Tasapainotusrobotti / 3 -pyöräinen robotti / STEM -robotti: 8 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:02

Olemme rakentaneet yhdistetyn tasapainotus- ja kolmipyörärobotin koulukäyttöön kouluissa ja koulujen jälkeen. Robotti perustuu Arduino Unoon, mukautettuun kilpeen (kaikki rakenteelliset tiedot toimitetaan), Li -ion -akkuun (kaikki rakennustiedot toimitetaan) tai 6xAA -akkuun, MPU 6050, BLE -bluetooth -moduuli, ultraäänimoduuli (valinnainen)) ja servo käsivarren siirtämiseen. Luokkahuoneissa on myös laajaa opetusmateriaalia käyttövalmiina.

Liitteenä oleva asiakirja on lapsille annettuja ohjeita robotin rakentamisesta useissa vaiheissa, jotka tarjoavat opetuksellista oppimista jokaisessa vaiheessa. Tämä asiakirja toimitetaan kouluille ja koulujen jälkeen.

On 7 harjoitusta, jotka voidaan tehdä ennen koko tasapainotus / 3 -pyöräinen robotti -luonnoksen lataamista. Jokainen harjoitus keskittyy tiettyyn robotin osaan, esim. akerometri/gyroskooppi -anturi, joka on vuorovaikutuksessa älypuhelinsovelluksen kanssa bluetoothin, ultrasonisen anturin, servon jne. avulla. Harjoitukset on integroitu robotin fyysiseen rakenteeseen, joten kun robotti on rakennettu tarpeeksi harjoitukseen, luonnos harjoitusta varten voidaan ladata ja tehdä. Tämä auttaa keskittymään robotin rakentamisen hauskanpitoon kasvatuksellisella oppimisella.

Arduino Uno päätettiin käyttää, koska se on erittäin yleinen ja sitä käytetään monissa opetusympäristöissä. Olemme myös käyttäneet kilven lisäksi hyllymoduuleja, jotka ovat helposti saatavilla. Runko on 3D -tulostettu ja malli on saatavana TinkerCADissa.

Olemme myös havainneet, että tämä robotti auttaa inspiroimaan ja luottamaan lapsia ajattelemaan omien luomustensa rakentamista ja että se ei ole vaikeaa tehdä niin.

Kaikki luonnokset ovat hyvin kommentoituja ja edistyneemmät opiskelijat voivat muokata tai kirjoittaa omia luonnoksiaan. Robotti voi muodostaa yleisen alustan Arduinon ja elektroniikan oppimiseen.

Robotti toimii myös "LOFI -lohkot" -sovelluksen (https://lofiblocks.com/en/) kanssa, joten lapset voivat kirjoittaa sinne oman koodinsa SCRATCHin kaltaisessa graafisessa ympäristössä.

Huomaa yllä olevassa videossa merkin 1 malli, robotti käyttää nyt RemoteXY bluetooth -sovellusta (joka on saatavana sekä Andriod- että Apple -laitteille), MPU 6050 sijaitsee nyt robotin kilvessä (ei liukusäätimessä robotti - vaikka voit silti löytää sen sieltä, jos haluat) ja siinä on valinnainen ultraääni -anturi, joka voidaan kytkeä suojaan.

Kiitokset:

(1) Pitch -kulma ja PID -ohjaus perustuvat Brokkingin ohjelmistoon:

(2) RemoteXY -sovellus:

(3) LOFI Blocks ja LOFI Robot -sovellus:

(4) jjrobotteihin perustuvat aseet:

(5) kaikki luonnokset tallennetaan Arduino Create -palveluun:

(6) 3D -mallit tallennetaan TinkerCADiin:

Vastuuvapauslauseke: Tämä materiaali toimitetaan sellaisenaan, ilman takuuta tämän materiaalin oikeellisuudesta tai muusta syystä. Tässä asiakirjassa mainittujen kolmannen osapuolen iPhone- ja Android -sovellusten käyttö on käyttäjän omalla vastuulla. Robotti voi käyttää litiumioniakkua, akun ja virtalähteen käyttö on käyttäjän omalla vastuulla. Kirjoittajat eivät ole vastuussa vahingoista, joita henkilö tai organisaatio kärsii tätä materiaalia käyttäessään tai robotin rakentamisesta tai käytöstä.

Vaihe 1: Osaluettelo

Robotin tekeminen tyhjästä on monta vaihetta ja se vie melko paljon aikaa ja huolenpitoa. Tarvitset 3D -tulostimen ja osaat juottaa ja rakentaa sähköpiirejä.

Robotin valmistamiseen tarvittavat osat ovat:

(1) 3D -tulostus kotelolle ja pyörän jatkeelle

(2) Arduino Uno

(3) Rakenna robotin kilpi

(4) MPU 6050, AT9 BLE Bluetooth -moduuli, valinnainen ultraäänimoduuli (kaikki pistoke suojaan)

(5) SG90 -servo

(6) TT -moottorit ja pyörät

(7) Rakenna virtalähde (joko 6xAA -akku tai Li -ion -akku)

Liitteenä olevassa tiedostossa selitetään, miten hankitaan ja rakennetaan kaikki osat paitsi Li Ion -akkuyksikkö ja robotin suojus, jotka käsitellään seuraavissa vaiheissa.

Vaihe 2: Robotkilpi

Robotin kilven piirilevy on tehty Fritzing -muodossa, liitteenä on Fritzing -tiedosto, jos haluat muokata mallia.

Liitteenä ovat myös kilpi -piirilevyn gerber -tiedostot, voit lähettää nämä tiedostot piirilevyvalmistajalle, jotta he voivat valmistaa kilven.

Esimerkiksi seuraavat valmistajat voivat valmistaa 10 x piirilevyä noin $ 5 + postikulut:

www.pcbway.com/

easyeda.com/order

Liitteenä on myös kilven merkki.

Vaihe 3: Power Pack

Voit rakentaa robotille joko 6xAA-pariston tai litiumioniakun. Molempien ohjeet liitteenä.

AA-paristo on paljon helpompi rakentaa. Paristot kestävät kuitenkin vain noin 20/30 minuuttia ennen vaihtamista. Myöskään servoa ei voi käyttää AA-paristojen kanssa, joten siinä ei ole liikkuvia varret.

Li -ion -akku voidaan ladata ja kestää noin 60 plus minuuttia latausten välillä (riippuen käytetyn akun kapasiteetista). Li -ion -akkua on kuitenkin vaikeampi rakentaa ja se käyttää Li -ion -akkua, joten Li -ion -akkuja on käsiteltävä varoen.

Li -ion -akku sisältää suojapiirin, joka suojaa akkua yli- ja alikuormitukselta ja rajoittaa maksimivirran 4 ampeeriin. Se käyttää myös Li Ion -latausmoduulia.

Voit käyttää mitä tahansa litiumioniakkua, jonka lähtöteho on noin 7,2 volttia, mutta sinun on muodostettava kaapeli sopivalla robotin suojapistokkeella.

Kerro minulle, jos sinulla on hyvä vaihtoehtoinen virtalähde. Syy, miksi olen tehnyt tämän Li Ion -paketin, on se, että se käyttää yhtä Li -ion -kennoa, mikä tarkoittaa, että se on suhteellisen pieni ja voidaan ladata mistä tahansa mikro -USB -laturista tai mistä tahansa USB -portista, mukaan lukien tietokone. Olen nähnyt, että noin 7,2 voltin Li Ion -akut käyttävät kahta kennoa ja vaativat erityisen laturin, joka lisää kustannuksia eikä ole yhtä kätevä ladata.

Jos päätät rakentaa litiumioniakun (tai käyttää mitä tahansa litiumioniakkua), sinun on oltava tietoinen tällaisten akkujen turvallisuusongelmista, esim.

Vaihe 4: Robottiharjoituksia ja luonnoksia

Kun olet hankkinut kaikki osat, voit rakentaa robottia rakennettaessa, jos haluat. Nämä harjoitukset ja selitykset ovat saatavilla Arduino Create -palvelussa - alla olevat linkit vievät sinut Arduino Create -harjoituksiin - voit sitten avata ja tallentaa harjoituksen Arduino Create -kirjautumistunnukseesi.

Jos haluat lähettää luonnoksia robotille, varmista, että puhelimesi ei ole yhteydessä robottiin Bluetoothin kautta - Bluetooth -yhteys estää lataamisen. Vaikka sitä ei yleensä tarvita, Bluetooth -moduulin nasta on 123456.

Harjoituksissa 3, 5 ja 7 käytetään älypuhelinsovellusta "LOFI robot" (tai "BLE joystick" -sovellusta - vaikka tämä sovellus ei aina toimi Apple -laitteiden kanssa).

Harjoitukset 8 (koko robotiluonnos) käyttävät RemoteXY -älypuhelinsovellusta robotin ohjaamiseen.

LOFI -lohkojen luonnos käyttää "LOFI -lohkot" -sovellusta. (Huomaa, että tämä sovellus toimii parhaiten Apple -laitteissa).

Kun lataat harjoituksen Arduino Create -ohjelmaan, arduino -luonnoksen lisäksi on olemassa useita muita välilehtiä, jotka antavat tietoa harjoituksesta.

Harjoitus 1: Arduino Basics –valo vilkkuu robotin ohjauskilven punaisena ja vihreänä. Voit tehdä tämän harjoituksen vaiheen 3 jälkeen.

create.arduino.cc/editor/murcha/77bd0da8-1…

Harjoitus 2: Gyrosensori - tutustuminen gryoihin ja kiihtyvyysmittariin. Voit tehdä tämän harjoituksen vaiheen 4 jälkeen. Sinun on käytettävä sarjamonitoria, jonka siirtonopeus on 115200.

create.arduino.cc/editor/murcha/46c50801-7…

Harjoitus 3: Bluetooth -linkki - muodosta Bluetooth -yhteys, käytä älypuhelinsovellusta sytyttääksesi ja sammuttaaksesi robotin ohjauskilven LED -valot. Voit tehdä tämän harjoituksen vaiheen 5 jälkeen.

create.arduino.cc/editor/murcha/236d8c63-a…

Harjoitus 4: Ultraäänietäisyysanturi (valinnainen) - tutustuminen ultraäänianturiin. Voit tehdä tämän harjoituksen vaiheen 5 jälkeen. Sinun on käytettävä sarjamonitoria, jonka siirtonopeus on 115200.

create.arduino.cc/editor/murcha/96e51fb2-6…

Harjoitus 5: Servomekanismi-tutustuminen servomekanismiin ja käsivarren liikuttaminen ohjaa servovarteen kulmaa älypuhelinsovelluksella. Voit tehdä tämän harjoituksen vaiheen (8) jälkeen. Sinun on käytettävä sarjamonitoria, jonka siirtonopeus on 115200.

create.arduino.cc/editor/murcha/ffcfe01e-c…

Harjoitus 6: Käyttömoottorit - tutustumalla moottoreihin, käytä käyttömoottoreita eteen ja taakse. Vaatii akun kytkemisen päälle. Sinun on käytettävä sarjamonitoria, jonka siirtonopeus on 115200.

create.arduino.cc/editor/murcha/617cf6fc-1…

Harjoitus 7: Perusauto - rakenna yksinkertainen kolmipyöräinen auto (robotti kolmipyöräkiinnityksellä), käytämme älypuhelinsovellusta auton hallintaan. Se käyttää myös ultraäänianturia käden seuraamiseen. Voit tehdä tämän samassa rakennuksen vaiheessa kuin yllä. Vaatii akun kytkemisen päälle ja kolmannen pyörän kiinnityksen asentamisen.

create.arduino.cc/editor/murcha/8556c057-a…

Harjoitus 8: Täysi tasapainotusrobotti - täyden tasapainon / kolmipyöräisen robotin koodi. Käytä älypuhelinsovellusta”RemoteXY” robotin ohjaamiseen.

create.arduino.cc/editor/murcha/c0c055b6-d…

LOFI -lohkojen luonnos - jos haluat käyttää "LOFI -lohkot" -sovellusta, lataa tämä luonnos robottiin. Voit sitten ohjelmoida robotin käyttämällä "LOFI Blocks" -sovellusta, joka käyttää SCRATCHin kaltaisia ohjelmointilohkoja.

create.arduino.cc/editor/murcha/b2e6d9ce-2…

Harjoitus 9: Linjanseurantarobotti. On mahdollista lisätä kaksi linjanseuranta -anturia ja yhdistää ultraäänipistokkeella linjanseuranta -anturit robottiin. Huomaa, että anturit on kytketty digitaalisiin nastoihin D2 ja D8.

create.arduino.cc/editor/murcha/093021f1-1…

Harjoitus 10: Bluetooth -ohjaus. Bluetoothin ja puhelinsovelluksen (RemoteXY) käyttäminen robotin merkkivalojen ja servomekanismin ohjaamiseen. Tässä harjoituksessa oppilaat oppivat Bluetoothista, kuinka käyttää puhelinsovellusta todellisten asioiden hallintaan ja oppia LED-valoista ja servomekanismeista.

create.arduino.cc/editor/murcha/c0d17e13-9…

Vaihe 5: Robottimatematiikan ja ohjelmarakenteen tasapainottaminen

Liitteenä oleva tiedosto antaa yleiskatsauksen robotin tasapainotusosan matematiikasta ja ohjelmistorakenteesta.

Tasapainotusrobotin takana oleva matematiikka on yksinkertaisempaa ja mielenkiintoisempaa kuin luulisi.

Edistyneemmille koululaisille on mahdollista yhdistää tasapainottava robotti matematiikka matematiikan ja fysiikan opintoihin, joita he tekevät lukiossa.

Matematiikassa robottia voidaan käyttää osoittamaan, kuinka trigometriaa, erilaistumista ja integraatiota sovelletaan todellisessa maailmassa. Koodi näyttää kuinka erilaistuminen ja integrointi lasketaan tietokoneiden avulla numeerisesti, ja olemme havainneet, että opiskelijat ymmärtävät syvällisemmin nämä käsitteet.

Fyysissä kiihtyvyysmittarit ja gyroskoopit antavat käsityksen liikkeen laeista ja käytännön ymmärryksen asioista, kuten miksi kiihtyvyysmittarin mittaukset ovat meluisia ja miten lieventää tällaisia reaalimaailman rajoituksia.

Tämä ymmärrys voi johtaa jatkokeskusteluihin, esimerkiksi PID -säätöön ja intuitiiviseen ymmärrykseen palautteenohjauksen algoritmeista.

Tämän robotin rakentaminen on mahdollista sisällyttää koulun opetussuunnitelmaan tai yhdessä koulun jälkeisen ohjelman kanssa peruskoulusta lukio -oppilaisiin.

Vaihe 6: Videon suoratoistokameran lisälaite

Olemme luoneet vadelma -PI -pohjaisen videokameran, joka voidaan kiinnittää pyörän jatkeeseen robottiin. Is käyttää WiFi: tä välittääkseen suoratoistovideovirran verkkoselaimeen.

Se käyttää erillistä virtalähdettä robotille ja on erillinen moduuli.

Tiedosto sisältää valmistajan tiedot.

Vaihtoehtoisesti muut erilliset videon suoratoistokamerat, kuten Quelima SQ13, voidaan liittää pyörän jatkeeseen, esim.

Vaihe 7: N20 -moottorien käyttäminen TT -moottorien sijasta

On mahdollista käyttää N20 -moottoria TT -moottorin sijasta.

Robotti toimii tasaisemmin ja nopeammin N20 -moottorin kanssa.

Käyttämäni N20 -moottorit ovat 3 V, 250 rpm N20 -moottoreita, esim.

www.aliexpress.com/item/N20-DC-GEAR-MOTOR-…

N20-moottorit eivät ole yhtä kestäviä eivätkä kestä niin kauan, ehkä 5-10 tuntia.

N20 -moottori edellyttää 3D -tulostusta N20 -moottorin kiinnikkeistä, ja siinä on pyörän sisäosa, joka mahdollistaa TT -moottoripyörän asentamisen N20 -moottorin aksiaaliakseliin.

N20 -moottorin kiinnikkeet löytyvät etsimällä "balrobot" tinkerCAD -galleriasta.