Vyvažovací robot / 3kolový robot / robot STEM: 8 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Postavili jsme kombinovaného vyvažovacího a tříkolového robota pro edcuational použití ve školách a po škole vzdělávací programy. Robot je založen na Arduino Uno, vlastním štítu (všechny konstrukční detaily jsou k dispozici), Li Ion bateriovém bloku (všechny konstrukční detaily jsou uvedeny) nebo 6xAA bateriovém modulu, MPU 6050, BLE bluetooth modulu, ultrazvukovém modulu (volitelně)) a servo pro pohyb paží. K dispozici je také rozsáhlý vzdělávací materiál připravený k použití ve třídách.

V přiloženém dokumentu jsou pokyny, které děti dostanou při stavění robota v sérii kroků, které v každém kroku poskytují vzdělávací učení. Toto je dokument poskytovaný školám a mimoškolním programům.

Existuje 7 cvičení, která lze provést před nahráním náčrtu kompletního balaningového / 3 kola. Každé z cvičení se zaměřuje na určitý aspekt robota, např. senzor accerometru/gyroskopu, interakce s aplikací chytrého telefonu pomocí bluetooth, ultasonic senzor, servo atd. Cvičení jsou integrována do fyzické konstrukce robota, takže když bylo zkonstruováno dostatečné množství robota k provedení cvičení, skicu ke cvičení lze nahrát a udělat. To pomáhá soustředit zábavu při stavění robota na vzdělávací učení.

Bylo rozhodnuto použít Arduino Uno, protože je extrémně běžné a používá se v mnoha vzdělávacích prostředích. Použili jsme také, kromě štítu, standardní standardní moduly, které jsou snadno dostupné. Šasi je vytištěno 3D a design je k dispozici na TinkerCAD.

Zjistili jsme také, že tento robot pomáhá inspirovat a poskytovat důvěru dětem k přemýšlení o budování vlastních výtvorů a že to není těžké.

Všechny skici jsou dobře komentované a pokročilejší studenti si mohou upravit nebo napsat vlastní skici. Robot může tvořit obecnou platformu pro učení se o Arduinu a elektronice.

Robot také pracuje s aplikací „Bloky LOFI“(https://lofiblocks.com/en/), takže tam děti mohou psát vlastní kód v grafickém prostředí podobném SCRATCH.

Všimněte si výše uvedeného videa, které ukazuje model značky 1, robot nyní používá bluetooth aplikaci RemoteXY (která je k dispozici pro zařízení Andriod i Apple), MPU 6050 je nyní umístěn na krytu robota (nikoli v posuvníku ve spodní části robot - i když ho tam stále můžete najít, pokud si přejete) a má volitelný ultrazvukový senzor, který lze zapojit do štítu.

Poděkování:

(1) Úhel stoupání a ovládání PID je založeno na softwaru Brokking:

(2) Aplikace RemoteXY:

(3) Aplikace LOFI Blocks a LOFI Robot:

(4) zbraně založené na jjrobots:

(5) všechny skici jsou uloženy na Arduino Create:

(6) 3D návrhy jsou uloženy na TinkerCAD:

Prohlášení: Tento materiál je poskytován tak, jak je, bez záruky správnosti nebo jiného charakteru tohoto materiálu. Používání aplikací třetích stran pro iPhone a Android uvedených v tomto dokumentu je na vlastní riziko uživatelů. Robot může používat lithium -iontovou baterii, použití baterie a napájecího zdroje je na vlastní riziko uživatele. Autoři nepřebírají žádnou odpovědnost za ztráty, které utrpí jakákoli osoba nebo organizace používající tento materiál nebo stavbou nebo používáním robota.

Krok 1: Seznam dílů

Aby byl robot od nuly, existuje mnoho kroků a zabere to dost času a péče. Budete potřebovat 3D tiskárnu a budete dobří v pájení a stavbě elektronických obvodů.

Díly potřebné k výrobě robota jsou:

(1) 3D tisk rozšíření chasis a kolečka

(2) Arduino Uno

(3) Postavte robotický štít

(4) MPU 6050, modul AT9 BLE Bluetooth, volitelný ultrazvukový modul (vše zapojeno do štítu)

(5) Servo SG90

(6) TT motory a kola

(7) Sestavte napájecí zdroj (buď 6xAA nebo Li -Ion)

V přiloženém souboru je vysvětleno, jak získat a postavit všechny součásti kromě Li -ion napájecího zdroje a štítu robota, které jsou popsány v následujících krocích.

