3D tisk + Arduino = (nejen) robotika zajímavě a levně

Máte pocit, že vám poslední dobou všichni výrobci nabízí nějaké ty robotické sety a stavebnice? Odrazují vás jejich vysoké ceny? Máte zájem o roboty, konstruování, programování, ale také třeba o přírodovědná měření? Chybí vám u komerční stavebnice nějaké čidlo či motor? Zahálí vám na škole 3D tiskárna a přemýšlíte, jak ji náležitě vytížit? Zkuste to s malou destičkou Arduino, o které jsme již na stránkách e-Molu psali vícekrát. Věřím, že až zjistíte, jak může být klasická „robotická“ problematika najednou široká, oblíbíte si Arduino stejně jako my. S Arduinem ale bývá problém „na začátku“, kde by to chtělo něco jednoduchého, něco, co by na první pohled zaujalo a ještě k tomu aby to zvládnuli i mladší žáci. S čím tedy začít? Co si třeba postavit jednoduchého jezdicího robota z 3D tištěných dílků open source stavebnicového systému m-BITBEAM a využít Arduino právě k jeho „rozhýbání“?

1. Požadavky na robota

Naše požadavky na robota budou ryze praktické, a to hned z několika pohledů.

1.1 První pohled: přípravný

První pohled je, řekněme, přípravný (časový, materiální a prostorový). Potřebujeme začít tak, abychom 3D tiskem BITBEAM dílků netrávili příliš mnoho času a abychom při tom nespotřebovali veškerý 3D tiskový materiál, který ve škole máme. Z toho nám vychází, že konstrukce musí být co nejjednodušší a co nejmenší. Konstrukci, kterou použijeme, navrhl „protřelý robotik“ Matouš Pokorný a je skutečně minimalistická. Robota jsme nazvali Ferretbot (ferret = fretka). Výhodou malého počtu dílků je i to, že se všechny dílky potřebné ke stavbě jednoho robota vejdou na jednu tiskovou plochu. Celá sada se tedy dá vytisknout najednou.

1.2 Druhý pohled: funkční

Druhý pohled je takříkajíc „funkční“. Co se s naším robotem dá dělat? Jaké úkoly a problémy mohou žáci s „Fretkou“ řešit? Zde jsme se snažili připravit náměty, které budou zasahovat do různých oblastí. První věc, která se dá s robotem realizovat, je jízda. Můžeme s robotem jednoduše „jezdit“. Druhá schopnost robota, kterou může získat, je sledování čáry. Než se ale k tomuto úkolu dostaneme, je dobré využít „čidlo pro sledování čáry“ k jiným „hrátkám“ (hledání min, hledání výnosného naleziště, hledání vodního zdroje apod.). Třetí možností je využití čidla pro sledování čáry trochu jiným způsobem, a to v duchu článku Školní měřicí systémy a jejich další rozměr ve výuce, tedy k nějakému exaktnějšímu měření, které bude provázáno např. s přírodními vědami. Co to může být? Tak např. měření vzdálenosti od zdi a vykreslování grafu (dalším úkolem zde pak může být nakreslení určité křivky pohybem čidla), zjištění rychlosti, jakou se pohybuje hlemýžď, identifikace různých povrchů a materiálů atd. Možností je celá řada. Zcela zásadní je vědět, jak čidlo funguje, co vlastně „měří“, jaká má omezení a jaká data nám poskytuje. Ale k tomu se dostaneme později. Ohledně funkčnosti je podstatné také to, že Fretka je z univerzální stavebnice m-BITBEAM. Není tedy problém přestavět Fretku na něco jiného. To se může hodit třeba pro zmiňovaná „měření“. Jako pro učitele je pro nás Fretka dobrým „odrazovým můstkem“ k složitějším konstrukcím – máme základ, dotiskneme další dílky, dokoupíme levná čidla a Fretku rozšíříme, nebo zkonstruujeme něco úplně jiného.

1.3 Třetí pohled: finanční

Naše „požadavky“ uzavřeme třetím pohledem, který je čistě finanční.  Díky nízkým cenám Arduina a dalších komponent Fretky je nejdražší součástí Li-ion článek (baterie). Ukázalo se, že nezamýšlený bonus přináší použití klasické „power banky“ k napájení robota. Po obědě už bývají žákovské telefony často vybité, takže proč si nevzít na pomoc Fretku… Hotový robot je vidět na obrázcích 1 , 2 a 3 .

