Robot di bilanciamento / Robot a 3 ruote / Robot STEM: 8 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Abbiamo costruito un robot combinato di bilanciamento e 3 ruote per l'uso educativo nelle scuole e nei programmi educativi dopo la scuola. Il robot è basato su un Arduino Uno, uno shield personalizzato (tutti i dettagli costruttivi forniti), un pacco batterie agli ioni di litio (tutti i dettagli costruttivi forniti) o un pacco batterie 6xAA, un MPU 6050, un modulo bluetooth BLE, un modulo ad ultrasuoni (opzionale) e un servo per muovere un braccio. È inoltre disponibile un ampio materiale didattico pronto per l'uso nelle aule.

Il documento allegato è le istruzioni fornite ai bambini per costruire il robot in una serie di passaggi che forniscono un apprendimento educativo ad ogni passaggio. Questo è il documento fornito alle scuole e ai doposcuola.

Ci sono 7 esercizi che possono essere eseguiti prima che venga caricato lo schizzo completo del robot di bilanciamento / 3 ruote. Ciascuno degli esercizi si concentra su un aspetto particolare del robot, ad es. il sensore accerometro/giroscopio, interagendo con un'app per smartphone tramite bluetooth, il sensore ultrasonico, il servo ecc. Gli esercizi sono integrati nella costruzione fisica del robot, quindi quando è stato costruito abbastanza del robot per eseguire un esercizio, il lo schizzo per l'esercizio può essere caricato e fatto. Questo aiuta a concentrare il divertimento di costruire il robot con l'apprendimento educativo.

Si è deciso di utilizzare un Arduino Uno perché estremamente comune e utilizzato in molti contesti educativi. Abbiamo anche utilizzato, oltre allo scudo, moduli standard di pronta reperibilità. Il telaio è stampato in 3D e il design è disponibile su TinkerCAD.

Abbiamo anche scoperto che questo robot aiuta a ispirare e infondere fiducia nei bambini per pensare a costruire le proprie creazioni e che non è difficile farlo.

Tutti gli schizzi sono ben commentati e gli studenti più avanzati possono modificare o scrivere i propri schizzi. Il robot può formare una piattaforma generale per l'apprendimento di Arduino e dell'elettronica.

Il robot funziona anche con l'app "LOFI blocks" (https://lofiblocks.com/en/), quindi i bambini possono scrivere il proprio codice in un ambiente grafico simile a SCRATCH.

Nota che il video sopra mostra il modello mark 1, il robot ora utilizza l'app Bluetooth RemoteXY (disponibile sia per i dispositivi Andriod che Apple), l'MPU 6050 ora si trova sullo scudo del robot (non nel dispositivo di scorrimento nella parte inferiore del robot - anche se puoi ancora localizzarlo se lo desideri) e ha un sensore ultrasonico opzionale che può essere collegato allo scudo.

Ringraziamenti:

(1) l'angolo di inclinazione e il controllo PID si basano sul software di Brokking:

(2) App RemoteXY:

(3) Blocchi LOFI e app LOFI Robot:

(4) armi basate su jjrobot:

(5) tutti gli schizzi sono memorizzati su Arduino Create:

(6) I disegni 3D sono archiviati su TinkerCAD:

Dichiarazione di non responsabilità: questo materiale viene fornito così com'è, senza alcuna garanzia della correttezza o meno di questo materiale. L'uso delle app iPhone e Android di terze parti indicate in questo documento è a rischio e pericolo dell'utente. Il robot può utilizzare una batteria agli ioni di litio, l'uso della batteria e dell'alimentatore è a rischio e pericolo dell'utente. Gli autori non si assumono alcuna responsabilità per perdite subite da qualsiasi persona o organizzazione utilizzando questo materiale o dalla costruzione o dall'uso del robot.

Passaggio 1: elenco delle parti

Per realizzare il robot da zero, ci sono molti passaggi e ci vorrà molto tempo e cura. Avrai bisogno di una stampante 3D ed essere bravo nella saldatura e nella costruzione di circuiti elettronici.

Le parti necessarie per realizzare il robot sono:

(1) Stampa in 3D del telaio e dell'estensione della ruota sterzante

(2) Arduino Uno

(3) Costruisci lo scudo del robot

(4) MPU 6050, modulo Bluetooth AT9 BLE, modulo a ultrasuoni opzionale (tutti collegati allo scudo)

(5) Servo SG90

(6) Motori e ruote TT

(7) Costruisci il power pack (o un pacco batteria 6xAA o un pacco batteria agli ioni di litio)

Il file allegato spiega come ottenere e costruire tutte le parti tranne l'alimentatore agli ioni di litio e lo scudo del robot, che sono trattati nei passaggi successivi.

Passaggio 2: scudo robot

Il design del PCB per lo scudo del robot è fatto in Fritzing, in allegato è il file Fritzing se desideri modificare il design.

In allegato sono anche i file gerber per lo shield PCB, è possibile inviare questi file a un produttore di PCB affinché producano lo shield.

Ad esempio, i seguenti produttori possono realizzare 10 schede PCB per circa $ 5 + spese di spedizione:

www.pcbway.com/

easyeda.com/order

In allegato c'è anche il documento di fabbricazione dello scudo.

Passaggio 3: Power Pack

Puoi costruire un pacco batterie 6xAA o un pacco batterie agli ioni di litio per il robot. In allegato le istruzioni per entrambi.

Il pacco batteria AA è molto più facile da costruire. Tuttavia le batterie durano solo circa 20/30 minuti prima di dover essere sostituite. Inoltre il servo non può essere utilizzato con il pacco batterie AA quindi non c'è braccio mobile.

La batteria agli ioni di litio può essere ricaricata e dura circa 60 minuti più tra le ricariche (a seconda della capacità della batteria utilizzata). Tuttavia, il pacco batteria agli ioni di litio è più difficile da costruire e utilizza una batteria agli ioni di litio, le batterie agli ioni di litio devono essere maneggiate con cura.

Il pacco batteria agli ioni di litio include un circuito di protezione, che protegge la batteria da sovra e sotto carica e limita la corrente massima a 4 Ampere. Utilizza anche un modulo di ricarica agli ioni di litio.

È possibile utilizzare qualsiasi batteria agli ioni di litio che abbia un'uscita di circa 7,2 volt, ma è necessario creare un cavo con la spina di protezione del robot appropriata.

Fammi sapere se hai un buon alimentatore alternativo. Il motivo per cui ho creato questo pacchetto Li Ion è che utilizza una singola cella Li Ion, il che significa che è relativamente piccolo e può essere caricato da qualsiasi caricatore micro USB o da qualsiasi porta USB, incluso un computer. Ho visto che gli alimentatori agli ioni di litio a circa 7,2 volt utilizzano 2 celle e richiedono un caricatore speciale, che aumenta il costo e non è così conveniente da caricare.

Se si sceglie di costruire il pacco batteria agli ioni di litio (o utilizzare qualsiasi pacco batteria agli ioni di litio) è necessario essere consapevoli dei problemi di sicurezza con tali batterie, ad es.

Passaggio 4: esercizi e schizzi del robot

Una volta ottenute tutte le parti, mentre costruisci il robot puoi fare esercizi di programmazione lungo il percorso, se lo desideri. Questi esercizi insieme alle spiegazioni sono disponibili su Arduino Create: i collegamenti sottostanti ti portano agli esercizi di Arduino Create: puoi quindi aprire e salvare l'esercizio nel tuo login di Arduino Create.

Per caricare gli schizzi sul robot, assicurati che il tuo telefono non sia connesso al robot tramite Bluetooth: una connessione Bluetooth impedisce il caricamento. Sebbene generalmente non sia necessario, il pin per il modulo Bluetooth è 123456.

Gli esercizi 3, 5 e 7 utilizzano l'app per smartphone "LOFI robot" (o l'app "BLE joystick" - anche se questa app non funziona sempre con i dispositivi Apple).

Esercizi 8 (lo schizzo completo del robot) utilizza l'app per smartphone "RemoteXY" per controllare il robot.

Lo schizzo LOFI Blocks utilizza l'app "LOFI Blocks". (nota che questa app funziona meglio sui dispositivi Apple).

Quando carichi un esercizio in Arduino Create, oltre allo sketch di arduino, ci sono una serie di altre schede che forniscono informazioni sull'esercizio.

Esercizio 1: Nozioni di base su Arduino: lampeggia in rosso e verde i LED sullo scudo di controllo del robot. Puoi eseguire questo esercizio dopo il passaggio (3) nella costruzione.

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

Esercizio 2: Sensore giroscopico – familiarizzare con gryos e accelerometri. Puoi eseguire questo esercizio dopo il passaggio (4) nella costruzione. È necessario utilizzare il "Monitor seriale", con baud rate impostato su 115200.

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

Esercizio 3: Collegamento Bluetooth: stabilire un collegamento Bluetooth, utilizzare un'app per smartphone per accendere e spegnere i LED sullo scudo di controllo del robot. Puoi eseguire questo esercizio dopo il passaggio (5) nella costruzione.

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

Esercizio 4: Sensore di distanza a ultrasuoni (opzionale) – familiarizzare con il sensore a ultrasuoni. Puoi eseguire questo esercizio dopo il passaggio (5) nella costruzione. È necessario utilizzare il "Monitor seriale", con baud rate impostato su 115200.

