Robot thăng bằng / Robot 3 bánh / Robot STEM: 8 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Chúng tôi đã chế tạo rô bốt 3 bánh và cân bằng kết hợp để sử dụng trong trường học và các chương trình giáo dục sau giờ học. Robot dựa trên Arduino Uno, tấm chắn tùy chỉnh (cung cấp tất cả các chi tiết cấu tạo), bộ pin Li Ion (tất cả các chi tiết cấu tạo được cung cấp) hoặc bộ pin 6xAA, MPU 6050, mô-đun bluetooth BLE, mô-đun siêu âm (tùy chọn) và một servo để di chuyển một cánh tay. Ngoài ra còn có các tài liệu giáo dục phong phú sẵn sàng để sử dụng trong các phòng học.

Tài liệu đính kèm là hướng dẫn dành cho trẻ em để chế tạo rô bốt theo một loạt các bước nhằm mang lại hiệu quả học tập giáo dục ở mỗi bước. Đây là tài liệu được cung cấp cho các trường học và các chương trình sau giờ học.

Có 7 bài tập có thể được thực hiện trước khi tải lên bản phác thảo đầy đủ về robot 3 bánh / làm sạch. Mỗi bài tập đều tập trung vào một khía cạnh cụ thể của robot, ví dụ: cảm biến accerometer / con quay hồi chuyển, tương tác với ứng dụng điện thoại thông minh bằng bluetooth, cảm biến siêu âm, servo, v.v. Các bài tập được tích hợp vào cấu trúc vật lý của robot, vì vậy khi có đủ số lượng robot để thực hiện một bài tập, Bản phác thảo cho bài tập có thể được tải lên và thực hiện. Điều này giúp tập trung niềm vui của việc chế tạo robot với việc học tập mang tính giáo dục.

Nó đã được quyết định sử dụng một becasue Arduino Uno vì nó cực kỳ phổ biến và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực giáo dục. Chúng tôi cũng đã sử dụng, ngoài tấm chắn, các mô-đun tiêu chuẩn sẵn có. Khung xe được in 3D và thiết kế có sẵn trên TinkerCAD.

Chúng tôi cũng nhận thấy rằng robot này giúp truyền cảm hứng và cung cấp sự tự tin cho trẻ em để suy nghĩ về việc xây dựng các sáng tạo của riêng mình và không khó để làm điều đó.

Tất cả các bản phác thảo đều được nhận xét tốt và học sinh cao cấp hơn có thể sửa đổi hoặc viết bản phác thảo của riêng mình. Robot có thể tạo thành một nền tảng chung để học về Arduino và thiết bị điện tử.

Robot cũng hoạt động với ứng dụng "khối LOFI" (https://lofiblocks.com/en/), vì vậy trẻ em có thể viết mã riêng ở đó trong môi trường đồ họa tương tự như SCRATCH.

Lưu ý video ở trên cho thấy mô hình mark 1, rô bốt hiện sử dụng ứng dụng bluetooth RemoteXY (có sẵn cho cả thiết bị Andriod và Apple), MPU 6050 hiện nằm trên tấm chắn rô bốt (không phải trong thanh trượt ở dưới cùng của rô bốt - mặc dù bạn vẫn có thể định vị nó ở đó nếu muốn) và có một cảm biến siêu âm tùy chọn có thể được cắm vào tấm chắn.

Sự nhìn nhận:

(1) góc độ và điều khiển PID dựa trên phần mềm của Brokking:

(2) Ứng dụng RemoteXY:

(3) Khối LOFI và ứng dụng Robot LOFI:

(4) vũ khí dựa trên jjrobots:

(5) tất cả các bản phác thảo được lưu trữ trên Arduino Create:

(6) Các thiết kế 3D được lưu trữ trên TinkerCAD:

Tuyên bố từ chối trách nhiệm: Tài liệu này được cung cấp nguyên trạng, không có bảo đảm về tính đúng đắn hoặc các hình thức khác của tài liệu này. Người dùng tự chịu rủi ro khi sử dụng các ứng dụng iPhone và Android của bên thứ ba có tên trong tài liệu này. Robot có thể sử dụng bộ pin Lithium Ion, việc sử dụng pin và bộ nguồn do người dùng tự chịu rủi ro. Các tác giả không chịu trách nhiệm về những tổn thất mà bất kỳ cá nhân hoặc tổ chức nào sử dụng tài liệu này hoặc từ việc xây dựng hoặc sử dụng rô bốt.

