Ρομπότ εξισορρόπησης / ρομπότ 3 τροχών / ρομπότ STEM: 8 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:35

Έχουμε δημιουργήσει ένα συνδυασμένο ρομπότ ζυγοστάθμισης και 3 τροχών για εκπαιδευτική χρήση σε σχολεία και εκπαιδευτικά προγράμματα μετά το σχολείο. Το ρομπότ βασίζεται σε Arduino Uno, προσαρμοσμένη ασπίδα (παρέχονται όλες οι λεπτομέρειες κατασκευής), μπαταρία Li Ion (παρέχονται όλες οι λεπτομέρειες κατασκευής) ή μπαταρία 6xAA, MPU 6050, μονάδα bluetooth BLE, μονάδα υπερήχων (προαιρετικό) και ένα σερβο για να μετακινήσετε ένα χέρι. Διατίθεται επίσης εκτενές εκπαιδευτικό υλικό έτοιμο για χρήση στις αίθουσες μαθημάτων.

Το συνημμένο έγγραφο είναι οι οδηγίες που δίνονται στα παιδιά για να φτιάξουν το ρομπότ σε μια σειρά βημάτων που παρέχουν εκπαιδευτική μάθηση σε κάθε βήμα. Αυτό είναι το έγγραφο που παρέχεται σε σχολεία και προγράμματα μετά το σχολείο.

Υπάρχουν 7 ασκήσεις που μπορούν να γίνουν πριν φορτωθεί το πλήρες σκίτσο του ρομπότ balaning / 3 τροχών. Κάθε μία από τις ασκήσεις επικεντρώνεται σε μια συγκεκριμένη όψη του ρομπότ, π.χ. τον αισθητήρα ακρομέτρου/γυροσκοπίου, αλληλεπίδραση με μια εφαρμογή έξυπνου τηλεφώνου χρησιμοποιώντας bluetooth, τον αισθητήρα ultasonic, το σερβο κ.λπ. Οι ασκήσεις ενσωματώνονται στη φυσική κατασκευή του ρομπότ, οπότε όταν έχει κατασκευαστεί αρκετό ρομπότ για να κάνει μια άσκηση, το σκίτσο για την άσκηση μπορεί να ανέβει και να γίνει. Αυτό βοηθά στην εστίαση της διασκέδασης της κατασκευής του ρομπότ με εκπαιδευτική μάθηση.

Αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθεί ένα Arduino Uno επειδή είναι εξαιρετικά κοινό και χρησιμοποιείται σε πολλές εκπαιδευτικές ρυθμίσεις. Έχουμε επίσης χρησιμοποιήσει, εκτός από την ασπίδα, τυποποιημένες μονάδες ράφι που είναι άμεσα διαθέσιμες. Το πλαίσιο είναι τυπωμένο 3D και ο σχεδιασμός είναι διαθέσιμος στο TinkerCAD.

Διαπιστώσαμε επίσης ότι αυτό το ρομπότ βοηθά να εμπνεύσει και να δώσει εμπιστοσύνη στα παιδιά να σκεφτούν να δημιουργήσουν τις δικές τους δημιουργίες και ότι δεν είναι δύσκολο να το κάνουν.

Όλα τα σκίτσα είναι καλά σχολιασμένα και οι πιο προχωρημένοι μαθητές μπορούν να τροποποιήσουν ή να γράψουν τα δικά τους σκίτσα. Το ρομπότ μπορεί να αποτελέσει μια γενική πλατφόρμα για την εκμάθηση του Arduino και των ηλεκτρονικών.

Το ρομπότ λειτουργεί επίσης με την εφαρμογή "LOFI blocks" (https://lofiblocks.com/en/), έτσι ώστε τα παιδιά να μπορούν να γράφουν εκεί τον δικό τους κώδικα σε ένα γραφικό περιβάλλον παρόμοιο με το SCRATCH.

Σημειώστε ότι το παραπάνω βίντεο δείχνει το μοντέλο σήμα 1, το ρομπότ χρησιμοποιεί τώρα την εφαρμογή bluetooth RemoteXY (η οποία είναι διαθέσιμη τόσο για συσκευές Andriod όσο και για Apple), το MPU 6050 βρίσκεται τώρα στην ασπίδα ρομπότ (όχι στο ρυθμιστικό στο κάτω μέρος του ρομπότ - αν και μπορείτε ακόμα να το εντοπίσετε εκεί αν θέλετε) και διαθέτει έναν προαιρετικό αισθητήρα υπερήχων ο οποίος μπορεί να συνδεθεί στην ασπίδα.

