Līdzsvarojošais robots / 3 riteņu robots / STEM robots: 8 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:56

Mēs esam izveidojuši kombinētu balansēšanas un trīsriteņu robotu, kas paredzēts lietošanai skolās un izglītības programmās. Robota pamatā ir Arduino Uno, pielāgots vairogs (visas konstrukcijas detaļas ir iekļautas), Li Ion akumulators (visas konstrukcijas detaļas ir iekļautas) vai 6xAA akumulators, MPU 6050, BLE Bluetooth modulis, ultraskaņas modulis (pēc izvēles)) un servo, lai pārvietotu roku. Ir pieejami arī plaši mācību materiāli, kas ir gatavi lietošanai klases telpās.

Pievienotajā dokumentā ir sniegti bērniem norādījumi, kā izveidot robotu virknē darbību, kas nodrošina izglītojošu mācīšanos katrā solī. Šis dokuments tiek sniegts skolām un pēc skolas programmām.

Ir pieejami 7 vingrinājumi, kurus var veikt, pirms tiek augšupielādēta pilna balansēšanas / trīsriteņu robota skice. Katrs no vingrinājumiem ir vērsts uz kādu konkrētu robota aspektu, piem. akerometrs/žiroskopa sensors, kas mijiedarbojas ar viedtālruņa lietotni, izmantojot Bluetooth, ultraskaņas sensoru, servo uc vingrinājuma skici var augšupielādēt un izdarīt. Tas palīdz koncentrēt robota būvēšanas prieku ar izglītojošu mācīšanos.

Tika nolemts izmantot Arduino Uno, jo tas ir ārkārtīgi izplatīts un tiek izmantots daudzās izglītības iestādēs. Bez vairoga esam izmantojuši arī standarta plauktu moduļus, kas ir viegli pieejami. Šasija ir 3D drukāta, un dizains ir pieejams TinkerCAD.

Mēs arī esam noskaidrojuši, ka šis robots palīdz iedvesmot un sniegt bērniem pārliecību domāt par savu darbu veidošanu un ka to nav grūti izdarīt.

Visas skices ir labi komentētas, un pieredzējušāki studenti var mainīt vai uzrakstīt savas skices. Robots var veidot vispārēju platformu, lai uzzinātu par Arduino un elektroniku.

Robots strādā arī ar lietotni "LOFI bloki" (https://lofiblocks.com/en/), tāpēc bērni var rakstīt tur savu kodu grafiskā vidē, kas līdzīga SCRATCH.

Ņemiet vērā, ka iepriekš redzamajā videoklipā ir redzams 1. zīmes modelis, robots tagad izmanto Bluetooth lietotni RemoteXY (kas ir pieejama gan Andriod, gan Apple ierīcēm), MPU 6050 tagad atrodas uz robota vairoga (nevis slīdnī apakšā) robots - lai gan jūs to joprojām varat atrast, ja vēlaties), un tam ir papildu ultraskaņas sensors, ko var pievienot vairogam.

Pateicības:

(1) piķa leņķa un PID kontroles pamatā ir Brokking programmatūra:

(2) Lietotne RemoteXY:

(3) LOFI bloki un lietotne LOFI Robot:

(4) ieroči, kuru pamatā ir jjrobots:

(5) visas skices tiek saglabātas vietnē Arduino Create:

(6) 3D dizaini tiek saglabāti TinkerCAD:

Atruna: Šis materiāls tiek piegādāts tāds, kāds tas ir, bez garantijas par šī materiāla pareizību vai citādi. Šajā dokumentā minēto trešo pušu iPhone un Android lietotņu izmantošana ir pakļauta lietotāju riskam. Robots var izmantot litija jonu akumulatoru, akumulatora un barošanas bloka lietošana ir atkarīga no lietotāju riska. Autori neuzņemas atbildību par zaudējumiem, kas radušies jebkurai personai vai organizācijai, izmantojot šo materiālu, vai no robota būvēšanas vai lietošanas.