Bước 1: Danh sách bộ phận

Để làm ra một con robot từ đầu, có rất nhiều bước và sẽ mất khá nhiều thời gian và công sức. Bạn sẽ cần một máy in 3D, giỏi hàn và xây dựng các mạch điện.

Các bộ phận cần thiết để tạo ra rô bốt là:

(1) In 3D phần mở rộng bánh xe chasis và bánh xe

(2) Arduino Uno

(3) Xây dựng lá chắn robot

(4) Mô-đun Bluetooth MPU 6050, AT9 BLE, mô-đun siêu âm tùy chọn (tất cả đều cắm vào tấm chắn)

(5) SG90 servo

(6) Động cơ và bánh xe TT

(7) Xây dựng bộ nguồn (bộ pin 6xAA hoặc bộ pin Li Ion)

Tệp đính kèm giải thích cách lấy và chế tạo tất cả các bộ phận ngoại trừ bộ nguồn Li Ion và tấm chắn robot, được đề cập trong các bước tiếp theo.

Bước 2: Tấm chắn Robot

Thiết kế PCB cho khiên robot được thực hiện bằng Fritzing, đính kèm là tệp Fritzing nếu bạn muốn sửa đổi thiết kế.

Ngoài ra đính kèm là các tệp mầm cho tấm chắn PCB, bạn có thể gửi các tệp này đến nhà sản xuất PCB để họ sản xuất tấm chắn.

Ví dụ: các nhà sản xuất sau đây có thể sản xuất 10 bảng mạch PCB với giá khoảng $ 5 + bưu phí:

www.pcbway.com/

easyeda.com/order

Cũng được đính kèm là tài liệu làm cho tấm chắn.

Bước 3: Gói điện

Bạn có thể chế tạo bộ pin 6xAA hoặc bộ pin Li Ion cho robot. Hướng dẫn cho cả hai đều được đính kèm.

Bộ pin AA dễ chế tạo hơn nhiều. Tuy nhiên, pin chỉ tồn tại được khoảng 20/30 phút trước khi cần thay thế. Ngoài ra, không thể sử dụng servo với bộ pin AA nên không có cánh tay di chuyển.

Pin Li Ion có thể được sạc lại và kéo dài khoảng 60 phút cộng thêm giữa các lần sạc (tùy thuộc vào dung lượng của pin được sử dụng). Tuy nhiên, bộ pin Li Ion khó chế tạo hơn và sử dụng pin Li Ion, pin Li Ion cần được xử lý cẩn thận.

Bộ pin Li Ion bao gồm một mạch bảo vệ, giúp bảo vệ pin khỏi tình trạng sạc quá nhiều và thiếu và giới hạn dòng điện tối đa ở mức 4 Amps. Nó cũng sử dụng một mô-đun sạc Li Ion.

Bạn có thể sử dụng bất kỳ bộ pin Li Ion nào có công suất đầu ra khoảng 7,2 volt, nhưng bạn sẽ cần phải trang bị cáp với phích cắm lá chắn robot thích hợp.

Hãy cho tôi biết nếu bạn có gói điện thay thế tốt. Lý do tại sao tôi tạo ra gói Li Ion này là nó sử dụng một tế bào Li Ion duy nhất, có nghĩa là nó tương đối nhỏ và có thể được sạc từ bất kỳ bộ sạc micro USB nào hoặc từ bất kỳ cổng USB nào kể cả máy tính. Các gói điện Li Ion mà tôi đã thấy khoảng 7,2 volt sử dụng 2 cell và yêu cầu bộ sạc đặc biệt, điều này làm tăng chi phí và không thuận tiện khi sạc.

