Roteiro inicial

Vou tentar sugerir aqui um roteiro inicial de estudo para a criação/projeto de um robô próprio.

1) Portas

É uma boa ideia ter como recurso um computador controlando ou pelo menos se comunicando com o robô. Computadores se comunicam e/ou controlam outras coisas através de suas portas. LPT, COM, USB, miniDIN, PS e por aí vai, tem uma infinidade de siglas para designar todas as portas que um computador suportou ou suporta atualmente. Em teoria, qualquer porta poderia ser usada, já que todas têm alguma capacidade de comunicação, mas na prática, algumas são mais práticas do que outras. A LPT (vulga porta paralela) que era usada com as impressoras mais antigas seria um bom início por ser extremamente simples de usar e com recursos suficientes para controlar um robô bastante aceitável. Mas infelizmente é espécime em extinção, está cada vez mais difícil encontrar computadores que ainda tenham uma porta LPT, então investir em porta paralela talvez não seja uma boa opção.

A bola da vez atualmente é a porta USB. Altas taxas de transmissão e aumentando, capacidade de endereçamento, alimentação elétrica de pequenos dispositivos, plug-and-play, entre outras bem-feitorias, fizeram da porta USB a escolha preferida de quase todos os fabricantes de periféricos para computadores.

O domínio da porta USB em toda sua potencialidade não é tão simples e trivial, mas pode ser alcançado. Enquanto isso, existem (e são largamente usados na robótica) simuladores de porta COM para portas USB. Dessa forma, um programa "enxerga" a porta USB como se fosse uma porta COM e pode ler e enviar bytes pela porta usando comandos e bibliotecas para porta COM. Isso simplifica muito o uso da porta USB, embora com o custo de perder acesso a algumas de suas habilidades.

Então o primeiro desafio do neófito aspirante a robot maker é aprender a usar alguma porta do computador.

2) Motores

Para este contexto, robôs precisam ser capazes de algum tipo de movimento e para isso usam atuadores. Atuadores podem ser de diversos tipos, cores e sabores, mas o atuador que nos interessa no momento é o motor elétrico. Existem muitos tipos de motores, assim como existem muitos tipos de robôs. Mas para fazer um robô de pequeno-médio porte, capaz de se mover usando rodas ou esteiras, o mais indicado são dois tipos de motores: motores DC e motores de passo.

Os motores DC são muito populares porque são mais baratos, podem ser menores e consomem menos energia que os motores de passo. A grande maioria dos kits vendidos no mercado usa motores DC. Mas eles têm alguns problemas. O primeiro é que eles conseguem RPM's altos, mas têm pouco torque, então é necessário acoplar uma caixa de redução com engrenagens para diminuir a rotação e aumentar o torque. Não tem como fazer um controle de posição com motores DC, por isso todo robô que usa motores DC também precisa de encoders monitorando a quantidade de rotações das rodas. Finalmente o controle de velocidade não é muito simples, ou melhor, um bom controle de velocidade não é simples. A velocidade de um motor DC é diretamente proporcional à voltagem fornecida, quanto maior a voltagem, mais rápido ele gira. Então é possível controlar a velocidade apenas através de resistores ou um potenciômetro, mas essa técnica, apesar de simples, desperdiça muita energia nas resistências e aí o motor DC perde sua principal vantagem em relação ao motor de passo. A maneira indicada de controlar a velocidade de motores DC é através da técnica de PWM. Em vez de a alimentação ser contínua, o motor é alimentado em pulsos sendo ligado e desligado bem rapidamente muitas vezes por segundo. A cada pulso o motor fica ligado por um tempo e desligado em seguida. Controlando o tempo que ele fica ligado e desligado é possível controlar a velocidade do motor. Por exemplo se for usado um pulso onde o tempo ligado é igual ao tempo desligado, o motor vai girar na metade da velocidade que atingiria se ficasse com a alimentação continua e, mais importante, vai consumir a metade da energia . Essa técnica, em vez de desperdiçar energia com resistências, economiza energia já que o motor não fica ligado o tempo todo.

Já os motores de passo são maiores, mais pesados e mais gulosos do que motores DC com torque equivalente. Mas no quesito precisão são imbatíveis. É possível ter completo controle do giro do motor e sem precisar de sensores como encoders nas rodas. Na minha opinião, é a melhor escolha para um programador iniciar na robótica. Além da precisão no posicionamento, é essencialmente um dispositivo digital, pode ser facilmente conectado e controlado por um computador, sem ser necessário nenhum procedimento ou hardware muito complexo. Alguma informação extra sobre motores de passo pode ser encontrada aqui.

De início é extremamente importante saber a diferença entre motores de passo unipolares e bipolares, então aconselho aprender um pouco sobre o assunto antes de sair comprando motores de passo.

Dois motores de passo e um motor DC extraídos de uma impressora sucateada.

Motores de passo são facilmente encontrados em impressoras sucateadas. A maioria das impressoras têm internamente três motores, sendo dois de passo e um DC (corrente contínua). É fácil reconhecer o tipo do motor pela quantidade de fios que saem dele. Motores DC tem só dois fios. Motores com 4 fios, são motores de passo bipolares. Motores com 5 fios são unipolares. O prêmio é encontrar na impressora um motor com 6 fios. Este tanto pode ser usado como bipolar ou unipolar, dependendo de como os fios são conectados. Se conseguir motores em impressoras velhas, aí não tem muito o que escolher, mas se decidir comprar um motor de passo, a melhor opção é um motor com 6 fios. Qual a vantagem? No início de seus estudos, você pode ligar esse motor como unipolar e assim usar um circuito de controle muito mais simples, fácil e barato. Mais tarde, quando tiver um pouco mais de experiência e achar que a vida está fácil demais, você pode incrementar o robô e colocar um circuito de controle bipolar. Isso vai dar mais torque para os motores e vai exigir menos da bateria, mais força com menos energia é um bom up-grade. E sem ter que trocar de motor.

Outro motivo que torna o estudo de motores importante nesta fase inicial é que na prática, a escolha do motor influi em quase todo o projeto do robô. A bateria precisa ser dimensionada em função dos motores. O conjunto motores-bateria é o que mais influi no projeto do chassis do robô, afinal são os componentes maiores e mais pesados. E cada tipo de motor precisa de uma eletrônica diferente. As placas que controlam ou dão potencia aos motores precisam ser compatíveis com o tipo do motor. Além disso, também tem o software que vai gerar os sinais para controlar os motores, cada tipo de motor exige um algoritmo diferente.
Então motores são a escolha mais crítica no projeto de um robô, é uma boa ideia dedicar bastante atenção a esse assunto.

Voltagem

Sobre a voltagem dos motores, motores de 12 volts são bastante comuns, especialmente quando retirados de impressoras sucateadas. Mas existem motores de passo em diversas voltagens, desde 2,7 volts, até motores de 24 volts ou mais e isso não está diretamente relacionado com a capacidade de torque do motor. Um motor de 2,7 volts pode ter muito mais torque (e um consumo de corrente muito maior) que um motor de 12 volts. Então pelo critério do torque e do consumo, a voltagem de operação do motor não faz muita diferença. Mas a voltagem faz toda a diferença na escolha das baterias. Os motores no final terão que ser alimentados por baterias e também terão que carregar o peso da bateria. Baterias de 12 volts com uma capacidade de fornecimento de corrente aceitável (3000 mAh ou mais) podem ser grandes e pesadas, tanto que podem chegar a inviabilizar alguns motores menos potentes, forçando a escolher motores maiores, o que vai exigir mais da bateria. Mas atualmente existem opções de baterias leves e potentes.

Sobre isso tem mais um ponto a considerar. Motores de passo são ativados mais pela corrente do que pela voltagem. Na verdade não faz muita diferença quantos volts você fornece ao motor, desde que ele receba sua cota de corrente. A voltagem nominal de um motor de passo apenas indica a voltagem necessária para atingir a corrente que ele drena, considerando a resistência das bobinas internas.

3) Baterias

Como citado, a escolha das baterias depende essencialmente dos motores, eles é que vão exigir mais da bateria. Motores de passo de 12 volts são bastante comuns, então 12 volts é um bom palpite inicial para a escolha das baterias. Mas além da voltagem, uma questão importante é a corrente (em miliAmperes/hora - mAh) que a bateria consegue fornecer. Independente da voltagem, quanto mais torque tiver um motor de passo, maior vai ser o consumo de corrente. Motores com torque suficiente para carregar o peso deles próprios, das baterias, do chassis e tudo o mais que for colocado nele, provavelmente vão gastar pelo menos 500 mAh cada um, então seria uma boa ideia que a bateria tivesse uma capacidade de fornecimento de corrente de pelo menos 3000 mAh. Baterias de 12 volts com essa capacidade são relativamente grandes e pesadas, mas existe a opção de combinar baterias com menor voltagem para conseguir a voltagem necessária. Por exemplo, é possível ligar em série 10 pilhas AA recarregáveis e assim conseguir os 12 volts. Pilhas AA recarregáveis com até 3600 mAh de corrente são facilmente encontradas no mercado. Mas atualmente existem muitas outras opções.

Sobre os tipos de baterias mais comuns disponíveis no mercado, veja este post.

4) Circuito de alimentação

Esta é uma parte extremamente importante do robô. Conforme-se com o fato que o teu robô vai precisar de pelo menos duas voltagens diferentes e dependendo  do caso pode chegar a três. Os circuitos integrados geralmente funcionam com 5 volts, mas alguns (algumas versões do arduíno, por exemplo) funcionam com 3.3 volts. Já para os motores, depende do motor, tem motores de todas as voltagens, mas é bom contar com menos 9 volts e melhor ainda 12 volts. Uma boa opção de alimentação é usar baterias capazes de fornecer a voltagem dos motores e usar reguladores de tensão para reduzir a voltagem para os 5 ou 3.3 volts exigidos pelos circuitos.

Reguladores de tensão são circuitos que na sua versão básica (e perfeitamente suficiente) são extremamente simples de projetar e montar. Existem chips que fazem quase todo o trabalho, só precisando de  mais dois ou três componentes adicionais no circuito. Os dois chips mais populares para este trabalho são o LM7805 e o LM317. Os dois são baratos, fáceis de usar e fornecem corrente suficiente para alimentar todos os circuitos do robô. Se você não tem muita experiência com eletrônica, projetar e montar teus próprios reguladores de tensão é um ótimo exercício inicial e vai te dar a experiência necessária para encarar circuitos mais complexos.

Importante: O LM7805 pode fornecer até 1A de corrente, o LM317 pode chegar a 1.5A. Isso é mais que o suficiente para alimentar todos os circuitos do robô, mas não é suficiente para alimentar os motores. Existem chips capazes de fornecer mais corrente, mas com um projeto adequado, os motores podem ser alimentados diretamente pelas baterias, sem a necessidade de reguladores. Os reguladores citados acima são apenas para alimentar os circuitos.

Veja neste post um tutorial sobre o uso do 7805.


5) Comunicação USB / Wireless
6) Microcontroladores
7) Sensores
8) Navegação
9) Captura de imagens

Robit - biografia autorizada

 Capítulo 1 - Nascimento

Esse robozinho simpático aí da foto é o Robit. Ele iniciou sua existência com o projeto de robo com sucata que desenvolvi anteriormente. O projeto foi finalizado, mas o Robit não. Ele continua existindo e no que me toca vai continuar assim. A proposta do projeto era produzir um tutorial de um robo bem simples comandado pela porta paralela. O tutorial foi produzido e o Robit foi meio que um efeito colateral desse tutorial. Pra poder escrever o tutorial eu montei o robo que estava sugerindo e assim nasceu o Robit.

Como o foco do tutorial era o aproveitamento de sucata, a primeira idéia foi aproveitar uma caixa de drive de CD para a carcaça do Robit. Nada estético, mas sucatologicamente correto. Abaixo uma foto do primeiro protótipo usando caixa de CD.

Mas felizmente para o Robit, caixas de drives de CDs provaram ser uma péssima escolha para a carcaça. O metal é muito dificil de furar. Para conseguir instalar os motores e rodízios gastei um número absurdo de brocas e acabou que cheguei a conclusão que se é pra gastar, melhor que seja em uma carcaça apropriada do que em brocas. Então a versão caixa de CD do Robit, nunca chegou a funcionar, na verdade nunca foi além do que a foto mostra.

A carcaça que acabou prevalecendo e está nele até hoje foi encomendada em uma fábrica de perfilados. É uma caixa de alumínio nas medidas que especifiquei e o preço foi bem em conta. A resistencia do aluminio é muito boa e é um material infinitamente mais fácil de furar. Isso sem falar no charme que o alumínio deu ao Robit. Nem imagino o Robit em outra carcaça hoje.

Capítulo 2 - Infância

Na sua infancia, o Robit era basicamente motores, rodas e baterias, nenhum processamento era feito nele. Todo o trabalho "cerebral" vinha do computador. Além disso tinha o onipresente, enorme e pesado cabo paralelo que o Robit era obrigado a arrastar pra poder se mover e mesmo assim sem poder ir muito longe. Bem, como experiência para o estudo da robótica valeu, mas dava pena de ver aquele robozito recém-nascido sendo obrigado a arrastar todo aquele peso e saber que ele nunca ia poder se aventurar para terras mais distantes do que 1,80m do computador.

Mas o Robit nunca reclamou, mesmo porque ele nem tinha como reclamar. A comunicação era unidirecional, sempre do computador para o robo, nunca em sentido contrário. Não havia necessidade de nenhum retorno de informação porque não havia nada pra retornar. O Robit não tinha nenhum sensor e absolutamente nenhuma capacidade de processamento. Tinha apenas dois circuitos em seu hardware: uma proteção da porta paralela (com o 74LS541)  e um módulo de potencia para os motores que coloca os sinais que vem do computador na voltagem e potencia necessárias para ativar os motores de passo (com o ULN2803), algo como um amplificador de sinais.

Capítulo 3 - Evolução

Como responsável legal pelo Robit, eu não poderia deixar de notar que a configuração dele naquele momento era extremamente limitante e impediria o desenvolvimento de todo seu potencial como ser eletro-mecânico. Então, procurei maneiras de dar um up-grade no seu hardware. Ao mesmo tempo, também tentava convencer o software que roda no computador a ser mais amigavel com o Robit. Softwares quase sempre são bem teimosos, precisamos ter muita paciência para lidar com eles.

Foi quando entrei em contato com o Prof. Mario Guimarães que gentilmente forneceu um exemplar do PicStamp e explicou como usá-lo. Essa plaquinha mágica contém um PIC 18F2550 (que é um baita microcontrolador), já com todos os componentes necessários pra mante-lo rodando a 20 Mhz e o melhor de tudo, com conexão USB. A plaquinha tem um conector USB, dá pra conectar um cabo USB nela. Mas a mágica continua, além de ser possível reprogramar o PIC com um cabo USB, um driver bem conveniente cria uma porta COM virtual no computador e a associa à porta USB. Um programa que esteja rodando no computador, pode acessar a porta USB como se fosse uma porta COM. Isso facilita bastante a programação e deixa o software mais bem humorado. Depois disso Robit nunca mais foi o mesmo. Ter um PIC em seu hardware iniciou uma tendencia de evolução avassaladora, que não pode ser impedida.

PICStamp da Grande Ideia Studio

O PIC vem com um programa que associa oito pinos para a saída e oito (?) para a entrada. Ele fica o tempo todo monitorando a porta USB e os pinos de entrada. Qualquer byte que chegue do computador é enviado para os pinos de saída. Leituras nos pinos de entrada são enviadas para o computador.

Isso é bastante conveniente, sem maiores alterações, o Robit passou a receber comandos atravém de um microcontrolador conectado ao computador por um cabo USB. O cabo paralelo rapidamente tornou-se uma penosa lembrança. Depois de experimentar o cabo USB, muito mais fino, mais leve e podendo ser mais comprido, não tinha mais como impor o cabo paralelo ao Robit.

O PicStamp já estava prestando um enorme serviço ao Robit livrando ele do cabo paralelo, mas eu sabia que ele podia fazer muito mais do que isso: podia finalmente dar ao Robit capacidade de processamento, ou seja, um cérebro. Já podia imaginar os if( ) ... else ... encadeados que ele consultaria para tomar suas próprias decisões e em todo o potencial de desenvolvimento que se abriria para o Robit. Claro que eu precisava fazer algo a respeito, Robit merecia essa oportunidade.

E aí tentei reprogramar o PIC para se incorporar em definitivo ao Robit, mas o universo tinha outros planos. O PIC mostrou ter uma personalidade bem calada, não libera seus recursos facilmente e nem diz o suficiente pra gente saber o que ele quer. A programação do PIC provou ser um desafio maior do que o esperado, em especial porque era o meu primeiro contato com um microcontrolador. Dada a falta de sensibilidade do PIC em colaborar com a programação, esse projeto acabou por ficar em segundo plano enquanto tocava outros projetos.

E nesse tempo aconteceu o Wixel. Mais uma vez Robit mudou para nunca mais ser o mesmo de antes.

Capítulo 4 - Liberdade sem fio

O Wixel é uma daquelas raras coisas que parecem boas demais para ser verdade e que depois que você finalmente entende e consegue ter algum domínio, percebe que é ainda melhor do que parecia. Bom, não acha? Desde o início que eu imagino o Robit livre de cabos e amarras, vagando solto pela casa. Então nunca deixei de procurar opções de wireless e tinha algumas em vista, mas quando topei com o Wixel percebi que tinha encontrado a tampa da panela do Robit. Até então, as opções de wireless que eu tinha considerado apenas faziam a comunicação, basicamente funcionam como um cabo, mas sem o cabo. Ainda precisaria resolver o problema do cérebro do Robit, usando é claro algum microcontrolador. Bem, o Wixel resolveu tudo em uma tacada e por uma fração do custo de qualquer outra opção de wireless. Não só ele faz a comunicação wireless, mas também tem um microcontrolador embutido disponível para ser programado. E é um microcontrolador bem respeitável com 32k de memoria para o programa, 4k de memoria ram, roda a surpreendentes 24Mhz, 15 pinos disponíveis para a aplicação, leds indicadores e por aí vai.

Wixel da Pololu

E o Wixel mostrou ser muito mais comunicativo e amigável do que o PIC em matéria de confiar seus segredos e habilidades na hora da programação. A empresa que produz o Wixel (Pololu) investe bastante no suporte à programação. Fornece uma documentação bem detalhada, exemplos de aplicações e, extremamente importante, um forum onde qualquer feliz proprietário de um Wixel pode tirar dúvidas sobre a programação e funcionamento dele. Funcionários da empresa monitoram o forum e respondem rapidamente qualquer dúvida que apareça por lá. Isso fez toda a diferença. No final acabei entrando em acordo com o Wixel e ele ficou feliz em ser programado para ser parte definitiva do Robit.

Desde a primeira ativação do Robit com o wixel, já devidamente instalado e programado, dava pra ver a diferença que algum poder de processamento faz em um robô. Não era só o fato de finalmente estar livre de cabos, Robit agora controla seus próprios motores, não precisa mais passar pela humilhação de ter sua função mais básica, o movimento, controlada por uma entidade externa. E mais do que isso, Robit agora aprendeu a se comunicar, está todo falante e troca mensagens o tempo todo com o computador. Acabou a fase da obediência cega (e muda). O relacionamento dele com o computador agora está mais para trabalho em equipe do que pra mestre-escravo. E isso se reflete inclusive nos seus movimentos, agora eles estão muito mais seguros e precisos. Como é o Robit que controla o tempo entre os pulsos para os motores de passo, a duração dos pulsos está mais regular, além disso, o microcontrolador consegue medir intervalos de tempo muito menores do que o computador conseguiria com timers de alto nível. 

Capítulo 5 - Olhos para ver, sensores para sentir

Desde o Robit era apenas uma ideia, a intenção sempre foi que ele tivesse ou proporcionasse algum tipo de processamento de imagens, uma câmera acoplada ao Robit sempre foi um de seus propósitos. Afinal a minha especialidade é o processamento de imagens e juntar isso com robótica para estudar sistemas de navegação autônoma é algo que sempre quis fazer. Depois que os problemas básicos de movimento e comando foram resolvidos, era hora de colocar uma câmera nele. A primeira ideia foi usar uma camera IP wireless e por isso acabei comprando a Feasso citada neste post. O problema é que ela é grande e pesada demais, além disso consome muita energia. Mas como ela tem pan-tilt, serviu (e ainda serve) para testar alguns algoritmos e implementar algumas ideias, como por exemplo, a medição de distâncias com laser.

continua...

Motor de passo como gerador elétrico

Aqui uma pequena experiência para testar o desempenho de um motor de passo como gerador elétrico. Uma bateria de 12 volts alimenta um pequeno motor DC. O motorzinho força o motor de passo a girar e isso induz uma corrente elétrica nas bobinas do motor de passo. O motor de passo usado é bipolar e tem duas bobinas independentes (4 fios). A corrente induzida nas bobinas do motor de passo é alternada, então na saída de cada bobina foi colocada uma ponte retificadora de diodos e um capacitor de tântalo para estabilizar a voltagem. Depois que a corrente é retificada e a voltagem estabilizada, a saída das duas bobinas se juntam e essa é a saída do nosso gerador. É nessa saída que está conectado o multímetro medindo a voltagem de saída.

Conclusão: motores de passo são geradores bem razoáveis.

Possíveis melhoramentos: Utilizar diodos de germânio para diminuir a queda de voltagem da ponte retificadora.

A fazer: conectar um motor DC na saída para medir a corrente fornecida pelo gerador e fazer uma comparação entre potência fornecida e potência obtida.

Bobinas e eletro-imãs, como fazer na prática

Ultimamente ando fazendo algumas experiências com bobinas e eletro-imãs, se tudo der certo depois eu posto o projeto aqui. E fazendo essas experiências, descobri como é difícil achar bobinas e eletro-imãs nas medidas que o projeto precisa. Depois de não achar nada aproveitável na sucata e nem achar pra comprar nas lojas de eletrônica, decidi que o jeito é fazer eu mesmo, afinal teoricamente um eletro-ímã é só um fio enrolado em uma barra de ferro doce, não é? O que pode ser mais simples que isso?

Se perguntar pro tio Google como se faz um eletro-imã, ele vai dizer que é simples e fácil e vai indicar dezenas de páginas ensinando a enrolar um fio elétrico em um prego enorme, ligar duas pilhas nele e então, voilá!!! Você agora tem um eletro-imã capaz de segurar um ou dois clipes de papel! Viu como é fácil? O único problema é que isso não adianta nada pro meu projeto. Não quero por pregos de construção no meu projeto e quero um eletro-imã capaz de segurar um pouco mais do que um par de clipes. Então como fazer?

O núcleo

Teoricamente você pode construir um eletro-imã sem núcleo, ou melhor, com núcleo de ar. Mas na pratica isso não é nem um pouco prático. Um núcleo metálico faz uma diferença tão brutal no desempenho de um eletro-imã que você não vai querer abrir mão dele.

Ferrite
Claro que a melhor opção para o núcleo é o ferrite, afinal ele é feito para isso e é uma liga com um custo muito baixo. Difícil é achar pra vender barras ou carretéis de ferrite nas medidas necessárias. Nem perca seu tempo procurando em lojas de eletrônica. Se resolver usar ferrite, vá direto para o Google. Tem diversos fabricantes no Brasil, difícil é achar um que venda em pequenas quantidades, normalmente os fabricantes de ferrite fornecem para empresas, não para clientes finais.

Parafusos com porcas
Essa é uma opção bastante prática e barata. Parafusos de diversos comprimentos e diâmetros são facilmente encontrados e lojas de ferramentas e em sucatas. Além disso, um eletro-imã feito com um parafuso é facilmente fixado em sua posição final, afinal, é pra isso que serve um parafuso, não é? Arruelas pode ser usadas para limitar o enrolamento criando uma espécie de carretel com o parafuso.

Extremamente importante: Parafusos não são feitos sempre de ferro ou de material ferromagnético e isso é essencial para o núcleo de um eletro-imã. Quando for escolher um parafuso para o seu projeto, tenha um pequeno imã à mão para testar se o parafuso é de material ferromagnético. Quanto maior for a atração entre o imã e o parafuso, melhor. Uma atração fraca significa que é feito de uma liga com pouco metal ferromagnético, nesse caso vai ser pouco eficiente. Se o parafuso não for atraído pelo imã, esqueça, ele não serve como núcleo.

Parafusos para encadernação
Esta foi a minha escolha para o projeto em andamento por aqui. Na verdade não sei o nome dessas coisinhas, mas são usadas para encadernação e são facilmente encontradas em papelarias por um preço bem baixo. O diâmetro é fixo, 5mm, mas o comprimento varia desde 5mm até 150mm ou mais. O diferencial destes parafusos com certeza é a estética, nesse quesito é imbatível. Mas aqui vale também o mesmo aviso do item anterior sobre material: pode ser que o material não seja ferromagnético e isso precisa ser testado antes de sair comprando, leve um imã.

Pregos
Bem, não tem muito o que dizer, desde que sejam de ferro, eles funcionam como núcleo. A estética não é grande cois e deixa o projeto com cara de feira de ciências. E a não ser que ele seja martelado, não é muito fácil fixar o eletro-imã em sua posição final, já que prego não tem rosca, mas também é uma opção.

O enrolamento

Uma vez escolhido o núcleo, o que falta é enrolar o fio e aí aparecem algumas questões. Que tipo de fio usar? Quantas voltas? É melhor usar fio mais fino ou fio mais grosso?

Tipo do fio
Em primeiro lugar esqueça os fios com isolamento plástico. O isolamento plástico é grosso demais, faz com que as espiras fiquem muito separadas e isso definitivamente compromete o resultado. O fio próprio para isso é o fio esmaltado usado no enrolamento de transformadores e motores elétricos. O esmalte proporciona um isolamento adequado e não aumenta significativamente o diâmetro do fio. Quanto mais próximas ficarem as espiras umas das outras, melhor.

Diâmetro do fio
Quanto menor for o diâmetro do fio, mais próximas ficarão as espiras e isso é bom. Maior vai ser a resistência do fio e isso é ruim. Além disso é preciso considerar quanto de corrente se pretende aplicar à bobina, fios muito finos não suportam correntes altas. Finalmente tem também o aspecto prático, se você pretende enrolar a bobina de forma caseira, o fio tem que ter diâmetro suficiente para ser manipulado sem quebrar.

Onde obter fio esmaltado
A solução obvia é retirar de transformadores e motores sucateados, isso pode dar certo, mas é preciso atentar para alguns detalhes. O esmalte dos fios tende a ficar quebradiço com o tempo e com o calor. Se o transformador ou motor costumava esquentar quando estava em uso, provavelmente o esmalte do enrolamento ficou quebradiço e vai ser difícil desenrolar sem perder o isolamento.
A melhor opção é comprar o fio novo, não é caro, só é difícil de achar. Lojas de eletrônica dificilmente vendem esse tipo de fio, mas podem ser encontrados em estabelecimentos que vendem artigos para motores elétricos industriais.

Quantas voltas
Como regra geral, quanto mais voltas melhor. Mas tem algumas coisas a considerar. Não adianta muito espalhar essas voltas por um comprimento muito longo, o ganho na potência do eletro-imã vai ser pouco, melhor fazer uma bobina mais curta e com várias camadas de espiras. Também tem que ser levado em conta que quanto mais voltas, maior vai ser o comprimento do fio e isso aumenta a resistência. Outro detalhe é que quanto mais externa é a camada de espiras, menos eficiente ela é. As espiras mais próximas do núcleo influem muito mais na intensidade do campo magnético final do que as espiras mais afastadas, então a partir de certo ponto acrescentar mais camadas não compensa por conta do aumento na resistência. E finalmente, todo material ferromagnético tem um limite de magnetização. Depois de atingido esse limite não adianta acrescentar mais corrente ou mais espiras.