ربات متعادل کننده / ربات 3 چرخ / ربات STEM: 8 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:55

ما یک ربات متعادل کننده و 3 چرخ برای استفاده آموزشی در مدارس و برنامه های آموزشی بعد از مدرسه ساخته ایم. این ربات بر اساس Arduino Uno ، یک سپر سفارشی (کلیه جزئیات ساخت ارائه شده است) ، یک باتری Li Ion (همه جزئیات ساخت ارائه شده است) یا یک باتری 6xAA ، یک MPU 6050 ، یک ماژول بلوتوث BLE ، یک ماژول اولتراسونیک (اختیاری) است.) و سروو برای حرکت دادن بازو. همچنین مطالب آموزشی گسترده ای برای استفاده در اتاق های کلاس در دسترس است.

سند پیوست دستورالعمل هایی است که به بچه ها داده می شود تا ربات را در یک سری مراحل بسازند که در هر مرحله یادگیری آموزشی را ارائه می دهد. این سندی است که به مدارس و برنامه های بعد از مدرسه ارائه می شود.

7 تمرین وجود دارد که می توانید قبل از بارگذاری طرح کامل ربات 3 چرخ ، انجام دهید. هر یک از تمرینات بر جنبه خاصی از ربات تمرکز می کند ، به عنوان مثال. سنسور شتاب سنج/ژیروسکوپ ، تعامل با یک برنامه تلفن هوشمند با استفاده از بلوتوث ، سنسور اولتاسونیک ، سروو و غیره. تمرینات در ساختار فیزیکی ربات ادغام می شوند ، بنابراین هنگامی که مقدار کافی از ربات برای انجام یک تمرین ساخته شده است ، طرح تمرین را می توان بارگذاری و انجام داد. این به تمرکز سرگرم کننده ساخت ربات با یادگیری آموزشی کمک می کند.

تصمیم گرفته شد از آردوینو Uno استفاده شود زیرا بسیار رایج است و در بسیاری از مجموعه های آموزشی استفاده می شود. ما همچنین به غیر از سپر ، از ماژول های استاندارد قفسه استفاده کرده ایم که به راحتی در دسترس هستند. شاسی به صورت سه بعدی چاپ شده و طرح آن در TinkerCAD موجود است.

ما همچنین دریافتیم که این ربات به کودکان الهام می بخشد و به آنها اعتماد به نفس می دهد تا در مورد ایجاد خلاقیت خود فکر کنند و انجام این کار دشوار نیست.

همه طرح ها به خوبی توضیح داده شده اند و دانش آموزان پیشرفته تر می توانند طرح های خود را تغییر داده یا بنویسند. این روبات می تواند یک بستر کلی برای یادگیری در مورد آردوینو و لوازم الکترونیکی تشکیل دهد.

این ربات همچنین با برنامه "بلوک های LOFI" (https://lofiblocks.com/fa/) کار می کند ، بنابراین بچه ها می توانند کد خود را در محیط گرافیکی مشابه SCRATCH بنویسند.

توجه داشته باشید ویدئوی بالا مدل 1 را نشان می دهد ، روبات اکنون از برنامه بلوتوث RemoteXY (که برای دستگاه های Andriod و Apple موجود است) استفاده می کند ، MPU 6050 اکنون روی سپر روبات قرار دارد (نه در نوار لغزنده در پایین ربات - اگرچه هنوز هم می توانید آن را در صورت تمایل پیدا کنید) و دارای یک سنسور اولتراسونیک اختیاری است که می تواند به سپر متصل شود.

سپاسگزاریها:

(1) زاویه گام و کنترل PID بر اساس نرم افزار Brokking است:

(2) برنامه RemoteXY:

(3) LOFI Blocks و برنامه LOFI Robot:

(4) بازوهای مبتنی بر jjrobots:

(5) همه طرح ها در Arduino ذخیره می شوند ایجاد:

(6) طرح های سه بعدی در TinkerCAD ذخیره می شوند:

سلب مسئولیت: این مطالب همانطور که هست ارائه می شود ، بدون هیچ گونه ضمانتی در مورد صحت یا عدم وجود این مواد. استفاده از برنامه های شخص ثالث آیفون و اندروید که در این سند ذکر شده است به عهده خود کاربران است. این ربات می تواند از باتری لیتیوم یون استفاده کند ، استفاده از باتری و پاور به عهده خود کاربران است. نویسندگان هیچ گونه مسئولیتی در قبال ضررهایی که شخص یا سازمانی با استفاده از این مواد یا ساخت یا استفاده از ربات متحمل می شود ندارند.

