Naučimo računalnik risati

Prihaja jesen in z njo deževna obdobja. Doma izdelan računalniški risalnik je kakor nalašč za popestritev turobnih dni. Na podobni osnovi lahko izdelamo celo računalniško voden rezalnik ali rezkalnik.

Risalnik je v nasprotju z rastrskim tiskalnikom vektorska grafična naprava, ki v več korakih premika pisalo po papirni risalni površini. Izrisana slika je podobna tisti, ki bi jo narisali ročno, in ni sestavljena iz drobnih pikic oziroma rastra kot pri igličnih in laserskih tiskalnikih. Podobno delujeta tudi računalniško krmiljena rezkalnik in rezalnik, le da imata močnejšo konstrukcijo in ustrezno obdelovalno orodje namesto pisala (denimo nož za rezanje papirja, vrtalnik, laser …).

Zaradi sorazmerno počasnega izrisa uporabljamo risalnike predvsem za izdelavo tehničnih risb, rezkalnike in rezalnike pa za izdelavo sestavnih delov tehničnih ali umetniških izdelkov. Te naprave so tudi nadvse poučna igrača za vse, ki se navdušujejo nad robotiko.

Koncept

Konstrukcijsko je risalnik razmeroma nezahtevna naprava, ki jo lahko izdelamo celo iz stare enote CD ali DVD, v spletu pa najdemo tudi komplete za sestavljanje, za katere bomo odšteli okoli 300 USD in več. Izdelamo ga lahko tudi ob pomoči gradnikov iz sistemov za sestavljanje, kot so Fischertechinc, Makeblock in Lego Technic.

Mini-risalnik, narejen iz dveh starih enot DVD.

Kakšno elektroniko uporabiti?

Za manj natančne risalnike lahko uporabimo klasične servomotorje, večjo natančnost in hitrost pa navadno zagotavljajo koračni motorji, ki potrebujejo nekoliko bolj zapleteno krmiljenje oziroma namenski krmilnik.

Potrebujemo tudi mehanizem za pritikanje in odmikanje pisala. Nekateri risalniki imajo za ta namen vgrajen dodatni servomotor ali koračni motor, drugi pa rele. Prednost releja je hitrost, toda med pisanjem ne moremo uravnavati pritiska pisala na risalno površino.

Koordinatni risalnik sestavljata pravokotno postavljeni koordinatni vodili na ravni podlagi, pri čemer je v pisalno glavo vpeto pisalo, ki se dotakne površine s pomočjo elektromagnetnega pogona. Večina risalnikov za samogradnjo omogoča precej poljubno izbiro pisala z ne prevelikim premerom. Za pogon glave risalnika skrbita dva elektromotorja, ki glavo premikata po obeh koordinatnih oseh, in dodatni elektromotor ali rele, ki pisalo pritisne k podlagi.

Risalnik lahko izdelamo tudi tako, da se pisalna glava pomika samo levo in desno, medtem ko drugi elektromotor ob pomoči koles pomika papir naprej in nazaj. A pri doma narejenem risalniku se kaj hitro zatakne pri mehaniki za natančno pomikanje papirja, čeprav je zaradi boljše izrabe prostora tako izdelana večina velikih serijskih risalnikov.

Enostavni risalnik na podlagi Arduina Uno, ki ga lahko izdelamo doma.

Naslednja konstrukcijska možnost je elektromehanska roka z dvema zgloboma, za katero prav tako potrebujemo dva elektromotorja in elektromagnetni pogon za pritikanje pisala k risalni površini. Ne potrebujemo pa jermenov za premikanje pisalne glave, temveč je slednja preprosto vpeta na konec risalne roke; podobno pisalo držimo ljudje, a manj natančno od koordinatnega risalnika. Podobno oblikovanje si lahko omislimo tudi z dvema med seboj povezanima robotskima rokama s po enim zglobom in osrednjo stično točko, v katero vpnemo glavo s pisalom; pri tem vsako roko krmili po en elektromotor.

Pišemo lahko tudi s posebej prirejenim robotom, ki se vozi po risalni površini, in za pogon in usmerjanje uporablja servomotorja, pisalo pa k površini pritegne elektromagnet. A tako oblikovanje omogoča le sorazmerno nizko natančnost risb, ki ni odvisna samo od natančnosti premikov servomotorjev, temveč tudi od morebitnih zdrsov pogonskih koles. Nekoliko bolj zapletena je tudi pretvorba vektorske grafike v premike robota.

