Balanceerrobot / robot met 3 wielen / STEM-robot - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

We hebben een gecombineerde balanceer- en driewielrobot gebouwd voor educatief gebruik in scholen en naschoolse educatieve programma's. De robot is gebaseerd op een Arduino Uno, een aangepast schild (alle constructiedetails meegeleverd), een Li Ion-batterijpakket (alle constructiedetails meegeleverd) of een 6xAA-batterijpakket, een MPU 6050, een BLE Bluetooth-module, een ultrasone module (optioneel) en een servo om een arm te bewegen. Ook is er uitgebreid educatief materiaal klaar voor gebruik in klaslokalen.

Het bijgevoegde document bevat de instructies die aan kinderen worden gegeven om de robot in een reeks stappen te bouwen die bij elke stap educatief leren bieden. Dit is het document dat aan scholen en naschoolse programma's wordt verstrekt.

Er zijn 7 oefeningen die gedaan kunnen worden voordat de volledige balanceren / 3 wiel robot schets is geüpload. Elk van de oefeningen richt zich op een bepaald aspect van de robot, b.v. de accerometer/gyroscoopsensor, interactie met een smartphone-app via bluetooth, de ultasonische sensor, de servo enz. De oefeningen zijn geïntegreerd in de fysieke constructie van de robot, dus als er genoeg van de robot is gebouwd om een oefening uit te voeren, zal de schets voor de oefening kan worden geüpload en gedaan. Dit helpt om het plezier van het bouwen van de robot te concentreren op educatief leren.

Er werd besloten om een Arduino Uno te gebruiken omdat het extreem gebruikelijk is en in veel educatieve omgevingen wordt gebruikt. We hebben naast het schild ook gebruik gemaakt van standaard verkrijgbare modules. Het chassis is 3D-geprint en het ontwerp is beschikbaar op TinkerCAD.

We hebben ook ontdekt dat deze robot helpt om kinderen te inspireren en vertrouwen te geven om na te denken over het bouwen van hun eigen creaties en dat het niet moeilijk is om dit te doen.

Alle schetsen zijn goed becommentarieerd en meer gevorderde studenten kunnen hun eigen schetsen aanpassen of schrijven. De robot kan een algemeen platform vormen om over de Arduino en elektronica te leren.

De robot werkt ook met de app "LOFI blocks" (https://lofiblocks.com/en/), zodat kinderen hun eigen code kunnen schrijven in een grafische omgeving vergelijkbaar met SCRATCH.

Let op de video hierboven toont het mark 1-model, de robot gebruikt nu de RemoteXY bluetooth-app (die beschikbaar is voor zowel Andriod- als Apple-apparaten), de MPU 6050 bevindt zich nu op het robotschild (niet in de schuifregelaar aan de onderkant van de robot - hoewel je hem daar nog steeds kunt vinden als je dat wilt) en heeft een optionele ultrasone sensor die in het schild kan worden gestoken.

Dankbetuigingen:

(1) pitch-hoek en PID-regeling is gebaseerd op software van Brokking:

(2) RemoteXY-app:

(3) LOFI Blocks en LOFI Robot-app:

(4) armen gebaseerd op jjrobots:

(5) alle schetsen worden opgeslagen op Arduino Create:

(6) 3D-ontwerpen worden opgeslagen op TinkerCAD:

Disclaimer: Dit materiaal wordt geleverd zoals het is, zonder garantie van de juistheid of anderszins van dit materiaal. Het gebruik van de iPhone- en Android-apps van derden die in dit document worden genoemd, is op eigen risico van de gebruiker. De robot kan gebruik maken van een Lithium Ion accupakket, het gebruik van de accu en het accupakket is op eigen risico van de gebruiker. De auteurs aanvaarden geen aansprakelijkheid voor verliezen geleden door een persoon of organisatie die dit materiaal gebruikt of door het bouwen of gebruiken van de robot.

Stap 1: Onderdelenlijst

Om de robot helemaal opnieuw te maken, zijn er veel stappen en het zal behoorlijk wat tijd en zorg kosten. Je hebt een 3D-printer nodig en bent goed in het solderen en bouwen van elektronische circuits.

De onderdelen die nodig zijn om de robot te maken zijn:

(1) 3D-print het chassis en de zwenkwielverlenging

(2) Arduino Uno

(3) Bouw het robotschild

(4) MPU 6050, AT9 BLE Bluetooth-module, optionele ultrasone module (allemaal aangesloten op het schild)

(5) SG90-servo

(6) TT-motoren en wielen

(7) Bouw de power pack (ofwel 6xAA batterij pack of Li Ion batterij pack)

In het bijgevoegde bestand wordt uitgelegd hoe u alle onderdelen kunt verkrijgen en bouwen, behalve het Li-ion-energiepakket en het robotschild, die in de volgende stappen worden behandeld.