Nếu bạn chọn chế tạo bộ pin Li Ion (hoặc sử dụng bất kỳ bộ pin Li Ion nào), bạn nên biết các vấn đề an toàn với những loại pin đó, ví dụ:

Bước 4: Bài tập và phác thảo robot

Khi bạn đã có được tất cả các bộ phận, khi bạn chế tạo robot, bạn có thể thực hiện các bài tập lập trình trong quá trình thực hiện nếu bạn muốn. Các bài tập này cùng với phần giải thích có sẵn trên Arduino Create - các liên kết bên dưới đưa bạn đến các bài tập Arduino Create - sau đó bạn có thể mở và lưu bài tập trong thông tin đăng nhập Arduino Create của mình.

Để tải các bản phác thảo lên rô bốt, hãy đảm bảo rằng điện thoại của bạn không được kết nối với rô bốt bằng Bluetooth - kết nối Bluetooth ngăn việc tải lên xảy ra. Mặc dù nói chung là không cần thiết, nhưng chân cắm cho mô-đun Bluetooth là 123456.

Bài tập 3, 5 và 7 sử dụng ứng dụng điện thoại thông minh "robot LOFI" (hoặc ứng dụng "cần điều khiển BLE" - mặc dù ứng dụng này không phải lúc nào cũng hoạt động với các thiết bị của Apple).

Exercies 8 (bản phác thảo đầy đủ về robot) sử dụng ứng dụng điện thoại thông minh “RemoteXY” để điều khiển robot.

Bản phác thảo Khối LOFI sử dụng ứng dụng "Khối LOFI". (lưu ý ứng dụng này hoạt động tốt nhất trên các thiết bị của Apple).

Khi bạn tải một bài tập vào Arduino Create, ngoài bản phác thảo arduino, còn có một số tab khác cung cấp thông tin về bài tập.

Bài tập 1: Kiến thức cơ bản về Arduino – nhấp nháy các đèn LED trên tấm chắn điều khiển robot màu đỏ và xanh lá cây. Bạn có thể thực hiện bài tập này sau Bước (3) trong quá trình xây dựng.

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

Bài tập 2: Cảm biến con quay hồi chuyển - làm quen với gryos và gia tốc kế. Bạn có thể thực hiện bài tập này sau Bước (4) trong quá trình xây dựng. Bạn cần sử dụng “Serial Monitor”, với tốc độ truyền được đặt thành 115200.

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

Bài tập 3: Liên kết Bluetooth - thiết lập liên kết Bluetooth, sử dụng ứng dụng điện thoại thông minh để bật và tắt đèn LED trên tấm chắn điều khiển robot. Bạn có thể thực hiện bài tập này sau Bước (5) trong quá trình xây dựng.

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

Bài tập 4: Cảm biến khoảng cách siêu âm (tùy chọn) - làm quen với cảm biến siêu âm. Bạn có thể thực hiện bài tập này sau Bước (5) trong quá trình xây dựng. Bạn cần sử dụng “Serial Monitor”, với tốc độ truyền được đặt thành 115200.

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

Bài tập 5: Cơ chế servo - làm quen với cơ chế servo và di chuyển cánh tay, sử dụng ứng dụng điện thoại thông minh để điều khiển góc của cánh tay servo. Bạn có thể thực hiện bài tập này sau Bước (8) trong quá trình xây dựng. Bạn cần sử dụng “Serial Monitor”, với tốc độ truyền được đặt thành 115200.

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

Bài tập 6: Dẫn động động cơ - làm quen với động cơ, cho động cơ truyền động tiến và lùi. Cần bật bộ pin. Bạn cần sử dụng “Serial Monitor”, với tốc độ truyền được đặt thành 115200.

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

Bài tập 7: Ô tô cơ bản - chế tạo ô tô ba bánh đơn giản (rô bốt có gắn bánh xe thứ 3), chúng ta sử dụng một ứng dụng điện thoại thông minh để điều khiển ô tô. Đồng thời sử dụng cảm biến siêu âm để theo dõi tay của bạn. Bạn có thể làm điều này tại cùng một điểm trong xây dựng như trên. Cần bật pin và lắp phụ kiện bánh xe thứ 3 vào.

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

Bài tập 8: Rô bốt thăng bằng hoàn toàn - mã của rô bốt thăng bằng hoàn toàn / rô bốt ba bánh. Sử dụng ứng dụng điện thoại thông minh “RemoteXY” để điều khiển robot.

