Uvod u robotiku — osnove elektronike, alati i materijali za pravljenje robota

Osnovni alati i materijal za izradu jednostavnih elektronskih sklopova i uvod u osnovne elektronske komponente.

Danimir Ljepava - 19. Mart, 2018.

Ovo je drugi u serijalu članaka o osnovama robotike, koji će vam pomoći da napravite svog prvog robota. U prvom tekstu smo se upoznali sa vrstama i primenama robota, a sada prelazimo na osnove elektronike.

Ono što ćete naučiti u ovom članku je:

Članak se završava predlozima materijala za dodatno čitanje, kao i škola gde možete da naučite više o elektronici i robotici. Uputićemo vas i na to gde možete da nabavite alat i elektronske komponente za samostalan rad.

Odakle da počnem? Uvod u osnovne alate i materijale za robotičare.

Da bismo napravili robota prvo je neophodno da prođemo kroz osnove elektronike, osnovni alat i elektronske komponente.

Ono što ćemo naučiti u ovom poglavlju je kako da napravite jednostavan elektronski sklop i da putem prekidača uključujete i isključujete LED diodu (svetlo). Naučićete koji vam je osnovi alat neophodan da počnete da se bavite elektronikom. Upoznaćete se i sa multimerom — instrumentom koji omogućava da otkrijete kvarove prilikom izrade sklopova, ili neispravne komponente.

Osnovni alat i materijal opisani u ovom poglavlju:

Osnova za učenje i eksperimentisanje sa elektronikom za početnike je prototipska pločica (skraćeno proto ploča, a zove se još i eksperimentalna ili matador pločica) koja nam omogućava da jednostavno spajamo elektronske komponente sa ostatkom robota. Naši prvi eksperimenti će izgledati kao na slici dole. Prototipska pločica je prikazana u beloj boji (a postoje i mnoge druge boje i veličine od ove prikazane na slici) i kao što vidite na nju stavljamo elektronske komponente.

Sa desne strane ove slike se nalazi motor koji može da pokreće točkove ili mehaničke ruke našeg robota, a na vrhu slike se nalazi mikrokontroler (mali računar) u plavoj boji — mozak robota, koji svojim programom daje komande robotu šta tačno treba da uradi.

Prototipska pločica omogućava da komponente koje su ubodene u njene rupice ujedno budu i spojene između samih rupica po ovoj dole šemi. Vertikalne linije (takođe se zovu „vodovi“) označavaju da će komponente ubodene u istom vertikalnom redu međusobno biti spojene. Horizontalne plave linije označavaju da će komponente ubodene u istom horizontalom redu biti međusobno spojene. Ovi vertikalni vodovi se uglavnom koriste za spoj na plus i minus napajanja strujom, na primer sa baterije.

Ako je potrebno da napravimo spoj između vertikalnih redova, ili komponenti izvan pločice, svakako će nam biti potrebne i žice za spajanje (takođe se zovu kratkospojnici).

Na sledećoj slici koja predstavlja šemu za jednostavan spoj za paljenje LED diode (svetla) sa prekidačem, možemo da vidimo spojeve označene zelenom bojom koje omogućava sama prototipska pločica. Crvenom bojom su označene žice za spajanje (kratkospojnici).

Za pravljenje ovog jednostavnog elektronskog sklopa, biće vam potrebna: prototipska pločica, LED dioda, otpornik od 220 oma, mikro prekidač, kućište za baterije i same baterije. Kada ga spojite pritiskom na prekidač moći ćete da upalite LED diodu koja će da zasvetli.

Ako postoji problem sa vašom napravom, da bismo proverili da li spojevi provode struju („imaju kontakt“) ili recimo da izmerimo da li su baterije napunjene, možemo da koristimo „multimer“. Multimer je jedan od osnovnih alata za elektroničare koji omogućava da se provere kratki spojevi, izmeri napon (u voltima), struja (u amperima), otpor (u omima) i kapacitet kondenzatora (u faradima), a zavisno od modela može imati i druge mogućnosti.

