Plotter casero con Raspberry pi


Muchos de nosotros recordamos que nos enseñaron, o incluso fabricamos, trazadores de pantógrafos antes de que las herramientas gráficas formaran parte del conjunto de características informáticas estándar en el hogar o la oficina. Daniele Procida, gurú de la informática de código abierto, se acordó de un dispositivo de este tipo cuando, durante la planificación de la conferencia PyCon Namibia, pensó en un ejemplo de baja tecnología de las posibilidades de Raspberry Pi. El resultado, BrachioGraph, que dibuja retratos y reproduce imágenes de objetos, fue un éxito instantáneo, inspirando a un grupo de entusiastas creadores.

Daniele señala el contraste entre los recursos que suelen estar disponibles en las conferencias del Reino Unido y Europa y los de los países africanos anfitriones: «Una cosa es hacer cosas con robótica si tienes acceso a impresoras 3D, cortadoras láser y piezas y componentes disponibles en el mercado, y otra muy distinta si eres un estudiante universitario de la Universidad de Namibia, o un estudiante de secundaria y probablemente tienes que compartir un portátil o un ordenador». Combinado con el propio interés de Daniele, pero su falta de experiencia en robótica, decidió «hacer algo que fuera lo más asequible posible, pero también significativo y también accesible, que no requiriera un mínimo absoluto de materiales y conocimientos e instalaciones».

Captura de movimiento


Jugar con servos y Raspberry Pi fue el punto de partida del proyecto del dispositivo de trazado de Daniele. Moverlos era bastante fácil, pero él estaba ansioso por ver un resultado práctico: «¿Qué podemos hacer realmente?». Con la nostalgia de los pantógrafos y los trazadores aéreos XY en común, Daniele explica que encontró «su capacidad para reproducir algo que hacemos con las manos intrínsecamente fascinante. Cuando ves un bolígrafo moviéndose, parece que tiene un propósito».

Aunque los servomotores pueden utilizarse para accionar un dispositivo a lo largo de líneas rectas, traducir los movimientos y las líneas dibujadas a mano en una página es más una cuestión de ángulos. La cuestión, dice Daniele, era si podía convertir los movimientos en líneas sobre una página. «Claro que se puede, porque tu propio brazo, si estás dibujando con un bolígrafo, tampoco tiene motores que vayan en línea recta. Sólo utiliza ángulos». Empezó modelando el diseño a partir del de un pantógrafo, que imita fielmente el movimiento del brazo humano. Un BrachioGraph, por su parte, es un «trazador de brazo».

Se anima a los imitadores


El BrachioGraph se puede configurar para que funcione solo, lo que lo convierte en un expositor ideal para conferencias. «En una conferencia, pasé mucha vergüenza porque cogí prestada una mesa en la sala de los patrocinadores y dejé algo funcionando, trazando». Cuando volvió, había tres o cuatro personas alrededor de la mesa en la que estaba el BrachioGraph, acaparando toda la atención de los patrocinadores que habían comprado mesas.

Dada una imagen para copiar, el BrachioGraph es capaz de reproducirla. Daniele dice que, tras muchos borradores de diseño y experimentación, lo más importante no es que «haya construido esta cosa y funcione», sino que sea reproducible por otras personas y con materiales domésticos como palitos de helado, o cartón y lápiz, o ropa.

«Lo más bonito para mí es que, de vez en cuando, alguien me envía un correo electrónico y me dice: ‘Oh, era el cumpleaños de mi sobrina de 12 años y, cuando estaba de visita, cogí una Raspberry Pi y tres servomotores, y nos pasamos el fin de semana ‘haciendo un BrachioGraph'».

Construir el trazador


Este tutorial te lleva a través del proceso de construcción de un plotter con brazos de 8cm. Los brazos de 8 cm son adecuados para dibujar un área de aproximadamente 14 cm de ancho por 9 cm de alto. Esto se ajusta bien a una hoja de papel A5.

Componentes y materiales

Necesitaremos:

  • una Raspberry Pi
  • tres servomotores (modelo recomendado: TowerPro SG90 – ver servomotores para más información)
  • palos o cartulina rígida para hacer dos brazos de unos 10 cm de largo cada uno
  • cables de puente y conector GPIO para conectar la Pi a los servos
  • una pinza de la ropa
  • un tablero o una hoja de cartulina, de tamaño A4 aproximadamente
  • pegamento fuerte o pistola de pegamento caliente

. Montaje
La siguiente imagen muestra la construcción básica del trazador BrachioGraph y los nombres de algunas piezas clave. En este ejemplo, la hoja de dibujo es de tamaño A5.

El motor de hombro
El motor de hombro debe colocarse en la posición correcta. Puedes encontrar una posición adecuada utilizando la imagen de arriba como guía, pero mejor aún, imprime la plantilla suministrada. Fíjala a la placa. El eje del motor deberá colocarse en la posición 0, 0 según la cuadrícula, como se muestra a continuación:

El servomotor debe elevarse unos milímetros (entre 4 y 6 mm debería estar bien), por ejemplo con algunas capas de cartulina. Pégalo en su sitio.

El brazo interior
Pega los servocuernos -los pequeños brazos de plástico que se fijan a los husillos del motor- al brazo interior, de modo que los centros de rotación estén separados exactamente 8 cm.

El brazo exterior, la pinza y los servos
Pega un servo y una pinza de la ropa al brazo exterior, de modo que un bolígrafo en la pinza y el centro de rotación del brazo estén también exactamente a 8 cm de distancia.

Pega el servo final en una posición tal que su cuerno pueda girar con seguridad, y sea capaz de levantar el bolígrafo del papel – mira el primer plano de arriba.

Instalar el software


El siguiente paso es instalar el software. La biblioteca BrachioGraph requiere algunos componentes adicionales. Necesita ejecutarse en un entorno Python 3, utilizando Python 3.6 o posterior.

Instalar los paquetes del sistema

Es posible que ya tengas instalados algunos de ellos, pero eso no debería importar. Los paquetes incluyen:

  • venv, para gestionar entornos virtuales bajo Python 3
  • PIGPIO, una excelente librería que proporciona control por hardware de los pines GPIO de la Pi – importante para la sincronización precisa de los pulsos. Viene con una interfaz Python para el código de bajo nivel.
  • varias librerías de sistema requeridas por la librería de imágenes Pillow Python
  • libatlas3-base y libgfortran5, requeridas por la librería matemática Numpy Python
  • python3-tk, para la integración gráfica de Turtle
  • Git

Si su SO es Raspberry PiOS ejecutaremos los siguintes comandos en nuestra Pi:

sudo apt install -y python3-venv python3-tk pigpiod libjbig0 libjpeg-dev liblcms2-2 libopenjp2-7 libtiff5 libwebp6 libwebpdemux2 libwebpmux3 libzstd1 libatlas3-base libgfortran5 git

Configurar un entorno virtual
Crea y activa un entorno virtual Python en el que trabajar:

python3 -m venv env
source env/bin/activate

El entorno debe estar activo siempre que utilices el trazador. Puede saber cuando el entorno virtual está activo desde el prompt de bash:

(env) pi@raspberrypi:~ $


Si necesita reactivar el entorno, ejecuta source env/bin/activate una vez más, en este directorio,

Clonar el repositorio BrachioGraph
Utiliza Git para clonar el repositorio BrachioGraph desde https://github.com/evildmp/brachiograph:

git clone https://github.com/evildmp/BrachioGraph.git


O, si ya ha configurado una clave pública usando ssh-keygen y ha añadido su clave pública a su cuenta de GitHub, puede usar SSH en su lugar:

git clone [email protected]:evildmp/BrachioGraph.git

Instalar paquetes Python
Las versiones fijas de los paquetes Python están listadas en requirements.txt en el directorio BrachioGraph. Instálelos ejecutando

cd BrachioGraph
pip install -r requirements.txt


Esto instalará:

  • Numpy, una biblioteca matemática de Python
  • La biblioteca Python de PIGPIO
  • Pillow, la biblioteca de imágenes de Python más utilizada.
  • tqdm, para el indicador de progreso mientras se dibuja
  • readchar, para permitir que los métodos BrachioGraph.drive() acepten entradas del usuario
  • pytest, para ejecutar el conjunto de pruebas

Sólo tiene que instalarlos una vez en tu entorno virtual. La próxima vez que actives el entorno virtual, verás que siguen ahí.

Cablear el plóter


Asegúrese de que la Raspberry Pi está apagada mientras la conecta. Aunque las Raspberry Pis pueden soportar una cantidad francamente asombrosa de abuso, corre el riesgo de causar daños si se equivoca en el cableado. Hazlo con la alimentación apagada, tómese su tiempo y compruebe dos veces tu trabajo.

Hay que conectar los tres servos a la Raspberry Pi. Cada servo tiene tres cables:

  • 5V (alimentación) – normalmente naranja o rojo
  • Tierra – normalmente marrón
  • Señal – normalmente amarillo

5V y tierra son necesarios para alimentar el servo; el cable de señal lleva un pulso, cuya anchura (su longitud en microsegundos) determina la posición del motor.

Al menos dos de los servos tendrán que compartir una conexión de 5V, ya que la Raspberry Pi sólo tiene dos disponibles. La forma de conseguirlo dependerá de lo que tengas disponible.


Este es el listado de cada conexión desde el servo hasta la Raspberry Pi:

Es decir usamos la alimentación de 5v DC para alimentar los tres servos , y luego como cables de señal usamos los GPIO 14,15 y 18.

Poner en marcha el BrachioGraph

Antes de hacer nada, separe el brazo interior de los servos; de lo contrario, corre el riesgo de que la áquina se agite salvajemente cuando se activen los servos.

Crear una instancia de BrachioGraph
Encienda la Raspberry Pi. Ejecúte:

sudo pigpiod
source env/bin/activate
cd BrachioGraph
python

Y a continuación, en la shell de Python, importa la clase BrachioGraph del módulo brachiograph:

from brachiograph import BrachioGraph


Cree una instancia de BrachioGraph a partir de la clase:

bg = BrachioGraph()


Esto inicializa una instancia de BrachioGraph bg con la que puedes interactuar. Oirá el zumbido de los motores mientras los coloca en su posición por defecto, aparcados.

Colocación y prueba del brazo interior
Ahora vuelva a colocar el brazo interior, de modo que la máquina tenga más o menos este aspecto.

Debe estar lo más cerca posible de -90˚ (como se marca en la cuadrícula), pero no te preocupes si no lo está, lo ajustaremos más tarde.

Haga una prueba rápida:

bg.set_angles(0, 90)


El primer valor es el ángulo del brazo interior, el segundo el ángulo del brazo exterior. El brazo interior debería girar en el sentido de las agujas del reloj hasta aproximadamente 0˚. Devuélvelo a su punto inicial con:

bg.park()

Colocación y prueba del brazo exterior

Ahora vuelve a colocar el brazo exterior. Debe estar en una posición lo más cercana posible a 90˚ respecto al brazo interior:

Pruébas:

bg.set_angles(-90, 120)


El brazo debería girar en el sentido de las agujas del reloj desde su posición de 90˚ unos 30˚. Vuelve a aparcar los brazos con bg.park().

Ajuste el mecanismo de elevación de la pluma

Prueba a bajar y subir el motor de la pluma:

bg.pen.abajo()
bg.pen.up()


Ajuste la bocina del motor y la posición de la pluma en la pinza de la ropa para que en la posición baja la pluma toque firmemente el papel, y en la posición alta lo despeje uno o dos milímetros.

Comprobación del estado


Ejecutar:

bg.status()


El BrachioGraph informará de su estado:

Iniciar el trazado

Mover los brazos


El método set_pulse_widths() es una forma manual de establecer los anchos de pulso que determinan la posición de un servo. Prueba esto:

bg.set_pulse_widths(1500, 1500)


No debería pasar nada, porque esos ya son los anchos de pulso que está aplicando. Pero intenta incrementar el ancho de pulso del primer servo en 100 (microsegundos) – asegúrate de que los números son correctos, porque un valor erróneo puede hacer que los brazos vuelen:

bg.set_pulse_widths(1400, 1500)


Esto debería mover el brazo interior unos pocos grados en el sentido de las agujas del reloj. El primer valor controla el ancho de pulso del servo del hombro, y el segundo el ancho de pulso del servo del codo. Prueba diferentes valores para los dos servos, cambiándolos no más de 100 cada vez, hasta que los brazos parezcan perpendiculares entre sí y al área de dibujo.

Anote esos dos valores en un trozo de papel; los utilizaremos en el siguiente paso.

Servo

ancho de pulso en ángulo estacionado

Hombro (estacionado a -90˚)

Codo (estacionado a 90˚)

Inicializar un BrachioGraph personalizado

Por defecto, un BrachioGraph se inicializa con valores de 1500 para ambos servos (para la mayoría de los servos, 1500 µs los sitúa en el centro de su movimiento). Sin embargo, es probable que hayas encontrado que se necesitan valores ligeramente diferentes para alinear los brazos en los ángulos correctos. Digamos que los dos valores que anotaste en el paso anterior fueron:

1570 para el motor del hombro

1450 para el motor del codo.

En ese caso, reinicie el BrachioGraph utilizando los valores que has descubierto:

bg=BrachioGraph(servo_1_parked_pw=1570, servo_2_parked_pw=1450)

Empieze a dibujar
Ahora debería ser capaz de dibujar una caja:

bg.box(bounds=[-2, 7, 2, 11])


Esto significa: dibuja un rectángulo definido por las coordenadas -2, 7 en la esquina inferior izquierda y 2, 11 en la esquina superior derecha. Todo es siempre relativo al eje del motor del hombro en 0,0):

El BrachioGraph dibujará tu cuadrado. Será un cuadrado tambaleante e imperfecto, pero debería ser un cuadrado reconocible, de unos 4 cm de ancho y alto.Pruebe a aumentar progresivamente las dimensiones del recuadro, por ejemplo:

bg.box(bounds=[-3, 6, 3, 12])

Si tiene suerte, debería poder dibujar una caja que tenga el tamaño completo del área de dibujo por defecto. El comando status() que usaste arriba lo muestra:

abajo a la izquierda: (-8, 4) arriba a la derecha: (6, 13)
Para dibujar una caja alrededor de esta área, utilice el comando box() sin ningún parámetro:

bg.box()


Pruebe algunos patrones de prueba

Y ahora dibuja un patrón de prueba:

bg.test_pattern()


¿Qué ocurre si dibuja el patrón de prueba al revés?

bg.test_pattern(inverso=Verdadero)


Verá que los patrones se alinean de forma muy imperfecta. Esto se debe a la holgura y la fricción del sistema. En la próxima sección trataremos de mitigar esto, y en general mejorar la exactitud y precisión del trazador. Mientras tanto, vamos a dibujar una imagen de prueba.

Haga un dibujo

En el directorio de imágenes, encontrarás un archivo llamado demo.json. Éste contiene las líneas y los puntos a lo largo de ellas, representados como coordenadas en formato JSON, y es lo que el trazador utiliza para dibujar

Traze el archivo:

bg.plot_file("images/demo.json")

Mas información en https://www.brachiograph.art

Como conectar una cámara externa en Android


En efecto, es posible usar casi cualquier dispositivo que tenga una cámara digital con conexión USB (pensadas para su uso exclusivo en ordenadores), usarlas también con nuestro smartphone o tableta a modo de pantalla portátil. Es importante destacar, que cuando hablamos de cámaras digitales, no solo nos referimos a las clásicas web-cam que usamos para videoconferencias (que también podria ser útil) , también hablamos de cámaras especificas para determinadas labores como pueden ser microscopios digitales, endoscopios, cámaras para telescopio, scanner de negativos, etc.

Por ejemplo, las cámaras microscopio pueden ser útiles en nuestras labores de soldadura o reparación (sobre todo, ahora que casi todos los componentes son SMD) o cualquier labor de precisión, como relojería por ejemplo, usando este tipo de cámaras con microscopio digital, en vez de conectadas a un ordenador por USB, usarlas con nuestro smartphone o incluso aun mejor, con nuestra Tableta.

microscopio-usb

Una de las apps para este cometido, se llama usb camera y funciona con Android 7. Ciertamente en el trailer de la tienda, esta app la promocionan para usar con capturadoras de audio/ video (tipo Easy Cap), ya que esta app no solo procesa el video sino también el audio.

Lo destacable es,que para otros tipos de dispositivos, como hemos comentado anteriormente, es que este software también puede ser muy útil como pantalla de visualización (es decir también para microscopios digitales, endoscopios, cámaras para telescopio, scanner de negativos, cámaras de automoción, etc.) , pudiendo también funcionar perfectamente, independientemente de que existan otras aplicaciones que puedan servir para el cometido.

sw-microscopio-usb

Para usar nuestro smartphone o tableta para visualizar la salida de video digital de cualquiera de los dispositivos comentados, estos dispositivos no es lo único que necesitaremos, pues también debemos tener a la mano estos elementos adicionales:

  • Necesitaremos especialmente un cable USB OTG que dependiendo del telefono o tableta será distinto ( usb tipo c, micro-usb o incluso mini-usb para tabletas muy antiguas). Dependiendo de cada caso, podríamos requerir adaptadores adicionales si no contamos con el cable especifico ( por ejemplo, puede que necesitamos incluso un cable adoptador USB-micro USB, o también, podríamos requerir de un pequeño adaptador mini USB-micro USB).
  • Lógicamente, necesitamos la herramienta instalada USB Camera en el dispositivo móvil Android.
  • Podemos probar con cualquier cámara web del mercado (previamente, averiguar compatibilidad con el vendedor por ejemplo con las herramientas web que comentamos al final de ese post).

Fundamentalmente respecto al cable OTG, si vamos a alimentar también nuestro dispositivo ( lo cual encarecerá el cable), esta es la opción mas recomendada, por el alto consumo extra del dispositivo que conéctenos, pues este se alimentaría a través de la bateria del smartphone o tableta)

Así nos podemos decidir fundamentalmente por dos tipos de adaptadores:

  • Adaptadores USB C a USB con carga USB C ,es decir divisores USB C OTG de carga rápida PD de 60 W compatibles con Galaxy S22, Switch, Google Chromecast con Google TV, Pi-KVM, impresora 3D, Octo4a, Pixel 4XL y ene general cualquier smartphone «moderno » con conexión USB-Cc ( por ejemplo este)
adaptador usb para-microscopio
  • Adaptadores Cable OTG Micro USB, es decir cabes multifuncionales normalmente diseñados para Smart TV ( por ejemplo para conectar a un Amazon Fire Stick). Estos cable OTG tienen 2 puertos y 1 enchufe, Puerto Micro Hembra, Puerto USB Hembra y Enchufe Micro Macho ( por ejemplo este).
adaptador usb para-microscopio

Cabe mencionar ligeramente, que nuestro gadget Android es uno de los más incompatibles que podrían existir para realizar este tipo de tareas. Aún teniendo en cuenta las limitaciones citadas por ciertas incompatibilidades con dispositivos ambiguos, pero desde diferentes pruebas que se han realizado a la hora de escribir este post, hemos logrado notar, que “USB Camera” funciona perfectamente bien con la mayoría de cámaras web que existen en el mercado.

USB Camera: Las mejores ventajas de trabajo en una herramienta

Una de las principales ventajas es que “USB Camera” no necesariamente debería ser usado para un smartphone Android sino más bien, para aquellos dispositivos móviles en donde no existe una cámara. Hablamos específicamente de nuestros Mini PC Android o de las cajas TV-BOX que actualmente están disponibles en diferentes tiendas online. Ninguno de estos dispositivos móviles cuentan con la presencia de una cámara integrada y por tanto, fácilmente podríamos comprar cualquier webcam del mercado (que sea USB) para conectarla al respectivo puerto utilizando la herramienta que hemos recomendado en este post.

Por si esto fuera poco, la herramienta (USB Camera) también nos ofrece determinadas funciones adicionales de trabajo. Por ejemplo, tendremos la posibilidad de tomar fotografías o grabar vídeo; los archivos pueden ser guardados en la SD interna o en una microSD externa, algo que se puede configurar fácilmente desde sus ajustes.

De hecho las versiones ultimas cuentas con capacidades adicionales :

  • Puede enviar los medios de comunicación a varios servidores de medios de comunicación al mismo tiempo.
  • Puede enviar el vídeo en directo al servidor de medios en directo a través del protocolo SRT.
  • Live Push soporta codificador HEVC vía protocolo SRT.
  • Puede utilizar Live Push sin encender el servidor de la cámara IP.
  • Añadir un indicador de audio.

Pasos a seguir para conectar un dispositivo con salida USB por OTG

Para empezar pues, lo esencial es buscar el cable adaptador OTG adecuado a la cámara y al smartphone o tableta que queremos conectar.

Es importe destacar que, dado el consumo de energia de la cámara ( especialmente de los microscopios que van iluminados), se recomienda que el OTG tenga entrada y salida para poder alimentar externamente ambos dispositivos: el terminal y la cámara.

adaptador-microusb para-microscopio

Con el cable adecuado conectaremos a la fuente, a la cámara y al smartphone y tableta .

montaje-microscopio-a-telefono

Ahora iniciaremos la aplicación USB Camera, que si es la primera vez. nos dará una notificación para acceder a la cámara.

aplicacion-usb-camera

Esta aplicación también pide permisos para procesar audio ( en nuestro caso sin valor, ya que los microscopios no tiene sentido que usen audio).

pantalla-2-aplicacion-usb-camera

Finalmente, debería verse en pantalla de nuestro smartphone o tableta el video capturado por el dispositivo que hayamos conectado.

ejemplo-visualizacion-microscopio-usb-en-telefono

Esta aplicación sirve para muchos mas dispositivos, como por ejemplo cualquier web-cam convencional de ordenador, lo cual quizás sea útil para hacer grabaciones mas elaboradas como cámaras mas avanzadas.

detalle-conexion-microscopio-a-telefono

En este caso ,quizá el único problema se encuentre en el micrófono. Si cuenta con una webcam que tenga un micrófono básico entonces no debería esperar un sonido excepcional si estas grabando un vídeo en donde usted sea el interlocutor. De todas formas, este experimento podría ser mejorado en futuras versiones de esta u otras herramientas, lo cual dependerá de la acogida que tenga la herramienta por parte de sus usuarios.

Pruebas con ordenador

Aunque no tengamos la aplicación especifica para abrir el dispositivo en nuestro ordenador , podemos probar este tipo de dispositivos en nuestro pc sin instalar nada, todo desde el propio navegador .

La verdad es que hay muchísimas ejemplos de url que nos permiten probar nuestros dispositivos ( simplemente basta buscar en su buscador favorito «webcamtest«)-

Unos ejemplos: https://www.onlinemictest.com/es/prueba-de-camara-web/ o https://webcammictest.com/es/

visualizacion-web-cam-en-navegador

Hay una utilidad especialmente interesante por la gran información que aporta respecto al hardware conectado a nuestro ordenador (webcamtests.com) .Lo malo de este sitio es que debido al numero de usuarios no siempre esta activo.

visualizacion-microscopio-en-ordenador