مرحله 1: لیست قطعات

برای ساختن ربات از ابتدا ، مراحل زیادی وجود دارد و به زمان و مراقبت زیادی نیاز دارد. شما به چاپگر سه بعدی احتیاج دارید و در لحیم کاری و ساخت مدارهای الکترونیکی مهارت دارید.

قطعات مورد نیاز برای ساخت ربات عبارتند از:

(1) چاپ سه بعدی chass و caster wheel extension

(2) آردوینو اونو

(3) سپر روبات را بسازید

(4) MPU 6050 ، ماژول بلوتوث AT9 BLE ، ماژول اولتراسونیک اختیاری (همه به سپر وصل می شوند)

(5) سرو SG90

(6) موتورها و چرخ های TT

(7) بسته قدرت را بسازید (بسته باتری 6xAA یا بسته باتری Li Ion)

فایل پیوست نحوه بدست آوردن و ساخت تمام قطعات به جز پاور Li Lion و سپر روبات را توضیح می دهد که در مراحل بعدی توضیح داده شده است.

مرحله 2: سپر روبات

طراحی PCB برای روبات سپر در Fritzing انجام می شود ، در صورت تمایل به اصلاح طرح ، فایل Fritzing ضمیمه شده است.

فایلهای gerber برای PCB سپر نیز ضمیمه شده است ، می توانید این فایلها را برای تولید کننده PCB برای تولید سپر ارسال کنید.

به عنوان مثال ، تولید کنندگان زیر می توانند 10 تخته PCB را با هزینه 5 دلار + هزینه پست تهیه کنند:

www.pcbway.com/

easyeda.com/order

همچنین سند ساخت سپر ضمیمه شده است.

مرحله 3: پک پاور

شما می توانید یک بسته باتری 6xAA یا یک باتری Li Ion برای ربات بسازید. دستورالعمل هردو پیوست شده است.

ساخت بسته باتری AA بسیار ساده تر است. اما باتری ها تقریباً 20/30 دقیقه دوام می آورند تا نیاز به تعویض داشته باشند. همچنین سروو را نمی توان با بسته باتری AA استفاده کرد ، بنابراین هیچ بازوی متحرک وجود ندارد.

بسته باتری Li Ion قابل شارژ است و بین 60 بار شارژ مجدد (بسته به ظرفیت باتری استفاده شده) تقریبا 60 دقیقه به طول می انجامد. با این حال ، ساخت بسته باتری Li Ion دشوارتر است و از باتری Li Ion استفاده می کند ، باتری های Li Ion باید با احتیاط کار کنند.

بسته باتری Li Ion شامل یک مدار حفاظتی است که از باتری در برابر شارژ بیش از حد و زیر آن محافظت می کند و حداکثر جریان را به 4 آمپر محدود می کند. همچنین از ماژول شارژ Li Ion استفاده می کند.

شما می توانید از هر بسته باتری Li Ion که دارای خروجی تقریبی 7.2 ولت است استفاده کنید ، اما باید یک کابل با پلاگین محافظ روبات مناسب تهیه کنید.

اگر پاور پک جایگزین خوبی دارید به من اطلاع دهید. دلیل اینکه من این بسته Li Ion را تهیه کرده ام این است که از یک سلول Li Ion استفاده می کند ، به این معنی که نسبتاً کوچک است و می تواند از هر شارژر میکرو USB یا از هر پورت USB از جمله رایانه شارژ شود. پکیج های Li Ion که در 7.2 ولت دیده ام از 2 سلول استفاده می کنند و به شارژر خاصی نیاز دارند ، که هزینه را افزایش می دهد و برای شارژ راحت نیست.

اگر می خواهید بسته باتری Li Ion را بسازید (یا از هر بسته باتری Li Ion استفاده می کنید) باید از مسائل ایمنی چنین باتری هایی مطلع باشید ، به عنوان مثال.