Za to kako se koristi multimetar pogledajte video o osnovama korišćenja multimera.

Postoji još jedan malo napredniji način spajanja komponenti osim sa eksperimentalnom pločicom, a to je lemilicom i kalajem. Ovaj način je malo komplikovaniji i zahteva da se kalaj topi i pomoću njega spajaju žice i komponente.

Za to kako se koristi lemilica pogledajte video lemljenje za početnike.

Razlika između spajanja komponenti eksperimentalnom pločicom i lemljenjem je u tome da su spojevi napravljeni eksperimentalnom pločicom privremeni jer komponente mogu lako da se izvuku, a spojevi napravljeni lemljenjem su permanentni i samim tim su otporniji na pokrete i upotrebu.

Od nekog osnovnog alata (sa video uputstvima sa korišćenje na datim linkovima) preporučujem sečice za sečenje žice, plastične vezice za kablove, termo bužire pomoću kojih možemo da maskiramo spojeve izmedju žica. Takođe, može da bude koristan i električni pištolj za lepak za lepljenje delova robota, kao i nešto tanke žice promera (debljine) 0.6mm.

Pogledajte kako izgleda jedna kućna radionica sa alatom za elektroniku.

Uvod u elektronske komponente za robotičare

Ono što ćemo obraditi u ovom poglavlju jeste koje sve elektronske komponente postoje, kako izgledaju, i koji su neki osnovni primeri njihove upotrebe. Interesantno je pomenuti da se svi današnji elektronski uređaji — računari, telefoni, pa i roboti sastoje od ovih osnovnih elektronskih komponenti. Ono što možete da napravite njima, kada naučite da ih koristite, je limitirano samo vašom maštom.

Osnovne elektronske komponente opisane u ovom poglavlju i njihova funkcija:

Za pregled nekih od ovih komponenti možete pogledati video elektronske komponente za početnike.

Mikrokontroler

Mikrokontroler je mini računar koji uz pomoć programa (softvera) izvršava sve radnje robota. Za potrebe našeg robota, koristićemo mikrokontroler tipa Arduino — prikazan na slici dole — s obzirom na to da je jedan od najjednostavnijih za početnike. Postoje i mnoge druge vrste kontrolera (PIC, ARM) koje imaju više funkcionalnosti, ali zahtevaju i dosta više znanja da bi se koristili.

Arduino upravlja robotom pomoću digitalnih i analognih ulaza, i izlaza. Putem digitalnih ulaza Arduino osluškuje signale iz okruženja putem senzora (koji na primer očitavaju udaljenost predmeta od robota), i šalje signale drugim komponentama putem izlaza (kao što su tu na primer motori) da bi ih upravljao.

Arduino se programira tako što se priključi na računar putem USB kabla, i program koji se napiše na računaru se prebaci u ovaj mikrokontroler. Kada je program jednom učitan u Arduino, on samostalno (autonomno) može da izvršava taj program, bez potrebe za računarom. O ovome ćemo detaljnije u jednom od narednih članaka.

Diode

Dioda je elektronska komponenta koja propušta struju samo u jednom smeru. Sastoji se od dva priključka – jedan je anoda (pozitivna), a drugi katoda (negativna) nogica. Kada na anodu, pozitivnu nogicu diode stigne pozitivno (plus) napajanje, a na katodu, negativnu nogicu diode negativno (minus) minus napajanje, dioda će kroz sebe da propusti struju.

Sa druge strane, ako je napajanje suprotno — pozitivno napajanje spojeno na katodu, a negativno na anodu, dioda neće kroz sebe propustiti struju. Zbog ove svoje specifičnosti, dioda se koristi za kontrolu smera proticanja struje.

U robotici, diode možemo da koristimo u ispravljačima napajanja da naizmenično napajanje struje pretvorimo u jednosmerno. Možemo da koristimo diode i da na primer kontrolišemo smer kretanja motora, tako što osiguravamo da polaritet (plus i minus) na motor dolaze u jednom ili drugom smeru.

LED diode

LED (“Light Emitting Diode“ – u prevodu sa engleskog dioda koja emituje svetlo) se često koriste u elektronskim komponentama za signalizaciju. Zamislite ih kao male sijalice u raznim bojama (tipično crvena, zelena, plava, žuta i bela boja). LED troši malo struje (za razliku od klasičnih sijalica), i osetljive su na polaritet struje.

Ovo je slično kao i sa klasičnim diodama i označava da je potrebno da se LED spoji tako da plus sa napajanja (npr. baterije) ide na nogicu koja se naziva anoda , a minus na drugu nogicu koja se zove katoda (vidi sliku dole). Ako spojimo suprotno (obrnemo polaritet napajanja), ona neće da svetli.

Takođe, specifično je za LED da su jako osetljive i potrebno ih je spojiti preko jednog otpornika kako bi se količina struje koja dolazi na nju smanjila. Kada se LED dioda spoji direktno na struju bez otpornika – ona pregori (pokvari se).

Primer spajanja tri LED diode redno sa otpornikom od 220 oma.

Danas je LED u širokoj upotrebi i koristi se i za osvetljenje prostorija – verovatno u vašem domu već imate LED sijalice, lampe ili nešto slično.

U robotici LED diode možemo tipično da koristimo za svetlosnu signalizaciju – kao na primer indikacija da li do robota dolazi napajanje (struja), ili recimo signalizacija u kom pravcu ili smeru se kreće robot.

Otpornik

Sledeća osnovna elektronska komponenta je otpornik. Njegova funkcija je da ograničava (smanjuje) protok struje koja prolazi kroz njega. Vrednost koliko će struja biti smanjena zavisi od same vrednosti otpora koja se izražava u omima, a princip se definiše omovim zakonom koji se uči na časovima fizike. Na samom otporniku se nalazi četiri do pet prstenova u boji koji označavaju njegovu vrednost otpora (u omima), i samim tim koliko će on smanjiti struju koja prolazi kroz njega. Za čitanje ovih boja koristi se tabela za čitanje boja otpornika.

U robotici otpornike možemo da koristimo za veliki broj elektronskih sklopova, kao na primer kontrola struje koja ide do motora, ili recimo do LED dioda.

Postoji i promenljiva vrsta otpornika čija se vrednost otpora struje menja sa okretanjem ručice. Sa potenciometrima ste se sigurno susretali mnogo puta – kada pojačavate muziku točkić koji okrećete je u većini slučajeva potenciometar kao ovaj dole.

U robotici potenciometar se može koristiti recimo za podešavanje brzine motora, odnosno kretanja robota, i mnoge druge primene koje zahtevaju podešavanje.

Kondenzator

Funkcija kondenzatora je da skladišti elektricitet. Zamislite ga kao mikro bateriju koju možemo da napunimo elektricitetom i potrošimo kada nam treba. Kondenzatori imaju dosta mali kapacitet, i ne mogu da zamene baterije. Nalazimo ih u skoro svakom elektronskom sklopu.

Kapacitet kondenzatora, tj. koliko elektriciteta može da drži u sebi, se meri u faradima, što se takođe uči na časovima fizike. Postoji nekoliko vrsta kondenzatora, od kojih se najčešće susrećemo sa keramičkim i elektrolitskim. Razlika između ova dva osnovna tipa kondenzatora je da elektrolitski kondenzator može da skladišti nešto više struje, ali on je ujedno i polarizovan. Ovo znači da treba pravilno da se spoji na plus i minus polaritet napajanja, inače može da pregori, za razliku keramičkog gde to nije potrebno.

Da li ste znali da kada isključite ili uključite računar, i kada vidite tačno vreme na ekranu, da je za to zaslužen kondenzator u računaru koji napaja njegov digitalni časovnik (kao mala baterija) dok je on izgašen iz struje.

Kondenzatori u robotici imaju široku namenu, i mogu se recimo koristiti za regulaciju napajanja struje koja dolazi do robota, ili recimo za smanjenje šuma (smetnji) signala kojim upravljamo motorima robota.

Tranzistor

Revolucija u računarstvu i robotici ne bi bila moguća bez tranzistora. Ovo je jedan od osnovnih gradivnih elemenata moderne elektronike. Njegova funkcija je da služi kao elektronski prekidač i pojačavač struje.

Pre tranzistora u računarima su se koristile elektonske cevi u funkciji prekidača i pojačivača koje su dosta velike (5-8cm visine), te su računari 50-70-tih godina prošlog veka bili veliki kao cela soba.

Sa obzirom na to da su tranzistori daleko manji u svojim dimenzijama (0.5cm), njihov pronalazak sredinom prošlog veka je omogućio miniturizaciju računara, a samim tim i robota. Posebnom tehnikom se veličina tranzistora u modernim čipovima smanjila na veličinu nanometra (manje od čestice prašine), te se u mikroprocesorima danas nalaze desetine hiljada, pa i milioni minijaturizovanih tranzistora — mikro prekidača koji upravljaju digitalnim nulama i jedinicama.

 

U robotici tranzistori imaju široku upotrebu, a mogu se recimo koristiti za uključivanje ili isključivanje motora, ili recimo za pojačanje količine struje koja dolazi do motora kako bi kontrolisala brzinu kretanja.

Elektromotor

Zadatak električnog motora je da pokreće robota. Postoji mnogo vrsta elektromotora i zbog toga ćemo imati poseban članak o ovoj temi. Najčešće korišćeni motori u robotici su univerzalni jednosmerni motori, koračni (“step“) i servo motor.

Univerzalni jednosmerni elektromotori koriste jednosmernu struju i kontinualno se kreću u jednom pravcu, zavisno od polariteta plus i minus napajanja koje puštamo na ovaj motor. Ako obrnemo polaritet, tj. plus i minus napajanja, promeniće se i smer kretanja motora. Dakle, sa promenom polariteta napajanja koje dolazi na ovakav motor možemo da upavljamo kretanje robota u jednom ili drugom smeru.

 

Koračni (ili “step“) motori su specifični po tome što se oni ne pomeraju kontinualno, već korak po korak (veličina koraka zavisi od tipa motora, ali svakako koraci su u milimetrima) kako puštamo struju na njih. Ovakvi motori su idealni za precizno kretanje, kao što je na primer precizno pomeranje robotske šake.

Servo motori su specifični po tome što se na zadatu komandu oni tačno pomeraju do samo jedne određene tačke. To znači da je moguće precizno da pomerimo svaki put ručicu motora da se obrne na odredjeni broj stepeni. Na primer, želimo da na komandu ovaj motor pokrene robotsku ruku na tačno 90 stepeni (ili neki drugi precizan položaj) – ovo je moguće putem servo motora.

Senzori

Senzori su oči i uši robota. Postoji veoma veliki broj senzora, kao što su recimo senzori za daljinu drugih objekata, kontakt sa drugim predmetom, smer kretanja, nagib robota, težinu predmeta — i mnogi drugi.

U robotici su nam senzori izuzetno važni jer robot pomoću senzora vide i razumeju svet oko sebe.

Čipovi

Čipovi, ili kako ih još nazivamo “integrisano elektronsko kolo” u sebi sadrže klasične elektronske sklopove koje bi izdrađivali standardnim komponentama (npr. tranzistor, otpornik i druge), samo minijaturizovano na par milimetara veličine. Zavisno od veličine minijaturizacije, nekada čipovi mogu imati od nekoliko hiljada, do nekoliko miliona minijaturizovanih komponenti u sebi. Ovakva minijaturizacija se obavlja u specijalizovanim laboratorijama za pravljenje čipova.

U robotici, čipovi su jako bitni za skoro sve osnovne funkcije robota – kao što je upravljanje, očitavanje informacije sa senzora, donošenje odluka, izveštavanje i tome slično.

Naredni samostalni koraci

U zavisnosti od toga da li želite više da čitate, da čujete od drugih ili iskusite kroz samostan rad, preporučujem neke od sledećih aktivnosti kao naredni korak za ulazak u svet elektronike, robotike i programiranja: