Construye Tu Propio Plotter de Pared por $15: DIY Económico con Arduino

Componentes y Suministros

Arduino UNO	×	1
Motor Paso a Paso 28BYJ-48 con Driver	×	2
Receptor IR TSOP 4838	×	1
Lector Tarjeta Micro SD SPI	×	1
Micro-servomotor SG90	×	1

Herramientas y Máquinas Necesarias

• Impresora 3D (genérica)
• Soldador (genérico)

Aplicaciones y Servicios en Línea

• Arduino IDE

Sobre el Proyecto

Antecedentes

No recuerdo exactamente cuándo empezó, pero creo que hacia 1999. Un amigo aficionado a robótica y electrónica y yo discutíamos construir un robot para dibujar en pizarras blancas. Nunca tuvimos tiempo para algo serio; el ecosistema de microcontroladores para aficionados no era lo que es hoy.

En 2002 mi amigo me mostró el trabajo de Jürg Lehni y Uli Franke: Hektor. Me alegró ver que algo similar a lo que soñábamos construir ya existía y se compartía con el mundo. Estaba en paz.

Tiempo después mostré la web de Hektor a alguien, explicando lo fantástico que me parecía. Pero empecé a fijarme en detalles y me di cuenta de que le faltaba una propiedad que yo había imaginado inicialmente: quería que fuera auto-contenido, todo en una unidad con solo cables conectándola a la pared. Miré pesos de motores paso a paso y me di cuenta de que mi idea no volaría.

Pasó el tiempo y pasaron cosas en robótica aficionada. Era 2014, llevaba tiempo usando Arduinos y servos RC para proyectos de control de cámara, tenía acceso a impresión 3D y ¡tiempo libre (!?). Al toparme con el motor paso a paso 28BYJ-48, increíblemente barato, supe exactamente qué iba a construir: el plotter de pared minimalista más barato posible.

Primer Intento

Tras esperar cinco semanas por piezas de China, empecé la construcción. Intenté hacer un chasis lo más compacto posible para alojar Arduino Uno, steppers, servo y batería. No recuerdo cuántos diseños "poco inteligentes" hice en OpenSCAD hasta que cayó la ficha: ¡Los hilos deben cruzarse!

La geometría cruzada aporta gran beneficio para mantener la posición correcta en la pared. El inconveniente es menos estabilidad frente a rotación en eje vertical. Se solucionó añadiendo bridas en las esquinas del plotter, ajustadas para impedir la rotación.

El primer plotter hardware quedó como en la foto. En mi búsqueda de piezas más baratas usé hilo de coser para navegación y compensación de gravedad. Los hilos se cruzaban en la parte superior del chasis impreso en 3D por pequeños orificios. El bolígrafo se levanta de la superficie de dibujo mediante un servo RC que empuja todo el plotter lejos de la pared.

Este primer plotter tenía un diseño hardcoded en su programa en el Arduino. La configuración se hacía sacando un metro de hilo por cada lado y fijándolos a un metro de distancia. Así el plotter conocía el sistema de coordenadas al encender y empezaba a dibujar las rutas en memoria. Funcionaba, pero era un lío: reflashar el Arduino al cambiar diseño no era divertido, y estar restringido a la configuración de un metro era frustrante.

Fue buena plataforma para entender el problema. Aprendizajes rápidos:

• Los motores paso a paso no son muy fuertes → Los carretes eran demasiado grandes.
• Punta del bolígrafo desplazada del cruce de hilos → Inestabilidad tremenda.

Lo bueno de estos problemas es que me obligaron a implementar aceleración y frenado razonables...

Evolución

Plotter número dos (el blanco en la imagen de portada) trajo mejoras:

• Carretes más pequeños.
• Carretes sobre el bolígrafo para mejor routing del hilo y menos movimiento péndulo.
• Electrónica más accesible.
• Tarjeta SD para almacenar qué dibujar.
• Nuevo proceso de configuración permitiendo distancia variable entre puntos de anclaje.
• Receptor IR para control total desde mando a distancia.