Ευχαριστίες:

(1) η γωνία κλίσης και ο έλεγχος PID βασίζεται σε λογισμικό της Brokking:

(2) εφαρμογή RemoteXY:

(3) LOFI Blocks και LOFI Robot app:

(4) όπλα βασισμένα σε jjrobots:

(5) όλα τα σκίτσα αποθηκεύονται στο Arduino Δημιουργία:

(6) Τα τρισδιάστατα σχέδια αποθηκεύονται στο TinkerCAD:

Αποποίηση ευθυνών: Αυτό το υλικό παρέχεται ως έχει, χωρίς εγγύηση για την ορθότητα ή μη αυτού του υλικού. Η χρήση των εφαρμογών iPhone και Android τρίτου μέρους που αναφέρονται σε αυτό το έγγραφο γίνεται με ευθύνη των χρηστών. Το ρομπότ μπορεί να χρησιμοποιήσει μια μπαταρία ιόντων λιθίου, η χρήση της μπαταρίας και του πακέτου τροφοδοσίας γίνεται με ευθύνη των χρηστών. Οι συγγραφείς δεν αναλαμβάνουν καμία ευθύνη για απώλειες που υπέστη οποιοδήποτε πρόσωπο ή οργανισμός που χρησιμοποιεί αυτό το υλικό ή από την κατασκευή ή τη χρήση του ρομπότ.

Βήμα 1: Λίστα μερών

Για να φτιάξετε το ρομπότ από την αρχή, υπάρχουν πολλά βήματα και θα χρειαστεί πολύς χρόνος και φροντίδα. Θα χρειαστείτε έναν εκτυπωτή 3D και να είστε καλοί στη συγκόλληση και την κατασκευή ηλεκτρικών κυκλωμάτων.

Τα εξαρτήματα που απαιτούνται για την κατασκευή του ρομπότ είναι:

(1) Τρισδιάστατη εκτύπωση της προέκτασης τροχού και τροχού

(2) Arduino Uno

(3) Κατασκευάστε την ασπίδα ρομπότ

(4) MPU 6050, μονάδα Bluetooth AT9 BLE, προαιρετική μονάδα υπερήχων (όλα συνδέονται στην ασπίδα)

(5) σερβο SG90

(6) κινητήρες και τροχοί TT

(7) Δημιουργήστε το πακέτο ισχύος (είτε μπαταρία 6xAA είτε μπαταρία Li Ion)

Το συνημμένο αρχείο εξηγεί πώς να αποκτήσετε και να δημιουργήσετε όλα τα μέρη εκτός από το Li Ion power pack και το robot shield, τα οποία καλύπτονται στα επόμενα βήματα.

Βήμα 2: Robot Shield

Ο σχεδιασμός PCB για την ασπίδα ρομπότ γίνεται στο Fritzing, επισυνάπτεται το αρχείο Fritzing εάν θέλετε να τροποποιήσετε το σχέδιο.

Επισυνάπτονται επίσης τα αρχεία gerber για το PCB ασπίδας, μπορείτε να τα στείλετε σε έναν κατασκευαστή PCB για να κατασκευάσουν την ασπίδα.

Για παράδειγμα, οι ακόλουθοι κατασκευαστές μπορούν να κατασκευάσουν 10 x πλακέτες PCB για περίπου 5 $ + ταχυδρομικά τέλη:

www.pcbway.com/

easyeda.com/order

Επισυνάπτεται επίσης το έγγραφο κατασκευής για την ασπίδα.

Βήμα 3: Power Pack

Μπορείτε να δημιουργήσετε είτε μια μπαταρία 6xAA είτε μια μπαταρία Li Ion για το ρομπότ. Οι οδηγίες και για τα δύο επισυνάπτονται.

Η μπαταρία AA είναι πολύ πιο εύκολη στην κατασκευή. Ωστόσο, οι μπαταρίες διαρκούν περίπου 20/30 λεπτά πριν χρειαστεί να αντικατασταθούν. Επίσης το σερβο δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί με το πακέτο μπαταριών ΑΑ, οπότε δεν υπάρχει κινούμενος βραχίονας.

