar Pixymon para verificar que funciona. El reconocimiento de objetos se puede probar configurando un objeto aleatorio para ser detectado, y se recomienda el método manual para configurar la detección de objetos.

Tendremos que conectar la cámara Pixy2 a la computadora a través de un micro USB ya que la batería no es confiable esta vez. El Teensy, el Pololu Maestro y los servos serán alimentados por la batería de 7.4V siempre que el robot esté en uso, mientras que la cámara será alimentada por la computadora.

Instalar las bibliotecas de Arduino

Deberá instalar algunas bibliotecas para los componentes de su robot.

Recomendamos usar el IDE de Arduino para que pueda agregar fácilmente las bibliotecas necesarias.

La primera biblioteca es para Pololu Maestro y la segunda biblioteca es para la cámara Pixy2. Estas bibliotecas deben instalarse para garantizar que la compilación funcione según lo previsto.

Construye el circuito

Ahora que tiene todos los componentes y sabe cómo configurarlos, es hora de construir el circuito.

Para crear el circuito completo para el proyecto del robot, necesitará el microcontrolador Teensy 4.1 modificado, el servocontrolador Polulu Maestro de 6 pines modificado, la cámara Pixy2, el convertidor de nivel lógico de 3.3 a 5v, la placa Half Proto y un interruptor. Los tres primeros componentes se explicaron anteriormente, mientras que el convertidor de nivel lógico (LLC) y los servos son los restantes. El LLC reduce el nivel lógico de 5 V a 3,3 V para conectar los pines RX y TX del Maestro al Teensy, que utiliza un nivel lógico de 3,3 V. Los seis servos JX CLS6336HV de alta velocidad se conectan a los seis canales del Pololu Maestro.

Robot de equilibrio de bolas Arduino

Puede encontrar los esquemas reales para este proyecto en línea. Comience conectando la fuente de alimentación a la placa proto, luego conecte todos los componentes excepto los servos en sus respectivas posiciones. Vuelva a verificar antes de soldar todo junto y asegúrese de que todas las conexiones sean correctas.

Suelde Teensy y LLC en la protoboard y conecte Maestro y Pixy a Teensy a través de cables. Use pines de cabecera para componentes electrónicos extraíbles, tubos termorretráctiles para aislar cables y un multímetro para probar la conectividad. Los cables de extensión de servo permiten la funcionalidad plug-and-play, lo que facilita la resolución de problemas. El interruptor enciende y apaga el robot al completar el circuito en un cable de la batería, y los pines de tierra en todos los componentes deben conectarse juntos para una tierra común.

Montar la base

A continuación, tenemos que montar la base de nuestro robot. La base se compone de dos partes: la plataforma y las patas.

Para ensamblar la base del robot, necesitará seis servos, una placa base, un soporte inferior pixy2, ocho tornillos M3 x 5 mm y cuatro tornillos M3 x 15 mm. El proceso de ensamblaje implica primero montar la parte inferior del pixy2 en dos de los servos usando los tornillos M3 x 15 mm y luego unirlos al frente de la placa base. Los cuatro servos restantes deben atornillarse a los otros lados de la placa base con los tornillos M3 x 5 mm.

A continuación, la mitad de la placa debe atornillarse en la parte superior de la placa base, lo que requiere quitar el Teensy 4.1 y LLC para acceder a los agujeros en el protoboard. El maestro polulu debe pegarse en caliente a la placa base y, finalmente, los seis servos deben conectarse a los seis canales del maestro en un orden específico.

La cubierta debe instalarse a continuación, y aquí es donde entra la cubierta de plexiglás o acrílico para el robot. La cubierta debe ser un poco más grande que la placa base para garantizar un ajuste perfecto y debe asegurarse con cinta adhesiva de doble cara o pegamento caliente a lo largo de los bordes. Necesitará tornillos de 12 m3 x 5 mm y un interruptor que debe pegarse en una placa de cubierta.

Ensamblar e instalar brazos de servo

Los brazos del servo son los que mantendrán la bola en su lugar, por lo que deben construirse de manera precisa y adecuada.

