Robot d'equilibri / robot de 3 rodes / robot STEM: 8 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Hem construït un robot combinat d’equilibri i 3 rodes per a ús educatiu a les escoles i programes educatius extraescolars. El robot es basa en un Arduino Uno, un blindatge personalitzat (es proporcionen tots els detalls de la construcció), un paquet de bateries de Li Ion (tots els detalls de construcció inclosos) o un paquet de bateries de 6xAA, una MPU 6050, un mòdul bluetooth BLE, un mòdul d’ultrasons (opcional)) i un servo per moure un braç. També hi ha un ampli material educatiu disponible per utilitzar-lo a les aules.

El document adjunt inclou les instruccions que es donen als nens per construir el robot en una sèrie de passos que proporcionen aprenentatge educatiu a cada pas. Aquest és el document que es proporciona a les escoles i als programes extraescolars.

Hi ha 7 exercicis que es poden fer abans de penjar l'esbós complet del robot de balaning / 3 rodes. Cadascun dels exercicis se centra en un aspecte concret del robot, per exemple. el sensor d’aceròmetre / giroscopi, que interactua amb una aplicació de telèfon intel·ligent mitjançant bluetooth, el sensor d’ultrasons, el servo, etc. es poden penjar i fer esbossos de l'exercici. Això ajuda a centrar la diversió de construir el robot amb un aprenentatge educatiu.

Es va decidir utilitzar un Arduino Uno perquè és extremadament comú i s'utilitza en molts entorns educatius. També hem utilitzat, a part del blindatge, mòduls estàndard de prestatge que estan fàcilment disponibles. El xassís està imprès en 3D i el disseny està disponible a TinkerCAD.

També hem descobert que aquest robot ajuda a inspirar i proporcionar confiança als nens per pensar a construir les seves pròpies creacions i que no és difícil fer-ho.

Tots els esbossos estan ben comentats i els estudiants més avançats poden modificar o escriure els seus propis esbossos. El robot pot formar una plataforma general per aprendre sobre Arduino i l'electrònica.

El robot també funciona amb l'aplicació "blocs LOFI" (https://lofiblocks.com/en/), de manera que els nens hi poden escriure el seu propi codi en un entorn gràfic similar a SCRATCH.

Tingueu en compte que el vídeo anterior mostra el model marca 1, el robot ara utilitza l’aplicació Bluetooth RemoteXY (disponible tant per a dispositius Andriod com Apple), la MPU 6050 ara es troba a l’escut del robot (no al control lliscant de la part inferior del robot, encara que encara podeu localitzar-lo allà si ho desitgeu) i té un sensor d’ultrasons opcional que es pot connectar a l’escut.

Agraïments:

(1) l'angle de pas i el control PID es basa en el programari de Brokking:

(2) Aplicació RemoteXY:

(3) Aplicació LOFI Blocks i LOFI Robot:

(4) braços basats en jjrobots:

(5) tots els esbossos s’emmagatzemen a Arduino Create:

(6) Els dissenys en 3D s’emmagatzemen a TinkerCAD:

Exempció de responsabilitat: aquest material es proporciona tal qual, sense garantia de la correcció o no d’aquest material. L’ús de les aplicacions de tercers per a iPhone i Android que s’indiquen en aquest document corre a compte i risc dels usuaris. El robot pot utilitzar un paquet de bateries de ions de liti, l’ús de la bateria i el paquet d’alimentació són a compte i risc dels usuaris. Els autors no assumeixen cap responsabilitat per les pèrdues sofertes per qualsevol persona o organització que utilitzi aquest material o per la construcció o ús del robot.

Pas 1: llista de peces

Per fabricar el robot des de zero, hi ha molts passos i caldrà bastant temps i molta cura. Necessitareu una impressora 3D i ser hàbil en soldar i construir circuits electrònics.

Les parts necessàries per fabricar el robot són:

(1) Imprimiu en 3D l'extensió de la roda de xassís i roda

(2) Arduino Uno

(3) Construeix l'escut del robot

(4) MPU 6050, mòdul Bluetooth AT9 BLE, mòdul d'ultrasons opcional (tot endollat a l'escut)

(5) Servo SG90

(6) Motors i rodes TT

(7) Construïu el paquet d'alimentació (ja sigui un paquet de bateries de 6xAA o un paquet de bateries de Li Ion)

El fitxer adjunt explica com obtenir i construir totes les peces, excepte el paquet d’alimentació Li Ion i el blindatge del robot, que es tracten en els passos següents.

Pas 2: Escut del robot

El disseny de PCB per a l’escut del robot es realitza a Fritzing; adjuntem el fitxer Fritzing si voleu modificar el disseny.

També s’adjunten els fitxers gerber per al PCB d’escut, podeu enviar-los a un fabricant de PCB perquè fabriquin l’escut.

Per exemple, els fabricants següents poden fabricar 10 x taules de PCB per aproximadament 5 € + franqueig:

www.pcbway.com/

easyeda.com/order

També s’adjunta el document de marca per a l’escut.

Pas 3: Power Pack

Podeu construir un paquet de bateries de 6xAA o un paquet de bateries Li Ion per al robot. S'adjunten les instruccions per a tots dos.

La bateria AA és molt més fàcil de construir. Tot i això, les bateries només duren aproximadament 20/30 minuts abans de ser substituïdes. A més, el servo no es pot utilitzar amb la bateria AA, de manera que no hi ha cap braç en moviment.

El paquet de bateries Li Ion es pot recarregar i dura aproximadament 60 minuts més entre recàrregues (depenent de la capacitat de la bateria utilitzada). No obstant això, el paquet de bateries Li Ion és més difícil de construir i utilitza una bateria Li Ion, les bateries Li Ion necessiten ser manipulades amb cura.

El paquet de bateries Li Ion inclou un circuit de protecció que protegeix la bateria de la sobrecàrrega i la sobrecàrrega i limita el corrent màxim a 4 amperes. També utilitza un mòdul de càrrega Li Ion.

Podeu utilitzar qualsevol paquet de bateria de Li Ion que tingui una potència d'aproximadament 7,2 volts, però haureu de fabricar un cable amb l'endoll de protecció del robot adequat.

Feu-me saber si teniu un bon paquet d'alimentació alternatiu. La raó per la qual he format aquest paquet Li Ion és que utilitza una sola cèl·lula Li Ion, cosa que significa que és relativament petita i es pot carregar des de qualsevol carregador micro USB o des de qualsevol port USB inclòs un ordinador. Els paquets de potència Li Ion que he vist al voltant de 7,2 volts utilitzen 2 cèl·lules i requereixen un carregador especial, que augmenta el cost i no és tan còmode de carregar.

Si decidiu construir el paquet de bateries Li Ion (o utilitzeu qualsevol paquet de bateries Li Ion), haureu de tenir en compte els problemes de seguretat amb aquestes bateries, per exemple.

Pas 4: Exercicis i esbossos de robots

Un cop obtingudes totes les parts, a mesura que construeixis el robot, pots fer exercicis de programació al llarg del camí si vols. Aquests exercicis, juntament amb explicacions, estan disponibles a Arduino Create: els enllaços següents us portaran als exercicis d’Arduino Create. A continuació, podeu obrir i desar l’exercici a la vostra sessió d’Arduino Create.

Per penjar esbossos al robot, assegureu-vos que el telèfon no estigui connectat al robot mitjançant Bluetooth; una connexió Bluetooth impedeix que es produeixin càrregues. Tot i que generalment no és necessari, el pin del mòdul Bluetooth és 123456.

Els exercicis 3, 5 i 7 utilitzen l'aplicació per a telèfons intel·ligents "robot LOFI" (o l'aplicació "joystick BLE", tot i que aquesta aplicació no sempre funciona amb dispositius Apple).

Els exercicis 8 (l’esbós complet del robot) utilitzen l’aplicació de telèfons intel·ligents “RemoteXY” per controlar el robot.

L'esbós LOFI Blocks utilitza l'aplicació "LOFI Blocks". (Tingueu en compte que aquesta aplicació funciona millor en dispositius Apple).

Quan carregueu un exercici a Arduino Create, a més de l’esbós d’arduino, hi ha una sèrie d’altres pestanyes que proporcionen informació sobre l’exercici.

Exercici 1: Conceptes bàsics d'Arduino: parpelleja els LED de l'escut de control del robot en vermell i verd. Podeu fer aquest exercici després del pas (3) de la construcció.

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

Exercici 2: Sensor de giroscopi: familiaritzar-se amb els gryos i els acceleròmetres. Podeu fer aquest exercici després del pas (4) de la construcció. Heu d’utilitzar el “Monitor de sèrie”, amb una velocitat de transmissió en 115200.

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

Exercici 3: Enllaç Bluetooth: estableix un enllaç Bluetooth, utilitza una aplicació per a telèfons intel·ligents per encendre i apagar els LEDs de l’escut de control del robot. Podeu fer aquest exercici després del pas (5) de la construcció.

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

Exercici 4: sensor de distància per ultrasons (opcional): familiaritzar-se amb el sensor d'ultrasons. Podeu fer aquest exercici després del pas (5) de la construcció. Heu d’utilitzar el “Monitor de sèrie”, amb una velocitat de transmissió en 115200.

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

Exercici 5: Servomecanisme: familiaritzeu-vos amb el servomecanisme i moveu el braç, utilitzeu una aplicació per a telèfons intel·ligents per controlar l’angle del braç del servo. Podeu fer aquest exercici després del pas (8) de la construcció. Heu d’utilitzar el “Monitor de sèrie”, amb una velocitat de transmissió en 115200.

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

Exercici 6: Motors de transmissió: familiaritzeu-vos amb els motors, feu funcionar els motors de transmissió cap endavant i cap enrere. Cal encendre el paquet de bateries. Heu d’utilitzar el “Monitor de sèrie”, amb una velocitat de transmissió en 115200.

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

Exercici 7: Cotxe bàsic: construeix un cotxe senzill de tres rodes (robot amb connexió de la 3a roda), fem servir una aplicació de telèfon intel·ligent per controlar el cotxe. També utilitza el sensor d’ultrasons per seguir la vostra mà. Podeu fer-ho al mateix punt de la construcció que l'anterior. Necessita que la bateria estigui engegada i inseriu la fixació de la 3a roda.

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

Exercici 8: robot d'equilibri complet: el codi del robot d'equilibri complet / tres rodes. Utilitzeu l'aplicació de telèfon intel·ligent "RemoteXY" per controlar el robot.

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

Esbós de blocs LOFI: per utilitzar l'aplicació "blocs LOFI", pengeu aquest esbós al robot. A continuació, podeu programar el robot mitjançant l'aplicació "Blocs LOFI" que utilitza blocs de programació similars a SCRATCH.

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

Exercici 9: robot de localització de línies. És possible afegir dos sensors de traça de línia i utilitzar l'endoll d'ultrasons per connectar els sensors de traça de línia al robot. Tingueu en compte que els sensors estan connectats als pins digitals D2 i D8.

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

Exercici 10: control de Bluetooth. Mitjançant Bluetooth i una aplicació per a telèfons (RemoteXY) per controlar els LED del robot i el servomecanisme. En aquest exercici, els estudiants aprendran sobre Bluetooth, com utilitzar una aplicació per a telèfons per controlar coses del món real i aprenen sobre LEDs i servomecanismes.

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

Pas 5: Equilibrar les matemàtiques dels robots i l'estructura del programa

El fitxer adjunt proporciona una visió general de l'estructura de programes i matemàtiques de la part d'equilibri del robot.

Les matemàtiques darrere del robot d’equilibri són més senzilles i interessants del que es podria pensar.

Per als estudiants més avançats de l’escola és possible vincular les matemàtiques del robot d’equilibri als estudis de matemàtiques i física que fan a l’institut.

En matemàtiques, el robot es pot utilitzar per mostrar com s’apliquen la trigometria, la diferenciació i la integració al món real. El codi mostra com la diferenciació i la integració es calculen numèricament per ordinadors i hem comprovat que els estudiants comprenen més profundament aquests conceptes.

A la fisi, els acceleròmetres i els giroscopis proporcionen informació sobre les lleis del moviment i una comprensió pràctica de coses com ara per què són sorolloses les mesures dels acceleròmetres i com mitigar aquestes limitacions del món real.

Aquesta comprensió pot conduir a més discussions, per exemple, el control PID i una comprensió intuïtiu dels algorismes de control de retroalimentació.

És possible incorporar la construcció d’aquest robot al currículum escolar, o conjuntament amb un programa extraescolar, des de primària fins a secundària.

Pas 6: Accessori de càmera de transmissió de vídeo

Hem creat una càmera de vídeo basada en raspberry PI que es pot connectar a l'extensió de la roda del rodet al robot. Utilitza WiFi per transmetre la transmissió de vídeo en streaming a un navegador web.

Utilitza una font d'alimentació independent per al robot i és un mòdul independent.

El fitxer proporciona els detalls de la marca.

Com a alternativa, es podrien connectar altres càmeres de transmissió de vídeo autònomes com la Quelima SQ13 a l'extensió de la roda de rodes, per exemple:

Pas 7: utilitzar motors N20 en lloc de motors TT

És possible utilitzar el motor N20 en lloc del motor TT.

El robot funciona més suau i va molt més ràpid amb el motor N20.

Els motors N20 que he utilitzat són motors N20 de 3V, 250 rpm, p.

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

Els motors N20 no són tan robusts i no duren tant, potser entre 5 i 10 hores d’ús.

El motor N20 requereix que imprimiu en 3D els suports del motor N20 i hi ha una inserció de rodes per permetre que una roda del motor TT s’ajusti a l’eix axial del motor N20.

Els muntatges del motor N20 es poden trobar cercant "balrobot" a la galeria tinkerCAD.