Балансировочный робот / 3-колесный робот / STEM-робот: 8 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Мы создали комбинированного балансировочного и трехколесного робота для использования в учебных заведениях и во внешкольных образовательных программах. Робот основан на Arduino Uno, специальном щите (предоставлены все детали конструкции), литий-ионном аккумуляторном блоке (предоставлены все детали конструкции) или батарейном блоке 6xAA, MPU 6050, модуле Bluetooth BLE, ультразвуковом модуле (опционально).) и сервопривод для перемещения руки. Есть также обширные учебные материалы, готовые для использования в классных комнатах.

Прилагаемый документ представляет собой инструкции, которые даются детям, чтобы построить робота в несколько этапов, которые обеспечивают обучающее обучение на каждом этапе. Это документ, предоставляемый школам и внеклассным программам.

Перед загрузкой полного эскиза балансировочного / трехколесного робота можно выполнить 7 упражнений. Каждое из упражнений посвящено определенному аспекту робота, например: датчик акселерометра / гироскопа, взаимодействующий с приложением для смартфона с помощью Bluetooth, ультрасонографического датчика, сервопривода и т. д. эскиз к упражнению можно загрузить и сделать. Это помогает сосредоточить удовольствие от сборки робота на образовательном обучении.

Было решено использовать Arduino Uno, потому что он очень распространен и используется во многих учебных заведениях. Мы также использовали, помимо экрана, стандартные готовые модули, которые легко доступны. Шасси напечатано на 3D-принтере, а дизайн доступен в TinkerCAD.

Мы также обнаружили, что этот робот помогает вдохновить и вселить в детей уверенность в том, что они думают о создании своих собственных творений, и что это несложно.

Все эскизы хорошо прокомментированы, и более продвинутые ученики могут изменять или писать свои собственные эскизы. Робот может сформировать общую платформу для изучения Arduino и электроники.

Робот также работает с приложением «Блоки LOFI» (https://lofiblocks.com/en/), поэтому дети могут писать там собственный код в графической среде, подобной SCRATCH.

Обратите внимание, что на видео выше показана модель mark 1, робот теперь использует Bluetooth-приложение RemoteXY (которое доступно как для устройств Andriod, так и для устройств Apple), MPU 6050 теперь расположен на щите робота (а не на ползунке внизу экрана). робот - хотя вы все равно можете найти его там, если хотите) и имеет дополнительный ультразвуковой датчик, который можно подключить к экрану.

Благодарности:

(1) угол наклона и ПИД-регулирование основано на программном обеспечении Brokking:

(2) Приложение RemoteXY:

(3) Блоки LOFI и приложение для роботов LOFI:

(4) оружие на основе jjrobots:

(5) все эскизы хранятся в Arduino Create:

(6) 3D-проекты хранятся в TinkerCAD:

Заявление об ограничении ответственности: этот материал предоставляется как есть, без каких-либо гарантий правильности этого материала. Пользователь использует указанные в этом документе сторонние приложения для iPhone и Android на свой страх и риск. Робот может использовать литий-ионную аккумуляторную батарею, пользователь использует батарею и блок питания на свой страх и риск. Авторы не несут ответственности за убытки, понесенные каким-либо лицом или организацией, использующими этот материал, а также созданием или использованием робота.

Шаг 1: Список деталей

Чтобы сделать робота с нуля, нужно много шагов, и это потребует довольно много времени и ухода. Вам понадобится 3D-принтер, и вы будете хорошо разбираться в пайке и конструировании электронных схем.

Детали, необходимые для изготовления робота:

(1) 3D-печать шасси и удлинителя роликового колеса.

(2) Arduino Uno

(3) Создайте роботизированный щит.

(4) MPU 6050, Bluetooth-модуль AT9 BLE, дополнительный ультразвуковой модуль (все вставляются в экран)

(5) сервопривод SG90

(6) Двигатели и колеса TT

(7) Соберите блок питания (либо батарейный блок 6xAA, либо литий-ионный батарейный блок).

В прикрепленном файле объясняется, как получить и собрать все детали, кроме литий-ионного блока питания и щита робота, которые описаны в следующих шагах.

Шаг 2: робот-щит

Дизайн печатной платы для щита робота выполняется во Fritzing, прилагается файл Fritzing, если вы хотите изменить конструкцию.

