Was Sie brauchen, um Ihren eigenen autonomen Roboter zu bauen

Wollten Sie schon immer Ihren eigenen Roboter bauen? Es ist nicht so schwierig, wie Sie vielleicht denken, entweder mit einem Kit oder einer Reihe von elektronischen Standardkomponenten.

Die Haupthürde besteht darin, sich durch die verwirrende Anzahl von Optionen zu navigieren, die für den Bau eines Roboters mit Rädern verfügbar sind, einschließlich Mikrocontroller, Chassis, Motoren und Sensoren. Am einfachsten ist es, ein komplettes Roboter-Kit zu kaufen. Wenn Sie jedoch einen maßgeschneiderten Roboter erstellen möchten, führen wir Sie Schritt für Schritt durch die wichtigsten Auswahlmöglichkeiten.

1. Mikrocontroller / SBC

Ihr Roboter benötigt ein elektronisches „Gehirn“, um alle seine Funktionen, einschließlich der Bewegung, zu steuern. Zwei der beliebtesten Optionen sind der Raspberry Pi und Arduino.

Der Raspberry Pi ist ein Einplatinencomputer (SBC) mit einem Arm-Mikroprozessor, der ein vollständiges Linux-Betriebssystem ausführen kann. Der Hauptvorteil für den Roboterbau ist, dass es

leistungsstärker als ein Mikrocontroller wie ein Arduino, sodass Sie komplexere Programme ausführen können. Dies ist ideal für die Gesichtserkennung und andere Formen der KI, sodass Sie einen wirklich intelligenten Roboter erstellen können.

Ein weiterer Vorteil ist, dass Sie es in so ziemlich jeder Sprache programmieren können. Eine der beliebtesten für Robotik in Python, die für Programmieranfänger weniger abschreckend ist als C.

Ein Arduino hingegen ist ideal für einfachere Robotik-Projekte. Es ist in der Regel nicht nur kostengünstiger, sondern verbraucht auch weniger Strom, sodass es länger dauert, eine tragbare Powerbank oder einen Akku zu entladen.

Während es normalerweise in C mit der Arduino IDE auf einem Computer programmiert wird, ist es möglich, a grafische IDE namens Xod zur Steuerung von Arduino-Robotern.

Auch andere Mikrocontroller sind für die Robotik geeignet, darunter Teensy, BeagleBone, micro: bit und Raspberry Pi Pico.

2. Chassis

Für Ihren Roboter mit Rädern benötigen Sie ein Chassis, um seinen Körper zu formen, die Elektronik aufzunehmen und die Motoren (mit Halterungen) zu montieren.

Es gibt zahlreiche Chassis-Kits erhältlich, in verschiedenen Größen und Materialien, typischerweise für zwei- oder vierrädrige Roboter – manchmal sechs Räder. Die meisten sind einfache Plattformen für die Montage der Elektronik und der Motoren; teurere Optionen können ein Aufhängungssystem umfassen.

Alternativ können Sie Ihr eigenes DIY-Chassis aus Materialien wie Kunststoff, Metall, Holz, Legosteinen oder sogar Pappe nach Maß bauen. Eine wichtige Überlegung ist, wie robust Ihr Roboter sein soll. Wenn Sie mit schwierigem Gelände fertig werden müssen, möchten Sie ein haltbareres Chassis.

3. Motoren

Um Ihren Roboter in Bewegung zu setzen, benötigen Sie Motoren. Bei einem Roboter mit Rädern sind dies Standard-DC-Motoren, die sich im Gegensatz zu Servos oder Schrittmotoren frei mit hoher Geschwindigkeit drehen.

Einige Motoren verfügen über ein eingebautes Getriebe, um das Drehmoment zu erhöhen und schwerere Lasten anzutreiben. Überprüfen Sie das Übersetzungsverhältnis (oder die Drehzahluntersetzung): Je höher es ist, desto mehr Drehmoment und niedrigere Drehzahl. Höhere Verhältnisse werden für Anfängerprojekte empfohlen.

Wenn Sie eine genaue Ablesung und Kontrolle der Motordrehzahl benötigen, besteht auch die Möglichkeit, a magnetischer oder optischer Drehzahlgeber an jeder Motorwelle, der die Daten an Ihre Mikrocontroller.

Die Geschwindigkeit jedes Motors wird normalerweise durch PWM (Pulsweitenmodulation) gesteuert, bei der ein Strom digitaler Ein-Aus-Impulse gesendet wird: Je mehr Impulse in einem Zyklus, desto schneller dreht er sich.

4. Kraftfahrer

Sie können DC-Motoren nicht direkt an Ihren Einplatinencomputer oder Ihr Mikrocontroller-Board anschließen, da letzteres die Motoren nicht ausreichend mit Strom versorgen kann und Sie das Board beschädigen können.

Stattdessen benötigen Sie eine Motortreiber- / Controllerplatine, die zwischen den Motoren und Ihrem Mikrocontroller sowie mit der Stromquelle verbunden ist. Preisgünstige Treiberplatinen basieren häufig auf einem L298N- oder DRV8833-Dual-Channel-H-Brücken-Chip. Die Anzahl der Kanäle bestimmt, wie viele Motoren unabhängig voneinander gesteuert werden können, daher benötigen Sie mehr Kanäle (und Treiber) für 4WD oder 6WD.

Während es für jemanden mit Elektronikkenntnissen möglich ist, seinen eigenen H-Brücken-Motortreiber zu bauen, ist es einfacher, eine Treiberplatine zu kaufen. Es gibt zahlreiche HATs, die auf dem Raspberry Pi montiert werden können, und ein dediziertes Motorschild für Arduino.

Ein Schlüsselfaktor bei der Auswahl eines Motortreibers besteht darin, sicherzustellen, dass er die von den Motoren benötigte Spannung sowie deren Dauerbetriebsstrom verarbeiten kann. Wenn Sie letzteren nicht in den Spezifikationen der Motoren finden, ist er normalerweise 20 bis 25 % niedriger als der Blockierstrom. Der maximale Strom des Motortreibers sollte etwa das Doppelte des Dauerstroms der Motoren betragen.

5. Räder

Diese sind natürlich für einen Roboter mit Rädern unerlässlich! Ein einfacher zweirädriger Roboter ist für Anfänger am einfachsten und verfügt normalerweise über eine kleine, nicht angetriebene Laufrolle, ein Rad oder eine Kufe an der Vorderseite, um das Gleichgewicht zu halten.

Ein vierrädriger Roboter ist der nächste Schritt, der zusätzliche Stabilität und Kontrolle bietet. Wenn Sie für echten 4WD eine unabhängige Steuerung jedes Motors/Rads wünschen, benötigen Sie zwei Zweikanal-Motortreiberchips auf Ihrem Board. Alternativ können Sie einen einzelnen Treiber verwenden, um zwei Motoren auf jedem Kanal zu steuern, vorausgesetzt, er hat genug maximale Stromkapazität, um sie alle zu handhaben.

Für Offroad-Gelände möchten Sie vielleicht sogar bis zu sechs Räder haben, aber Sie benötigen ein längeres Chassis, um sie unterzubringen. Sie können Raupenketten für zusätzlichen Halt oder sogar ein Rocker-Bogie-System hinzufügen, wie es beim Perseverance Mars-Rover der NASA verwendet wird.

Während es möglich ist, lenkbare Räder mit Servos zu haben, um sie und ihre Motoren zu drehen, besteht die gebräuchlichste Methode zum Lenken eines Roboters darin, einfach die Räder auf einer Seite schneller als auf der anderen laufen zu lassen.

Eine weitere interessante Option ist der Einsatz von Mecanum-Rädern, deren spezielle Rollen es ermöglichen, sich seitlich zu bewegen, wenn die vier Räder in einem bestimmten Muster gedreht werden. Super zum Parallelparken!

6. Leistung

Wenn Ihr Roboter an eine Netzsteckdose angeschlossen ist, wäre dies ein wenig einschränkend, daher benötigen Sie eine tragbare Stromquelle. Es gibt zwei Hauptmethoden:

1. Verwenden Sie separate Stromquellen für die Motoren und die Elektronik.
2. Verwenden Sie eine einzige Stromquelle, die über ein BEC (Batterie-Eliminator-Schaltung) an beide angeschlossen ist. Ihre Motortreiberplatine kann ein BEC enthalten.

Für welche Option Sie sich auch entscheiden, mögliche Stromquellen sind USB-Powerbanks, Akkus (z.B. 4x AA) und LiPo-Akkus. Stellen Sie nur sicher, dass Sie die richtigen Spannungen und Stromstärken liefern. Viele Motortreiberplatinen bieten Schutz gegen Überstrom und Verpolung.

7. Sensoren

Es ist zwar möglich, Ihren Roboter so zu programmieren, dass er sich in einem festgelegten Muster bewegt oder ihn manuell von einem entfernten Gerät aus steuert, aber das Hinzufügen von Sensoren ermöglicht ihm, autonom zu agieren.

Ein Ultraschall-Abstandssensor, wie der HC-SR04, ermöglicht es dem Roboter, eine Wand oder ein anderes Hindernis vor ihm zu erkennen, damit er ausweichen kann.

Einen Roboter dazu zu bringen, einem Pfad auf dem Boden zu folgen, ist eine weitere beliebte Option. Ein oder mehrere frontseitig angebrachte IR-Linienfolgesensoren ermöglichen es, eine dunkle Linie auf dem Boden zu erkennen und entlang dieser zu steuern.

Sie können Ihrem Roboter sogar „Augen“ mit einer kleinen Kamera verleihen. Bilder können mit einer Computer-Vision-Bibliothek wie OpenCV interpretiert werden, um Objekte oder sogar Gesichter zu erkennen.

Bauen Sie Ihren eigenen autonomen Roboter: Erfolg

Sie haben jetzt einen Überblick darüber, wie Sie Ihren eigenen Radroboter bauen können. Wir hoffen, es hat Sie zu Ihrem ersten Ausflug in die wunderbare Welt der Robotik inspiriert. Wenn Sie Ihren ersten Roboter gebaut haben, möchten Sie vielleicht einen anderen Typ bauen, z. B. einen mit Beinen oder einen Roboterarm.

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