مرحله 4: تمرینات و طرح های رباتیک

وقتی تمام قطعات را بدست آوردید ، هنگام ساخت ربات می توانید در صورت تمایل تمرینات برنامه نویسی را در طول مسیر انجام دهید. این تمرینات به همراه توضیحات در Arduino Create موجود است - پیوندهای زیر شما را به تمرینات Arduino Create می رساند - سپس می توانید تمرین را در ورود به سیستم Arduino Create باز کرده و ذخیره کنید.

برای بارگذاری طرح ها در ربات مطمئن شوید که تلفن شما توسط بلوتوث به ربات متصل نشده است - اتصال بلوتوث از وقوع بارگذاری جلوگیری می کند. اگرچه به طور کلی مورد نیاز نیست ، پین ماژول بلوتوث 123456 است.

در تمرینات 3 ، 5 و 7 از برنامه تلفن هوشمند "LOFI robot" (یا برنامه "جوی استیک BLE" استفاده می شود - اگرچه این برنامه همیشه با دستگاه های اپل کار نمی کند).

تمرینات 8 (طرح کامل ربات) از برنامه تلفن هوشمند RemoteXY برای کنترل ربات استفاده می کند.

طرح LOFI Blocks از برنامه "LOFI Blocks" استفاده می کند. (توجه داشته باشید که این برنامه در دستگاه های اپل بهتر کار می کند).

هنگامی که یک تمرین را در Arduino Create بارگذاری می کنید ، علاوه بر طرح arduino ، تعدادی زبانه دیگر نیز وجود دارد که اطلاعات مربوط به تمرین را ارائه می دهد.

تمرین 1: اصول اولیه آردوینو - LED ها را روی سپر کنترل روبات قرمز و سبز بزنید. شما می توانید این تمرین را پس از مرحله (3) در ساختمان انجام دهید.

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

تمرین 2: سنسور ژیرو - آشنایی با گریوس و شتاب سنج. شما می توانید این تمرین را پس از مرحله (4) در ساختمان انجام دهید. شما باید از "Serial Monitor" استفاده کنید ، که نرخ baud روی 115200 تنظیم شده است.

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

تمرین 3: پیوند بلوتوث - یک پیوند بلوتوث ایجاد کنید ، از یک برنامه تلفن هوشمند برای روشن و خاموش کردن LED های سپر کنترل ربات استفاده کنید. شما می توانید این تمرین را پس از مرحله (5) در ساختمان انجام دهید.

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

تمرین 4: سنسور فاصله اولتراسونیک (اختیاری) - آشنایی با سنسور اولتراسونیک. شما می توانید این تمرین را پس از مرحله (5) در ساختمان انجام دهید. شما باید از "Serial Monitor" استفاده کنید ، که نرخ baud روی 115200 تنظیم شده است.

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

تمرین 5: مکانیسم سرو-آشنایی با مکانیسم سروو و حرکت دادن بازو ، از یک برنامه تلفن هوشمند برای کنترل زاویه بازوی سروو استفاده کنید. شما می توانید این تمرین را پس از مرحله (8) در ساختمان انجام دهید. شما باید از "Serial Monitor" استفاده کنید ، که نرخ baud روی 115200 تنظیم شده است.

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

تمرین 6: موتورهای درایو - با موتورها آشنا شوید ، موتورهای محرک را به جلو و عقب بچرخانید. برای روشن شدن نیاز به بسته باتری دارد. شما باید از "Serial Monitor" استفاده کنید ، که نرخ baud روی 115200 تنظیم شده است.

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

تمرین 7: ماشین اصلی - یک ماشین سه چرخ ساده بسازید (رباتی با چسبندگی چرخ سوم) ، ما از یک برنامه تلفن هوشمند برای کنترل ماشین استفاده می کنیم. همچنین از سنسور اولتراسونیک برای دنبال کردن دست شما استفاده می کند. می توانید این کار را در همان نقطه از ساخت بالا انجام دهید. نیاز به روشن شدن باتری و اتصال چرخ 3 دارد.

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

تمرین 8: ربات متعادل کننده کامل - کد ربات متعادل کننده کامل / سه چرخ. از برنامه تلفن هوشمند "RemoteXY" برای کنترل ربات استفاده کنید.

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

LOFI Blocks Sketch - برای استفاده از برنامه "LOFI Blocks" این طرح را در ربات بارگذاری کنید. سپس می توانید ربات را با استفاده از برنامه "LOFI Blocks" برنامه ریزی کنید که از بلوک های برنامه نویسی مشابه SCRATCH استفاده می کند.

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

تمرین 9: ربات ردیابی خط. می توان دو سنسور ردیابی خط اضافه کرد و از پلاگین اولتراسونیک برای اتصال سنسورهای ردیابی خط به ربات استفاده کرد. توجه داشته باشید که سنسورها به پایه های دیجیتال D2 و D8 متصل شده اند.

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

تمرین 10: کنترل بلوتوث. استفاده از بلوتوث و یک برنامه تلفن (RemoteXY) برای کنترل LED های روبات و سروو مکانیسم. در این تمرین دانش آموزان با بلوتوث ، نحوه استفاده از یک برنامه تلفن برای کنترل چیزهای دنیای واقعی و یادگیری LED ها و مکانیسم های سرو آشنا می شوند.

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

مرحله 5: ایجاد تعادل بین ریاضیات و ساختار برنامه

فایل پیوست نمای کلی از ریاضیات و ساختار نرم افزاری قسمت متعادل کننده ربات را ارائه می دهد.

ریاضیات پشت ربات متعادل کننده ساده تر و جالب تر از آن است که فکر می کنید.

برای دانش آموزان دبیرستانی پیشرفته تر می توان ریاضیات روبات متعادل را با مطالعات ریاضی و فیزیک که در دبیرستان انجام می دهند پیوند داد.

در ریاضیات می توان از ربات برای نشان دادن نحوه اعمال مثلثات ، تمایز و یکپارچگی در دنیای واقعی استفاده کرد. کد نشان می دهد که چگونه تمایز و یکپارچگی به صورت عددی توسط رایانه محاسبه می شود ، و ما دریافتیم که دانش آموزان درک عمیق تری از این مفاهیم دارند.

در فیزیک ، شتاب سنج ها و ژیروسکوپ ها بینشی از قوانین حرکت و درک عملی از مواردی مانند اینکه چرا اندازه گیری های شتاب سنج پر سر و صدا هستند و چگونه می توان چنین محدودیت های دنیای واقعی را کاهش داد ، ارائه می دهند.

این درک می تواند به بحث های بیشتری منجر شود ، به عنوان مثال ، کنترل PID و درک شهودی از الگورترم های کنترل بازخورد.

می توان ساختمان این ربات را در برنامه درسی مدرسه ، یا همراه با برنامه بعد از مدرسه ، از دانش آموزان ابتدایی تا دانش آموزان دبیرستانی وارد کرد.

مرحله 6: لوازم جانبی دوربین پخش ویدئو

ما یک دوربین فیلمبرداری مبتنی بر تمشک PI ایجاد کرده ایم که می توان آن را به فرمت چرخ کاستور به ربات متصل کرد. از WiFi برای انتقال جریان ویدئویی جاری به مرورگر وب استفاده می کند.

از منبع تغذیه جداگانه ای برای ربات استفاده می کند و یک ماژول مستقل است.

فایل جزئیات ساخت را ارائه می دهد.

به عنوان یک جایگزین ، سایر دوربین های پخش ویدئو مستقل مانند Quelima SQ13 می توانند به افزونه چرخ کاستور متصل شوند ، به عنوان مثال:

مرحله 7: استفاده از موتورهای N20 به جای موتورهای TT

امکان استفاده از موتور N20 به جای موتور TT وجود دارد.

این ربات روانتر کار می کند و با موتور N20 بسیار سریعتر حرکت می کند.

موتورهای N20 که استفاده کرده ام موتورهای 3 ولت ، 250 دور در دقیقه N20 هستند ، به عنوان مثال.

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

موتورهای N20 چندان قوی نیستند و دوام زیادی ندارند ، شاید 5 تا 10 ساعت استفاده کنند.

موتور N20 به شما این امکان را می دهد که پایه های موتور N20 را به صورت سه بعدی چاپ کنید و یک چرخ وجود دارد که چرخ موتور TT را قادر می سازد تا با محور محوری موتور N20 متناسب شود.

پایه های موتور N20 را می توانید با جستجوی "balrobot" در گالری tinkerCAD پیدا کنید.