Также прилагаются файлы gerber для печатной платы экрана, вы можете отправить эти файлы производителю печатной платы, чтобы они изготовили экран.

Например, следующие производители могут изготовить 10 печатных плат примерно за 5 долларов + почтовые расходы:

www.pcbway.com/

easyeda.com/order

Также прилагается документация по изготовлению щита.

Шаг 3: блок питания

Вы можете собрать для робота либо аккумуляторную батарею 6xAA, либо литий-ионную аккумуляторную батарею. Инструкции для обоих прилагаются.

Батарейный блок AA сконструировать намного проще. Однако срок службы батарей составляет около 20/30 минут, прежде чем потребуется их замена. Также сервопривод нельзя использовать с батарейным блоком AA, поэтому нет подвижного рычага.

Литий-ионный аккумулятор можно перезаряжать, и его хватает примерно на 60 минут между подзарядками (в зависимости от емкости используемого аккумулятора). Однако литий-ионный аккумулятор сложнее построить, в нем используется литий-ионный аккумулятор, поэтому с литий-ионными аккумуляторами нужно обращаться осторожно.

Литий-ионный аккумулятор включает в себя схему защиты, которая защищает аккумулятор от чрезмерного и недостаточного заряда и ограничивает максимальный ток до 4 ампер. Он также использует модуль зарядки Li Ion.

Вы можете использовать любую литий-ионную аккумуляторную батарею с выходным напряжением около 7,2 В, но вам нужно будет сделать кабель с соответствующей заглушкой для экрана робота.

Сообщите мне, есть ли у вас хороший альтернативный блок питания. Причина, по которой я сделал этот литий-ионный аккумулятор, заключается в том, что он использует одну литий-ионную батарею, что означает, что он относительно небольшой и может заряжаться от любого зарядного устройства micro USB или от любого USB-порта, включая компьютер. Литий-ионные блоки питания с напряжением около 7,2 В используют 2 элемента и требуют специального зарядного устройства, что увеличивает стоимость и не так удобно заряжать.

Если вы решите построить литий-ионный аккумулятор (или использовать любой литий-ионный аккумулятор), вы должны знать о проблемах безопасности, связанных с такими аккумуляторами, например

Шаг 4. Упражнения и наброски роботов

Собрав все детали, по мере создания робота вы можете выполнять упражнения по программированию, если хотите. Эти упражнения вместе с пояснениями доступны в Arduino Create - ссылки ниже ведут вас к упражнениям Arduino Create - затем вы можете открыть и сохранить упражнение в вашем логине Arduino Create.

Чтобы загрузить эскизы в робота, убедитесь, что ваш телефон не подключен к роботу через Bluetooth - соединение Bluetooth предотвращает загрузку. Контакт для модуля Bluetooth, как правило, не нужен, но это 123456.

В упражнениях 3, 5 и 7 используется приложение для смартфона «Робот LOFI» (или приложение «Джойстик BLE» - хотя это приложение не всегда работает с устройствами Apple).

Exercies 8 (полный эскиз робота) использует приложение для смартфона RemoteXY для управления роботом.

В скетче LOFI Blocks используется приложение «LOFI Blocks». (обратите внимание, что это приложение лучше всего работает на устройствах Apple).

Когда вы загружаете упражнение в Arduino Create, помимо эскиза Arduino, есть ряд других вкладок, которые предоставляют информацию об упражнении.

Упражнение 1: Основы Arduino - мигают светодиоды на щите управления роботом красным и зеленым. Вы можете выполнить это упражнение после шага (3) конструкции.

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

Упражнение 2: Гироскопический датчик - знакомство с гриометрами и акселерометрами. Вы можете выполнить это упражнение после шага (4) конструкции. Вам необходимо использовать «Serial Monitor» со скоростью передачи 115200 бод.

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

Упражнение 3: Bluetooth Link - установите соединение Bluetooth, используйте приложение для смартфона, чтобы включать и выключать светодиоды на щите управления роботом. Вы можете выполнить это упражнение после шага (5) конструкции.

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

Упражнение 4: Ультразвуковой датчик расстояния (по желанию) - знакомство с ультразвуковым датчиком. Вы можете выполнить это упражнение после шага (5) конструкции. Вам необходимо использовать «Serial Monitor» со скоростью передачи 115200 бод.