Η μπαταρία Li Ion μπορεί να επαναφορτιστεί και διαρκεί περίπου 60 συν λεπτά μεταξύ των επαναφορτίσεων (ανάλογα με τη χωρητικότητα της μπαταρίας που χρησιμοποιείται). Ωστόσο, η μπαταρία Li Ion είναι πιο δύσκολο να κατασκευαστεί και χρησιμοποιεί μπαταρία ιόντων λιθίου, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου πρέπει να χειρίζονται με προσοχή.

Το πακέτο μπαταριών Li Ion περιλαμβάνει ένα κύκλωμα προστασίας, το οποίο προστατεύει την μπαταρία από υπερφόρτιση και περιορίζει το μέγιστο ρεύμα στα 4 Amps. Χρησιμοποιεί επίσης μονάδα φόρτισης Li Ion.

Θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε οποιαδήποτε μπαταρία Li Ion που έχει έξοδο περίπου 7,2 βολτ, αλλά θα χρειαστεί να φτιάξετε ένα καλώδιο με το κατάλληλο βύσμα θωράκισης ρομπότ.

Ενημερώστε με εάν έχετε ένα καλό εναλλακτικό power pack. Ο λόγος για τον οποίο έφτιαξα αυτό το πακέτο Li Ion είναι ότι χρησιμοποιεί ένα μόνο Li Ion cell που σημαίνει ότι είναι σχετικά μικρό και μπορεί να φορτιστεί από οποιονδήποτε φορτιστή micro USB ή από οποιαδήποτε θύρα USB συμπεριλαμβανομένου ενός υπολογιστή. Τα Li Ion power pack έχω δει ότι περίπου 7,2 βολτ χρησιμοποιούν 2 κυψέλες και απαιτούν ειδικό φορτιστή, γεγονός που αυξάνει το κόστος και δεν είναι τόσο βολικό για φόρτιση.

Εάν επιλέξετε να φτιάξετε τη μπαταρία Li Ion (ή να χρησιμοποιήσετε οποιαδήποτε μπαταρία Li Ion) θα πρέπει να γνωρίζετε τα θέματα ασφάλειας με τέτοιες μπαταρίες, π.χ.

Βήμα 4: Ασκήσεις ρομπότ και σκίτσα

Αφού αποκτήσετε όλα τα μέρη, καθώς κατασκευάζετε το ρομπότ, μπορείτε να κάνετε ασκήσεις προγραμματισμού στην πορεία εάν θέλετε. Αυτές οι ασκήσεις μαζί με επεξηγήσεις είναι διαθέσιμες στο Arduino Create - οι παρακάτω σύνδεσμοι σας οδηγούν στις ασκήσεις Arduino Create - μπορείτε στη συνέχεια να ανοίξετε και να αποθηκεύσετε την άσκηση στο Arduino Create login.

Για να ανεβάσετε σκίτσα στο ρομπότ, βεβαιωθείτε ότι το τηλέφωνό σας δεν είναι συνδεδεμένο με το ρομπότ μέσω Bluetooth - μια σύνδεση Bluetooth αποτρέπει την πραγματοποίηση μεταφόρτωσης. Αν και γενικά δεν χρειάζεται, η καρφίτσα για τη μονάδα Bluetooth είναι 123456.

Οι ασκήσεις 3, 5 και 7 χρησιμοποιούν την εφαρμογή έξυπνου τηλεφώνου "LOFI robot" (ή την εφαρμογή "BLE joystick" - αν και αυτή η εφαρμογή δεν λειτουργεί πάντα με συσκευές Apple).

Οι ασκήσεις 8 (το πλήρες σκίτσο του ρομπότ) χρησιμοποιεί την εφαρμογή έξυπνου τηλεφώνου "RemoteXY" για τον έλεγχο του ρομπότ.

Το σκίτσο LOFI Blocks χρησιμοποιεί την εφαρμογή "LOFI Blocks". (σημειώστε ότι αυτή η εφαρμογή λειτουργεί καλύτερα σε συσκευές Apple).

Όταν φορτώνετε μια άσκηση στο Arduino Create, εκτός από το σκίτσο arduino, υπάρχουν και πολλές άλλες καρτέλες που παρέχουν πληροφορίες σχετικά με την άσκηση.

Άσκηση 1: Βασικά στοιχεία του Arduino –συνδέστε τις λυχνίες LED στην ασπίδα ελέγχου ρομπότ κόκκινο και πράσινο. Μπορείτε να κάνετε αυτήν την άσκηση μετά το Βήμα (3) στην κατασκευή.