Krok 2: Robot Shield

Návrh desky plošných spojů pro štít robota se provádí ve Fritzing, připojený je soubor Fritzing, pokud chcete změnit design.

Také jsou připojeny soubory Gerber pro PCB štítu, tyto soubory můžete poslat výrobci PCB, který pro ně vyrobí štít.

Následující výrobci mohou například vyrobit 10 x PCB desky za přibližně 5 USD + poštovné:

www.pcbway.com/

easyeda.com/order

Také je připojen dokument pro výrobu štítu.

Krok 3: Power Pack

Pro robota můžete postavit buď baterii 6xAA, nebo baterii Li Ion. Pokyny pro oba jsou přiloženy.

Sestavení baterie AA je mnohem snazší. Baterie však vydrží jen asi 20/30 minut, než bude nutné je vyměnit. Servo také nelze použít s baterií AA, takže není žádné pohyblivé rameno.

Akumulátor Li Ion lze dobíjet a mezi dobíjením vydrží přibližně 60 plus minut (v závislosti na kapacitě použité baterie). Li -Ion akumulátor je však obtížnější stavět a používá Li Ion akumulátor, s Li Ion akumulátory je třeba zacházet opatrně.

Baterie Li Ion obsahuje ochranný obvod, který chrání baterii před přebitím a pod nabitím a omezuje maximální proud na 4 ampéry. Používá také nabíjecí modul Li Ion.

Můžete použít libovolnou baterii Li Ion, která má výstup přibližně 7,2 voltů, ale budete muset vytvořit kabel s příslušnou zástrčkou robota.

Dejte mi vědět, pokud máte dobrý alternativní napájecí zdroj. Důvod, proč jsem vytvořil tento Li Ion pack, je ten, že používá jeden Li Ion článek, což znamená, že je relativně malý a lze jej nabíjet z jakékoli micro USB nabíječky nebo z jakéhokoli USB portu včetně počítače. Napájecí zdroje Li Ion, které jsem viděl kolem 7,2 voltů, používají 2 články a vyžadují speciální nabíječku, která zvyšuje náklady a není tak pohodlné nabíjet.

Pokud se rozhodnete sestavit baterii Li Ion (nebo použít jakoukoli baterii Li Ion), měli byste si být vědomi bezpečnostních problémů s takovými bateriemi, např.

Krok 4: Robotická cvičení a skici

Jakmile získáte všechny součásti, můžete při stavbě robota provádět programovací cvičení, pokud chcete. Tato cvičení spolu s vysvětlením jsou k dispozici na Arduino Create - níže uvedené odkazy vás zavedou na cvičení Arduino Create - cvičení pak můžete otevřít a uložit do svého přihlášení k Arduino Create.

Chcete -li do robota nahrávat náčrty, ujistěte se, že váš telefon není k robotovi připojen pomocí technologie Bluetooth - připojení Bluetooth zabrání odesílání. I když to obecně není potřeba, kolík pro modul Bluetooth je 123456.

Cvičení 3, 5 a 7 používají aplikaci pro chytrý telefon „LOFI robot“(nebo aplikaci „BLE joystick“- i když tato aplikace nefunguje vždy se zařízeními Apple).

Cvičení 8 (náčrt celého robota) používá k ovládání robota aplikaci pro chytrý telefon „RemoteXY“.

Skica LOFI Blocks používá aplikaci „LOFI Blocks“. (tato aplikace funguje nejlépe na zařízeních Apple).

Když do Arduino Create načtete cvičení, kromě skici arduino existuje řada dalších záložek, které poskytují informace o cvičení.

Cvičení 1: Základy Arduina - blikejte LED diody na ovládacím štítu robota červeně a zeleně. Toto cvičení můžete provést po kroku (3) v konstrukci.

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

Cvičení 2: Gyro senzor - seznámení s gryosy a akcelerometry. Toto cvičení můžete provést po kroku (4) v konstrukci. Musíte použít „Sériový monitor“s přenosovou rychlostí nastavenou na 115200.

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

Cvičení 3: Bluetooth Link - vytvořte spojení Bluetooth, pomocí aplikace pro chytrý telefon zapněte a vypněte LED diody na ovládacím štítu robota. Toto cvičení můžete provést po kroku (5) v konstrukci.

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

Cvičení 4: Ultrazvukový senzor vzdálenosti (volitelný) - seznámení s ultrazvukovým senzorem. Toto cvičení můžete provést po kroku (5) v konstrukci. Musíte použít „Sériový monitor“s přenosovou rychlostí nastavenou na 115200.

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

Cvičení 5: Servomechanismus-seznámení se se servomechanismem a pohybem ramene, pomocí aplikace pro chytrý telefon ovládejte úhel ramene serva. Toto cvičení můžete provést po kroku (8) v konstrukci. Musíte použít „Sériový monitor“s přenosovou rychlostí nastavenou na 115200.

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

Cvičení 6: Hnací motory - seznamte se s motory, spusťte hnací motory dopředu a dozadu. Vyžaduje zapnutí sady baterií. Musíte použít „Sériový monitor“s přenosovou rychlostí nastavenou na 115200.

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

Cvičení 7: Základní auto - postavte jednoduché tříkolové auto (robot s připojením 3. kola), k ovládání auta používáme aplikaci pro chytrý telefon. Také používá ultrazvukový senzor, aby sledoval vaši ruku. Můžete to udělat ve stejném bodě konstrukce jako výše. Vyžaduje zapnutí baterie a vložení přídavného zařízení 3. kola.

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

Cvičení 8: Plně vyvažovací robot - kód pro plně vyvažovací / tříkolový robot. K ovládání robota použijte aplikaci pro chytrý telefon „RemoteXY“.

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

Skica LOFI Blocks - pro použití aplikace „LOFI Blocks“nahrajte tuto skicu do robota. Potom můžete robota naprogramovat pomocí aplikace „LOFI Blocks“, která používá programovací bloky podobné SCRATCH.

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

Cvičení 9: Line Tracing robot. Je možné přidat dva snímače trasování linky a pomocí ultrazvukové zástrčky připojit snímače trasování linky k robotu. Senzory jsou připojeny k digitálním pinům D2 a D8.

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

Cvičení 10: Ovládání Bluetooth. Ovládání LED diod robota a servomechanismu pomocí Bluetooth a aplikace pro telefon (RemoteXY). V tomto cvičení se studenti seznámí s technologií Bluetooth, jak pomocí aplikace v telefonu ovládat věci ze skutečného světa a seznámí se s LED diodami a servomechanismy.

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

Krok 5: Vyvážení robotické matematiky a struktury programu

Přiložený soubor poskytuje přehled o matematické a softwarové struktuře vyvažovací části robota.

Matematika za vyvažovacím robotem je jednodušší a zajímavější, než byste si mohli myslet.

Pro pokročilejší studenty je možné propojit vyvažovací robotickou matematiku se studiem matematiky a fyziky, které dělají na střední škole.

V matematice lze pomocí robota ukázat, jak se trigometrie, diferenciace a integrace uplatňují v reálném světě. Kód ukazuje, jak jsou diferenciace a integrace počítačem počítány numericky, a zjistili jsme, že studenti těmto pojmům porozumí hlouběji.

Akcelerometry a gyroskopy ve fyzice poskytují vhled do pohybových zákonů a praktické pochopení věcí, například proč jsou měření akcelerometru hlučná a jak zmírnit taková omezení skutečného světa.

Toto porozumění může vést k dalším diskusím, například o řízení PID a intuitivním porozumění algoritmům řízení zpětné vazby.

Budovu tohoto robota je možné začlenit do školních osnov, nebo ve spojení s mimoškolním programem, od studentů základních až po středoškolské studenty.

Krok 6: Příslušenství kamery pro streamování videa

Vytvořili jsme videokameru založenou na malině PI, kterou lze připojit k prodloužení kolečka k robotu. Používá WiFi k přenosu streamovaného video streamu do webového prohlížeče.

Používá samostatné napájení robota a je samostatným modulem.

Soubor poskytuje podrobnosti o výrobě.

Alternativně lze k prodloužení kolečka připojit další samostatné kamery pro streamování videa, jako je Quelima SQ13, například:

Krok 7: Použití motorů N20 místo motorů TT

Místo motoru TT je možné použít motor N20.

Robot běží plynuleji a s motorem N20 jde mnohem rychleji.

Motory N20, které jsem použil, jsou motory N20 3 V, 250 ot / min, např.

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

Motory N20 nejsou tak robustní a nevydrží tak dlouho, možná 5–10 hodin používání.

Motor N20 vyžaduje, abyste 3D vytiskli držáky motoru N20, a je zde vložka kola, která umožňuje, aby se motorové kolo TT přizpůsobilo osovému hřídeli motoru N20.

Držáky motoru N20 lze nalézt hledáním „balrobota“v galerii tinkerCAD.