[Из песочницы] Печатаем картинки с помощью Arduino08.09.2015 17:07

[embedded content]
Очень давно хотелось сделать какой-нибудь проект на Ardoino, да такой, чтобы всё в нём двигалось и работало. И, спустя пару месяцев проектирования, программирования и сборки получился вот такой мини-принтер, с помощью которого можно печатать разнообразные картинки и текст на самых обычных стикерах. Если после просмотра видео Вы загорелись необъятным желанием сделать нечто подобное — прошу под кат.

Что нам понадобится

Arduino Uno. Для этого проекта я использовал оригинальную итальянскую плату Arduino Uno. Не произойдет совершенно ничего страшного, если в этом проекте использовать её китайский аналог, который будет стоить в несколько раз дешевле.
Сервоприводы sg-90 — 3 штуки. Это самые дешёвые и маленькие сервоприводы из ныне существующих.
Любой стержень. Я использовал для этого алюминиевый пруток 5 мм, который можно купить в любом строительном магазине
Клей. В этом проекте я использовал 3 вида клея: столярный для фанеры, супер-клей для соединения шестерней с осями, также мне понадобился термический клей для крепления сервоприводов. Можно так сильно не запариваться и собрать все на какой-нибудь универсальный клей «Момент».
Наждачная бумага. Даже при очень точном изготовлении деталей им потребуется подгонка, поэтому без шлифовки — никуда.
Станок для лазерной резки (опционально). Если за Вас все детали сделает машина — это хорошо, но вполне реально сделать этот проект дома на коленке, используя обычный ручной лобзик. Первую версию принтера я делал именно так.
Фломастер. Можно использовать несколько фломастеров для печати цветных картинок
Пружинка и оси с маленьким диаметром. Для этого идеально подойдет «щелкающая» ручка, из которой можно достать пружинку и использовать её стержень в качестве оси
Фанера 4 мм. Можно найти в строительном или хобби-магазине. Возможно, подойдут и другие варианты, например, оргстекло.
Чертежи. Ссылки на них я оставлю здесь:
1. Чертежи для лазерной резки;
2. Чертежи для выпиливания вручную.

Собственно реализация

Изготовление деталей

Этот этап зависит от вашего желания и ваших возможностей. Можете вырезать на станке или выпиливать все детали вручную. Главное, что здесь надо отметить — это то, что качество и работоспособность этого проекта напрямую будет зависеть от вашей аккуратности. Также надо учитывать такой момент: некоторые детали, которые Вы увидите на фотографиях могут немного отличаться от тех, что будут на чертежах.

Для тех, кто планирует всё делать вручную

Для того, чтобы изготовить все детали, понадобится: лобзик (лобзиковый станок), дрель (сверлильный станок), принтер, наждачная бумага и надфили.

Самое сложное здесь — это пазо-шиповое соединение деталей и изготовление шестеренок.

Алгоритм здесь такой. распечатываете чертежи, наклеиваете их на фанеру. Затем сверлите все необходимые отверстия в местах внутренних контуров. Контуры пазов следует выпиливать, отступая немного места внутрь, чтобы потом шипы (после небольшой обработка надфилем) вошли в них внатяг. После этого выпиливаем внутренние контуры, отрываем/сошкуриваем бумагу, которую наклеили и шлифуем. Ничего сложного в этом нет, главное — работать аккуратно и не торопиться.

Чтобы этот текст не казался таким сухим, разбавлю его этапами изготовления шестеренки:

Собираем боковые стенки

Пока всё просто: берете детали и склеиваете их. Следите за перпендикулярностью и за тем, чтобы на деталях не оставалось лишнего клея.

Приклеиваем ножки к основанию

Эти ножки представляют только эстетическую ценность. Если вы хотите сэкономить немного времени, то этот этап можно пропустить

Собираем корпус воедино

Текст на передней и задней табличках можете изменить на свой вкус.

Делаем площадку для бумаги

Этот этап требует особой аккуратности и тщательности выполнения работы. Особую сложность представляют «Г»-образные рельсы, на которых и будет держаться вся эта площадка.

Вам нужно аккуратно приклеить тонкие полоски точно по рискам, указанным в чертеже. Для лучшего эффекта я использовал такие необычные «прищепки», но можно спокойно обойтись и без них. Главное — убрать лишний клей и следить за тем, чтобы полоски никуда не съехали. Дальше на них сверху приклеиваем полоски пошире — технология здесь такая же.

После того, как клей высохнет (минимум 20 минут), попробуйте вставить площадку в корпус. Если она зайдет туда, как по маслу и сможет совершать четкие движения вперед-назад, то вам сильно повезло — это именно то, что надо. В противном случае — берём в руки наждачную бумагу и шкурим те места рельсов площадки, на которых она у нас клинит.

С приклеиванием зубчатых реек проблем быть не должно. Следите за тем, чтобы они приклеились перпендикулярно.

Переходим к сборке механизма, удерживающего бумагу. Проблемы не должны возникнуть если собирать всё в такой последовательности. Сначала приклеиваем стойки, на них закрепляем рычажки. Потом к ним приклеиваем полоску фанеры, которая будет удерживать лис бумаги. А уже потом приклеиваем ту часть, в которую будут упираться пружинки.

Если всё было сделано правильно, то Ваш принтер должен выглядеть примерно вот так:

Протяжный механизм

Вот мы наконец и добрались до шестеренок… Их нужно просто насадить на заранее подготовленный стержень длиной около 110 мм так, как показано на фото ниже и приклеить на супер-клей (его надо наносить равномерно на стенки центрового отверстия шестеренки). Следите за тем, чтобы зубья шестеренок подходили к зубчатой рейке.

После того, как клей высохнет, попробуйте аккуратно прокрутить стержень — площадка должна двигаться.

Устанавливаем первый сервопривод

Первым делом нужно подготовить шестеренку для моторчика. В комплекте с каждым серво идет несколько пластиковых качелек. Их надо обрезать и обточить так, как показано на рисунке ниже. А затем вклеить её в шестерню.

А теперь переходим к установке привода. Для начала задвиньте площадку для бумаги до конца в принтер и прокрутите Ваш серво против часовой стрелки до упора. Затем надо подобрать оптимальное положение привода, то есть закрепить сервопривод так, чтобы у шестеренок не было больших люфтов, но при этом они не упирались друг в друга.

А теперь можно проверить, всё ли у нас работает. Для этого подключите серво к Вашему Arduino через pin9 и загрузите скетч из Образцов: Servo > Sweep. Его код я, на всякий случай, привожу ниже.

Servo sweep

#include 

#define MIN_ANGLE 0
#define MAX_ANGLE 180

Servo servo;

void setup() { 
  servo.attach(9);
} 
 
void loop() { 
  for(int i=MIN_ANGLE; i<=MAX_ANGLE; ++i) {
    servo.write(i); 
    delay(15);
  } 
  for(int i=MAX_ANGLE; i>=MIN_ANGLE; --i) {                                
    servo.write(i);
    delay(15);
  } 
}

Если всё заработало — замечательно. Если нет — попробуйте поменять положение привода или значения MIN_ANGLE и MAX_ANGLE в коде.

Устанавливаем второй сервопривод

Здесь всё делается аналогично с первым мотором. Единственное отличие — понадобится небольшая ось длиной ~12 мм, чтобы закрепить две шестерни.

Ставим печатающую каретку

Если Вы сумели добраться до этого этапа, то особых трудностей у вас здесь быть не должно. Самое сложное здесь — аккуратно собрать каретку (чтобы она не болталась и не клинила), возможно, придется поработать наждачной бумагой. Следующая возможная проблема — неправильно приклеенная зубчатая рейка. Она должна идти строго параллельно основанию корпуса, клеить ее лучше, когда каретка находится в самом дальнем от сервопривода положении.

Проверяем эту сборку с помощью Arduino и вышеупомянутого скетча, если всё работает, как надо, то переходи к следующему этапу. Если нет, то проблема скорее всего связана с шестеренками или неправильно приклеенной зубчатой рейкой.

Последний сервопривод

На этом этапе собираем рычажок для фломастера. Нужно суметь просверлить сбоку отверстие для шурупа, которым мы будем поджимать винт. Постарайтесь, чтобы в состоянии, когда фломастер опущен, серво имел положение 90 градусов, тогда Вам не придется делать лишних исправлений в коде.

После установки мотора наш принтер будет уже почти готов. Рекомендую заклеить поверхность площадки для бумаги малярным скотчем, в процессе отладки принтера она может серьёзно испачкаться.

Первый запуск и отладка

Для начала мы подключаем серво к нашему Arduino Uno, не обязательно на данном этапе помещать его внутрь принтера, так будет неудобно работать. Первый мотор подключаем к pin2, второй — к pin4, третий — к pin6. Далее загружаем вот этот скетч (весь код я постарался подробно и понятно закомментировать, сильно в его подрробности вдаваться не буду):

Разверни меня

#include 

/*
*  MiniPrinter
*  Designed in May 2015
*  By Alexandrow Yegor
*/

//Структура мотора, хранящая диапазон допустимых углов и экземпляр класса Servo
struct Motor {
  int min_angle, max_angle;
  Servo servo;
};

#define IMG_W 64 //Ширина изображения
#define IMG_H 64 //Высота изображения
int STEP = 2;    //Градус поворота серво на 1 пиксель
#define IDLING_MS 4 // Время, тербующееся на поворот в 1 градус
#define WRITING_MS 8

struct Motor motor_x, motor_y, motor_p;
byte img[IMG_W/8]; //Изображение передается построчно
                   //Один пиксель = один бит

struct Motor newMotor(int pin, int a1, int a2) { //Инициализация мотора
  struct Motor m;

  m.servo.attach(pin);
  m.min_angle = a1;
  m.max_angle = a2;

  return m;
}


void gotoStart() {
   motor_p.servo.write(motor_p.max_angle); //Поднятие фломастера
   delay(15);
   
   //Перемещение в точку (0; 0)
   motor_x.servo.write(motor_x.min_angle);
   motor_y.servo.write(motor_y.min_angle); 
   delay(IDLING_MS * STEP * IMG_W + 150);
}

void finish() { //Закрыть принтер
    motor_p.servo.write(motor_p.max_angle); 
    delay(15);
    motor_x.servo.write(motor_x.min_angle);
    motor_y.servo.write(motor_y.max_angle);
    delay(IDLING_MS * STEP * IMG_W + 150);
}

void setup() { //Инициализация
  Serial.begin(9600);
  motor_y = newMotor(2, 50, 180);
  motor_x = newMotor(4, 30, 160);
  motor_p = newMotor(6, 90, 99);
  gotoStart();
}

//Проверяет, есть ли в строке черные пиксели, которые еще не были напечатаны
boolean nextWayIsEmpty(int i) {
  for(; i

Если Вы до этого момента уже протестировали и отладили все системы, то проблем быть не должно: площадка для бумаги должна слегка дернуться, а печатающая каретка должна занять крайнее левое положение. Если что-то из вышеперечисленного не доходит до краев, или, напротив, упирается в стенки, попробуйте подобрать параметры в функции setup ().



Если Вы столкнулись с проблемами посерьёзнее, рекомендую перечитать внимательно весь туториал еще раз, и проверить, все ли Вы сделали правильно. А еще будет неплохо в таком случае проверить каждый моторчик еще раз с помощью первого листинга (Servo sweep).

Далее мы подключаем наш принтер к компьютеру и запускаем вот эту программу (нужна установленная java).

Сначала мы выбираем тот последовательный порт, к которому подключен принтер и нажимаем кнопку «OK», после чего принтер должен слегка подёрнуть площадкой для бумаги. Затем нажимаем кнопку «Log». У нас открылось окно терминала. Далее вводим команду CL — принтер должен задвинуть площадку внутрь. Если ввести ST, то принтер вернется в исходное положение. Также можно отправлять несколько команд подряд, например: CLSTCL. Главное не использовать пробелов и других символов между командами.


Если с эти справились, идём дальше — устанавливаем рычажок с фломастером. Для начала закрепим фломастер на рычаге. расстояние от его кончика до нижней грани рычага должно составлять около 25 мм. После чего нужно вкрутить шуруп так, чтобы фломастер закрепился и никуда не делся. Теперь просто надеваем этот рычаг на ось сервопривода — расстояние от кончика фломастера до бумаги должно составлять около 7 мм. Более точно высоту можно отрегулировать с помощью команд PT+1 и PT-1. Они регулируют угол подъема фломастера, вместо 1 может быть любое число от 0 до 9.

А теперь настал самый ответственный момент — печать первого рисунка. Маленькие картинки разрешения 64×64 подходят лучше всего. Я рекомендую использовать вот этого Марио: 


Скачать

Сначала нужно открыть изображение: 


С помощью ползунков справа можно настроить контрастность изображения на свой вкус. Стоит помнить, что чем больше чёрных пикселей — тем дольше будет печататься картинка.


Это всё. Потом Вы просто нажимаете кнопку «Print» и любуетесь тем, как работает ваше творение. Единственная возможная проблема на этом этапе — нажатия фломастера. Он будет либо давить слишком сильно, либо не давить совсем. Помимо управления высотой фломастера через терминал, можно попробовать подстроить высоту вручную.

Также вы можете на свой страх и риск поменять значения глобальных переменных в скетче: поиграть со скоростью и размерами печати.

Как только вы будете довольны качеством получаемой картинки, можете смело помещать Arduino в корпус принтера, прикрутив её винтами — на этом Ваш проект можно считать завершенным, можете хвастаться им перед всеми друзьями! 

Заключение


На этом всё, надеюсь, вам был интересен этот проект. В нём, конечно есть свои недостатки особенности реализации, так что ещё есть куда стремиться, что совершенствовать и что развивать. Буду рад любым советам, вопросам и пожеланиям в комментариях.
    
            © Geektimes