Stap 2: Robotschild

Het PCB-ontwerp voor het robotschild is gemaakt in Fritzing, bijgevoegd is het Fritzing-bestand als u het ontwerp wilt wijzigen.

Ook zijn de gerber-bestanden voor de schild-PCB bijgevoegd, u kunt deze bestanden naar een PCB-fabrikant sturen om het schild te vervaardigen.

De volgende fabrikanten kunnen bijvoorbeeld 10 x printplaten maken voor ongeveer $ 5 + verzendkosten:

www.pcbway.com/

easyeda.com/order

Ook bijgevoegd is het maakdocument voor het schild.

Stap 3: Accupakket

U kunt een 6xAA-batterijpakket of een Li Ion-batterijpakket voor de robot bouwen. De instructies voor beide zijn bijgevoegd.

Het AA-batterijpakket is veel eenvoudiger te bouwen. De batterijen gaan echter maar ongeveer 20/30 minuten mee voordat ze moeten worden vervangen. Ook kan de servo niet worden gebruikt met het AA-batterijpakket, dus er is geen bewegende arm.

Het Li Ion-batterijpakket kan worden opgeladen en gaat ongeveer 60 minuten mee tussen twee oplaadbeurten (afhankelijk van de capaciteit van de gebruikte batterij). Het Li Ion-batterijpakket is echter moeilijker te bouwen en maakt gebruik van een Li Ion-batterij, met Li Ion-batterijen moet voorzichtig worden omgegaan.

Het Li Ion-batterijpakket bevat een beveiligingscircuit, dat de batterij beschermt tegen over- en onderlading en de maximale stroom beperkt tot 4 Ampère. Het maakt ook gebruik van een Li Ion-oplaadmodule.

U kunt elk Li-ion-batterijpakket gebruiken met een output van ongeveer 7,2 volt, maar u moet een kabel maken met de juiste robotafschermingsstekker.

Laat het me weten als je een goed alternatief powerpack hebt. De reden waarom ik dit Li Ion-pakket heb verzonnen, is dat het een enkele Li Ion-cel gebruikt, wat betekent dat het relatief klein is en kan worden opgeladen vanaf elke micro-USB-oplader of vanaf elke USB-poort, inclusief een computer. Li Ion power packs Ik heb gezien dat ongeveer 7,2 volt 2 cellen gebruikt en een speciale oplader nodig heeft, wat de kosten verhoogt en niet zo handig is om op te laden.

Als u ervoor kiest om het Li-ion-batterijpakket te bouwen (of een Li-ion-batterijpakket te gebruiken), moet u zich bewust zijn van de veiligheidsproblemen met dergelijke batterijen, b.v.

Stap 4: Robotoefeningen en schetsen

Als je eenmaal alle onderdelen hebt verkregen, kun je tijdens het bouwen van de robot onderweg programmeeroefeningen doen als je dat wilt. Deze oefeningen samen met uitleg zijn beschikbaar op Arduino Create - de onderstaande links brengen je naar de Arduino Create-oefeningen - je kunt de oefening vervolgens openen en opslaan in je Arduino Create-login.

Als u schetsen naar de robot wilt uploaden, moet u ervoor zorgen dat uw telefoon niet via Bluetooth met de robot is verbonden - een Bluetooth-verbinding voorkomt dat u uploadt. Hoewel over het algemeen niet nodig, is de pin voor de Bluetooth-module 123456.

Oefeningen 3, 5 en 7 gebruiken de smartphone-app "LOFI robot" (of de app "BLE joystick" - hoewel deze app niet altijd werkt met Apple-apparaten).

Oefening 8 (de volledige robotschets) gebruikt de "RemoteXY" smartphone-app om de robot te besturen.

De schets van LOFI Blocks maakt gebruik van de app "LOFI Blocks". (merk op dat deze app het beste werkt op Apple-apparaten).

Als je een oefening in Arduino Create laadt, zijn er naast de arduino-schets nog een aantal andere tabbladen die informatie over de oefening geven.

Oefening 1: Arduino Basics – Knipper de LED's op het robotbesturingsschild rood en groen. Je kunt deze oefening doen na stap (3) in de constructie.

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

Oefening 2: Gyrosensor – vertrouwd raken met gryos en versnellingsmeters. Je kunt deze oefening doen na stap (4) in de constructie. U moet de "Serial Monitor" gebruiken, met een baudrate ingesteld op 115200.

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

Oefening 3: Bluetooth-link – maak een Bluetooth-link, gebruik een smartphone-app om de LED's op het robotbesturingsschild in en uit te schakelen. Je kunt deze oefening doen na stap (5) in de constructie.

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

Oefening 4: Ultrasone afstandssensor (optioneel) – vertrouwd raken met de ultrasone sensor. Je kunt deze oefening doen na stap (5) in de constructie. U moet de "Serial Monitor" gebruiken, met een baudrate ingesteld op 115200.

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

Oefening 5: Servomechanisme - vertrouwd raken met het servomechanisme en de arm bewegen, gebruik een smartphone-app om de hoek van de servo-arm te regelen. Je kunt deze oefening doen na stap (8) in de constructie. U moet de "Serial Monitor" gebruiken, met een baudrate ingesteld op 115200.

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

Oefening 6: Aandrijfmotoren – maak kennis met motoren, laat de aandrijfmotoren vooruit en achteruit lopen. Het batterijpakket moet worden ingeschakeld. U moet de "Serial Monitor" gebruiken, met een baudrate ingesteld op 115200.

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

Oefening 7: Basisauto – bouw een eenvoudige driewielige auto (robot met 3e wielbevestiging), we gebruiken een smartphone-app om de auto te besturen. Gebruikt ook de ultrasone sensor om je hand te volgen. U kunt dit op hetzelfde punt in de constructie doen als hierboven. Moet de batterij worden ingeschakeld en de 3e wielbevestiging plaatsen.

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

Oefening 8: Volledige balancerende robot – de code voor de volledige balancerende / driewielige robot. Gebruik de smartphone-app "RemoteXY" om de robot te besturen.

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

LOFI Blocks Sketch - om de app "LOFI Blocks" te gebruiken, upload deze schets naar de robot. U kunt de robot vervolgens programmeren met behulp van de app "LOFI Blocks", die programmeerblokken gebruikt die vergelijkbaar zijn met SCRATCH.

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

Oefening 9: Lijntraceerrobot. Het is mogelijk om twee lijntraceersensoren toe te voegen en de ultrasone stekker te gebruiken om de lijntraceersensoren op de robot aan te sluiten. Let op, de sensoren zijn aangesloten op digitale pinnen D2 en D8.

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

Oefening 10: Bluetooth-bediening. Met behulp van Bluetooth en een telefoon-app (RemoteXY) om de robot-LED's en het servomechanisme te bedienen. In deze oefening leren leerlingen over Bluetooth, hoe ze een telefoon-app kunnen gebruiken om dingen uit de echte wereld te besturen en leren ze over LED's en servo-mechanismen.

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

Stap 5: Robotwiskunde en programmastructuur in evenwicht brengen

Het bijgevoegde bestand geeft een overzicht van de wiskunde- en softwarestructuur van het balanceergedeelte van de robot.

De wiskunde achter de balancerende robot is eenvoudiger en interessanter dan je zou denken.

Voor de meer gevorderde scholieren is het mogelijk om de balancerende robot wiskunde te koppelen aan de wiskunde en natuurkunde die ze op de middelbare school doen.

In de wiskunde kan de robot worden gebruikt om te laten zien hoe trigometrie, differentiatie en integratie in de echte wereld worden toegepast. De code laat zien hoe differentiatie en integratie numeriek worden berekend door computers, en we hebben ontdekt dat studenten deze concepten beter begrijpen.

In de natuurkunde geven de versnellingsmeters en gyroscopen inzicht in de bewegingswetten en een praktisch begrip van zaken zoals waarom metingen van versnellingsmeters luidruchtig zijn en hoe dergelijke beperkingen in de echte wereld kunnen worden verminderd.

Dit begrip kan leiden tot verdere discussies over bijvoorbeeld PID-regeling en een intuïtief begrip van feedbackregelingsalgoritmen.

Het is mogelijk om het bouwen van deze robot op te nemen in het schoolcurriculum, of in combinatie met een naschools programma, van basisschoolleerlingen tot middelbare scholieren.

Stap 6: Video Streaming Camera Accessoire

We hebben een op Raspberry PI gebaseerde videocamera gemaakt die kan worden bevestigd aan de zwenkwielverlenging van de robot. Is maakt gebruik van WiFi om de streaming videostream naar een webbrowser te verzenden.

Het gebruikt een aparte voeding voor de robot en is een zelfstandige module.

Het bestand bevat de details van het merk.

Als alternatief kunnen andere stand-alone videostreamingcamera's zoals de Quelima SQ13 aan de zwenkwielverlenging worden bevestigd, bijvoorbeeld:

Stap 7: N20-motoren gebruiken in plaats van TT-motoren

Het is mogelijk om de N20-motor te gebruiken in plaats van de TT-motor.

De robot loopt soepeler en gaat veel sneller met de N20 motor.

De N20-motoren die ik heb gebruikt zijn 3V, 250rpm N20-motoren, b.v.

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

De N20-motoren zijn niet zo robuust en gaan niet zo lang mee, misschien 5-10 uur gebruik.

Voor de N20-motor moet u de N20-motorsteunen 3D-printen, en er is een wielinzetstuk om een TT-motorwiel in staat te stellen op de axiale as van de N20-motor te passen.

De N20-motorsteunen kunnen worden gevonden door te zoeken naar "balrobot" in de tinkerCAD-galerij.