Añadir lector SD y receptor IR fue más fácil de lo que anticipé. Momento "¿por qué no lo hice desde el principio?". El nuevo proceso de configuración funcionó bien y dio flexibilidad para dibujar grande y pequeño. El mayor dibujo hasta ahora: ~2.5 m de ancho.

La configuración se hace navegando el plotter con el mando. Primero marca posición A, luego se mueve a B y marca esa. Puse marcas de 20 cm en los hilos izquierdo y derecho para evitar mediciones manuales. La distancia m se obtiene contando pasos del stepper izquierdo al mover de A a B. Una vez que el plotter conoce d y que está en B, puede moverse y dibujar donde quiera en el espacio entre y debajo de los anclajes.

Plotter número tres (el naranja en el video) es muy similar, con unos cambios:

• Toda la electrónica como shield para Arduino.
• Vigilante de nivel de batería, permitiendo "pausa - cambiar batería - reanudar".

Buenas intenciones, pero: poner drivers de stepper directamente en el shield (saltando los drivers que vienen con los steppers) significaba nada de LEDs parpadeantes. Triste y aburrido. También el LED onboard del Arduino queda oculto tras el shield, perdiendo los parpadeos convenientes al recibir IR, así que no sabes si pulsaste el botón de calibración. La medición de batería parecía buena idea, pero en la práctica siempre usé alimentación por cable para dibujos largos.

Plotter número cuatro (¡El fabuloso!) se construyó como regalo de cumpleaños para mi hermano. Es el más bonito, con electrónica estilo shield pero dejando los drivers con LEDs parpadeantes visibles. Los cables se dejaron innecesariamente largos por estética.

Plotter número cinco (edición MacGyver) se construyó como prueba de concepto para esta descripción. Quería mostrar que se puede construir un plotter así sin herramientas sofisticadas. Me senté en el garaje y miré qué tenía. Alambre de amarre (alambre blando para unir varillas) fue mi primera opción. Al buscarlo encontré una correa de ducto y pensé que ahorraría tiempo y daría más estabilidad. Bridas y cinta gaffa también estaban en la lista pero no se usaron. Lo único que no resolví fue cómo hacer buenos carretes sin mucho trabajo. Volví a casa por café y ¡ahí estaba! La tapa de un envase de leche. Honestamente, tardé menos en construir el chasis del plotter cinco que en imprimir el diseño original en 3D. Y funciona casi igual de bien.

Plotter número seis

¿Otro más? No pude evitarlo. Algunas cosas me molestaban y había mejoras gracias a comentarios aquí.

• El tamaño de impresión 3D era demasiado grande y lento.
• Mover el bolígrafo en lugar de todo el plotter valía la pena probar.
• Mover Servo y receptor IR a pines "analógicos" liberaría pines digitales 0-1 para depuración serie (¡Gracias jrcTexas por señalarlo!).

Resultado:

¿Cómo funciona esta nueva versión? Bien y mal. Los cambios se sienten bien en general, pero hay un problema: al no estar el bolígrafo fijo al chasis, se tambalea un poco al dibujar, empeorando la precisión respecto a la generación anterior. La gran ventaja es liberar pines digitales 0-1 para depuración serie, lo que facilita mucho la vida.

También empecé pruebas de estrés en los steppers para averiguar cómo no perder pasos:

Se descubrió que había que reducir velocidad para tener suficiente par. Calculé la tracción real en los hilos según posición del plotter en la pared. Quizá siga investigando cómo afectan distintas secuencias de paso y voltaje. Algún día.

Usando el Plotter

Hice un video mostrando configuración y dibujo en tiempo real. La configuración es bastante directa y rápida. El reto típico es encontrar buenos puntos de anclaje. Para pizarras blancas uso ventosas pequeñas con un bucle de hilo de coser pegado, y cuelgo el plotter con un clip. Importante: conseguir el hilo lo más pegado a la pared posible para mejor presión del bolígrafo.

