Robot wyważający / Robot 3-kołowy / Robot STEM: 8 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

Zbudowaliśmy kombinowanego robota wyważającego i trójkołowego do użytku edukacyjnego w szkołach i pozaszkolnych programach edukacyjnych. Robot bazuje na Arduino Uno, niestandardowej osłonie (wszystkie szczegóły konstrukcyjne w zestawie), akumulatorze Li Ion (wszystkie szczegóły konstrukcyjne w zestawie) lub akumulatorze 6xAA, MPU 6050, module bluetooth BLE, module ultradźwiękowym (opcjonalnie) i serwo do poruszania ramieniem. Dostępne są również obszerne materiały edukacyjne gotowe do użycia w salach lekcyjnych.

Załączony dokument to instrukcje dla dzieci, jak zbudować robota w szeregu kroków, które zapewniają edukacyjną naukę na każdym kroku. Jest to dokument dostarczany do szkół i programów pozaszkolnych.

Istnieje 7 ćwiczeń, które można wykonać przed załadowaniem pełnego szkicu wyważania / robota trójkołowego. Każde z ćwiczeń skupia się na konkretnym aspekcie robota, m.in. akcerometr/czujnik żyroskopowy, współpracujący z aplikacją na smartfona za pomocą bluetooth, czujnik ultradźwiękowy, serwo itp. Ćwiczenia są zintegrowane z fizyczną konstrukcją robota, więc gdy zbudowano wystarczającą ilość robota, aby wykonać ćwiczenie, szkic do ćwiczenia można przesłać i wykonać. Pomaga to skoncentrować zabawę z budowania robota z nauką edukacyjną.

Postanowiono użyć Arduino Uno, ponieważ jest on niezwykle powszechny i używany w wielu środowiskach edukacyjnych. Zastosowaliśmy również, poza osłoną, standardowe moduły z półki, które są łatwo dostępne. Obudowa jest wydrukowana w 3D, a projekt dostępny w TinkerCAD.

Odkryliśmy również, że ten robot pomaga inspirować i zapewnia pewność siebie dzieci do myślenia o budowaniu własnych dzieł i że nie jest to trudne.

Wszystkie szkice są dobrze komentowane, a bardziej zaawansowani uczniowie mogą modyfikować lub pisać własne szkice. Robot może stanowić ogólną platformę do nauki Arduino i elektroniki.

Robot współpracuje również z aplikacją „LOFI blocks” (https://lofiblocks.com/en/), dzięki czemu dzieci mogą w niej pisać własny kod w środowisku graficznym podobnym do SCRATCH.

Zauważ, że powyższy film pokazuje model mark 1, robot używa teraz aplikacji Bluetooth RemoteXY (która jest dostępna zarówno dla urządzeń Andriod, jak i Apple), MPU 6050 znajduje się teraz na osłonie robota (nie w suwaku na dole robota - choć nadal możesz go tam zlokalizować, jeśli chcesz) i ma opcjonalny czujnik ultradźwiękowy, który można podłączyć do osłony.

Podziękowanie:

(1) regulacja kąta nachylenia i PID oparta jest na oprogramowaniu firmy Brokking:

(2) Aplikacja RemoteXY:

(3) Bloki LOFI i aplikacja LOFI Robot:

(4) ramiona oparte na jjrobotach:

(5) wszystkie szkice są przechowywane na Arduino Create:

(6) Projekty 3D są przechowywane w TinkerCAD:

Zastrzeżenie: Ten materiał jest dostarczany w stanie, w jakim jest, bez gwarancji poprawności lub braku tego materiału. Korzystanie z zewnętrznych aplikacji na iPhone'a i Androida wymienionych w tym dokumencie odbywa się na własne ryzyko użytkowników. Robot może korzystać z akumulatora litowo-jonowego, korzystanie z akumulatora i zasilacza odbywa się na własne ryzyko użytkownika. Autorzy nie ponoszą odpowiedzialności za straty poniesione przez jakąkolwiek osobę lub organizację korzystającą z tego materiału lub z budowy lub użytkowania robota.

Krok 1: Lista części

Aby zrobić robota od podstaw, jest wiele kroków i zajmie to sporo czasu i ostrożności. Będziesz potrzebować drukarki 3D i będziesz dobry w lutowaniu i budowie obwodów elektronicznych.

Części wymagane do wykonania robota to:

(1) Wydrukuj 3D podwozie i przedłużenie kółka samonastawnego

(2) Arduino Uno

(3) Zbuduj tarczę robota

(4) MPU 6050, moduł Bluetooth AT9 BLE, opcjonalny moduł ultradźwiękowy (wszystkie podłączane do osłony)

(5) Serwo SG90

(6) Silniki i koła TT

(7) Zbuduj pakiet zasilania (albo zestaw baterii 6xAA lub zestaw akumulatorów litowo-jonowych)

Załączony plik wyjaśnia, jak zdobyć i zbudować wszystkie części z wyjątkiem zasilacza Li Ion i osłony robota, które są omówione w kolejnych krokach.

Krok 2: Osłona robota

Projekt PCB dla osłony robota jest wykonywany we Fritzing, dołączony jest plik Fritzing, jeśli chcesz zmodyfikować projekt.

Dołączone są również pliki gerber do tarczy PCB, możesz wysłać te pliki do producenta PCB, aby wyprodukował tarczę.

Na przykład następujący producenci mogą wyprodukować 10 płytek PCB za około 5 USD + opłata pocztowa:

www.pcbway.com/

easyeda.com/zamówienie

Dołączony jest również dokument wykonania tarczy.

Krok 3: Pakiet zasilania

Do robota można zbudować pakiet baterii 6xAA lub akumulator litowo-jonowy. Instrukcje dla obu są załączone.

Pakiet baterii AA jest znacznie łatwiejszy do skonstruowania. Jednak baterie wystarczają tylko na około 20/30 minut przed koniecznością wymiany. Serwo również nie może być używane z baterią AA, więc nie ma ruchomego ramienia.

Akumulator litowo-jonowy może być ładowany i wystarcza na około 60 plus minut pomiędzy kolejnymi ładowaniami (w zależności od pojemności używanego akumulatora). Jednak akumulator litowo-jonowy jest trudniejszy do zbudowania i wykorzystuje akumulator litowo-jonowy, z akumulatorami litowo-jonowymi należy obchodzić się ostrożnie.

Akumulator litowo-jonowy zawiera obwód zabezpieczający, który chroni akumulator przed nadmiernym i niedostatecznym naładowaniem oraz ogranicza maksymalny prąd do 4 amperów. Wykorzystuje również moduł ładowania Li Ion.

Możesz użyć dowolnego akumulatora litowo-jonowego o napięciu wyjściowym ok. 7,2 V, ale musisz przygotować kabel z odpowiednią wtyczką osłony robota.

Daj mi znać, jeśli masz dobry alternatywny zasilacz. Powodem, dla którego stworzyłem ten pakiet Li Ion, jest to, że wykorzystuje pojedyncze ogniwo Li Ion, co oznacza, że jest stosunkowo mały i można go ładować z dowolnej ładowarki micro USB lub z dowolnego portu USB, w tym komputera. Widziałem, że zasilacze Li Ion o napięciu około 7,2 V używają 2 ogniw i wymagają specjalnej ładowarki, co zwiększa koszty i nie jest tak wygodne w ładowaniu.

Jeśli zdecydujesz się zbudować akumulator Li Ion (lub użyć dowolnego akumulatora Li Ion), powinieneś zdawać sobie sprawę z problemów związanych z bezpieczeństwem takich akumulatorów, m.in.

Krok 4: Ćwiczenia i szkice robotów

Po zdobyciu wszystkich części, konstruując robota, możesz po drodze wykonywać ćwiczenia programistyczne, jeśli chcesz. Ćwiczenia te wraz z objaśnieniami są dostępne w Arduino Create – poniższe linki prowadzą do ćwiczeń Arduino Create – możesz następnie otworzyć i zapisać ćwiczenie w swoim loginie Arduino Create.

Aby przesłać szkice do robota, upewnij się, że Twój telefon nie jest połączony z robotem przez Bluetooth - połączenie Bluetooth zapobiega przesyłaniu. Chociaż generalnie nie jest to potrzebne, pin modułu Bluetooth to 123456.

Ćwiczenia 3, 5 i 7 wykorzystują aplikację na smartfona "LOFI robot" (lub aplikację "BLE joystick" - chociaż ta aplikacja nie zawsze działa z urządzeniami Apple).

Ćwiczenie 8 (pełny szkic robota) wykorzystuje aplikację na smartfona „RemoteXY” do sterowania robotem.

Szkic LOFI Blocks wykorzystuje aplikację „LOFI Blocks”. (pamiętaj, że ta aplikacja działa najlepiej na urządzeniach Apple).

Kiedy ładujesz ćwiczenie do Arduino Create, oprócz szkicu arduino, istnieje szereg innych zakładek, które dostarczają informacji o ćwiczeniu.

Ćwiczenie 1: Arduino Basics – migaj diodami LED na osłonie sterowania robota na czerwono i zielono. Możesz wykonać to ćwiczenie po kroku (3) w konstrukcji.

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

Ćwiczenie 2: Czujnik żyroskopowy – zapoznanie się z gryosami i akcelerometrami. Możesz wykonać to ćwiczenie po kroku (4) w konstrukcji. Musisz użyć „Serial Monitor” z szybkością transmisji ustawioną na 115200.

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

Ćwiczenie 3: Łącze Bluetooth – nawiąż połączenie Bluetooth, użyj aplikacji na smartfona, aby włączyć i wyłączyć diody LED na osłonie sterowania robota. Możesz wykonać to ćwiczenie po kroku (5) w konstrukcji.

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

Ćwiczenie 4: Ultradźwiękowy czujnik odległości (opcja) – zapoznanie się z czujnikiem ultradźwiękowym. Możesz wykonać to ćwiczenie po kroku (5) w konstrukcji. Musisz użyć „Serial Monitor” z szybkością transmisji ustawioną na 115200.

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

Ćwiczenie 5: Serwomechanizm – zapoznając się z mechanizmem serwo i poruszając ramieniem, użyj aplikacji na smartfona, aby kontrolować kąt ramienia serwa. Możesz wykonać to ćwiczenie po kroku (8) w konstrukcji. Musisz użyć „Serial Monitor” z szybkością transmisji ustawioną na 115200.

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

Ćwiczenie 6: Silniki napędowe – zapoznanie się z silnikami, uruchamiaj silniki napędowe do przodu i do tyłu. Wymaga włączenia akumulatora. Musisz użyć „Serial Monitor” z szybkością transmisji ustawioną na 115200.

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

Ćwiczenie 7: Basic Car – zbuduj prosty samochód trzykołowy (robot z mocowaniem trzeciego koła), do sterowania samochodem używamy aplikacji na smartfona. Wykorzystuje również czujnik ultradźwiękowy do śledzenia dłoni. Możesz to zrobić w tym samym punkcie konstrukcji, co powyżej. Wymaga włączenia akumulatora i włożenia nasadki trzeciego koła.

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

Ćwiczenie 8: Robot w pełni wyważający – kod do pełnego wyważania / robot trójkołowy. Użyj aplikacji na smartfona „RemoteXY”, aby sterować robotem.

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

LOFI Blocks Sketch – aby użyć aplikacji „LOFI Blocks”, prześlij ten szkic do robota. Następnie możesz zaprogramować robota za pomocą aplikacji „LOFI Blocks”, która wykorzystuje bloki programowania podobne do SCRATCH.

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

Ćwiczenie 9: Robot do śledzenia linii. Możliwe jest dodanie dwóch czujników śledzenia linii i użycie wtyczki ultradźwiękowej do podłączenia czujników śledzenia linii do robota. Uwaga, czujniki są podłączone do cyfrowych pinów D2 i D8.

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

Ćwiczenie 10: Sterowanie Bluetooth. Korzystanie z Bluetooth i aplikacji na telefon (RemoteXY) do sterowania diodami LED robota i serwomechanizmem. W tym ćwiczeniu uczniowie uczą się o Bluetooth, jak używać aplikacji na telefon do kontrolowania rzeczy ze świata rzeczywistego oraz o diodach LED i serwomechanizmach.

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

Krok 5: Równoważenie matematyki robotów i struktury programu

Załączony plik zawiera przegląd matematyki i struktury oprogramowania części wyważającej robota.

Matematyka stojąca za robotem balansującym jest prostsza i bardziej interesująca niż mogłoby się wydawać.

Dla bardziej zaawansowanych uczniów istnieje możliwość połączenia matematyki z robotem balansującym ze studiami matematyczno-fizycznymi, które odbywają w liceum.

W matematyce robota można wykorzystać do pokazania, w jaki sposób trygometria, różniczkowanie i integracja są stosowane w świecie rzeczywistym. Kod pokazuje, jak zróżnicowanie i integracja są obliczane numerycznie przez komputery. Odkryliśmy, że uczniowie lepiej rozumieją te pojęcia.

W fizyce akcelerometry i żyroskopy zapewniają wgląd w prawa ruchu i praktyczne zrozumienie takich rzeczy, jak dlaczego pomiary akcelerometrem są hałaśliwe i jak złagodzić takie ograniczenia w świecie rzeczywistym.

To zrozumienie może prowadzić do dalszych dyskusji, na przykład na temat sterowania PID i intuicyjnego zrozumienia algorytmów sterowania ze sprzężeniem zwrotnym.

Możliwe jest włączenie budowy tego robota do programu szkolnego lub w połączeniu z programem pozaszkolnym, od uczniów szkół podstawowych po liceum.

Krok 6: Akcesorium kamery do strumieniowego przesyłania wideo

Stworzyliśmy kamerę wideo opartą na raspberry PI, którą można przymocować do przedłużenia kółka samonastawnego robota. Wykorzystuje WiFi do przesyłania strumieniowego strumienia wideo do przeglądarki internetowej.

Wykorzystuje oddzielny zasilacz do robota i jest samodzielnym modułem.

Plik zawiera szczegóły dotyczące marki.

Alternatywnie, inne samodzielne kamery do strumieniowego przesyłania wideo, takie jak Quelima SQ13, można podłączyć do przedłużenia kółka samonastawnego, np.:

Krok 7: Używanie silników N20 zamiast silników TT

Możliwe jest zastosowanie silnika N20 zamiast silnika TT.

Robot pracuje płynniej i jedzie znacznie szybciej z silnikiem N20.

Stosowane przeze mnie silniki N20 to silniki 3V, 250 obr./min N20, m.in.

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

Silniki N20 nie są tak wytrzymałe i nie wytrzymują tak długo, być może 5-10 godzin użytkowania.

Silnik N20 wymaga wydrukowania w 3D mocowań silnika N20, a wkładka koła umożliwia dopasowanie koła silnika TT do osiowego wału silnika N20.

Uchwyty silnika N20 można znaleźć, wyszukując „balrobot” w galerii tinkerCAD.