1. darbība: detaļu saraksts

Lai izveidotu robotu no nulles, ir jāveic daudzi soļi, un tas prasīs diezgan daudz laika un rūpes. Jums būs nepieciešams 3D printeris, un jums būs labi lodēt un veidot elektroniskās shēmas.

Robota izgatavošanai nepieciešamās detaļas ir:

(1) 3D drukājiet virsbūves un riteņa riteņa pagarinājumu

(2) Arduino Uno

(3) Izveidojiet robota vairogu

(4) MPU 6050, AT9 BLE Bluetooth modulis, papildu ultraskaņas modulis (viss pievienots vairogam)

(5) Servo SG90

(6) TT motori un riteņi

(7) Izveidojiet barošanas bloku (vai nu 6xAA vai Li jonu akumulatoru)

Pievienotajā failā ir paskaidrots, kā iegūt un izgatavot visas detaļas, izņemot Li Ion barošanas bloku un robota vairogu, kas ir aprakstīti turpmākajās darbībās.

2. darbība: robota vairogs

Robota vairoga PCB dizains ir veidots Fritzing, pievienots ir Fritzing fails, ja vēlaties mainīt dizainu.

Pievienoti arī vairoga PCB gerber faili, jūs varat nosūtīt šos failus uz PCB ražotāju, lai viņi varētu izgatavot vairogu.

Piemēram, šādi ražotāji var izgatavot 10 x PCB plates par aptuveni 5 USD + pasta izdevumi:

www.pcbway.com/

easyeda.com/order

Pievienots arī vairoga ražotāja dokuments.

3. solis: barošanas bloks

Robotam varat izveidot 6xAA bateriju komplektu vai litija jonu akumulatoru. Norādījumi abiem ir pievienoti.

AA bateriju komplektu ir daudz vieglāk izveidot. Tomēr baterijas ilgst tikai aptuveni 20/30 minūtes pirms to nomaiņas. Arī servo nevar izmantot ar AA bateriju komplektu, tāpēc nav kustīgas rokas.

Litija jonu akumulatoru var uzlādēt un tas ilgst aptuveni 60 plus minūtes starp uzlādēšanu (atkarībā no izmantotā akumulatora jaudas). Tomēr Li Ion akumulatoru komplektu ir grūtāk uzbūvēt, un tam tiek izmantots Li Ion akumulators, ar Li Ion akumulatoriem jārīkojas piesardzīgi.

Li Ion akumulatora komplektā ietilpst aizsardzības ķēde, kas aizsargā akumulatoru no pārmērīgas un zemas uzlādes un ierobežo maksimālo strāvu līdz 4 ampēriem. Tas izmanto arī litija jonu uzlādes moduli.

Jūs varat izmantot jebkuru litija jonu akumulatoru, kura izejas jauda ir aptuveni 7,2 volti, bet jums ir jāizveido kabelis ar atbilstošu robota vairoga kontaktdakšu.

Ļaujiet man zināt, vai jums ir labs alternatīvs barošanas bloks. Iemesls, kāpēc es izveidoju šo Li jonu iepakojumu, ir tas, ka tajā tiek izmantota viena Li jonu šūna, kas nozīmē, ka tā ir salīdzinoši maza un to var uzlādēt no jebkura mikro USB lādētāja vai no jebkura USB porta, ieskaitot datoru. Li Ion barošanas blokos, kurus esmu redzējis aptuveni 7,2 voltos, tiek izmantotas 2 šūnas, un tām ir nepieciešams īpašs lādētājs, kas palielina izmaksas un nav tik ērti uzlādēt.

Ja izvēlaties veidot litija jonu akumulatoru komplektu (vai izmantot jebkuru litija jonu akumulatoru), jums jāapzinās ar šādām baterijām saistītie drošības jautājumi, piem.

4. solis: Robota vingrinājumi un skices

Kad esat ieguvis visas detaļas, konstruējot robotu, jūs varat veikt programmēšanas vingrinājumus, ja vēlaties. Šie vingrinājumi kopā ar paskaidrojumiem ir pieejami vietnē Arduino Create - zemāk esošās saites jūs aizvedīs uz Arduino Create vingrinājumiem - pēc tam varat atvērt un saglabāt vingrinājumu savā Arduino Create pieteikumvārdā.

Lai augšupielādētu skices robotam, pārliecinieties, vai tālrunis nav savienots ar robotu, izmantojot Bluetooth - Bluetooth savienojums neļauj augšupielādēt. Lai gan tas parasti nav vajadzīgs, Bluetooth moduļa tapa ir 123456.

3., 5. un 7. vingrinājumā tiek izmantota viedtālruņa lietotne "LOFI robots" (vai lietotne "BLE kursorsviru" - lai gan šī lietotne ne vienmēr darbojas ar Apple ierīcēm).

8. vingrinājumā (pilna robota skice) robota vadīšanai tiek izmantota viedtālruņa lietotne “RemoteXY”.

Skicē LOFI bloki tiek izmantota lietotne "LOFI bloki". (ņemiet vērā, ka šī lietotne vislabāk darbojas Apple ierīcēs).

Ielādējot vingrinājumu Arduino Create, papildus arduino skicei ir vairākas citas cilnes, kas sniedz informāciju par vingrinājumu.

1. uzdevums: Arduino pamati - mirgo sarkanas un zaļas gaismas diodes uz robota vadības vairoga. Jūs varat veikt šo vingrinājumu pēc konstrukcijas 3. posma.

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

2. vingrinājums: žiroskopa sensors - iepazīšanās ar gryos un akselerometriem. Šo uzdevumu varat veikt pēc būvniecības (4.) posma. Jums jāizmanto “Seriālais monitors” ar bodu pārraides ātrumu 115200.

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

3. uzdevums: Bluetooth saite - izveidojiet Bluetooth saiti, izmantojiet viedtālruņa lietotni, lai ieslēgtu un izslēgtu gaismas diodes uz robota vadības vairoga. Šo uzdevumu var veikt pēc būvniecības (5.) posma.

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

4. vingrinājums: Ultraskaņas attāluma sensors (pēc izvēles) - iepazīšanās ar ultraskaņas sensoru. Šo uzdevumu varat veikt pēc būvniecības (5.) posma. Jums jāizmanto “Seriālais monitors” ar bodu pārraides ātrumu 115200.

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

5. vingrinājums: Servo mehānisms-iepazīstieties ar servo mehānismu un pārvietojiet roku, izmantojiet viedtālruņa lietotni, lai kontrolētu servo rokas leņķi. Šo uzdevumu varat veikt pēc būvniecības (8.) posma. Jums jāizmanto “Seriālais monitors” ar bodu pārraides ātrumu 115200.

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

6. vingrinājums: piedziņas motori - iepazīstoties ar motoriem, palaidiet piedziņas motorus uz priekšu un atpakaļ. Nepieciešams ieslēgt akumulatoru. Jums jāizmanto “Seriālais monitors” ar bodu pārraides ātrumu 115200.

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

7. uzdevums: Pamata automašīna - izveidojiet vienkāršu trīsriteņu automašīnu (robots ar trešā riteņa stiprinājumu), mēs izmantojam viedtālruņa lietotni, lai kontrolētu automašīnu. Izmanto arī ultraskaņas sensoru, lai sekotu jūsu rokai. To var izdarīt tajā pašā būvniecības punktā, kā aprakstīts iepriekš. Nepieciešams ieslēgt akumulatoru un ievietot 3. riteņa stiprinājumu.

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

8. vingrinājums: Pilnīgs balansēšanas robots - pilna balansēšanas / trīsriteņu robota kods. Lai vadītu robotu, izmantojiet viedtālruņa lietotni “RemoteXY”.

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

LOFI bloku skice - lai izmantotu lietotni "LOFI bloki", augšupielādējiet šo skici robotā. Pēc tam varat programmēt robotu, izmantojot lietotni "LOFI Blocks", kas izmanto programmēšanas blokus, kas līdzīgi SCRATCH.

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

9. vingrinājums: līniju izsekošanas robots. Ir iespējams pievienot divus līniju izsekošanas sensorus un izmantot ultraskaņas kontaktdakšu, lai savienotu līnijas izsekošanas sensorus ar robotu. Ņemiet vērā, ka sensori ir savienoti ar digitālajām tapām D2 un D8.

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

10. uzdevums: Bluetooth vadība. Izmantojot Bluetooth un tālruņa lietotni (RemoteXY), lai kontrolētu robota gaismas diodes un servo mehānismu. Šajā uzdevumā studenti uzzina par Bluetooth, kā izmantot tālruņa lietotni, lai kontrolētu reālās pasaules lietas, un uzzina par gaismas diodēm un servo mehānismiem.

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

5. darbība. Robotu matemātikas un programmas struktūras līdzsvarošana

Pievienotais fails sniedz pārskatu par robota līdzsvarojošās daļas matemātiku un programmatūras struktūru.

Matemātika aiz balansēšanas robota ir vienkāršāka un interesantāka, nekā jūs varētu domāt.

Augstāka līmeņa skolēniem ir iespējams saistīt matemātikas līdzsvarošanas robotu ar matemātikas un fizikas studijām, ko viņi veic vidusskolā.

Matemātikā robotu var izmantot, lai parādītu, kā trigometrija, diferenciācija un integrācija tiek pielietota reālajā pasaulē. Kods parāda, kā diferenciāciju un integrāciju skaitliski aprēķina datori, un mēs esam noskaidrojuši, ka studenti iegūst dziļāku izpratni par šiem jēdzieniem.

Fizikā akselerometri un žiroskopi sniedz ieskatu kustības likumos un praktisku izpratni par tādām lietām kā kāpēc akselerometra mērījumi ir trokšņaini un kā mazināt šādus reālās pasaules ierobežojumus.

Šī izpratne var izraisīt turpmākas diskusijas, piemēram, par PID kontroli un intuitīvu izpratni par atgriezeniskās saites kontroles algoritmiem.

Šī robota veidošanu ir iespējams iekļaut skolas mācību programmā vai kopā ar pēcskolas programmu, sākot no sākumskolas līdz vidusskolas skolēniem.

6. darbība: video straumēšanas kameras piederums

Mēs esam izveidojuši videokameru, kuras pamatā ir aveņu PI, kuru var piestiprināt pie riteņa riteņa pagarinājuma. Is izmanto WiFi, lai straumēšanas video straumi pārsūtītu uz tīmekļa pārlūkprogrammu.

Tas robotam izmanto atsevišķu barošanas avotu un ir atsevišķs modulis.

Fails sniedz informāciju par marku.

Kā alternatīvu, riteņa riteņa pagarinājumam var pievienot citas atsevišķas video straumēšanas kameras, piemēram, Quelima SQ13, piemēram:

7. darbība: N20 motoru izmantošana TT motoru vietā

TT motora vietā ir iespējams izmantot N20 motoru.

Robots darbojas vienmērīgāk un ar N20 motoru iet daudz ātrāk.

Manis izmantotie N20 motori ir 3V, 250 apgr./min N20 motori, piem.

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

N20 motori nav tik izturīgi un neiztur tik ilgi, iespējams, 5-10 stundas.

N20 motoram ir nepieciešams 3D drukāt N20 motora stiprinājumus, un ir ievietots ritenis, lai TT motora ritenis atbilstu N20 motora aksiālajai vārpstai.

N20 motora stiprinājumus var atrast, tinkerCAD galerijā meklējot "balrobot".