Omenimo še nekoliko futuristično možnost izdelave risalnika na podlagi daljinsko upravljanega letečega trota, na katerega preprosto pritrdimo pisalo. Natančnost izrisa je pri tem pogojena z natančnostjo letenja in zmogljivostjo akumulatorskih baterij. Neko kitajsko podjetje je na šanghajski razstavi TCT Asia že predstavilo prototip trota 3D tiskalnika Fly Elephant z natančnostjo 0,1 mm.

Ker je pisalo veliko lažje od glave za brizganje materiala, bi lahko risali tudi s troti, ki zmorejo dvigniti nekaj 10 gramov; a pri tem je pomembno, kako natančno lahko računalniško usmerjamo trota v prostoru in zmogljivost njegovih akumulatorskih baterij ter ustrezna programska oprema, ki vektorsko sliko pretvori v gibanje trota.

Sestavni deli

Pri natančnejši izvedbi risalnika so poleg elektronike in mehatronike pomembni sestavni deli tudi: vzdolžno koordinatno vodilo, po katerem potuje koordinatno vodilo z risalno glavo z vpetim pisalom. Ker sta pogonska motorja za glave risalnika navadno fiksno vpeta na vsako vodilo, potrebujemo še zobata jermena, s katerima premikamo eno od koordinatnih vodil in pisalno glavo. Mogoča je tudi izvedba ob pomoči zobatih gredi, po katerih se s pomočjo servomotorja premika voziček s pravokotno zobato gredjo, po kateri potuje voziček s servomotorjem in pisalno glavo. Namesto zobatih gredi lahko uporabimo tudi palici z navojema, ki ju poganjata servomotorja. Podoben sistem so že v osemdesetih letih preteklega stoletja uporabili pri Fischertechnicu, le da so za premikanje uporabili sestavljene gredi s polžastim navojem.

Za enostavnejšo izvedbo risalnika na podlagi robotske roke ne potrebujemo vodil, a mora biti zglob robotske roke najprej dovolj močan, da lahko nosi težo elektromotorja in drugega dela roke, na katerega je vpeta glava s pisalom. Enostavnejša je izvedba podobnega risalnika z dvema rokama, ki se stikata na sredini, kjer je vpeta tudi glava s pisalom. Toda za pravilno premikanje pisala je treba kar precej računanja. Kot osnovo za gradnjo lahkih rok lahko uporabimo tudi štiri ravnila, ki jih povežemo s tremi zglobi, pri čemer je na osrednji zglob pritrjena glava s pisalom. Zadnja konca ravnil sta vpeta na servomotorja ali koračna motorja, ki sta nekoliko razmaknjena in postavljena vzporedno z risalno površino.

Sodobni Fischertechnicov pametni krmilnik, ki ga lahko uporabimo tudi za risalnik.

Kot osnovo za robot-risalnik lahko uporabimo katero od že izdelanih robotskih osnov z dvema neodvisnima pogonskima kolesoma in tretjim pomožnim kolesom ali drsnikom, ki zagotavlja statično stabilnost (npr. mBot). Dodamo mu relejsko ali elektromotorno krmiljeno glavo s pisalom.

Sistemi za sestavljanje

Omenjene vrste risalnikov lahko najhitreje izdelamo iz elementov sistemov za sestavljanje (kot so: Makeblock, Lego Technic in Fishertechnic), katerih glavna prednost je sestavljanje brez oblikovanja, rezanja, vrtanja in površinskih obdelav sestavnih delov. Morebitne napake v oblikovanju lahko zato zelo hitro odpravimo in hkrati enostavno prototipiramo in preizkušamo različne sklope ali celoten risalnik pri gradnji brez načrta.

Danes je najbolj priljubljen sistem za sestavljanje Lego Technic, ki je prevzel primat Fishertechnicu. Toda sistem kovinskih elementov Makeblock, ki je namenjen predvsem ljubiteljskim robotikom, je trdnejši in natančnejši.

Fischertechnic

Fischertechnicov risalnik smo lahko kot komplet za sestavljanje kupili že v osemdesetih letih preteklega stoletja in ga uporabljali s hišnimi računalniki, kot sta bila Commodore 64 in ZX Spectrum. Danes lahko pri Fischertechnic kupimo komplet 3D tiskalnik z nekoliko splošnejšo konstrukcijo, in ga lahko spremenimo tudi v risalnik.

