So bauen Sie Ihren eigenen 3D-gedruckten Raspberry Pi-Roboter (aktualisiert)

Update 7. August 2022: Wir haben diesen Artikel aktualisiert, um die Programmierung des Explora in Python auf Seite 2 aufzunehmen.

Ursprüngliches Tutorial, veröffentlicht am 4. Juni 2022:

Einen eigenen Roboter zu bauen, ist eines der befriedigendsten Dinge, die Sie tun können. Es kombiniert mechanische, elektrische und Programmierfähigkeiten auf eine Weise, wie es nur wenige Projekte tun.

Ich baue jetzt seit ein paar Jahren Roboter und liebe es, mein Wissen und meine Fähigkeiten zu erweitern, indem ich verschiedene Steuerplatinen, Motoren, Räder und Sensoren verwende, um die Welt um den Roboter herum zu erkennen.

Besonders beeindruckend sind die Raspberry-Pi-Roboter. Der Raspberry Pi versorgt den Roboter mit der vollen Leistung von Linux und einer Fülle von Python-Bibliotheken. Mit all dieser Leistung können wir dem Mix fortschrittliches maschinelles Lernen, Computer Vision und Internetkonnektivität hinzufügen. All dies zu einem erschwinglichen Preis und einem winzigen Formfaktor.

Das Bauen von Raspberry Pi-Robotern aus Bausätzen wie dem Trilobot von Pimoroni oder aus einem benutzerdefinierten Design wie Explora macht Spaß und hilft dabei, Fähigkeiten wie Programmieren in Python, mechanisches Design und Elektronik zu entwickeln. Menschen lieben es, mit Robotern zu spielen und ihnen beizubringen, Aufgaben auszuführen und sich ohne Hilfe in der Umgebung zu bewegen.

Explora verwendet den Pimoroni Explorer pHAT (wir haben den Explorer HAT Pro in unseren besten Raspberry Pi HATs-Leitfaden aufgenommen), um die Motoren zu steuern, und verfügt über eine praktische Python-Bibliothek, um dies zu vereinfachen. Explora ist in Python programmiert und verwendet Sensoren, um Hindernissen auszuweichen und Ihrer Hand zu folgenExplora kann auch über Wi-Fi ferngesteuert werden.

Explora kann Objekte vor sich mit einem HC-SR04-Ultraschall-Entfernungsmessermodul erkennen. Diese Module sind entweder in einer 5-V-Version oder in einer 3,3-V-Version (HCSR04+ oder HC-SR04P) erhältlich. Der Explorer pHAT ist 5V-tolerant, aber es ist am besten, sich die HC-SR04+ oder HC-SR04-P-Version zu besorgen, um auf der sicheren Seite zu sein. Die Verwendung der 5-V-Version auf einem Raspberry Pi kann die Platine beschädigen.

Explora wurde mit entworfen Autodesk Fusion 360 (öffnet in neuem Tab). Jedes Stück ist eine diskrete Komponente, um einen einfacheren 3D-Druck zu ermöglichen. Fusion 360 macht es wirklich einfach, die Modelle in STL-Dateien zu exportieren, die zum Schneiden und anschließenden 3D-Drucken bereit sind. Um die Roboterteile (die Anweisungen für einen 3D-Drucker zum Drucken des Teils zu erstellen) aus Fusion 360 zu schneiden, verwende ich Cura und lade es dann zu OctoPrint hoch, um die Druckaufträge zu verwalten. Die 3D-gedruckten Teile sind so konzipiert, dass sie schnell und einfach gedruckt werden können, und das Ganze lässt sich mit ein paar Schrauben und Kabeln einfach zusammenbauen.

Meine persönliche Wahl des 3D-Druckers ist der Creality Ender 3 Pro und Ender 3 V2.

Die Elektronik für das Projekt ist relativ einfach und erfordert einige Lötarbeiten. Sie müssen Drähte an jeden Motor und dann an einige männliche DuPont-Kabel (Jumper Ruck) löten, ein Satz pro Motor. Sie brauchen auch etwas, um die Motoren zu halten, während Sie die Drähte an die winzigen Motoranschlüsse löten, was ein bisschen schwierig sein kann, wenn Sie dies noch nicht getan haben. Einige „hilfreiche Hände“ oder Modelliermasse sind nützlich, um die Drähte an Ort und Stelle zu halten.

