Nadszedł czas na kolejny przepis na robota. Tym razem zbudujemy robota kategorii Minisumo, którego zadaniem będzie walka z innym robotem na okrągłym ringu, zwanym dohyo. Żeby pójść o krok dalej od poprzedniego kursu, płytkę wykonamy metodą termotransferu i użyjemy gotowych, dedykowanych dla robotów części. Oprócz czujników linii, wykorzystamy także dalmierze optyczne, które z powodzeniem można później wykorzystać w innych konstrukcjach, gdzie będą pełnić funkcję wykrywania obiektów w zasięgu "wzroku" urządzenia. Chciałbym w tym miejscu podziękować za wszystkie maile, słowa wsparcia i krytyki, związane z wcześniejszymi artykułami - starałem się wziąć Wasze uwagi do serca i mam nadzieję, że budowa kolejnego robota przysporzy Wam jeszcze mniej problemów, dając jednocześnie w zamian dużo więcej satysfakcji. Część I - Wstęp i wykonanie PCB Część II - Lutowanie i montaż Część III - Uruchomienie i programowanie Krótki film, pokazujący sposób działania robota: Dla tych, którzy siadają do budowy robota po raz pierwszy, krótka uwaga: niniejszy artykuł nie jest kursem podstaw elektroniki! Postaram się wytłumaczyć wszystko najprościej, jak się da, ale nie liczcie na pomoc w przypadku, gdy nie będziecie mieli choćby bladego pojęcia o tym, co robicie. Pomijając fakt, że jest to niebezpieczne ("wybuchające" elektrolity, zagrożenie pożarowe), to wątpię, żeby kogokolwiek było stać na bezmyślne niszczenie podzespołów. Jeśli koniecznie chcecie zbudować tego robota, ale nie posiadacie gruntownej wiedzy, to mogę polecić np. książkę pana Piotra Góreckiego "Wyprawy w świat elektroniki" - jest przystępnie napisana i dosyć cienka, na początek powinna wystarczyć. Inną wartą polecenia książką jest "Elektronika dla bystrzaków", której to recenzję możecie znaleźć na Forbocie. Oprócz tego, warto jest mieć minimalne doświadczenie w lutowaniu układów i obsłudze prostych narzędzi. Jak sugeruje tytuł, przydatna okaże się także umiejętność programowania - ale o tym napiszę na końcu. Życzę miłej lektury! Część I - Wstęp i wykonanie PCB Część II - Lutowanie i montaż Część III - Uruchomienie i programowanie Poniższe zdjęcia przedstawiają gotowego robota: Minisumo - o co w tym chodzi? Większość z Was zapewne słyszała już o organizowanych co jakiś czas w Polsce zawodach robotów. Być może widzieliście też zmagania w różnych konkurencjach na własne oczy, albo czytaliście o nich na Forbocie. Ponieważ jednak nie każdy do końca orientuje się czym właściwie jest "Minisumo", oto kilka słów wyjaśnienia. Roboty kategorii Minisumo to w pełni autonomiczne jednostki o wymiarach podstawy nieprzekraczających 10×10 cm (wysokość jest dowolna) i wadze do 500g. Walka rozgrywana jest na specjalnym, okrągłym ringu, którego wygląd i wymiary (w cm) przedstawia poniższy rysunek: Roboty ustawiane są na nim wg szczegółowo określonych w regulaminie wytycznych. Po znaku sędziego operatorzy/konstruktorzy robotów uruchamiają je i następuje 5-sekundowe odliczanie*. W tym czasie roboty muszą stać nieruchomo, a wyznaczony obszar dookoła ringu musi zostać opuszczony - chodzi o niezakłócanie czujników robotów przez osoby znajdujące się w ich zasięgu. * obecnie pojawia się tendencja do stosowania specjalnych, bezprzewodowych "startujących" modułów, obsługiwanych przez sędziego - start następuje zdalnie, przez co znika ryzyko falstartów i roboty mają równe szanse Po upłynięciu 5 sekund zaczyna się walka, która trwa do momentu zdobycia przez robota punktu, lub upłynięcia określonego czasu. Poprzez zdobycie punktu rozumie się - ogólnie mówiąc - wypchnięcie przeciwnika poza ring. Rozgrywane są 3 walki, a wygrywa oczywiście robot, który zdobędzie najwięcej punktów. W przypadku remisów, falstartów, ew. nietypowych zdarzeń, zazwyczaj organizuje się dogrywki lub powtarza walkę. Przed przystąpieniem do pracy, polecam zajrzeć do naszego Forbotowego katalogu robotów - zwłaszcza działu Minisumo. Znajdziecie tam przykłady gotowych konstrukcji, niejednokrotnie ze wskazówkami i wartościowymi radami dla konstruktorów. Lista zakupów 1. Elektronika - laminat jednostronny (wymiary min. 100x100 mm) - tzw. wytrawiacz, B327 - topnik w płynie, np. RF800 - mikrokontroler Atmega8 + podstawka - 2x podwójne mostki H L293DNE + podstawki - 2x transoptory odbiciowe CNY70 do wykrywania linii - 1x dalmierz optyczny SHARP GP2Y0A41SK0F (dla lepszych efektów można wykorzystać dwa - w robocie przewidziałem miejsce na dodatkowy) - stabilizator LDO LM1117 na 5V - 3x kondensatory elektrolityczne 100uF - 3x kondensator elektrolityczny 47uF - 10x kondensatory ceramiczne 100nF - 2x rezystory 10k - 1x rezystor 20k (może być też 10k) - 2x rezystory 230R - nie musi być dokładnie tyle, ważny jest zakres 200 - 260R - 2x rezystor 1k - 2x diody LED 3mm w dowolnych kolorach - 1x dławik 10uH - najlepiej taki wyglądający jak "rezystor" - rezonator kwarcowy 8MHz - akumulator Li-Pol 2S (7,4V), polecam od razu zaopatrzyć się w odpowiednią ładowarkę; jeśli to dla kogoś zbyt duża inwestycja, to można zakupić koszyki na 6 baterii-paluszków i akumulatory NiMH/baterie AA, ale będzie musiał to "upchnąć" w robocie na własną rękę 🙂Więcej o Li-Po można się dowiedzieć z artykułu użytkownika KD93. Artykuł powstał przy współpracy ze sklepem Botland.com.pl, dzięki czemu - specjalnie dla Forbotowiczów - w ich ofercie pojawił się zestaw niezbędnych elementów w postaci kit'u w promocyjnej cenie. 2. Podstawowe narzędzia - lutownica/stacja lutownicza - cyna - im cieńsza, tym lepsza, gdyż będzie trochę precyzyjnej pracy - programator AVR ISP - polecam wpisać "STK500v2" na Allegro, zwróćcie uwagę na zabezpieczenia nadprądowe portu USB (bezpieczniki polimerowe) - piła z zestawem pilników - tzw. miniszlifierka z cienkimi wiertłami - może też zastąpić wymienioną wyżej piłę i pilniki specjalnymi akcesoriami - śrubokręty, kombinerki - dobre nożyczki lub cążki boczne - odsysacz do cyny, polecam OD-25 - przydatny, zwłaszcza przy uruchamianiu, może się okazać zasilacz laboratoryjny z napięciem rzędu 7V i prądem ok. 3A. - osobom nie tnącym dramatycznie kosztów polecam taki zestaw narzędzi serwisowych do płytek drukowanych - nie jest niezbędny, ale wygodny i sam często z niego korzystam Wszystkie narzędzia można nabyć również w Botlandzie - kategoria narzędzia. 3. Mechanika i układ napędowy W przypadku napędu sprawa nie jest oczywista. Jest to jeden z podzespołów, które najbardziej wpływają na końcowy koszt budowy robota, więc warto rozpatrywać opcje indywidualnie, zgodnie z zasobami portfela. Optymalną pod względem kosztów i łatwości montażu, jest opcja przerabiania serw modelarskich. Można o tym przeczytać np. w tym artykule. Jeśli ktoś chce gotowy napęd w podobnej cenie, to może się pokusić np. silniki Solarbotics i dopasowane koła, albo - podobnie jak ja - może wybrać nieco lepszy napęd: popularne mikrosilniki Pololu z mocowaniem i pasującymi kołami. Warto podczas lutowania przewodów do silników, przylutować od razu kondensator 100nF, podobnie jak to widać na zdjęciu: Schemat elektroniczny i zasilanie Jak widać na schemacie, dwa podwójne mostki H (L293D) zostały podłączone w taki sposób, że dwa kanały (z każdego z nich) zasilają jeden silnik. Ma to na celu zwiększenie niemal dwukrotnie maksymalnej obciążalności prądowej układu, przez co umożliwienie zasilania mocniejszych silników. W praktyce bardziej "elegancko" byłoby zastosować po prostu mostek H wytrzymujący większe prądy, ale spośród tanich i popularnych mostków do montażu przewlekanego, wybór ogranicza się w zasadzie do L298, który wymaga stosowania dodatkowych diod Schottky'ego i jest w nietypowej obudowie Multiwatt15, która np. utrudnia montaż na płytce uniwersalnej. Dodatkowo, jeśli ktoś budował wcześniej Linefollower'a z mojego poprzedniego artykułu, to zaopatrzył się w L293, więc może wykorzystać podzespoły ze starej konstrukcji. Istotną nowością, względem przepisu na Linefollowera, jest stabilizator LDO (low-dropout), który poprawi stabilność pracy mikrokontrolera oraz odczytów z czujników. Niestety, wymagane jest przez to zasilanie napięciem co najmniej 6,5V, czyli konieczne jest zastosowanie większej ilości akumulatorów/baterii AA. Ze względu na wymiary robota, zdecydowanie polecam zakup akumulatora litowo-polimerowego (LiPo), wraz z odpowiednią ładowarką. Wbrew pozorom, nie jest to dużo droższe rozwiązanie, a taki akumulator na pewno w przyszłości nie raz się przyda. Należy się jednak mała przestroga - nigdy nie zwierajcie "+" i "-" takiego akumulatora! Z resztą żadnego nie należy tak traktować. LiPo jednak ma to do siebie, że niemal natychmiast spuchnie i mocno się nagrzeje. Należy także monitorować napięcie ogniw, gdyż nie powinno ono spadać poniżej ok. 3V. Więcej o akumulatorach litowo-polimerowych można się dowiedzieć z artykułu użytkownika KD93. Warto również zajrzeć do artykułu o metodach pomiaru stanu baterii w robocie mobilnym. "Niskobudżetowcy" mogą oczywiście skorzystać ze starego sposobu, z poprzedniego artykułu - czyli koszyk z bateriami/akumulatorami AA. Potrzeba 6 sztuk, więc musicie to jakoś zamontować w robocie na własną rękę, np. warstwami po 3. Płytka drukowana - wykonanie Na podstawie opisanego wyżej schematu, przygotowałem projekt płytki drukowanej, dopasowanej wymiarami do założeń kategorii Minisumo. Osobom, które trawiły już wcześniej PCB, ten punkt może się wydać mało interesujący - nie ma w nim zbyt wielu odkrywczych rzeczy, ale postanowiłem rozpisać go bardziej szczegółowo, żeby niezbędne informacje były w jednym miejscu, a nie rozsypane po forum. Z góry zaznaczam, że na 20 Forbotowiczów jest pewnie 40 instrukcji wykonywania PCB, więc przedstawiam jedynie mój sposób, który stosuję od lat i który nigdy jeszcze mnie nie zawiódł. Jeśli nigdy wcześniej nie miałeś, drogi Czytelniku, do czynienia z wytrawiaczem i laminatem, sugeruję w miarę możliwości ściśle "trzymać się" podanych tu wskazówek. Przygotowanie projektu PCB Płytka (podobnie jak schemat) zostały przygotowane w programie Cadsoft Eagle. Dla niewtajemniczonych - polecam kurs obsługi Eagle mojego autorstwa. Pliki projektu *.sch, *.pcb, można pobrać z załącznika na dole. Dla leniwych - wersja *.pdf gotowa do wydruku. 1. Widok gotowej płytki - kolor niebieski to spód laminatu, czyli strona pokryta miedzią, a czerwony to góra laminatu. 2. Wyłączone wszystkie warstwy, poza Bottom, Pads i Vias. 3. Zmienione ustawienia tła - taki obrazek jest gotowy do wyeksportowania do pliku graficznego lub od razu do wydrukowania. 4. Wersja dla leniwych, czyli gotowy PDF z dwiema płytkami (jedna zapasowa, gdyby coś nam nie wyszło za pierwszym razem) jest dostępna w załączniku do artykułu. Obraz PCB należy wydrukować na papierze kredowym o gramaturze 150, przy pomocy drukarki laserowej (!). Papier kredowy można dostać w większości sklepów papierniczych, kluczowym parametrem jest wspomniana gramatura - każdy ma swoją wypróbowaną wartość. Z mojej strony powiem tylko, że testowałem jedynie 120, 150 i 170, przy czym wydaje mi się, że przy 150 płytki wychodziły mi najlepiej, ale to czysto subiektywne odczucie. Jeśli nie masz w domu drukarki laserowej, to może Cię uratować punkt drukowania (często można spotkać takie niedaleko uczelni) lub po prostu punkt ksero - wówczas należy obraz wydrukować na dowolnej dostępnej drukarce, a następnie w punkcie ksero skserować ten wydruk na papierze kredowym, przy skalowaniu 100%. Nie wszędzie operatorzy sprzętu się zgodzą na papier kredowy, ale nie należy się zniechęcać - w końcu się uda kogoś namówić🙂 Przygotowania do trawienia Zakładając, że posiadamy już wydruk projektu PCB, musimy przystąpić do przygotowania laminatu. Projekt PCB przewiduje wykorzystanie kawałka o szerokości i długości równej 10cm. Ja postanowiłem skrócić przód robota, dlatego mój laminat ma wymiary 9 x 10 cm (wydruk też trochę przyciąłem). 1. Zaznaczamy na naszym kawałku laminatu linię cięcia przy pomocy np. pisaka. 2. Tniemy laminat wzdłuż zaznaczonej linii - ja użyłem do tego celu klasycznej piły. Brzegi płytki oczyszczamy z zadziorów przy pomocy pilnika, a samą powierzchnię szorujemy drobnym papierem ściernym lub mleczkiem CIF. Ja korzystam z tzw. czyścików do złączek miedzianych - dostałem całą paczkę w sklepie Leroy Merlin i polecam każdemu. Upewniamy się, że miedź jest idealnie gładka, nie ma żadnych ciemniejszych plam - zwłaszcza takich po odciskach palców. 3. Czyścimy płytkę szmatką namoczoną w acetonie, przecieramy ją dokładnie i od tego momentu staramy się unikać dotykania powierzchni miedzi. W międzyczasie docinamy wydruk na papierze kredowym tak, żeby był trochę mniejszy od wyciętego laminatu. 4. Ze zwykłej kartki, wykonujemy prostą "kopertę" - jak na zdjęciu. Układamy laminat i wydruk w tej kopercie, dokładnie wyrównując je ze sobą. Toner drukarki z wydruku powinien stykać się bezpośrednio z miedzią. 5. Ustawiamy żelazko na nieco ponad 2 kropki. 6. Starannie prasujemy laminat w kopercie (wydruk powinien być na górze), dociskając mocno żelazko. Każdy milimetr PCB musi mieć kontakt z żelazkiem, inaczej toner nie przeniesie się cały na powierzchnię laminatu i będziemy musieli wszystkie czynności powtarzać. 7. Po wyjęciu z koperty, laminat powinien wyglądać jak na zdjęciu. Widać, że papier kredowy stał się trochę prześwitujący, da się też zauważyć, że dosyć mocno przywarł do miedzi. 8. Nalewamy do dowolnego naczynia gorącej wody z dużą ilością detergentu, czekamy aż płytka ostygnie po prasowaniu i zanurzamy ją w wodzie na ok. 15 minut. Papier powinien pod odmoczeniu sam odejść, ale nie zawsze tak się dzieje. 9. Po wyjęciu z wody i delikatnym usunięciu luźnej warstwy papieru, zaczynamy pod kranem trzeć kciukiem "białe" fragmenty - nie należy się przejmować, jeśli np. nie da się usunąć papieru spomiędzy rozmieszczonych bardzo blisko siebie ścieżek. 10. Gdy płytka wyschnie, przyglądamy się jej bardzo dokładnie - najlepiej pod lupą. Jest to ostatni etap, kiedy w prosty i szybki sposób możemy wprowadzić poprawki na PCB. Zaopatrzeni w igłę lub "drapaki" do serwisowania, staramy się delikatnie wydrapać kredę spomiędzy ścieżek, powiększyć przestrzeń pomiędzy nimi oraz odsłonić otwory w padach na elementy elektroniczne. Następnie patrzymy, gdzie toner się odkleił i poprawiamy te miejsca pisakiem olejnym. 11. Efekt końcowy sprawdzania i "drapania" płytki PCB. 12. Białe plamy kredy na większych obszarach tonera w niczym nie przeszkadzają, a nawet pomagają zabezpieczając pory w tonerze przed dostępem środka trawiącego. Trawienie, cynowanie i wiercenie 1. Przygotowujemy odpowiednią "kąpiel" dla naszej płytki. W tym celu gotujemy wodę w czajniku, a następnie odmierzamy jej ilość zgodnie z instrukcją podaną na opakowaniu B327. Przelewamy ją pastikowego naczynia i czekamy, aż ostygnie do ok. 50 stopni Celsjusza. 2. Wsypujemy B327, stale mieszając plastikową łyżką lub innym obiektem - unikać zanurzania metalu w roztworze! 3. Gdy B327 całkowicie się rozpuści w wodzie, zanurzamy naszą płytkę z wprasowanym tonerem. 4. Proces trawienia może trwać kilkadziesiąt minut. Można go przyspieszyć często mieszając lub podgrzewając pojemnik z wytrawiaczem w tak zwanej łaźni wodnej (zanurzając pojemnik w większym pojemniku z gorącą wodą). Gdy zauważymy, że miedź zniknęła, wyciągamy płytkę i dokładnie opłukujemy ją pod kranem z zimną wodą. Uwaga - wytrawiacz, mimo groźnie brzmiącej nazwy, nie jest szczególnie niebezpieczny dla zdrowia. Może wywołać reakcję alergiczną u osób uczulonych, ale nie ma potrzeby panikować, jeśli przypadkowo zanurzymy w nim rękę lub się ochlapiemy - po prostu należy dokładnie umyć miejsce kontaktu z roztworem. Inaczej jest z ubraniami - jeśli się ochlapiemy i nawet nie zauważymy kropli, która spadła na nasz strój, to po kolejnych praniach mogą pojawić się "tajemnicze" otworki... Dlatego lepiej zmieniajcie ubranie na robocze, podczas trawienia. 5. Nalewamy acetonu do szklanego pojemnika (plastikowy może się rozpuścić) i zanurzamy w nim płytkę. Ewentualnie możemy zmywać toner przy pomocy pędzelka maczanego w tym acetonie. 6. Po całkowitym zmyciu tonera, proponuję raz jeszcze wypolerować miedz czyścikiem lub drobnym papierem ściernym, a następnie jeszcze raz przemyć ją acetonem - cyna będzie się łatwiej z nią łączyć. 7. Jedne osoby wiercą otwory przed cynowaniem, inne po, a jeszcze inne w ogóle przed trawieniem - ja należę do pierwszej grupy. Używamy jak najcieńszego wiertła i w zależności od potrzeb rozwiercamy, dopasowując średnicę do wkładanego podczas montażu elementu. 8. Mi niestety skończyły się wiertła cienkie i musiałem poradzić sobie z nieco za grubym.... 9. Po skończonym wierceniu i wyczyszczeniu płytki z pyłu (np. przedmuchaniu sprężonym powietrzem), przystępujemy do cynowania miedzi. Rozlewamy cienką warstwę topnika, przykładamy rozgrzaną lutownicę, a w miejsce styku lutownicy z miedzią - cynę. Powinna dość szybko "chwycić" i rozlać się po okolicznych ścieżkach i polach. 10. Efekt końcowy cynowania. PCB jest gotowe do montażu. Najbardziej czasochłonny etap za nami. Pozostaje tylko sprawdzić z lupą i miernikiem ustawionym na testowanie ciągłości obwodu (tzw. bzyczek) czy pomiędzy naszymi ścieżkami nie pojawiło się zwarcie oraz czy połączenia są zgodne z projektem PCB na komputerze. Im dokładniej to sprawdzimy, tym mniej problemów będziemy mieli przy uruchamianiu robota. W przypadku zwarć, można je usunąć ostrą igłą/"drapką" serwisową, ew. cienką tarczą dremela. Przerwy w obwodzie naprawia się przy pomocy cienkich przewodów - wystarczy jeden koniec przylutować przed, a drugi za ubytkiem w ścieżce. Kolejny odcinek będzie poświęcony montażowi elementów na płytce PCB - już za tydzień! Do tego czasu, zapraszam wszystkich do dyskusji na temat przedstawionych powyżej zagadnień, jak np. sposoby wykonywania PCB. Oprócz tego, można oczywiście zadawać pytania, jeśli coś jest niejasne. Postaram się poprawiać to i owo, jeśli zajdzie taka potrzeba, a najczęsciej powtarzające się pytania zawrę w ostatniej części artykułu, czyli FAQ. Jeśli chcecie wiedzieć, w jaki sposób powstaje schemat i projekt płytki drukowanej, to zapraszam do mojego kursu obsługi programu CadSoft Eagle. Jeśli natomiast uważacie, że budowa tego robota jest dla Was na razie zatrudna, to polecam "Od żółtodzioba do pierwszego robota" albo nieco trudniejszy "Przepis na robota - w pełni programowalny linefollower". EAGLE-minisumo.zip PCB-minisumo.pdf