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

Упражнение 5: Сервомеханизм - ознакомившись с сервомеханизмом и перемещая рычаг, используйте приложение для смартфона, чтобы контролировать угол сервомеханизма. Вы можете выполнить это упражнение после шага (8) конструкции. Вам необходимо использовать «Serial Monitor» со скоростью передачи 115200 бод.

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

Упражнение 6: Приводные двигатели - ознакомьтесь с двигателями, запустите приводные двигатели вперед и назад. Требуется включение аккумуляторной батареи. Вам необходимо использовать «Serial Monitor» со скоростью передачи 115200 бод.

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

Упражнение 7: Базовый автомобиль - постройте простую трехколесную машину (робот с креплением на 3-е колесо), мы используем приложение для смартфона, чтобы управлять автомобилем. Также использует ультразвуковой датчик, чтобы следить за вашей рукой. Вы можете сделать это в той же точке конструкции, что и выше. Необходимо включить аккумулятор и вставить крепление для 3-го колеса.

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

Упражнение 8: Робот полной балансировки - код для робота полной балансировки / трехколесного робота. Используйте приложение для смартфона «RemoteXY» для управления роботом.

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

LOFI Blocks Sketch - чтобы использовать приложение «LOFI Blocks», загрузите этот эскиз в робота. Затем вы можете запрограммировать робота с помощью приложения «LOFI Blocks», которое использует программные блоки, подобные SCRATCH.

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

Упражнение 9: Робот для отслеживания линий. Можно добавить два датчика отслеживания линии и использовать ультразвуковой штекер для подключения датчиков отслеживания линии к роботу. Обратите внимание, датчики подключаются к цифровым выводам D2 и D8.

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

Упражнение 10: Управление Bluetooth. Использование Bluetooth и телефонного приложения (RemoteXY) для управления светодиодами робота и сервомеханизмом. В этом упражнении учащиеся узнают о Bluetooth, о том, как использовать телефонное приложение для управления вещами в реальном мире, а также узнают о светодиодах и сервомеханизмах.

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

Шаг 5: баланс между математикой робота и структурой программы

Прикрепленный файл дает обзор математической и программной структуры балансировочной части робота.

Математика балансирующего робота проще и интереснее, чем вы думаете.

Для более продвинутых школьников есть возможность связать математику балансирующего робота с уроками математики и физики, которые они изучают в старшей школе.

В математике с помощью робота можно показать, как тригометрия, дифференцирование и интегрирование применяются в реальном мире. Код показывает, как дифференциация и интеграция вычисляются компьютерами численно, и мы обнаружили, что студенты получают более глубокое понимание этих концепций.

В Physcis акселерометры и гироскопы обеспечивают понимание законов движения и практическое понимание таких вещей, как то, почему измерения акселерометра зашумлены и как уменьшить такие ограничения реального мира.

Это понимание может привести к дальнейшим обсуждениям, например, ПИД-регулирования и интуитивного понимания алгоритмов управления с обратной связью.

Можно включить создание этого робота в школьную программу или вместе с внеклассной программой, от начальной до средней школы.

Шаг 6: Аксессуар камеры для потокового видео

Мы создали видеокамеру на основе Raspberry PI, которую можно прикрепить к удлинителю колесика робота. Is использует Wi-Fi для передачи потокового видео в веб-браузер.

Он использует отдельный источник питания для робота и является автономным модулем.

В файле содержится подробная информация о изготовлении.

В качестве альтернативы, другие автономные камеры для потоковой передачи видео, такие как Quelima SQ13, могут быть присоединены к удлинителю колеса ролика, например:

Шаг 7. Использование двигателей N20 вместо двигателей TT

Можно использовать двигатель N20 вместо двигателя TT.

Робот работает более плавно и намного быстрее с двигателем N20.

Моторы N20, которые я использовал, - это двигатели N20 3 В, 250 об / мин, например

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

Двигатели N20 не такие надежные и не работают так долго, возможно, 5-10 часов использования.

Мотор N20 требует, чтобы вы напечатали на 3D-принтере крепления мотора N20, и есть вставка колеса, позволяющая мотор-колесу TT подходить к осевому валу мотора N20.

Моторные крепления N20 можно найти, выполнив поиск по запросу "balrobot" в галерее tinkerCAD.