Otra advertencia: dibujar alto en áreas anchas. Cuando se requiere más par para tirar del hilo, los steppers empiezan a perder pasos, haciendo que el plotter pierda su ubicación exacta (no hay encoders). Consejo general: Cuelga alto, dibuja bajo.

Hardware del Plotter

Construir el plotter es directo y parece la mayoría de proyectos Arduino: un Arduino Uno, componentes y cables para conectarlos.

Según los esquemas, se usan casi todos los pines digitales y posiblemente algunos analógicos (ej. monitor de batería). Un problema: se usan pines 0-1 que son TX/RX. Para evitar freír cosas, desconecte lo que tenga ahí al programar el Arduino. Por eso mis plotters recientes usan shield desmontable para programar.

El servo RC puede ser cualquiera; solo hay que montarlo para que empuje el plotter lejos de la pared (o no).

Los steppers y drivers podrían cambiarse, pero los 28BYJ-48 son tan convenientes. No son muy potentes; me gustaría construir uno mucho más rápido algún día. Están rated a 5 V pero los he alimentado felizmente con 5–9 V sin problemas. Se calientan pero no he quemado ninguno.

El módulo micro-SD se conecta directo al Arduino, ya sea por pines SPI o digitales 10–13.

El receptor IR TSOP 4838 también funciona directo al Arduino.

Mis plotters 3 y 4 tenían vigilante de batería por divisor resistivo en entrada analógica. También pensé en monitor de temperatura de steppers. Mi consejo: omítalo.

Recomiendo encarecidamente construir y probar una cosa a la vez. No ensamble todo, ponga gráficos en la SD y espere dibujar de inmediato. Haga esto:

• Pruebe el receptor IR. Use ejemplo IRRecvDump de librería IRRemote. Lo necesitará para grabar códigos de su mando.
• Pruebe su servo. Use ejemplo Sweep de librería Servo.
• Pruebe su tarjeta SD. Juegue con ejemplos de librería SD.
• Pruebe controlar los steppers. Use ejemplos de librería Stepper.
• Cuando se sienta cómodo, flashee el programa del plotter en el Arduino y luego conecte todos los componentes (sin ensamblar ni hacer bonito aún).
• Alimente el Arduino y vea qué pasa. Si todo va bien, el servo hará un barrido tras encender.
• Intente controlar steppers desde el mando. Asegúrese de cuál es izquierdo y derecho. Verifique que "REEL_IN" realmente recoge hilo y no lo suelta. 50 % de probabilidad de que necesite invertir orden de pines en software o hardware (no se preocupe, es fácil girar los conectores. Confíe, pero verifique).
• Cuando confíe en que todo funciona, ensamble todo en forma de plotter y pruébelo colgado de una pared.

No doy instrucciones súper detalladas de ensamblaje. Es mejor que explore su hardware y encuentre soluciones que le funcionen. Inspírese en el plotter "MacGyver", manténgalo simple. Siempre puede perfeccionar después. Abajo hay un video poco coherente hablando de hardware. También necesitará familiarizarse con el software y crear archivo para dibujar, ver más abajo.

Software del Plotter

Todo el software está en GitHub. Disculpen el estado del código, es un hack total. Quizá lo limpie algún día, pero es probable que lo vean antes. Sorry.

El software en el plotter hace básicamente dos cosas:

• Permitir navegación y configuración desde el mando.
• Dibujar el contenido de un archivo .svg guardado en la tarjeta SD.

Como la memoria de programa del Arduino Uno es limitada, se tomaron muchos atajos feos para que cupiera. Esto fue especialmente cierto en el primer plotter sin SD, donde los gráficos también debían programarse directo en el Arduino. El parseo de .svg es extremadamente limitado: solo maneja paths con líneas (sin curvas) y requiere un dialecto .svg específico que genero con Inkscape.

Los archivos .svg se guardan en la raíz de la SD como 1.svg, 2.svg, etc. El archivo a dibujar se selecciona pulsando el botón correspondiente en el mando. Así tengo el plotter preparado con favoritos para enriquecer pizarras ajenas rápidamente.

Se usó Arduino IDE para compilar y programar. La única librería extra es IRRemote (de shirriff).

Crear un Archivo Dibujable

Hay cientos de formas de crear un .svg que funcione, pero describo una:

• Use Inkscape.
• Dibuje lo que quiera y conviértalo a paths: "Objeto → Objeto a ruta".
• Elija "Editar caminos por nodos (F2)".
• Seleccione todos los paths y nodos individuales. Ctrl+A dos veces.
• Convierta a líneas: "Extensiones → Modificar ruta → Aplanar Bezier".
• Guarde como "SVG de Inkscape".
• Ejecute en el simulador (ver abajo).

El Simulador

¡Una cosa más! Hay un simulador. Es más o menos obligatorio pasar cualquier dibujo por el simulador antes de intentar imprimirlo. Requerido sobre todo porque el parseo .svg es tan malo que hay altas probabilidades de que algo no se interprete bien en el plotter.

El simulador compila el código del plotter para macOS o Linux y reemplaza las llamadas "digitalWrite" por impresiones a stdout (timestamp, pin, estado) que se redirigen a una UI de visualización.

Escribí el simulador tras un bug que arruinó un dibujo de 2 horas al 95 %. Estaba perdido y me di cuenta de que necesitaba forma de depurarlo. Resultó ser un bug de parsing float por un número en el .svg con decimales ridículos. (Hice mi propio parsing porque funciones de librería no cabían en memoria). Buen bug porque me forzó a hacer el simulador.

Usar el simulador durante desarrollo ayuda mucho. Puede correr mucho más rápido que tiempo real, muy conveniente. También muestra cuánto tardará el dibujo en tiempo real. Hay un readme junto al código del simulador con instrucciones.

Mejoras Futuras

• Dejar de parsear .svg en el plotter; usar parser real en PC y crear buen formato para el plotter.
• Mejor frenado: el software actual solo lee un segmento adelante, a veces insuficiente si una ligera curva se vuelve brusca.
• Encoders o feedback para evitar perderse al perder pasos.
• Escribir software limpio y proper.
• Usar controlador con WiFi y teléfono en vez de mando.

Algunas Palabras Finales

Como habrán entendido, pasé bastante tiempo en este proyecto, hace tiempo. Sigo pensando que es divertido y tengo montones de ideas de mejoras, nuevas variaciones y nuevas paredes que decorar. Pero simplemente no tengo tiempo: hay tantos otros proyectos, familia y trabajo.

Lo que realmente me encantaría es que alguno de ustedes, buena gente de internet, saque algo de leer esto y se inspire para sus propios proyectos. También me haría ilusión que algunos construyeran sus propios plotters y los hicieran funcionar.

Aunque creo que logré un plotter minimalista, no conseguí bajar el coste de $10 que me marqué como objetivo. Pero como las piezas siguen abaratándose, probablemente se logre en un año o dos...

Ah, una cosa más. Por favor no me maten por el código espagueti. Nunca se escribió para ser compartido, estaba ocupado dibujando en la pared y me importaba un comino el código. Decidí compartirlo igual, así que alégrense de eso.

Buen viaje,

Fredrik

Código

Stringent

Código, documentación y dibujos CAD para el plotter de pared Stringent.
https://github.com/snebragd/stringent

Piezas Personalizadas y Cajas

Subido nuevo STL para la base, el anterior estaba roto. Nueva base: huella menor → menos impresión. La acción del servo ahora mueve el bolígrafo en lugar de empujar el plotter lejos de la pared.

Esquemas

Esquema electrónico simple: