Balanceringsrobot / 3 -hjulet robot / STEM -robot: 8 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

Vi har bygget en kombineret balancerings- og 3 -hjulet robot til uddannelsesmæssig brug på skoler og efterskoleuddannelser. Robotten er baseret på en Arduino Uno, et brugerdefineret skjold (alle konstruktionsdetaljer medfølger), et Li Ion -batteri (alle konstruktionsdetaljer medfølger) eller en 6xAA -batteripakke, en MPU 6050, et BLE bluetooth -modul, et ultralydsmodul (valgfrit) og en servo til at flytte en arm. Der findes også omfattende undervisningsmateriale klar til brug i klasseværelser.

Det vedhæftede dokument er instruktionerne til børn om at bygge robotten i en række trin, der giver pædagogisk læring ved hvert trin. Dette er det dokument, der leveres til skoler og efterskoleprogrammer.

Der er 7 øvelser, der kan udføres, før den fulde balanering / 3 -hjulet robotskitse uploades. Hver af øvelserne fokuserer på et bestemt aspekt af robotten, f.eks. accerometeret/gyroskopsensoren, interagerer med en smart -telefon -app ved hjælp af bluetooth, den ultasoniske sensor, servoen osv. Øvelserne er integreret i robotens fysiske konstruktion, så når nok af robotten er konstrueret til at lave en øvelse, vil skitse til øvelsen kan uploades og udføres. Dette hjælper med at fokusere det sjove ved at bygge robotten med pædagogisk læring.

Det blev besluttet at bruge en Arduino Uno, fordi det er ekstremt almindeligt og bruges i mange uddannelsesinstitutioner. Vi har også brugt andre end skjoldet standard på hyldemoduler, som er let tilgængelige. Chassiset er 3D -printet og designet tilgængeligt på TinkerCAD.

Vi har også fundet ud af, at denne robot hjælper med at inspirere og give børn tillid til at tænke på at bygge deres egne kreationer, og at det ikke er svært at gøre det.

Alle skitserne er godt kommenteret, og mere avancerede studerende kan ændre eller skrive deres egne skitser. Robotten kan danne en generel platform for at lære om Arduino og elektronik.

Robotten fungerer også med appen "LOFI -blokke" (https://lofiblocks.com/da/), så børn kan skrive deres egen kode i et grafisk miljø, der ligner SCRATCH.

Bemærk videoen ovenfor viser mærket 1 -modellen, robotten bruger nu RemoteXY bluetooth -appen (som er tilgængelig for både Andriod og Apple -enheder), MPU 6050 er nu placeret på robotskjoldet (ikke i skyderen i bunden af robot - selvom du stadig kan finde den der, hvis du ønsker det) og har en valgfri ultralydssensor, der kan sættes i skjoldet.

Anerkendelser:

(1) pitchvinkel og PID -kontrol er baseret på software fra Brokking:

(2) RemoteXY -app:

(3) LOFI Blocks og LOFI Robot app:

(4) arme baseret på jjrobots:

(5) alle skitser gemmes på Arduino Create:

(6) 3D -designs gemmes på TinkerCAD:

Ansvarsfraskrivelse: Dette materiale leveres som det er, uden garanti for materialets korrekthed eller på anden måde. Brug af tredjeparts iPhone- og Android -apps, der er navngivet i dette dokument, er på brugerens egen risiko. Robotten kan bruge et litiumionbatteri, brug af batteriet og strømforsyningen sker på brugerens egen risiko. Forfatterne påtager sig intet ansvar for tab, som en person eller organisation lider ved hjælp af dette materiale eller fra opbygning eller brug af robotten.

Trin 1: Deleliste

For at lave robotten fra bunden er der mange trin, og det vil tage ret meget tid og omhu. Du skal bruge en 3D -printer og være god til lodning og konstruktion af elektroniske kredsløb.

De dele, der kræves for at lave robotten, er:

(1) 3D -print chasis og hjulforlænger

(2) Arduino Uno

(3) Byg robotskærmen

(4) MPU 6050, AT9 BLE Bluetooth -modul, valgfrit ultralydsmodul (alle tilsluttet skjoldet)

(5) SG90 servo

(6) TT -motorer og hjul

(7) Byg strømpakken (enten 6xAA batteri eller Li Ion batteri)

Den vedhæftede fil forklarer, hvordan man skaffer og bygger alle delene undtagen Li Ion power pack og robotskjoldet, som er dækket i de næste trin.

Trin 2: Robotskjold

PCB -designet til robotskjoldet er udført i Fritzing, vedhæftet er Fritzing -filen, hvis du ønsker at ændre designet.

Der er også vedhæftet gerber -filer til afskærmningskortet, du kan sende disse filer til en PCB -producent, så de kan fremstille skjoldet.

For eksempel kan følgende producenter lave 10 x printkort til omkring $ 5 + porto:

www.pcbway.com/

easyeda.com/order

Vedhæftet er også fabrikatdokumentet til skjoldet.

Trin 3: Power Pack

Du kan bygge enten en 6xAA-batteripakke eller et Li Ion-batteri til robotten. Instruktionerne for begge er vedhæftet.

AA-batteripakken er meget lettere at konstruere. Batterierne holder dog kun ca. 20/30 minutter, før de skal udskiftes. Servoen kan heller ikke bruges med AA-batteripakken, så der ikke er nogen bevægelig arm.

Li Ion -batteripakken kan genoplades og varer cirka 60 plus minutter mellem opladninger (afhængigt af batterikapaciteten). Li Ion -batteripakken er imidlertid vanskeligere at bygge og bruger et Li Ion -batteri, Li Ion -batterier skal håndteres forsigtigt.

Li -ion -batteripakken indeholder et beskyttelseskredsløb, som beskytter batteriet mod over- og underopladning og begrænser maksimalstrømmen til 4 ampere. Det bruger også et Li Ion -opladningsmodul.

Du kan bruge en hvilken som helst Li Ion -batteripakke, der har en ydelse på ca. 7,2 volt, men du skal lave et kabel med det passende robotskærmstik.

Lad mig vide, hvis du har en god alternativ strømforsyning. Grunden til, at jeg har sammensat denne Li Ion -pakke, er, at den bruger en enkelt Li Ion -celle, hvilket betyder, at den er relativt lille og kan oplades fra enhver mikro -USB -oplader eller fra en hvilken som helst USB -port inklusive en computer. Li Ion power packs jeg har set omkring 7,2 volt bruge 2 celler og kræver en speciel oplader, hvilket øger omkostningerne og ikke er så praktisk at oplade.

Hvis du vælger at bygge Li Ion -batteripakken (eller bruge et Li Ion -batteri), skal du være opmærksom på sikkerhedsproblemerne med sådanne batterier, f.eks.

Trin 4: Robotøvelser og skitser

Når du har fået alle delene, kan du, når du konstruerer robotten, lave programmeringsøvelser undervejs, hvis du vil. Disse øvelser sammen med forklaringer er tilgængelige på Arduino Create - nedenstående links fører dig til Arduino Create -øvelserne - du kan derefter åbne og gemme øvelsen i dit Arduino Create -login.

For at uploade skitser til robotten skal du sørge for, at din telefon ikke er forbundet til robotten via Bluetooth - en Bluetooth -forbindelse forhindrer upload i at forekomme. Selvom det generelt ikke er nødvendigt, er stiften til Bluetooth -modulet 123456.

Øvelse 3, 5 og 7 bruger smarttelefonappen "LOFI robot" (eller appen "BLE joystick" - selvom denne app ikke altid fungerer med Apple -enheder).

Øvelse 8 (den fulde robotskitse) bruger smarttelefonappen “RemoteXY” til at styre robotten.

LOFI Blocks -skitsen bruger appen "LOFI Blocks". (bemærk, at denne app fungerer bedst på Apple -enheder).

Når du indlæser en øvelse i Arduino Create, er der ud over arduino -skitsen en række andre faner, der giver oplysninger om øvelsen.

Øvelse 1: Arduino Basics - blinker LED'erne på robotstyringsskærmen rød og grøn. Du kan udføre denne øvelse efter trin (3) i konstruktionen.

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

Øvelse 2: Gyrosensor - stift bekendtskab med gryoer og accelerometre. Du kan udføre denne øvelse efter trin (4) i konstruktionen. Du skal bruge "Serial Monitor", med baudhastighed indstillet til 115200.

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

Øvelse 3: Bluetooth Link - opret et Bluetooth -link, brug en smartphone -app til at tænde og slukke LED'erne på robotstyringsskærmen. Du kan udføre denne øvelse efter trin (5) i konstruktionen.

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

Øvelse 4: Ultralydsafstandssensor (valgfri) - stift bekendtskab med ultralydssensoren. Du kan udføre denne øvelse efter trin (5) i konstruktionen. Du skal bruge "Serial Monitor" med baudhastighed indstillet til 115200.

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

Øvelse 5: Servomekanisme-gør dig bekendt med servomekanismen og bevæger armen, brug en smart telefon-app til at styre servoarmens vinkel. Du kan udføre denne øvelse efter trin (8) i konstruktionen. Du skal bruge "Serial Monitor" med baudhastighed indstillet til 115200.

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

Øvelse 6: Kør motorer - kendskab til motorer, kør drivmotorerne frem og tilbage. Batteriet skal tændes. Du skal bruge "Serial Monitor" med baudhastighed indstillet til 115200.

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

Øvelse 7: Grundlæggende bil - byg en simpel trehjulet bil (robot med 3. hjulstilbehør), vi bruger en smart telefon -app til at styre bilen. Bruger også ultralydssensoren til at følge din hånd. Du kan gøre dette på samme tidspunkt i konstruktionen som ovenfor. Batteriet skal tændes, og det 3. hjuludstyr sættes i.

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

Øvelse 8: Fuldbalanceringsrobot - koden for fuldbalancerings- / trehjulsrobotten. Brug smart phone -appen “RemoteXY” til at styre robotten.

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

LOFI Blocks Sketch - for at bruge appen "LOFI Blocks" skal du uploade denne skitse til robotten. Du kan derefter programmere robotten ved hjælp af appen "LOFI Blocks", der bruger programmeringsblokke, der ligner SCRATCH.

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

Øvelse 9: Line Tracing robot. Det er muligt at tilføje to liniesporingssensorer og bruge ultralydsstikket til at forbinde liniesporingssensorerne til robotten. Bemærk, sensorerne er forbundet til digitale stifter D2 og D8.

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

Øvelse 10: Bluetooth -kontrol. Brug af Bluetooth og en telefon-app (RemoteXY) til at styre robot-lysdioderne og servomekanismen. I denne øvelse lærer eleverne om Bluetooth, hvordan man bruger en telefonapp til at styre virkelige ting og lære om lysdioder og servomekanismer.

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

Trin 5: Balancering af robotmatematik og programstruktur

Den vedhæftede fil giver et overblik over matematik og softwarestruktur for robotens balancerende del.

Matematikken bag balanceringsrobotten er enklere og mere interessant, end du måske tror.

For de mere avancerede skoleelever er det muligt at knytte balanceringsrobotens matematik til de matematik- og fysikstudier, de laver på gymnasiet.

I matematik kan robotten bruges til at vise, hvordan trigometri, differentiering og integration anvendes i den virkelige verden. Koden viser, hvordan differentiering og integration beregnes numerisk af computere, og vi har fundet ud af, at eleverne får en dybere forståelse af disse begreber.

I physcis giver accelerometre og gyroskoper indsigt i bevægelseslovene og en praktisk forståelse af ting som f.eks. Hvorfor accelerometermålinger er støjende og hvordan man begrænser sådanne virkelige begrænsninger.

Denne forståelse kan føre til yderligere diskussioner, f.eks. PID -kontrol og en intuativ forståelse af feedback -kontrolalgoritmer.

Det er muligt at inkoroporere bygningen af denne robot i skolens pensum, eller i forbindelse med et efterskoleprogram, fra primære til gymnasieelever.

Trin 6: Tilbehør til videostreaming kamera

Vi har skabt et hindbær PI baseret videokamera, som kan fastgøres til hjulhjulets forlængelse til robotten. Is bruger WiFi til at overføre streaming video stream til en webbrowser.

Den bruger en separat strømforsyning til robotten og er et selvstændigt modul.

Filen indeholder detaljer om fabrikatet.

Som et alternativ kunne andre selvstændige videostreamingskameraer, såsom Quelima SQ13, sættes på hjulforlængeren, f.eks.:

Trin 7: Brug af N20 -motorer i stedet for TT -motorer

Det er muligt at bruge N20 -motoren i stedet for TT -motoren.

Robotten kører glattere og går meget hurtigere med N20 -motoren.

De N20 motorer jeg har brugt er 3V, 250rpm N20 motorer, f.eks.

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

N20-motorerne er ikke så robuste og holder ikke så længe, måske 5-10 timers brug.

N20 -motoren kræver, at du 3D -udskriver N20 -motorophængene, og der er et hjulindsats, der gør det muligt for et TT -motorhjul at passe til den aksiale aksel på N20 -motoren.

N20 -motorophængene kan findes ved at søge efter "balrobot" i tinkerCAD -galleriet.