Was wirst du brauchen

• Lötkolben
• Lot und etwas Flussmittel
• Schraubendreher
• Kabelschneider
• Abisolierzangen
• Helfende Hände – zum Einsatz beim Löten
• Ein Computer mit einem Steckplatz für ein SD-Kartenlesegerät

3D-gedruckte Dateien

Bauen Sie Explora

Die Druckzeiten für jeden Teil von Explora hängen von Ihrem spezifischen Drucker und Ihren Qualitätseinstellungen ab. Ich fand, dass die Dateien zum Drucken die folgende Zeit in Anspruch nahmen:

Ich ziehe es vor, PLA+ für meine Drucke zu verwenden, und normalerweise habe ich bereits weißes oder gelbes Filament in jedem Drucker, einsatzbereit.

So bereiten Sie die 3D-gedruckten Teile von Explora vor

1. Laden Sie die 3D-druckbaren STL-Dateien herunter.

2. Schneiden Sie die Teile mit Cura – Wir verwenden gerne Cura, aber es steht Ihnen frei, eine Alternative zu verwenden. und vergessen Sie nicht, die Halterungen für die Motorhalter zu aktivieren

3. Übertragen Sie die G-Code-Datei von Cura auf Ihren 3D-Drucker. Speichern Sie die G-Code-Datei auf einer SD-Karte (falls Ihr 3D-Drucker Dateien auf diese Weise akzeptiert). Alternativ können Sie Software wie OctoPrint verwenden, die auf einem Raspberry Pi ausgeführt wird und eine webbasierte Schnittstelle zum Verwalten von 3D-Druckaufträgen bietet. Wenn Sie OctoPrint verwenden, können Sie die G-Code-Datei über die linke Seite der Seite ziehen und es beginnt mit dem Hochladen der Datei, die zum Drucken bereit ist.

4. Laden Sie den G-Code und drucken Sie ihn aus – Wir haben Octoprint verwendet, um unsere Druckaufträge zu verwalten

Explora verkabeln

Löten ist eine wesentliche Fertigkeit des Herstellers. Das Löten lernen eröffnet Ihnen die ganze Welt der Elektronik und dieses Projekt könnte Ihre ersten Schritte auf einer spannenden Reise sein. Wenn Ihre Motoren ohne angeschlossene Drähte geliefert werden, müssen Sie Ihre eigenen Drähte vorbereiten und diese auf die kleinen Motoren löten. Das Löten von Kleinteilen kann schwierig sein; Sie benötigen eine ruhige Hand und etwas, um die Motoren zu halten, während Sie das Lötmittel in einer Hand und den Lötkolben in der anderen halten.

• Bereiten Sie die Drähte zum Löten vor. Schneiden Sie vier Streifen roten Draht mit einer Länge von jeweils 100 mm und weitere vier Streifen schwarzen Draht ab. Wir sollten ein Paar schwarze und rote Drähte für jeden Motor haben.
• Drähte abisolieren. Isolieren Sie etwa 4 mm Draht von jedem Ende ab und legen Sie den Kupferdraht frei. Ein gutes Paar Abisolierzangen ist ein wesentlicher Bestandteil der Werkzeugkiste eines Herstellers.
• Flussmittel hinzufügen. Tragen Sie etwas Flussmittel auf ein Ende des zu lötenden Drahtes auf. Flussmittel hilft dem Lot, richtig um das Teil zu laufen. Selbst wenn Ihr Lot mit einem Flussmittelkern geliefert wird, wird das Löten mit etwas zusätzlichem Flussmittel viel einfacher.
• Verzinnen Sie die Drähte, indem Sie mit Ihrem Lötkolben eine kleine Menge Lot auf die Drähte geben. Verzinnen hilft, die Drähte an die kleinen Motoranschlüsse zu löten
• Löten Sie das rote Kabel auf die Motorklemme – Sie werden ein kleines + Zeichen über der Klemme bemerken, die die positive Klemme ist. Nehmen Sie sich Zeit, wie Dies kann schwierig sein, wenn Sie es noch nicht getan haben.
• Schieben Sie den Draht zuerst durch das Loch in der Klemme, um eine gute mechanische Verbindung herzustellen und hilft, den Draht beim Löten an Ort und Stelle zu halten, dann löten Sie den Draht an die Klemme.
• Wiederholen Sie den letzten Schritt für das schwarze Kabel, aber diesmal Löten Sie das schwarze Kabel an den Minuspol des Motors.
• Verdrillen Sie die roten und schwarzen Drähte für mehr Stärke. Dies hilft, die Verbindung zu stärken, wenn Sie versehentlich an den Drähten ziehen.

9. Löten Sie den 40-Pin-Header und den 20-Pin-Header an den Explorer pHat

Montage

Der Montageteil des Aufbaus dauert nicht lange, da es nur darum geht, die vier Motorhalter mit der M2,5-Schraube und den Muttern in das Chassis zu schrauben. Dann schrauben wir die Abstandshalter in das Chassis und den Raspberry Pi Zero 2 W und befestigen schließlich die Kamerahalterungen und das Oberteil.

1. Schieben Sie jeden Motor in einen 3D-gedruckten Motorhalter. Die Motorhalter sorgen dafür, dass der Motor auf dem Explora-Chassis an Ort und Stelle bleibt. Sie bieten auch mechanische Steifigkeit, sodass sich die Motoren im Gebrauch nicht bewegen.

2. Stecken Sie eine Mutter in jede Sechskanttasche am Motorhalter und schrauben Sie sie dann von der Oberseite des Chassis bis zum Motorhalter in die Mutter. Ziehen Sie nicht zu fest an, da Sie am Ende das Gehäuse spalten. Dadurch entsteht eine feste Verbindung zwischen dem Motorhalter und dem Chassis.

3. Fügen Sie dem Chassis Abstandshalter hinzu indem Sie vier M2,5-Schrauben in die Unterseite des Gehäuses schrauben und einen Abstandshalter auf das freiliegende Schraubengewinde aufschrauben, bis er fest am Gehäuse anliegt.

4. Fügen Sie dem Raspberry Pi Zero vier Abstandshalter hinzudann Schließen Sie das Explorer pHat an.

5. Schrauben Sie den Raspberry Pi Zero in die Chassis-Abstandshalter.

6. Schieben Sie den Kamerahalter in das Gehäuse. Möglicherweise müssen Sie etwas Material abfeilen, wenn es eng anliegt.

7. Schieben Sie den Ultraschall-Entfernungsmesser in den Kamerahalter.

8. Schieben Sie das weibliche Ende der DuPont-Kabel auf den Entfernungsmesser.

9. Stecken Sie das männliche Ende der DuPont-Drähte auf Explorer pHATs 5 V, GND, Ausgang 1 auf Trigger, Eingang 1 auf Echo-Anschlüsse.

10. Schieben Sie die Kamera zurück in das Gehäuse.

11. Fügen Sie die letzten vier Abstandshalter auf dem Raspberry Pi Zero hinzu

12. Schieben Sie das Oberteil über die beiden Kamerahalterungen und schrauben Sie die letzten 4 M2,5 Schrauben aus dem oberen Abschnitt in die Standbeine

13. Sichern Sie den Akku mit einem Klettband.

14. Schieben Sie die 4 Räder auf die Enden der Motoren. Die Motorachsen sind D-förmig, stellen Sie sicher, dass die Ausrichtung der Achse mit dem Rad übereinstimmt, bevor Sie fest aufschieben.

Vorbereitung des Raspberry Pi

Der Raspberry Pi benötigt ein geeignetes Betriebssystem, um den Python-Code auszuführen, um die Motoren zu steuern und optional Bilder aufzunehmen. Als die Raspberry Pi-Kamera zum ersten Mal auf den Markt kam, wurde eine Softwarebibliothek namens PiCamera bereitgestellt, um das Aufnehmen von Standbildern und Videos zu vereinfachen. Mit der neuesten Version von Raspberry Pi OS „Bullseye“ wurde diese alte Bibliothek durch eine Bibliothek namens LibCamera ersetzt, die nicht abwärtskompatibel mit PiCamera ist. In der 32-Bit-Version von Bullseye können Sie eine Legacy-Kameraoption aus raspi-config auswählen, diese Option ist jedoch in der 64-Bit-Version nicht verfügbar.

1. Verwenden Sie das offizielle Raspberry Pi Imager-Tool, Flashen Sie das neueste 32-Bit-Betriebssystem auf eine Micro-SD-Karte. Wir verwenden die 32-Bit-Version von Raspberry Pi OS, da die PiCamera-Bibliothek derzeit nicht mit der 64-Bit-Version von Raspberry Pi OS kompatibel ist.

2. Stecken Sie die Micro-SD-Karte in den SD-Kartenleser-Steckplatz Ihres Computers.

3. Wählen Sie die Micro-SD-Karte aus aus dem Speichermenü des Raspberry Pi Imager.

4. Klicken Sie auf die Schaltfläche Erweitert (Zahnrad) und fügen Sie Ihre WLAN-SSID und Passwortdetails hinzu, damit der Raspberry Pi automatisch eine Verbindung zum WLAN herstellen kann.

5. Klicken Sie auf SSH aktivieren und erstellen Sie einen Benutzernamen und ein Passwort. SSH ermöglicht eine Remote-Verbindung zum Raspberry Pi über ein Terminal, ohne dass ein Monitor, eine Tastatur oder eine Maus erforderlich sind.

6. Klicken Sie auf Schreiben, um mit dem Flashen des Images auf die Micro-SD-Karte zu beginnen.

7. Legen Sie die Micro-SD-Karte in den Raspberry Pi ein und schalten Sie dann den Raspberry Pi über die Powerbank ein.

Verbinden mit dem Pi

1. Finden Sie die IP-Adresse Ihres Raspberry Pi heraus – Sie können dies normalerweise von Ihrem Router aus tun (oder wo immer Ihr Router seine IP-Adressen erhält, oder indem Sie Folgendes eingeben:

ssh [email protected]

– wobei „pi“ der Benutzername ist, den Sie zuvor in Schritt 5 oben erstellt haben.

2. Terminal starten – Wenn Sie Windows verwenden, müssen Sie eine Terminalsoftware wie Putty verwenden (https://www.putty.org). Mac- und Linux-Computer verfügen über ein integriertes Terminal.

3. SSH zum Raspberry Pi – Geben Sie `ssh [email protected]>` in das Terminal ein, um sich mit dem Pi zu verbinden. Linux / Mac-Benutzer können Folgendes verwenden, um SSH in den Pi einzubinden. Wenn Sie die IP-Adresse kennen, geben Sie auch `[email protected]` ein, wobei die IP-Adresse des Raspberry Pi ist.

ssh [email protected]

Vom Raspberry Pi-Terminal aus klonen Sie das Explora-Software-Repository. Die Software befindet sich auf Github, und wir können den Befehl git clone verwenden, um die neueste Version auf unseren Raspberry Pi herunterzuladen:

git clone https://www.github.com/kevinmcaleer/explora

4. Installieren Sie die Explorer-Bibliothek über das Online-Installationsskript von Pimoroni.

curl https://get.pimoroni.com/explorerhat | bash

4. Vom Raspberry Pi-Terminal, klonen Sie das Explora-Software-Repository. Die Software befindet sich auf Github, und wir können den Befehl git clone verwenden, um die neueste Version auf unseren Raspberry Pi herunterzuladen:

curl https://get.pimoroni.com/explorerhat | bash

Sie sollten jetzt einen vollständig zusammengebauten Explora-Roboter auf Ihrem Schreibtisch haben, der bereit ist, Ihr erstes Explora-Python-Programm zu erhalten. Sie können die Möglichkeiten von Explora erweitern, indem Sie einen LIDAR-Laserscanner und eine Raspberry Pi-Kamera wie die im Bild unten gezeigten hinzufügen.

Als nächstes erstellen wir einige Programme für Explora in Python, um den Roboter herumzubewegen und Objekte zu erkennen.