Para ensamblar los brazos del servo, necesitará seis eslabones impresos en 3D, seis servodiscos de 25T, tuercas de seguridad de 18 m3, seis conectores de varilla de empuje de m3 x 120 mm, 12 tirantes m3 de 22 mm de largo y tornillos de 12 m3 x 12 mm. Comience por atornillar cada servodisco en cada eslabón con dos contratuercas y dos tornillos de m3 x 12 mm por disco. Ensamble las seis varillas de unión conectando dos extremos de varilla de unión a cada conector de varilla de empuje, luego atornille el otro extremo de cada eslabón en uno de los extremos de las varillas de unión usando un tornillo de m3 x 22 mm y una contratuerca para cada eslabón para formar seis brazos de servo .

Para montar los brazos del servo en los servos, se debe cargar un boceto de Arduino que moverá todos los servos a su ubicación de inicio. Asegúrese de que la batería esté enchufada y que el interruptor esté encendido antes de cargar el boceto al adolescente. Atornille los brazos de los servos a los servos con tornillos de m3 x 12 mm, asegurándose de que estén lo más perpendiculares posible a los servos. Es probable que sea necesario un ajuste fino de los brazos.

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Construir y adjuntar la plataforma

Ahora, la plataforma debe construirse y adjuntarse al robot. Para construir la plataforma para el robot, necesitará una plataforma de policarbonato, un marco de plataforma, tornillos de cabeza semiesférica de m3 x 20 mm (x3), contratuercas de m3 (x3) y separadores de m3 x 5 mm (x3). Fije la plataforma de policarbonato al marco de la plataforma impresa con tornillos y contratuercas de m3 x 20 mm. Recuerde agregar un separador de 5 mm en cada tornillo en el espacio entre la plataforma y el marco de la plataforma.

A continuación, fije la plataforma al cuerpo principal del robot con separadores de m3 x 5 mm (x6) y tornillos de m3 x 14 mm (x6). Fije cada tornillo de m3 x 14 mm en el extremo de cada brazo del servo. En el otro lado del tornillo, atornille cada separador de m3 x 5 mm. Finalmente, atornille el brazo del servo en el marco de la plataforma donde se encuentran los insertos roscados.

Conecte un soporte de cámara y una cámara

El soporte de la cámara y la cámara son componentes necesarios para el robot ya que nos permite ver hacia dónde vamos. Primero, se corta una espiga de madera de 19 pulgadas y se fija al soporte inferior del Pixy2 con dos tornillos n.º 6. Luego, el soporte superior Pixy2 se atornilla en el otro extremo de la espiga con dos tornillos #6.

A continuación, la cámara Pixy2 se fija al soporte superior con tres tornillos M3 x 30 mm, tres separadores M3 x 10 mm y tres tuercas de seguridad M3. Es importante asegurarse de que la cámara tenga una buena vista de la plataforma comprobando las imágenes en Pixymon. Si no se ve toda la plataforma, se debe ajustar la ubicación del soporte superior.

Enseña al robot a detectar la pelota y calibrar la plataforma

Una vez que el robot está completamente construido y todos los componentes están funcionando, es hora de enseñar al robot a detectar la pelota. Hay muchas guías sobre cómo hacer esto que se pueden encontrar en línea. En general, el proceso de enseñar al robot a detectar la pelota implica cargar un boceto en el teensyduino y ejecutar algún código. El código nos permitirá ver lo que está viendo la cámara Pixy2 en tiempo real, permitiéndonos ajustar su posición si es necesario.

Robot de equilibrio de bolas Arduino

Después de enseñarle a Pixy2 sobre su pelota, debe calibrar su plataforma para un rendimiento óptimo. Para que el programa de equilibrio de la pelota funcione con precisión, se requieren dos valores: el centro de la plataforma desde la vista de la cámara y r_platform, que ayuda a determinar si la pelota está en la plataforma. La solución implica el uso de marcadores centrales rojos impresos en 3D colocados en cada esquina de la plataforma con tornillos m3 x 5 mm. La cámara pixy debería reconocer los marcadores como la bola que se entrenó previamente para identificar en el paso anterior.

Es necesario verificar que la cámara pixy puede reconocer cada marcador central comprobando las imágenes de la cámara en pixymon para garantizar que solo se detecten cuatro firmas para los cuatro marcadores. Si se detectan más o menos de cuatro marcadores, el programa no funcionará. El siguiente paso es descargar el programa Arduino y reemplazar los valores de compensación de 0 a los valores descubiertos en el paso 13. Después de eso, el boceto debe cargarse.

Finalmente, el programa moverá cada servo a su posición inicial y mostrará los valores en el monitor serial. Con esto, el programa de balanceo de balones estará operativo.

Sube el código

Por último, el código para el robot de equilibrio de bolas debe cargarse en Arduino. Este código nos permitirá controlar todos los componentes de nuestro robot, como servos y sensores. Para cargar el código, nuevamente, necesitará un IDE de Arduino que se puede descargar desde el sitio web oficial. Una vez instalado, abra la carpeta que contiene su código fuente y seleccione «Cargar» en Sketch en la barra de menú. El Arduino luego compilará y cargará su programa en su robot. Si tiene éxito, debería ver un mensaje que confirma que se ha cargado correctamente. [2]

Robot de equilibrio de bolas Arduino

Preguntas más frecuentes

¿Cómo funciona un robot de equilibrio basado en Arduino?

El componente principal de cualquier robot de equilibrio basado en Arduino es un microcontrolador Arduino que funciona como su «cerebro». Este microcontrolador puede leer datos de varios sensores, incluidos acelerómetros, giroscopios y telémetros de infrarrojos. Luego, todos estos datos se envían al Arduino, que utiliza la información para calcular cuánto esfuerzo y potencia deben aplicarse a cada rueda para que se mueva y permanezca equilibrada.

El robot también se basa en una variedad de otros componentes, como motores y ruedas, baterías, un marco y varias otras partes, como un receptor de infrarrojos o un módulo Bluetooth. Esta combinación permite que el robot maniobre con precisión mientras permanece en posición vertical con un consumo mínimo de energía.

¿Qué motor es mejor para un robot autoequilibrado?

El motor paso a paso es el más adecuado para un robot autoequilibrado. Tiene alta resolución, precisión y estabilidad que son esenciales para controlar su movimiento. El motor paso a paso ofrece un control preciso para mantener la pelota equilibrada encima. Además, el motor paso a paso requiere un mantenimiento mínimo y es altamente eficiente, lo que lo convierte en una opción ideal para este tipo de proyectos.

¿Qué es un robot que se balancea sobre una pelota?

Una que se balancea sobre una pelota es un tipo de máquina que utiliza una computadora y un sistema de locomoción para moverse y permanecer en equilibrio encima de una. Esto se puede lograr mediante el uso de un Arduino, sensores, motores, giroscopios y otros componentes. El usuario debe programar la placa Arduino con un código para permitir que el robot se equilibre cuando se mueve sobre la bola.

Video útil: construí un robot de equilibrio de bolas

Conclusión

Los robots de equilibrio de bolas Arduino son un proyecto educativo divertido que puede ayudar a enseñar conceptos básicos de robótica de una manera práctica. Esta guía ha proporcionado una introducción a los proyectos de robot de balanceo de bolas de Arduino de principio a fin. Hemos discutido los conceptos básicos de la construcción de una plataforma robótica utilizando un Arduino, incluidos los componentes y el cableado necesarios. También hemos discutido cómo programar un robot de equilibrio de bolas usando varios sensores y servomotores.

Al comprender los conceptos básicos de cómo funcionan los robots y cómo programarlos, podrá crear robots más complejos a medida que mejoren sus habilidades. ¡Esperamos que esta guía le haya brindado toda la información que necesita para comenzar a construir su propio robot de equilibrio de bolas Arduino! ¡Feliz creación!

Referencias

  1. https://docs.arduino.cc/learn/starting-guide/whats-arduino

  2. https://www.instructables.com/Ball-Balancing-Robot/

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