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

Esercizio 5: Servomeccanismo: familiarizzare con il servomeccanismo e muovere il braccio, utilizzare un'app per smartphone per controllare l'angolo del servo braccio. Puoi eseguire questo esercizio dopo il passaggio (8) nella costruzione. È necessario utilizzare il "Monitor seriale", con baud rate impostato su 115200.

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

Esercizio 6: Motori di azionamento: familiarizzare con i motori, far funzionare i motori di azionamento avanti e indietro. Necessita dell'accensione della batteria. È necessario utilizzare il "Monitor seriale", con baud rate impostato su 115200.

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

Esercizio 7: Auto di base: costruisci una semplice auto a tre ruote (robot con attacco per la terza ruota), usiamo un'app per smartphone per controllare l'auto. Utilizza anche il sensore a ultrasuoni per seguire la tua mano. Puoi farlo nello stesso punto della costruzione come sopra. Necessita dell'accensione della batteria e dell'inserimento dell'attacco 3° ruota.

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

Esercizio 8: Robot di bilanciamento completo – il codice per il robot di bilanciamento completo / tre ruote. Usa l'app per smartphone "RemoteXY" per controllare il robot.

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

LOFI Blocks Sketch: per utilizzare l'app "LOFI Blocks", carica questo schizzo nel robot. È quindi possibile programmare il robot utilizzando l'app "LOFI Blocks" che utilizza blocchi di programmazione simili a SCRATCH.

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

Esercizio 9: Robot di tracciamento delle linee. È possibile aggiungere due sensori di tracciamento della linea e utilizzare la presa a ultrasuoni per collegare i sensori di tracciamento della linea al robot. Nota, i sensori sono collegati ai pin digitali D2 e D8.

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

Esercizio 10: Controllo Bluetooth. Utilizzo del Bluetooth e di un'app per telefono (RemoteXY) per controllare i LED del robot e il servomeccanismo. In questo esercizio gli studenti imparano il Bluetooth, come utilizzare un'app per telefono per controllare le cose del mondo reale e imparano a conoscere i LED e i servomeccanismi.

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

Passaggio 5: bilanciare la matematica del robot e la struttura del programma

Il file allegato fornisce una panoramica della matematica e della struttura software della parte di bilanciamento del robot.

La matematica dietro il robot di bilanciamento è più semplice e interessante di quanto si possa pensare.

Per gli studenti delle scuole più avanzate è possibile collegare la matematica del robot bilanciamento, agli studi di matematica e fisica che stanno facendo al liceo.

In matematica il robot può essere utilizzato per mostrare come la trigometria, la differenziazione e l'integrazione vengono applicate nel mondo reale. Il codice mostra come la differenziazione e l'integrazione vengono calcolate numericamente dai computer e abbiamo scoperto che gli studenti ottengono una comprensione più profonda di questi concetti.

In fisica gli accelerometri e i giroscopi forniscono informazioni sulle leggi del movimento e una comprensione pratica di cose come il motivo per cui le misurazioni dell'accelerometro sono rumorose e come mitigare tali limitazioni del mondo reale.

Questa comprensione può portare a ulteriori discussioni, ad esempio sul controllo PID e una comprensione intuitiva degli algoritmi di controllo del feedback.

È possibile incorporare la costruzione di questo robot nel curriculum scolastico, o in combinazione con un programma di doposcuola, dagli studenti delle scuole elementari fino alle superiori.

Passaggio 6: accessorio per videocamera per streaming video

Abbiamo creato una videocamera basata su Raspberry PI che può essere collegata all'estensione della ruota orientabile del robot. Utilizza il WiFi per trasmettere il flusso video in streaming a un browser web.

Utilizza un'alimentazione separata per il robot ed è un modulo autonomo.

Il file fornisce i dettagli della marca.

In alternativa, è possibile collegare altre videocamere di streaming video indipendenti come Quelima SQ13 all'estensione delle ruote piroettanti, ad esempio:

Passaggio 7: utilizzo dei motori N20 invece dei motori TT

È possibile utilizzare il motore N20 al posto del motore TT.

Il robot funziona in modo più fluido e va molto più veloce con il motore N20.

I motori N20 che ho usato sono motori N20 da 3 V, 250 giri/min, ad es.

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

I motori N20 non sono così robusti e non durano a lungo, forse 5-10 ore di utilizzo.

Il motore N20 richiede la stampa 3D dei supporti del motore N20 e c'è un inserto per la ruota che consente a una ruota del motore TT di adattarsi all'albero assiale del motore N20.

I supporti motore N20 possono essere trovati cercando "balrobot" nella galleria tinkerCAD.