Εργαστήρια

Κινητήρες

Για να μπορέσουμε να δώσουμε κίνηση στις αυτόματες ρομποτικές μας κατασκευές χρειαζόμαστε κινητήρες. Οχήματα που κινούνται με ρόδες, ρομποτικοί βραχίονες που μετακινούν αντικείμενα, drone που πετάνε στον αέρα και πολλά άλλα ρομπότ, χρησιμοποιούν κινητήρες οι οποίοι ελέγχονται από κάποιο πρόγραμμα που υπάρχει στην κεντρική τους μονάδα.

Κινητήρες DC

Υπάρχουν αρκετά είδη κινητήρων, οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι όμως είναι οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος ή αλλιώς κινητήρες DC. Οι κινητήρες μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε κινητική και περιστρέφουν έναν άξονα. Το περιστρεφόμενο μέρος του κινητήρα ονομάζεται ρότορας, ενώ το στατικό μέρος στάτορας.

Ένας απλός κινητήρας DC και το κινούμενο μέρος του, ή αλλιώς ρότορας.
Πηγή: Wikimedia Commons

Οι κινητήρες DC είναι αρκετά οικονομικοί και μπορούμε να αγοράσουμε μικρούς κινητήρες 3-6 Volt με λίγα λεπτά του ευρώ. Μπορούμε να ελέγξουμε την ταχύτητα και την φορά περιστροφής τους, αλλά δεν μπορούμε να τους μετακινήσουμε με ακρίβεια σε συγκεκριμένες θέσεις.

Βίντεο που περιγράφει στα Αγγλικά τον τρόπο λειτουργία των κινητήρων DC

Οι κινητήρες DC λόγω της απλής υλοποίησης τους χρησιμοποιούνται σε πάρα πολλές εφαρμογές. Στις οικιακές συσκευές τα μιξεράκια, τα μπλέντερ, οι ηλεκτρικές σκούπες, οι ανεμιστήρες περιλαμβάνουν κινητήρες DC. Αρκετοί κινητήρες DC υπάρχουν και μέσα σε έναν υπολογιστή: Τα ανεμιστηράκια που είναι υπέυθυνα για την ψύξη, όπως και οι συσκευές για την ανάγνωση και εγγραφή CD/DVD περιλαμβάνουν τέτοιους κινητήρες.

Μερικές συσκευές που περιέχουν κινητήρες DC
Πηγή: Pixabay.com

Σύνδεση κινητήρα DC με πηγή ρεύματος

Οι κινητήρες DC έχουν δυο υποδοχές για να συνδέσουμε σε αυτές καλώδια. Η σύνδεση τους με μπαταρία ή κάποια άλλη πηγή ρεύματος είναι αρκετά απλή. Στην μια υποδοχή συνδέουμε το συν (+) και στην άλλη το πλην (-) ή αλλιώς την γείωση. Αν αντιστρέψουμε την σύνδεση των δυο καλωδίων τότε αντιστρέφεται και η φορά κατά την οποία περιστρέφεται ο κινητήρας. Στο παρακάτω παράδειγμα έχουμε δυο κινητήρες που είναι συνδεδεμένοι σε πηγή τάσης 6 Volt και περιστρέφονται αντίστροφα ο ένας από τον άλλον.

Έλεγχος κινητήρα DC με το Arduino

Ο πιο απλός (και μη ενδεδειγμένος) τρόπος για να ελέγξουμε έναν κινητήρα DC με το Arduino είναι να τον συνδέσουμε απευθείας σε ένα από τα Digital pins και στην γείωση. Μετά αλλάζοντας την κατάσταση του pin μεταξύ HIGH και LOW μπορούμε να τον ενεργοποιούμε και να τον σταματάμε. Επίσης αν τον συνδέσουμε σε κάποιο από τα PWM pins (έχουν το σήμα ~) μπορούμε να ελέγξουμε και την ταχύτητα περιστροφής χρησιμοποιώντας μια τιμή από το 0 ως το 255. Στο παράδειγμα που ακολουθεί έχω συνδέσει έναν κινητήρα στο pin 13 και έχω δημιουργήσει ένα πρόγραμμα το οποίο διαρκώς ενεργοποιεί τον κινητήρα για 3 δευτερόλεπτα και τον απενεργοποιεί για άλλα 3.

Αυτός ο τρόπος σύνδεσης δεν είναι ο ιδανικός και μπορεί να μας προκαλέσει και προβλήματα.

  • Καταρχήν τα digital pins του Arduino δίνουν ρεύμα με τάση 5V που είναι συνήθως αρκετά μικρή για τους περισσότερους κινητήρες.
  • Επίσης αν θέλουμε να αλλάξουμε την φορά περιστροφής του κινητήρα, δεν μπορούμε να το κάνουμε με εντολή στο πρόγραμμα μας αλλά θα πρέπει να αλλάξουμε την σύνδεση των δυο καλωδίων με τα χέρια.

Ένας καλύτερος τρόπος σύνδεσης είναι να χρησιμοποιήσουμε έναν “οδηγό” που θα αναλάβει τον χειρισμό του κινητήρα και χωριστές πηγές ρεύματος για τον κινητήρα και το Arduino. Ένας από τους πιο διαδεδομένους οδηγούς είναι ο ελεγκτής L293D, οποίος μπορεί να οδηγεί ταυτόχρονα μέχρι και 2 κινητήρες. Στο παράδειγμα που ακολουθεί έχω συνδέσει 2 κινητήρες στον ίδιο οδηγό και τους έχω προγραμματίσει έτσι ώστε να κινούνται διαρκώς 3 δευτερόλεπτα προς την μια πλευρά και άλλα 3 προς την άλλη. Παρατηρήστε πως κάθε κινητήρας συνδέεται σε 2 digital pin του arduino, ενώ για την τροφοδοσία με ρεύμα χρησιμοποιούμε επιπλέον μπαταρίες.

Κινητήρες servo

Στις περιπτώσεις που μας ενδιαφέρει μεγαλύτερη ακρίβεια στην κίνηση χρησιμοποιούμε τους κινητήρες servo, οι οποίοι αποτελούνται από απλούς κινητήρες DC που συνδυάζονται με γρανάζια για την μείωση της ταχύτητας και ένα ποτεντσιόμετρο για την παρακολούθηση της κίνησης.

Η χρήση των γραναζιών έχει ως αποτέλεσμα την χαμηλότερη ταχύτητα κίνησης (άρα και μεγαλύτερη ακρίβεια) μαζί με την αύξηση της δύναμης. Το ποτενσιόμετρο από την πλευρά του επιτρέπει στον κινητήρα servo να γνωρίζει την γωνία περιστροφής του άξονα και έτσι μπορούμε να του δίνουμε με σχετική ακρίβεια εντολές κίνησης σε συγκεκριμένες γωνίες.

Στο βίντεο που ακολουθεί παρουσιάζεται αναλυτικά ο τρόπος λειτουργίας των κινητήρων servo στα αγγλικά.

Βίντεο περιγραφής του τρόπου λειτουργίας των κινητήρων servo από το HowToMechatronics

Σύνδεση του κινητήρα servo στο Arduino

Οι κινητήρες servo διαθέτουν τρία καλώδια:

  • Την τροφοδοσία ρεύματος (κόκκινο καλώδιο)
  • Την γείωση (μαύρο ή καφέ καλώδιο)
  • Και το σήμα ελέγχου (πορτοκαλί ή κίτρινο καλώδιο)

Τα μικρά servo που χρησιμοποιούμε εμείς χρειάζονται ρεύμα 5V για να λειτουργήσουν, οπότε συνδέουμε το κόκκινο καλώδιο στα 5V του Arduino, το καφέ (ή μαύρο) στην γείωση του Arduino και το πορτοκαλί (ή κίτρινο) καλώδιο σε κάποια από τις ψηφιακές θύρες του Arduino.

Στο παράδειγμα που ακολουθεί έχω συνδέσει έναν κινητήρα servo στο pin 9 και το έχω προγραμματίσει ώστε να αλλάζει γωνία μεταξύ των 0 μοιρών και 180 μοιρών κάθε 3 δευτερόλεπτα.

Βηματικοί κινητήρες

Μια τρίτη κατηγορία κινητήρων είναι οι βηματικοί (Stepper Motors) οι οποίοι μας προσφέρουν μεγάλη ακρίβεια και αυξημένη δύναμη. Ας παρακολουθήσουμε μαζί το παρακάτω βίντεο (είναι στα Αγγλικά) για να καταλάβουμε τον τρόπο λειτουργίας τους.

Βίντεο που εξηγεί τον τρόπο λειτουργίας των βηματικών κινητήρων

Σύνδεση βηματικού κινητήρα στο Arduino

Οι βηματικοί κινητήρες συνοδεύονται από μια πλακέτα – οδηγό, την οποία συνδέουμε στο Arduino. Οι κινητήρες που θα χρησιμοποιήσουμε εμείς είναι οι 28BYJ-48 που συνοδεύονται από την πλακέτα ULN2003. Είναι αποτελεσματικοί, μικροί σε μέγεθος και αρκετά οικονομικοί με τιμή κάτω από 4 ευρώ. Η χαμηλή τιμή τους οφείλεται στο γεγονός ότι χρησιμοποιούνται πάρα πολύ στα συστήματα air condition (για την ρύθμιση των πτερυγίων) και κατασκευάζονται μαζικά σε όλο τον κόσμο.

Η σύνδεση της πλακέτας οδηγού στο Arduino απαιτεί 6 καλώδια. Δύο για την γείωση και τα 5V και τέσσερα καλώδια ελέγχουν που τα συνδέουμε σε ψηφιακά pins του Arduino όπως φαίνεται στην εικόνα που ακολουθεί.

Σύνδεση βηματικού κινητήρα 28BYJ-48 στο Arduino

Εξάσκηση με τους κινητήρες

Χωριζόμαστε σε ομάδες των 3 ατόμων και η κάθε ομάδα παίρνει ένα arduino uno. Στο κέντρο του τραπεζιού υπάρχουν κινητήρες DC (απλοί, με βαρίδια για δόνηση, από ανεμιστήρες Η/Υ), κινητήρες servo και βηματικοί κινητήρες. Κάθε ομάδα θα πρέπει να δοκιμάσει έναν κινητήρα από κάθε κατηγορία σύμφωνα με τις οδηγίες που ακολουθούν στο ηλεκτρονικό φύλλο εργασίας.

Κατασκευή ανεμιστήρα απομάκρυνσης οσμών κόλλησης

Καθώς ξεκινάμε σιγά σιγά τις κατασκευές μας, είναι μια καλή ευκαιρία να κάνουμε μια επίσκεψη στο υπόγειο που έχουμε τους παλιούς υπολογιστές και να πάρουμε υλικά που μπορεί να χρειαστούμε, όπως ανεμιστήρες, κινητήρες, μαγνήτες, βίδες, παξιμάδια, καλώδια κλπ.

Επί το έργον…

Χωριστήκαμε σε μικρές ομάδες των 4 ατόμων και κάθε ομάδα είχε στη διάθεση της κατσαβίδια, πένσες και φυσικά κουτιά από παλιούς υπολογιστές. Από κάθε κουτί υπολογιστή αφαιρέσαμε τους ανεμιστήρες, τα τροφοδοτικά, τους οδηγούς cd και τους σκληρούς δίσκους. Στη συνέχεια ανοίξαμε τις μονάδες CD και σκληρών δίσκων και αφαιρέσαμε κινητήρες και μαγνήτες.

Επί το έργον…
Επί το έργον…

Μια πολύ χρήσιμη κατασκευή που θα την χρειαστούμε στην πορεία, είναι ένας ανεμιστήρας που θα απομακρύνει τις άσχημες οσμές την ώρα που θα χρησιμοποιούμε το κολλητήρι με το καλάι. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ανεμιστήρες από παλιούς Η/Υ στους οποίους να προσαρμόσουμε ένα απλό φίλτρο από αυτά που χρησιμοποιούμε στους κοινούς απορροφητήρες.

Το κύκλωμα για την λειτουργία του ανεμιστήρα

Στο τέλος της συνάντησης όσα παιδιά εκδήλωσαν ενδιαφέρον πήραν από το εργαστήριο έναν ανεμιστήρα, ένα καπελάκι μπαταρίας για 9 volt, καλώδια και έναν διακόπτη, μαζί με οδηγίες σύνδεσης. Ανέλαβαν να κατασκευάσουν ανεμιστήρες τους οποίους έφεραν στο εργαστήριο ώστε να τους χρησιμοποιήσουμε στις επόμενες συναντήσεις.

Μερικοί από τους ανεμιστήρες μας σε χρήση

Μερικοί από τους ανεμιστήρες μας σε χρήση
Ανεμιστήρας με φίλτρο

Μερικοί από τους ανεμιστήρες μας σε χρήση

Αφήστε μια απάντηση

Μετάβαση σε γραμμή εργαλείων