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

Άσκηση 2: Gyro Sensor - εξοικείωση με γρυό και επιταχυνσιόμετρα. Μπορείτε να κάνετε αυτήν την άσκηση μετά το Βήμα (4) στην κατασκευή. Πρέπει να χρησιμοποιήσετε το "Serial Monitor", με ρυθμό baud ρυθμισμένο σε 115200.

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

Άσκηση 3: Bluetooth Link - δημιουργήστε έναν σύνδεσμο Bluetooth, χρησιμοποιήστε μια εφαρμογή έξυπνου τηλεφώνου για να ενεργοποιήσετε και να απενεργοποιήσετε τις λυχνίες LED στην ασπίδα ελέγχου ρομπότ. Μπορείτε να κάνετε αυτήν την άσκηση μετά το Βήμα (5) στην κατασκευή.

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

Άσκηση 4: Αισθητήρας υπερηχητικής απόστασης (προαιρετικά) - εξοικείωση με τον αισθητήρα υπερήχων. Μπορείτε να κάνετε αυτήν την άσκηση μετά το Βήμα (5) στην κατασκευή. Πρέπει να χρησιμοποιήσετε το "Serial Monitor", με ρυθμό baud ρυθμισμένο σε 115200.

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

Άσκηση 5: Σερβομηχανισμός-εξοικειωθείτε με τον σερβο μηχανισμό και μετακινήστε το χέρι, χρησιμοποιήστε μια εφαρμογή έξυπνου τηλεφώνου για να ελέγξετε τη γωνία του βραχίονα σερβο. Μπορείτε να κάνετε αυτήν την άσκηση μετά το Βήμα (8) στην κατασκευή. Πρέπει να χρησιμοποιήσετε το "Serial Monitor", με ρυθμό baud ρυθμισμένο σε 115200.

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

Άσκηση 6: Κινητήρες κίνησης - εξοικειωθείτε με τους κινητήρες, εκτελέστε τους κινητήρες κίνησης εμπρός και πίσω. Χρειάζεται να ενεργοποιηθεί η μπαταρία. Πρέπει να χρησιμοποιήσετε το "Serial Monitor", με ρυθμό baud ρυθμισμένο σε 115200.

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

Άσκηση 7: Βασικό αυτοκίνητο - φτιάξτε ένα απλό τρίκυκλο αυτοκίνητο (ρομπότ με προσάρτηση 3ου τροχού), χρησιμοποιούμε μια εφαρμογή έξυπνου τηλεφώνου για τον έλεγχο του αυτοκινήτου. Χρησιμοποιεί επίσης τον υπερηχητικό αισθητήρα για να ακολουθήσει το χέρι σας. Μπορείτε να το κάνετε αυτό στο ίδιο σημείο της κατασκευής με το παραπάνω. Χρειάζεται να ενεργοποιηθεί η μπαταρία και τοποθετήστε το εξάρτημα του 3ου τροχού.

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

Άσκηση 8: Ρομπότ πλήρους εξισορρόπησης - ο κωδικός για το ρομπότ πλήρους ζυγοστάθμισης / τριών τροχών. Χρησιμοποιήστε την εφαρμογή έξυπνου τηλεφώνου "RemoteXY" για να ελέγξετε το ρομπότ.

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

LOFI Blocks Sketch - για να χρησιμοποιήσετε την εφαρμογή "LOFI Blocks" ανεβάστε αυτό το σκίτσο στο ρομπότ. Στη συνέχεια, μπορείτε να προγραμματίσετε το ρομπότ χρησιμοποιώντας την εφαρμογή "LOFI Blocks" που χρησιμοποιεί μπλοκ προγραμματισμού παρόμοια με το SCRATCH.

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

Άσκηση 9: Ρομπότ ιχνηλάτησης γραμμών. Μπορείτε να προσθέσετε δύο αισθητήρες ανίχνευσης γραμμών και να χρησιμοποιήσετε το βύσμα υπερήχων για να συνδέσετε τους αισθητήρες ανίχνευσης γραμμών στο ρομπότ. Σημείωση, οι αισθητήρες είναι συνδεδεμένοι με τις ψηφιακές ακίδες D2 και D8.

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

Άσκηση 10: Έλεγχος Bluetooth. Χρήση Bluetooth και εφαρμογής τηλεφώνου (RemoteXY) για τον έλεγχο των LED ρομπότ και του σερβομηχανισμού. Σε αυτή την άσκηση οι μαθητές μαθαίνουν για το Bluetooth, πώς να χρησιμοποιούν μια εφαρμογή τηλεφώνου για να ελέγχουν πράγματα στον πραγματικό κόσμο και μαθαίνουν για LED και σερβομηχανισμούς.

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

Βήμα 5: Εξισορρόπηση μαθηματικών ρομπότ και δομής προγράμματος

Το συνημμένο αρχείο δίνει μια επισκόπηση των μαθηματικών και της δομής λογισμικού του μέρους εξισορρόπησης του ρομπότ.

Τα μαθηματικά πίσω από το ρομπότ εξισορρόπησης είναι απλούστερα και πιο ενδιαφέρον από ό, τι νομίζετε.

Για τους πιο προχωρημένους μαθητές του σχολείου, είναι δυνατό να συνδεθούν τα μαθηματικά ρομπότ εξισορρόπησης, με τις σπουδές μαθηματικών και φυσικής που κάνουν στο λύκειο.

Στα μαθηματικά το ρομπότ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δείξει πώς εφαρμόζεται η τριγωνομετρία, η διαφοροποίηση και η ολοκλήρωση στον πραγματικό κόσμο. Ο κώδικας δείχνει πώς η διαφοροποίηση και η ολοκλήρωση υπολογίζονται αριθμητικά από τους υπολογιστές και διαπιστώσαμε ότι οι μαθητές κατανοούν βαθύτερα αυτές τις έννοιες.

Στη φυσική, τα επιταχυνσιόμετρα και τα γυροσκόπια παρέχουν μια εικόνα για τους νόμους της κίνησης και μια πρακτική κατανόηση πραγμάτων όπως το γιατί οι μετρήσεις του επιταχυνσιόμετρου είναι θορυβώδεις και πώς να μετριάσουν τέτοιους περιορισμούς στον πραγματικό κόσμο.

Αυτή η κατανόηση μπορεί να οδηγήσει σε περαιτέρω συζητήσεις, για παράδειγμα, τον έλεγχο PID και μια διαισθητική κατανόηση των αλγορίθμων ελέγχου ανάδρασης.

Είναι δυνατό να ενσωματωθεί το κτίριο αυτού του ρομπότ στο σχολικό πρόγραμμα, ή σε συνδυασμό με ένα πρόγραμμα μετά το σχολείο, από το δημοτικό έως το γυμνάσιο.

Βήμα 6: Αξεσουάρ κάμερας ροής βίντεο

Δημιουργήσαμε μια βιντεοκάμερα βασισμένη σε βατόμουρο PI, η οποία μπορεί να προσαρτηθεί στην επέκταση του τροχού τροχού στο ρομπότ. Χρησιμοποιεί το WiFi για τη μετάδοση της ροής βίντεο ροής σε πρόγραμμα περιήγησης ιστού.

Χρησιμοποιεί ξεχωριστό τροφοδοτικό στο ρομπότ και είναι αυτόνομη μονάδα.

Το αρχείο παρέχει τις λεπτομέρειες κατασκευής.

Εναλλακτικά, άλλες αυτόνομες κάμερες ροής βίντεο όπως η Quelima SQ13 θα μπορούσαν να προσαρτηθούν στην επέκταση του τροχού τροχού, π.χ.:

Βήμα 7: Χρήση κινητήρων N20 αντί για κινητήρες TT

Είναι δυνατή η χρήση του κινητήρα N20 αντί του κινητήρα TT.

Το ρομπότ λειτουργεί πιο ομαλά και πηγαίνει πολύ πιο γρήγορα με τον κινητήρα N20.

Οι κινητήρες N20 που έχω χρησιμοποιήσει είναι κινητήρες N20 3V, 250rpm, π.χ.

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

Οι κινητήρες N20 δεν είναι τόσο στιβαροί και δεν διαρκούν τόσο πολύ, ίσως 5-10 ώρες χρήσης.

Ο κινητήρας N20 απαιτεί από εσάς να εκτυπώσετε τρισδιάστατα τις βάσεις κινητήρα N20 και υπάρχει ένα ένθετο τροχού που επιτρέπει σε έναν τροχό κινητήρα TT να ταιριάζει στον αξονικό άξονα του κινητήρα N20.

Οι βάσεις κινητήρα N20 μπορούν να βρεθούν αναζητώντας "balrobot" στη συλλογή tinkerCAD.