Cosa ti serve per costruire il tuo robot autonomo

Hai mai desiderato costruire il tuo robot? Non è così difficile come potresti pensare, utilizzando un kit o una serie di componenti elettronici standard.

L'ostacolo principale è navigare nel numero sconcertante di opzioni disponibili per la costruzione di un robot su ruote, inclusi il suo microcontrollore, telaio, motori e sensori. L'opzione più semplice è acquistare un kit robot completo, ma se vuoi creare un robot su misura, ti guideremo passo dopo passo attraverso le principali scelte da fare.

1. Microcontrollore / SBC

Il tuo robot avrà bisogno di un "cervello" elettronico per controllare tutte le sue funzioni, inclusi i movimenti. Due delle opzioni più popolari sono Raspberry Pi e Arduino.

Il Raspberry Pi è un computer a scheda singola (SBC) con un microprocessore Arm in grado di eseguire un sistema operativo Linux completo. Il vantaggio principale per la costruzione di robot è che è più potente di un microcontrollore come un Arduino, consentendo di eseguire programmi più complessi. Questo è l'ideale per il riconoscimento facciale e altre forme di intelligenza artificiale, così puoi creare un robot davvero intelligente.

Un altro vantaggio è che puoi programmarlo praticamente in qualsiasi lingua. Uno dei più popolari per la robotica in Python, che è meno scoraggiante del C per i neofiti della programmazione.

Un Arduino, d'altra parte, è l'ideale per progetti di robotica più semplici. Oltre ad essere in genere a basso costo, utilizza meno energia, quindi impiega più tempo per scaricare un power bank portatile o un pacco batteria.

Sebbene sia normalmente programmato in C utilizzando l'IDE Arduino su un computer, è possibile utilizzare a IDE grafico chiamato Xod per controllare i robot Arduino.

Altri microcontrollori sono adatti anche per la robotica, tra cui Teensy, BeagleBone, micro: bit e Raspberry Pi Pico.

2. Telaio

Per il tuo robot su ruote, avrai bisogno di un telaio per formare il suo corpo, ospitare l'elettronica e montare i motori (usando staffe).

Ci sono numerosi kit telaio disponibile, in varie dimensioni e materiali, tipicamente per robot a due o quattro ruote, a volte sei ruote. La maggior parte sono semplici piattaforme per il montaggio dell'elettronica e dei motori; opzioni più costose possono includere un sistema di sospensione.

In alternativa, puoi costruire su misura il tuo telaio fai-da-te, con materiali come plastica, metallo, legno, mattoncini Lego o persino cartone. Una considerazione importante è quanto vuoi che sia robusto il tuo robot. Se ha bisogno di affrontare terreni difficili, vorrai un telaio più resistente.

3. motori

Per far muovere il tuo robot, avrai bisogno di motori. Per un robot su ruote, questi saranno motori CC standard che, a differenza dei servocomandi o dei motori passo-passo, girano liberamente ad alta velocità.

Alcuni motori sono dotati di un riduttore integrato per aumentare la coppia e azionare carichi più pesanti. Controllare il rapporto di trasmissione (o riduzione di velocità): più è alto, maggiore è la coppia e abbassare la velocità. Rapporti più alti sono consigliati per i progetti per principianti.

Se hai bisogno di una lettura e un controllo accurati della velocità del motore, c'è anche la possibilità di aggiungere a encoder di velocità magnetico o ottico a ciascun albero motore, che restituirà i dati al tuo microcontrollore.

La velocità di ciascun motore è solitamente controllata da PWM (modulazione di larghezza di impulso), che comporta l'invio di un flusso di impulsi digitali on-off: più impulsi in un ciclo, più velocemente gira.

4. Driver del motore

Non è possibile collegare i motori CC direttamente al computer a scheda singola o alla scheda del microcontrollore, poiché quest'ultima non sarà in grado di fornire energia sufficiente per i motori e si potrebbe danneggiare la scheda.

Invece, avrai bisogno di una scheda driver/controllore motore collegata tra i motori e il tuo microcontrollore, e anche alla fonte di alimentazione. Le schede driver a basso costo sono spesso basate su un chip H-bridge a doppio canale L298N o DRV8833. Il numero di canali determina quanti motori possono essere controllati in modo indipendente, quindi avrai bisogno di più canali (e driver) per 4WD o 6WD.

Sebbene sia possibile per qualcuno con conoscenze di elettronica costruire il proprio driver per motore H-bridge, è più facile acquistare una scheda driver. Sono disponibili numerosi HAT da montare sul Raspberry Pi e uno dedicato Scudo motore per Arduino.

Un fattore chiave nella scelta di un driver del motore è garantire che sia in grado di gestire la tensione richiesta dai motori, nonché la loro corrente di funzionamento continua. Se non riesci a trovare quest'ultimo nelle specifiche dei motori, è in genere dal 20% al 25% inferiore alla corrente di stallo. La corrente massima del driver del motore dovrebbe essere circa il doppio della corrente continua dei motori.

5. Ruote

Naturalmente, questi sono essenziali per un robot su ruote! Un semplice robot a due ruote è più facile per i principianti, di solito dotato di una piccola ruota, una ruota o un pattino non motorizzati nella parte anteriore per aiutarlo a mantenere l'equilibrio.

Un robot a quattro ruote è il passo successivo, che fornisce stabilità e controllo extra. Se desideri il controllo indipendente di ogni motore/ruota per un vero 4WD, avrai bisogno di due chip driver del motore a doppio canale sulla tua scheda. In alternativa, è possibile utilizzare un singolo driver per controllare due motori su ciascun canale, purché disponga di una capacità di corrente massima sufficiente per gestirli tutti.

Per il fuoristrada, potresti anche voler montare fino a sei ruote, ma avrai bisogno di un telaio più lungo per ospitarle. Potresti aggiungere cingoli a cingoli per una presa extra, o anche un sistema di bilancieri come descritto sul rover Perseverance Mars della NASA.

Sebbene sia possibile avere ruote sterzanti che utilizzano servocomandi per ruotare loro e i loro motori, il metodo più comune per guidare un robot è semplicemente far funzionare le ruote su un lato più velocemente dell'altro.

Un'altra opzione interessante è l'utilizzo delle ruote Mecanum, i cui rulli speciali consentono loro di spostarsi lateralmente quando le quattro ruote vengono ruotate secondo un determinato schema. Ottimo per il parcheggio parallelo!

6. Energia

Avere il tuo robot collegato a una presa di corrente sarebbe un po' limitante, quindi avrai bisogno di una fonte di alimentazione portatile. Ci sono due metodi principali:

1. Utilizzare fonti di alimentazione separate per i motori e l'elettronica.
2. Utilizzare un'unica fonte di alimentazione collegata a entrambi tramite un BEC (circuito eliminatore batteria). La scheda del driver del motore potrebbe includere un BEC.

Qualunque sia l'opzione scelta, le possibili fonti di alimentazione includono power bank USB, pacchi batteria (ad es. 4x AA) e batterie LiPo. Assicurati solo di fornire le tensioni e i livelli di corrente corretti. Molte schede driver del motore offrono protezione contro la sovracorrente e l'inversione di polarità.

7. Sensori

Sebbene sia possibile programmare il tuo robot per muoversi secondo uno schema prestabilito o controllarlo manualmente da un dispositivo remoto, l'aggiunta di sensori gli consentirà di agire in modo autonomo.

Un sensore di distanza ad ultrasuoni, come il HC-SR04, consentirà al robot di rilevare un muro o un altro ostacolo davanti a sé in modo da poter eseguire un'azione evasiva.

Convincere un robot a seguire un percorso sul pavimento è un'altra opzione popolare. Uno o più sensori IR che seguono la linea montati nella parte anteriore gli consentono di rilevare una linea scura sul pavimento e di sterzare lungo di essa.

Puoi persino dare "occhi" al tuo robot con l'aggiunta di una piccola telecamera. Le immagini possono essere interpretate utilizzando una libreria di visione artificiale come OpenCV per rilevare oggetti o persino volti.

Costruisci il tuo robot autonomo: successo

Ora hai una panoramica su come costruire il tuo robot su ruote. Speriamo che ti abbia ispirato a fare la tua prima incursione nel meraviglioso mondo della robotica. Una volta costruito il tuo primo robot, potresti volerne creare un tipo diverso, ad esempio uno con gambe o un braccio robotico.

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