Risalnik iz osemdesetih let je konstrukcijsko sorazmerno enostaven in lahek. Prvi elektromotor prek verižnega prenosa poganja polžasti gredi, ki vzdolžno premikata drugo koordinatno vodilo, po katerem se ob pomoči tretje polžaste gredi premika glava s pisalom. Danes ga lahko z ustreznim krmilnim vezjem upravljamo tudi z osebnim računalnikom. Denimo, na podlagi Arduino Uno in dodatnih modulov (ščitov, angl. shields) za pogon elektromehanskih delov risalnik hitro znova usposobimo in sprogramiramo. Kot krmilnik lahko uporabimo tudi sodoben Fischertechnicov krmilnik, ROBOTICS TXT, ki zna z osebnim računalnikom komunicirati tudi prek brezžičnih povezav Wi-Fi in bluetooth. Prav tak risalnik je predstavljen tudi na spletni strani geek-mag.com/posts/255280.

Druga možnost je nakup novega kompleta 3D tiskalnika, ki obsega tudi krmilno vezje z Atmelovim mikrokrmilnikom, ki omogoča upravljanje prek osebnega računalnika. Priložena programska oprema omogoča trirazsežno brizganje plastične mase iz koluta. Toda namesto brizgalne šobe lahko vgradimo pisalo in tako 3D tiskalnik spremenimo v risalnik. Pri tem prilagoditev programske opreme ni potrebna, saj lahko v trirazsežnem prostoru načrtamo tudi ravninsko dvorazsežno vektorsko grafiko, ki obsega en sam nivo. Konstrukcijsko je sicer Fischertechnicov 3D tiskalnik izdelan podobno kot risalnik, le da ima še dodatno polžasto vodilo, s katerim lahko glavo s šobo za izlivanje plastike pomika navpično glede na površino, na kateri nastaja predmet.

Lego Technic

Gradnje risalnika se lahko lotimo tudi ob pomoči komponent danes najbolj priljubljenega sistema za sestavljanje, Lego Technic Mindstorm. Vsako leto pestrejša izbira komponent ponuja najrazličnejše možnosti za sestavljanje. Tako v spletu ne manjka načrtov izpred trideset in več let, pa tudi novejših risalnikov. Večina načrtov je za koordinatne risalnike, kljub temu ne manjkajo niti podrobna navodila za gradnjo risalnika, ki deluje po načelu vleke papirja, ali risalnika, ki ga izdelamo na podlagi manjšega robota s kvadratnim tlorisom z dvema pogonskima motorjema in fiksno vpetim pisalom (po želji lahko dodamo še motor ali rele za odmikanje pisala). Brez težav izdelamo tudi risalnik z dvozglobno robotsko roko. Kakovostnejši risalniki za zaznavanje skrajnih leg koordinatnih vodil ali prisotnosti papirja s pridom izkoriščajo tudi infrardeča in druga tipala iz družine Mindstorm NXT.

Robot-risalnik iz kock Lego Technic.

Kako do sestavnih delov?

Veliko samograditeljev mehaniko risalnika izdela samostojno, pri čemer uporabijo komponente, ki so na voljo v številnih (spletnih) trgovinah z robotsko elektroniko, kot so: www.amazon.com, www.ebay.com, www.hexbug.com, www.robotshop.com, www.trossenrobotics.com, www.active-robots.com, www.superdroidrobots.com, sproboticworks.com, store.diligentinc.com itn. Za krmilnik pogosto izberejo Arduino z ustreznimi dodatki, ki omogočajo krmiljenje krtačnih ali koračnih elektromotorjev ter releja, ki v glavi risalnika pritegne pisalo k papirju.

Manj zahtevni samograditelji, ki jih zanima predvsem način delovanja risalnika, bodo raje uporabili komponente iz sistemov za sestavljanje ali pa kupili risalnik kar v kompletu za sestavljanje.

Med kompleti Lego Technic sicer ni risalnika, zato pa najdemo navodila za izdelavo na številnih ljubiteljskih spletnih straneh, kot so www.mindstormsrobots.com, www.robotsquare.com in www.alfonsomartone.itb.it.

Robot-risalnik med risanjem po papirju.

V spletnih trgovinah s kockami Lego lahko komponente za gradnjo risalnika naročimo posamično, je pa pogosto cenovno ugodneje, če si izberemo enega ali več kompletov Lego Technic, ki jih uporabimo za osnovo. Pri tem imamo v mislih predvsem osnovni komplet Mindstorm NXT (za okoli 300 €), ki omogoča gradnjo robotov in že vsebuje dva servomotorja in krmilnik Lego NXT.

Vlečni risalnik iz kock Lego Technic s krmilnikom Lego Mindstorm NXT.

Makeblock

Namenjen je tistim, ki želijo hitro sestaviti kakovosten risalnik za domačo rabo. V kompletu za sestavljanje so vsi mehanski deli in krmilna elektronika. Podobno kot pri Makeblockovem robotu mBot so nosilni elementi v celoti kovinski, priviti pa je treba tudi nekaj vijakov. Kljub temu so vodila lažja in natančnejša kot pri sistemih plastičnih kock za sestavljanje (kot sta Lego Technic in Fischertechnic). V kompletu dobimo tudi pogonske jermene, elektromotorja, rele za pritikanje pisala, stikala za zaznavanje skrajnih leg pomikov vodil in vso krmilno elektroniko, ki je zasnovana okoli krmilnika Me Orion, ki temelji na Arduinu Uno. Cena kompleta je v ZDA okoli 300 USD.

Sestavni deli za Makeblockov risalnik.

V celoti izdelani doma

Z nekaj več truda in tehničnega znanja lahko skoraj poljubno velik koordinatni risalnik v celoti izdelamo doma, saj v spletu ne manjka zanimivih načrtov. Čeprav se večina glede krmilne elektronike zanaša na Arduino, nekateri avtorji tudi sami izdelajo celotno krmilno elektroniko z mikrokrmilniškim čipom po lastni izbiri, ki jo lahko z osebnim računalnikom povežemo prek priključka USB.

Enega izmed projektov za samogradnjo velikega risalnika na podlagi Arduina Uno najdemo na spletni strani opensource.com/article/18/3/diy-plotter-arduino. Avtor se je še posebej potrudil pri izdelavi vodil, za katera je poleg kovine uporabil tudi lesene elemente. Za pogon rabita dva koračna motorja, za pritikanje pisala pa rele.

Na spletni strani Hackday.io najdemo tudi nekoliko enostavnejši projekt, zasnovan na pravokotno postavljenih koordinatnih vodilih iz kovinskih palic (hackaday.com/2016/04/23/home-made-pen-plotter), ki prav tako temelji na krmilniku Arduino Uno in dokupljenih ščitih za krmiljenje koračnih motorjev in releja za pritikanje pisala.

Makeblockov risalnik.

Omenimo še projekt ruskega avtorja (sensi.org/~svo/motori), ki je sam izdelal tudi elektroniko za krmiljenje pogonov risalnika. Projekt je zanimiv tudi zato, ker je risalnik mogoče nadgraditi s 300 mW laserjem, ki lahko sliko vžge tudi v leseno površino.

Miniaturni risalnik iz recikliranih delov

Enote CD in DVD imajo natančna vodila za vzdolžno premikanje bralno/pisalne glave po eni koordinatni osi. Za izdelavo risalnika tako potrebujemo dve odsluženi enoti, iz katerih uporabimo vodili s pogonskima motorjema in mizicama, na katerih je izvirno nameščena bralno/pisalna glava. Eno od vodil namestimo pravokotno, tako da spodnje vodilo vzdolžno premika zgornje vodilo, ki je postavljeno nad risalno površino. Potrebujemo še mehanizem za pritikanje pisala, ki ga lahko izdelamo ob pomoči servomotorja, ki ga moramo kupiti posebej. Kupiti moramo tudi Arduino Uno in ščit s krmilnikom koračnih motorjev (L293D Motor Shield). Odprtokodno programsko opremo najdemo na Git-Hubu in drugih spletnih straneh, katerih povezave so objavljene na spletni strani z navodili za izdelavo risalnika: www.instructables.com/id/How-to-Make-Mini-CNC-2D-Plotter-Using-Scrap-DVD-Dr. Prednost miniaturnega risalnika je natančnost, a lahko z njim rišemo le lističe papirja velikosti približno A6, to pa je za večino risb premalo.

Zgled koračnega programa za krmiljenje risalnika.

Se splača?

Ob poplavi poceni natančnih laserskih tiskalnikov in barvnih brizgalnih tiskalnikov za vsakdanjo rabo bo domači risalnik morda res ostal le zabavna igrača, a se lahko ob izdelavi in preizkušanju veliko naučimo o robotiki, to pa je vredno sestavljanja. Če se ga kasneje naveličamo, lahko njegovo krmilno elektroniko uporabimo tudi pri samogradnji robota …