2. 3D tisk dílků

Dílky k 3D tisku nalezneme v sekci 3D modely nebo v našem repozitáři na GitHubu (zde je více variant dílků). Dílky stavebnice m-BITBEAM tiskneme především z PLA (polylactic acid = kyselina polymléčná, více o materiálech najdete v e-Molu č. 3–4), takže i vám doporučujeme použít tento materiál. Samozřejmě můžete dílky vytisknout i z materiálů jako PETG, ABS, ASA, Nylon (PA) a dalších. Proč používáme zrovna PLA? Dobře se z něj tiskne, výtisky jsou pevné (to je důležité při spojování dílků pomocí šroubků), PLA je levné a je dostupné v mnoha barevných variantách. V případě použití PLA musíme mít na paměti pouze to, že bychom se při skladování a používání Fretky měli držet nejlépe pod 50 °C, což ale nebývá problém. Materiál PLA totiž začne měnit své mechanické vlastnosti již kolem 60 °C (tzv. teplota skelného přechodu) a může dojít k deformaci dílků (postavit si za horkého letního dne Fretku na černou palubní desku v automobilu není nejlepší nápad).
Dílky tiskneme univerzální tryskou o průměru 0,4 mm. Nastavení parametrů sliceru pro přípravu tiskových dat k tisku na tiskárně Molestock S je určitým kompromisem mezi kvalitou a rychlostí tisku: výška vrstvy 0,2 mm (pokud potřebujete tisk urychlit, použijte 0,3 mm), lineární výplň 50 %, rychlost tisku 60–80 mm/s (obr. 4a). Celková doba tisku jedné sady se u nás za těchto podmínek pohybuje mezi 2,5–3,5 h. Pokud máte jednu tiskárnu, zvládnou si žáci sadu vytisknout 3× za den. Cena vytištění jedné sady vychází asi na 23 Kč (bez započtení energie a amortizace 3D tiskárny). Postup přípravy dílků a výsledný mix barev jsou vidět na obrázcích 4b , 5 a 6.

Kompletní seznam potřebných 3D tištěných dílů, včetně jejich náhledů, je součástí pracovních listů.

3. Dílky, které nevytiskneme

Začneme mechanickou částí. Ke spojování vytištěných dílů použijeme šroubky a matičky M4. Ideální jsou imbusové šrouby s nízkou válcovou hlavou (DIN 7984). V případě, že nejsou k dispozici, poslouží dobře i „klasické“ imbusové šrouby (DIN 912). Podle typu hlavy bude potřeba odpovídající imbusový klíč, tedy 2,5 mm, nebo 3 mm. K přišroubování malého kontinuálního servomotoru do vytištěného držáku budeme potřebovat ještě křížový šroubovák PH1. Ten samý šroubovák použijeme k přišroubování kola k osičce servomotoru (tři malé šroubky do plastu jsou součástí balení serva). Teoreticky bychom ještě mohli potřebovat klíč na šestihrannou matičku M4 (klíč 7, DIN 895), většinou si ale vystačíme s přidržením matičky prsty nebo si můžeme malý klíč vytisknout. Z elektroniky potřebujeme čidlo pro sledování čáry, Arduino NANO (osvědčil se nám klon od RobotDYN), dvě malá kontinuální serva (obr. 8), propojovací vodiče, powerbanku s jedním článkem 18650 jako napájecí zdroj a krátký USB-micro kablík (stačí 15 cm). Přehledný seznam netisknutých dílů a pomůcek (obr. 9) naleznete v následující tabulce:

Upozornění: Vzhledem k variabilitě čínské výroby je možné, že vámi zakoupené díly nemusí přesně sedět do našich 3D modelů krabiček a krabičky a držáky budete muset lehce upravit. I to je ale velice dobrá zkušenost a můžete jí ve výuce náležitě využít!

Díky naší spolupráci s Laskarduino.cz si můžete zakoupit sadu za zvýhodněnou cenu.

Výhodou Arduino NANO od RobotDYN je fakt, že má výrazně posílenou napájecí část, a tak je schopno bez přehřívání napájet i více malých servomotorů. Každá napájecí větev (5 V a 3,3 V) má svůj vlastní „robustní“ regulátor (obr. 7). Další výhodou tohoto klonu Arduina je přítomnost USB-micro konektoru namísto USB-mini konektoru. Tím pádem můžeme používat běžně dostupné kabely. Současně můžeme stejný kabel použít jak k napájení Arduina, tak k nabíjení našeho napájecího zdroje (powerbanky). Arduino NANO je dobré zakoupit ve variantě bez připájených konektorů (hřebínků), protože konektroy potřebujeme orientovat jiným směrem než je obvyklé a to směrem „nahoru“ (viz obr. 7). Pájení konektorů „ke svému Arduinu“ je činnost, která žáky nejen zaujme, ale také je velmi baví.

3.1 Jak funguje čidlo pro sledování čáry

Použité infračervené čidlo (často označované přímo jako čidlo pro sledování čáry, schéma zapojení) je založené na senzoru TCRT5000 (obr. 11 a 12). Ten obsahuje dva prvky. První je vysílač a druhý přijímač. Jak to funguje? Vysílač (IR LED) vysílá infračervený paprsek (jeho vlnová délka je 950 nm). Pokud je v jeho cestě nějaká překážka, paprsek se odrazí a doputuje zpět na přijímač, což je fototranzistor (jeho součástí je i filtr denního světla, proto se z přítomných dvou elementů jeví jako ten tmavší). Odražené světlo dopadá na bázi fotortanzistoru a tím otevírá průchod proudu mezi kolektorem a emitorem. Na fototranzistor navazuje jednoduchý elektrický obvod s komparátorem (LM393, obr. 10), který zachycený signál porovnává s napětím definovaným odporovým trimrem (kroutíkem). Čidlo sledování čáry má dva výstupy - analogový a binární (digitální). Podívejme se nejdříve na binární výstup. Analogové napětí na výstupu je nepřímo úměrné intenzitě světla dopadajícího na fototranzistor. Pokud je intenzita odraženého světla vysoká tak, že napětí poklesne pod práh nastavený odporovým trimrem, binární výstup se „překlopí“ do napěťové úrovně reprezentující logickou hodnotu 0. Jakmile intenzita odraženého světla poklesne, budeme mít na výstupu napěťovou úroveň reprezentující logickou hodnotu 1. Při správném nastavení tak bude na výstupu nad bílým papírem logická 1 (5V) a při poloze nad černou plochou logická 0 (0 V). Binární výstup je tedy invertovaný (obrácená logika). UPOZORNĚNÍ: Můžete se setkat i s takovými moduly čidla sledování čáry, kde je zapojení opačné (výstup není invertovaný). Protože bílý papír odráží paprsek více než např. černá čára vytištěná na laserové tiskárně, můžeme čidlo použít pro detekci čáry a tím pádem i k jejímu sledování. Potenciometr musíme nastavit tak, aby na bílém papíře byla na výstupu D0 hodnota 1 a na černé čáře hodnota 0 (na modulu se rozsvítí indikační LED). Binární výstup může žákům dobře posloužit k úvodnímu jednoduchému sledování čáry. Naše čidlo ovšem obsahuje i druhý, analogový, výstup, kde dostaneme signál spojitý. Zde se hodnota pohybuje plynule, teoreticky v rozmezí 0-5V. Pokud se budeme od papíru postupně vzdalovat, množství odraženého světla bude klesat a napětí bude růst. Analogový výstup z čidla tedy můžeme použít i k měření vzdálenosti od určitého materiálu (bílého papíru). Ale pozor, různé materiály odráží IR světlo různě, takže např. při pokusu s měřením vzdálenosti žáci zjistí, že je vždy nutná kalibrace na konkrétní materiál a že svoji roli hraje i barevnost. Pokud připravíme sadu různých druhů materiálů (dostatečně různě odrazivých pro IR světlo), můžeme čidlo použít k rozpoznání toho, o jaký materiál z naší sady se jedná. A samozřejmě při měření narazíme i na různé „záludnosti“. Když ale víme, na jakém principu čidlo funguje, máme větší šanci tyto problémy identifikovat a navrhnout jejich řešení. Vysvětlující schémata, různé náměty a úkoly najdete v našich pracovních listech.

4. Stavba Fretky

Stavba robota Fretky není náročná. Je zde ale několik kroků, které nejsou snadné pro nejmladší žáky (4 třída a níže). Abychom se vyznali v jednotlivých vývodech z Arduina uzavřeného v krabičce, vytiskneme si samolepku s popisem. Znamená to nejen vytisknout předpřipravenou šablonu (najdete ji v PDF formátu na stránce našich MoleBoxů) na samolepicí fólii, vystřihnout a přilepit na víčko krabičky, ale také vyříznout skalpelem tři otvory. Je třeba počítat s tím, že někteří žáci budou s vyřezáváním potřebovat pomoct (je vhodné vzít si nějakou tu náplast navíc :-)). Další problém je šroubování malých šroubků do plastu při kompletaci kompletu servo–držák–kolo. Šroubky jsou opravdu malé a je potřeba použít značnou sílu, kterou mladší žáci nemají. Přišroubování servomotorů a kol tak většinou dokončuje učitel. K dispozici jsou dvě varianty kol. My jsme použili častěji variantu, která se přišroubuje přímo na osičku serva. Hodně zde záleží na tom, zda na své tiskárně vytisknete otvor tisícihranu dostatečně přesně. Pokud se vám to nepodaří a kolo nepůjde nasadit, je třeba otvor lehce zvětšit (případně otvor šikovně nahřát a nasadit na servo v zahřátém stavu). Alternativně je možné použít kolo, které je se servem spojeno pomocí plastového unášecího dílu, který je součástí balení serva (varianta kola bb-wsn-53x1.stl). Uzavření Arduina a čidla do krabičky znamená pouze nacvaknout odpovídající „víčko“. Ukázka části stavebního návodu je na obr. 13 a 14. Po „hrubém“ sestavení je třeba ještě zapojení pomocí propojovacích kablíků (obr. 15b). Schéma zapojení je žákům k dispozici v rámci pracovních listů. Protože Adruino NANO nemá pro naše účely dostatek napájecích pinů, použili jsme pro jednoduchost jeden z digitálních výstupů pro napájení čidla. To si můžeme dovolit, protože samotné čidlo odebírá pouze 30 mA a uváděné maximum je 40 mA (u použitého čipu MEGA 328P). Před připojením k USB portu (napájecímu zdroji) doporučujeme zapojení každého robota pečlivě zkontrolovat (špatné zapojení by mohlo Arduino poškodit).

5. Programujeme

Než začneme programovat, bude potřeba nainstalovat pár věcí (Arduino IDE, ArduBlock, ovladač pro CH340 serial-usb konvertor). Pomoci nám zde mohou materiály k naší Výukové a experimentální Arduino sadě. Instalace a konfigurace je popsána na začátku výukových karet (PDF ke stáhnutí) na straně 2, viz obr. 16. Práce s vizuálním programovacím rozhraním ArduBlock je shrnuta na straně 3 (obr. 17). Ukázkový vizuální program pro sledování čáry je pak vidět na obr. 18.

Samozřejmě je možné programovat i čistě textově a ArduBlock nepoužívat. Jednoduché sledování čáry může vypadat třeba takto:

// ********* Ferretbot - Fretka *********
//     robot ze stavebnice m-BITBEAM 
//   https://www.e-mole.cz/diy/m-bitbeam 
// **************************************
//  Program pro sledování čáry pomocí
//  IR čidla sledování čáry (použitý 
//  digitální výstup čidla D0 - D7)
// **************************************

// zahrneme knihovnu Servo
#include <servo.h>

const int line_sensor_digital_pin = 7;
const int line_sensor_power_pin = 4; // čidlo napájíme z pinu D4

int line_sensor_state = 0;
int line_sensor_value = 0;

const int black = 0;  // definice konstanty pro „stav“ čidla nad černou čárou

const int left_wheel_pin = 5;  // kontrolní piny serv
const int right_wheel_pin = 11;

Servo left_wheel;
Servo right_wheel;

const int servo_stop = 1500;         //zastavení serva
const int servo_speed = 150;         //relativní rychlost
const int servo_brake_factor = 150;  //čím více se bude brzdit, tím menší oblouk bude robot dělat

const int r_fast_speed = servo_stop + servo_speed; // vyšší rychlost pravého kola
const int r_slow_speed = servo_stop + (servo_speed/servo_brake_factor);  // nižší rychlost pravého kola

const int l_fast_speed = servo_stop - servo_speed; // vyšší rychlost levého kola
const int l_slow_speed = servo_stop - (servo_speed/servo_brake_factor);  // nižší rychlost levého kola

void setup() {
  // nastavení, spustí se pouze jednou na začátku programu:
  
  pinMode(line_sensor_digital_pin, INPUT);
  
  left_wheel.attach(left_wheel_pin);  // připojíme levé kolo
  right_wheel.attach(right_wheel_pin);  // připojíme pravé kolo

  pinMode(line_sensor_power_pin, OUTPUT);  // nastavíme pin pro napájení čidla
  digitalWrite(line_sensor_power_pin, HIGH);  // začneme napájet čidlo
  
  left_wheel.writeMicroseconds(servo_stop);  // zastavíme kola...
  right_wheel.writeMicroseconds(servo_stop);

  delay(3000);  // ...počkáme 3s
}

void loop() {
  // hlavní kód, probíhá stále dokola:

  line_sensor_state = digitalRead(line_sensor_digital_pin); //  zjistíme hodnotu z čidla

  if (line_sensor_state == black)  //  pokud jsem nad černou čárou
  {
    left_wheel.writeMicroseconds(l_slow_speed); //  zatáčím doleva
    right_wheel.writeMicroseconds(r_fast_speed);
  }
  else                             //  pokud jsme nad bílou plochou papíru
  {
    left_wheel.writeMicroseconds(l_fast_speed); //  zatáčím doprava
    right_wheel.writeMicroseconds(r_slow_speed);     
  }
      
  delay(20);
}

V rámci pracovních listů je několik připravených zadání a ukázkové kódy demonstrující různý přístup k řešení jednotlivých úkolů. Zahrnuto je i využití naší „měřicí“ aplikace MoleGraph.

6. Možnosti rozšíření

Jeden z rozšiřujících úkolů, který se nabízí, je použití více čidel pro sledování čáry (obr. 19). Musíme však vyřešit problém s napájením (NANO nemá další 5V výstupy). Můžeme si tedy udělat malou napájecí „rozvodnici“, nebo ještě jednou použít trik s napájením z digitálního pinu (v takovém případě ale nesmíme překročit limit 200 mA na celé pouzdro procesoru). Celkem bezpečně můžeme použít tři čidla pro sledování čáry a zůstane nám ještě rezerva pro další rozšíření. Tím může být třeba ultrazvukový senzor vzdálenosti (HC-SR04 odebírá cca 20 mA, stojí 49 Kč) – obr. 20, nebo oblíbený, ale dražší laserový dálkoměr VL53l0X (odebírá cca 20 mA, stojí 228 Kč). Přidat bychom ještě mohli třeba piezobzučák (stojí 10 Kč) a mikrofon (zvukové čidlo, stojí 28 Kč) – obr. 21. Pak bychom mohli nejen zvuky vydávat, ale také na ně reagovat. Ale o těchto „čidlech“ zase někdy příště.

7. Závěr

Základní sestava, Arduino NANO + IR čidlo + kontinuální servomotory, doplněná 3D tištěnými m-BITBEAM dílky, může být dobrým startem pro další využívání Arduina a 3D tisku ve výuce. Malý m-BITBEAM robot Fretka může dobře posloužit v mnoha oblastech výuky, ať už se chceme zaměřit na konstruování, programování, elektroniku, nebo různá přírodovědná měření. Protože jde o stavebnici, a ne o jednoúčelovou pomůcku, můžeme s žáky Fretku snadno doplnit či přetvořit v něco úplně jiného.

Určitě vás zajímá, jaké jsou náklady na pořízení dílů na jednoho robota. Velkou výhodou je cena jedné Fretky, která vychází bez „baterie“ na 577 Kč (ceny jsou z odkazovaného e-shopu laskarduino.cz). Pokud k ceně přičteme jeden Li-Ion článek 18650 s kapacitou 2600 mAh, dostáváme se na 735 Kč. Se započtením šroubků, matiček, imbusového klíče, šroubováku a 3D tištěných dílů jsme na hranici 800 Kč. I po přidání řady dalších čidel a rozšiřujících modulů se budeme pohybovat stále pod magickou hranicí 1000 Kč. Díky naší spolupráci s Laskarduino.cz si ale můžete zakoupit sadu za zvýhodněnou cenu. V době vydání tohoto článku byla cena sady 588 Kč (resp. 776 Kč, cena včetně 3D tištěných dílků). V případě, že si zakoupíme díly přímo z Číny, např. přes Aliexpress, dostaneme se sice ještě na nižší ceny, ale musíme počítat s dlouhou dobou dodání (většinou kolem měsíce) a případně i s poněkud problematickými reklamacemi.

7.1 Pracovní listy

Protože si myslíme, že Fretka je skutečně výbornou výukovou pomůckou, připravili jsme již několikrát zmiňované pracovní listy. Ty obsahují nejen technické podrobnosti na různé úrovni (podle věku žáka), ale také řadu různých úkolů a námětů, včetně jejich řešení a ukázkových kódů. Bližší informace o tom, jak můžete pracovní listy časopisu e-Mole získat, se dozvíte v sekci Předplatné výukových zdrojů.

Autoři: Tomáš Feltl a Matouš Pokorný, 13. 4. 2019
Gymnázium Polička & Časopis e-Mole.cz, DataVision, s.r.o.