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

Bản phác thảo khối LOFI - để sử dụng ứng dụng "Khối LOFI", hãy tải bản phác thảo này vào robot. Sau đó, bạn có thể lập trình robot bằng ứng dụng "LOFI Blocks" sử dụng các khối lập trình tương tự như SCRATCH.

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

Bài tập 9: Robot dò đường. Có thể thêm hai cảm biến dò đường và sử dụng phích cắm siêu âm để kết nối các cảm biến dò đường với robot. Lưu ý, các cảm biến được kết nối với chân kỹ thuật số D2 và D8.

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

Bài tập 10: Điều khiển Bluetooth. Sử dụng Bluetooth và ứng dụng điện thoại (RemoteXY) để điều khiển đèn LED rô-bốt và cơ chế servo. Trong bài tập này, học sinh tìm hiểu về Bluetooth, cách sử dụng ứng dụng điện thoại để điều khiển mọi thứ trong thế giới thực và tìm hiểu về đèn LED và cơ chế servo.

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

Bước 5: Cân bằng Toán học Robot và Cấu trúc Chương trình

Tập tin đính kèm cung cấp thông tin tổng quan về các phép toán và cấu trúc phần mềm của bộ phận giữ thăng bằng của robot.

Các phép toán đằng sau robot cân bằng đơn giản và thú vị hơn bạn nghĩ.

Đối với các học sinh phổ thông hơn, có thể liên kết toán học robot cân bằng với các nghiên cứu toán học và vật lý mà các em đang làm ở trường trung học.

Trong toán học, robot có thể được sử dụng để chỉ ra cách áp dụng phép đo lượng giác, phân biệt và tích hợp trong thế giới thực. Đoạn mã cho biết cách máy tính tính toán phân biệt và tích hợp bằng số và chúng tôi nhận thấy rằng học sinh hiểu sâu hơn về các khái niệm này.

Trong vật lý học, gia tốc kế và con quay hồi chuyển cung cấp cái nhìn sâu sắc về quy luật chuyển động và hiểu biết thực tế về những thứ như tại sao các phép đo gia tốc kế lại bị nhiễu và cách giảm thiểu những hạn chế trong thế giới thực như vậy.

Sự hiểu biết này có thể dẫn đến các cuộc thảo luận sâu hơn, ví dụ, điều khiển PID và sự hiểu biết trực giác về nhịp điệu điều khiển phản hồi.

Có thể đưa việc xây dựng robot này vào chương trình giảng dạy ở trường hoặc kết hợp với chương trình sau giờ học cho học sinh từ cấp tiểu học đến trung học.

Bước 6: Phụ kiện máy ảnh phát trực tuyến video

Chúng tôi đã tạo ra một máy quay video dựa trên quả mâm xôi PI có thể được gắn vào phần mở rộng bánh xe cho rô bốt. Là sử dụng WiFi để truyền luồng video trực tuyến tới trình duyệt web.

Nó sử dụng nguồn điện riêng cho robot và là một mô-đun độc lập.

Tệp cung cấp các chi tiết thực hiện.

Thay vào đó, các camera phát trực tuyến video độc lập khác như Quelima SQ13 có thể được gắn vào phần mở rộng bánh xe đẩy, ví dụ:

Bước 7: Sử dụng động cơ N20 thay vì động cơ TT

Có thể sử dụng động cơ N20 thay cho động cơ TT.

Robot chạy mượt mà hơn và nhanh hơn nhiều với động cơ N20.

Động cơ N20 tôi đã sử dụng là động cơ N20 3V, 250 vòng / phút, ví dụ:

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

Các động cơ N20 không mạnh mẽ và không kéo dài, có lẽ 5-10 giờ sử dụng.

Động cơ N20 yêu cầu bạn in 3D các giá gắn động cơ N20 và có một miếng chèn bánh xe cho phép bánh xe động cơ TT khớp với trục của động cơ N20.

Có thể tìm thấy giá gắn động cơ N20 bằng cách tìm kiếm "balrobot" trong thư viện tinkerCAD.

Bước 8: