Robot de equilibrio / Robot de 3 ruedas / Robot STEM: 8 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Hemos construido un robot combinado de equilibrio y 3 ruedas para uso educativo en escuelas y programas educativos extracurriculares. El robot se basa en un Arduino Uno, un escudo personalizado (se proporcionan todos los detalles de construcción), un paquete de baterías de iones de litio (se proporcionan todos los detalles de construcción) o un paquete de baterías 6xAA, un MPU 6050, un módulo bluetooth BLE, un módulo ultrasónico (opcional) y un servo para mover un brazo. También hay un extenso material educativo disponible listo para usar en las aulas.

El documento adjunto contiene las instrucciones dadas a los niños para construir el robot en una serie de pasos que brindan un aprendizaje educativo en cada paso. Este es el documento proporcionado a las escuelas y programas extracurriculares.

Hay 7 ejercicios que se pueden hacer antes de que se cargue el boceto completo del robot de equilibrio / 3 ruedas. Cada uno de los ejercicios se centra en un aspecto particular del robot, p. Ej. el sensor de aceómetro / giroscopio, interactuando con una aplicación de teléfono inteligente usando bluetooth, el sensor ultrasónico, el servo, etc. Los ejercicios están integrados en la construcción física del robot, por lo que cuando se ha construido suficiente robot para hacer un ejercicio, el El boceto del ejercicio se puede cargar y hacer. Esto ayuda a enfocar la diversión de construir el robot con el aprendizaje educativo.

Se decidió usar un Arduino Uno porque es extremadamente común y se usa en muchas configuraciones educativas. También hemos utilizado, además del escudo, módulos estándar de estantería que están fácilmente disponibles. El chasis está impreso en 3D y el diseño está disponible en TinkerCAD.

También hemos descubierto que este robot ayuda a inspirar y dar confianza a los niños para que piensen en construir sus propias creaciones y que no es difícil hacerlo.

Todos los bocetos están bien comentados y los estudiantes más avanzados pueden modificar o escribir sus propios bocetos. El robot puede formar una plataforma general para aprender sobre Arduino y la electrónica.

El robot también funciona con la aplicación "LOFI blocks" (https://lofiblocks.com/en/), por lo que los niños pueden escribir su propio código en un entorno gráfico similar a SCRATCH.

Tenga en cuenta que el video de arriba muestra el modelo mark 1, el robot ahora usa la aplicación Bluetooth RemoteXY (que está disponible para dispositivos Android y Apple), el MPU 6050 ahora se encuentra en el escudo del robot (no en el control deslizante en la parte inferior del robot, aunque aún puede ubicarlo allí si lo desea) y tiene un sensor ultrasónico opcional que se puede conectar al escudo.

Agradecimientos:

(1) el ángulo de inclinación y el control PID se basan en el software de Brokking:

(2) Aplicación RemoteXY:

(3) Aplicación LOFI Blocks y LOFI Robot:

(4) brazos basados en jjrobots:

(5) todos los bocetos se almacenan en Arduino Create:

(6) Los diseños 3D se almacenan en TinkerCAD:

Descargo de responsabilidad: este material se proporciona tal cual, sin garantía de la exactitud o no de este material. El uso de las aplicaciones de terceros para iPhone y Android mencionadas en este documento es responsabilidad del usuario. El robot puede usar un paquete de baterías de iones de litio, el uso de la batería y el paquete de energía es por cuenta y riesgo del usuario. Los autores no asumen ninguna responsabilidad por las pérdidas sufridas por cualquier persona u organización que utilice este material o por la construcción o el uso del robot.

Paso 1: Lista de piezas

Para hacer el robot desde cero, hay muchos pasos y requerirá mucho tiempo y cuidado. Necesitará una impresora 3D y será bueno soldando y construyendo circuitos electrónicos.

Las piezas necesarias para fabricar el robot son:

(1) Imprime en 3D el chasis y la extensión de la rueda giratoria

(2) Arduino Uno

(3) Construye el escudo del robot

(4) MPU 6050, módulo Bluetooth AT9 BLE, módulo ultrasónico opcional (todos se conectan al protector)

(5) Servo SG90

(6) Motores TT y ruedas

(7) Construya el paquete de energía (paquete de baterías 6xAA o paquete de baterías de iones de litio)

El archivo adjunto explica cómo obtener y construir todas las piezas, excepto el paquete de energía de iones de litio y el escudo del robot, que se tratan en los siguientes pasos.

Paso 2: Escudo de robot

El diseño de PCB para el escudo del robot se realiza en Fritzing, adjunto está el archivo Fritzing si desea modificar el diseño.

También se adjuntan los archivos gerber para el escudo PCB, puede enviar estos archivos a un fabricante de PCB para que fabrique el escudo.

Por ejemplo, los siguientes fabricantes pueden hacer 10 placas PCB por alrededor de $ 5 + gastos de envío:

www.pcbway.com/

easyeda.com/order

También se adjunta el documento de marca del escudo.

Paso 3: paquete de energía

Puede construir un paquete de baterías 6xAA o un paquete de baterías de iones de litio para el robot. Se adjuntan las instrucciones para ambos.

El paquete de baterías AA es mucho más fácil de construir. Sin embargo, las baterías solo duran aproximadamente 20/30 minutos antes de necesitar ser reemplazadas. Además, el servo no se puede usar con el paquete de baterías AA, por lo que no hay brazo móvil.

El paquete de baterías de iones de litio se puede recargar y dura aproximadamente 60 minutos más entre recargas (dependiendo de la capacidad de la batería utilizada). Sin embargo, el paquete de baterías de iones de litio es más difícil de construir y utiliza una batería de iones de litio, las baterías de iones de litio deben manipularse con cuidado.

El paquete de baterías de iones de litio incluye un circuito de protección, que protege la batería de una carga excesiva o insuficiente y limita la corriente máxima a 4 amperios. También utiliza un módulo de carga de iones de litio.

Puede usar cualquier paquete de baterías de iones de litio que tenga una salida de aproximadamente 7,2 voltios, pero necesitaría hacer un cable con el enchufe de protección de robot apropiado.

Avíseme si tiene un buen paquete de energía alternativo. La razón por la que he creado este paquete de iones de litio es que utiliza una sola celda de iones de litio, lo que significa que es relativamente pequeña y se puede cargar desde cualquier cargador micro USB o desde cualquier puerto USB, incluida una computadora. Los paquetes de energía de iones de litio He visto que alrededor de 7.2 voltios usan 2 celdas y requieren un cargador especial, lo que aumenta el costo y no es tan conveniente de cargar.

Si elige fabricar el paquete de baterías de iones de litio (o utilizar cualquier paquete de baterías de iones de litio), debe tener en cuenta los problemas de seguridad con tales baterías, p. Ej.

Paso 4: Ejercicios y bocetos del robot

Una vez que haya obtenido todas las piezas, mientras construye el robot, puede hacer ejercicios de programación a lo largo del camino si lo desea. Estos ejercicios, junto con las explicaciones, están disponibles en Arduino Create; los enlaces a continuación lo llevan a los ejercicios de Arduino Create; luego puede abrir y guardar el ejercicio en su inicio de sesión de Arduino Create.

Para cargar bocetos en el robot, asegúrese de que su teléfono no esté conectado al robot por Bluetooth; una conexión Bluetooth evita que se carguen. Aunque generalmente no es necesario, el pin del módulo Bluetooth es 123456.

Los ejercicios 3, 5 y 7 utilizan la aplicación de teléfono inteligente "robot LOFI" (o la aplicación "BLE joystick", aunque esta aplicación no siempre funciona con dispositivos Apple).

Ejercicios 8 (el dibujo completo del robot) utiliza la aplicación de teléfono inteligente "RemoteXY" para controlar el robot.

El boceto de LOFI Blocks utiliza la aplicación "LOFI Blocks". (tenga en cuenta que esta aplicación funciona mejor en dispositivos Apple).

Cuando carga un ejercicio en Arduino Create, además del boceto de arduino, hay una serie de otras pestañas que proporcionan información sobre el ejercicio.

Ejercicio 1: Conceptos básicos de Arduino: haga parpadear los LED del escudo de control del robot en rojo y verde. Puede hacer este ejercicio después del Paso (3) en la construcción.

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

Ejercicio 2: Sensor giroscópico: familiarizarse con los gryos y los acelerómetros. Puede hacer este ejercicio después del Paso (4) en la construcción. Debe utilizar el "Monitor en serie", con la velocidad en baudios establecida en 115200.

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

Ejercicio 3: Enlace Bluetooth: establezca un enlace Bluetooth, use una aplicación de teléfono inteligente para encender y apagar los LED en el escudo de control del robot. Puede hacer este ejercicio después del Paso (5) en la construcción.

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

Ejercicio 4: Sensor de distancia ultrasónico (opcional): familiarizarse con el sensor ultrasónico. Puede hacer este ejercicio después del Paso (5) en la construcción. Debe utilizar el "Monitor en serie", con la velocidad en baudios establecida en 115200.

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

Ejercicio 5: Servo-mecanismo: familiarizándose con el servo mecanismo y moviendo el brazo, use una aplicación de teléfono inteligente para controlar el ángulo del servo brazo. Puede hacer este ejercicio después del Paso (8) en la construcción. Debe utilizar el "Monitor en serie", con la velocidad en baudios establecida en 115200.

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

Ejercicio 6: Motores impulsores: familiarizarse con los motores, hacer funcionar los motores impulsores hacia adelante y hacia atrás. Necesita que la batería esté encendida. Debe utilizar el "Monitor en serie", con la velocidad en baudios establecida en 115200.

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

Ejercicio 7: Automóvil básico: construya un automóvil simple de tres ruedas (robot con accesorio de tercera rueda), usamos una aplicación de teléfono inteligente para controlar el automóvil. También utiliza el sensor ultrasónico para seguir su mano. Puede hacer esto en el mismo punto de la construcción que arriba. Necesita que la batería esté encendida e inserte el accesorio de la tercera rueda.

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

Ejercicio 8: Robot de equilibrio completo: el código para el robot de equilibrio completo / tres ruedas. Utilice la aplicación de teléfono inteligente "RemoteXY" para controlar el robot.

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

Boceto de LOFI Blocks: para utilizar la aplicación "LOFI Blocks", cargue este boceto en el robot. A continuación, puede programar el robot utilizando la aplicación "LOFI Blocks", que utiliza bloques de programación similares a SCRATCH.

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

Ejercicio 9: Robot de rastreo de líneas. Es posible agregar dos sensores de rastreo de línea y usar el enchufe ultrasónico para conectar los sensores de rastreo de línea al robot. Tenga en cuenta que los sensores están conectados a los pines digitales D2 y D8.

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

Ejercicio 10: Control de Bluetooth. Usando Bluetooth y una aplicación de teléfono (RemoteXY) para controlar los LED del robot y el servo-mecanismo. En este ejercicio, los estudiantes aprenden sobre Bluetooth, cómo usar una aplicación de teléfono para controlar cosas del mundo real y aprenden sobre LED y servomecanismos.

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

Paso 5: Equilibrar las matemáticas del robot y la estructura del programa

El archivo adjunto ofrece una descripción general de la estructura matemática y del software de la parte de equilibrio del robot.

Las matemáticas detrás del robot de equilibrio son más simples e interesantes de lo que piensas.

Para los estudiantes de escuela más avanzados, es posible vincular las matemáticas del robot equilibrador con los estudios de matemáticas y física que están haciendo en la escuela secundaria.

En matemáticas, el robot se puede utilizar para mostrar cómo se aplican la trigometría, la diferenciación y la integración en el mundo real. El código muestra cómo las computadoras calculan numéricamente la diferenciación y la integración, y hemos descubierto que los estudiantes obtienen una comprensión más profunda de estos conceptos.

En física, los acelerómetros y giroscopios brindan información sobre las leyes del movimiento y una comprensión práctica de cosas como por qué las mediciones del acelerómetro son ruidosas y cómo mitigar tales limitaciones del mundo real.

Esta comprensión puede conducir a más discusiones, por ejemplo, el control PID y una comprensión intuitiva de los algoritmos de control de retroalimentación.

Es posible incorporar la construcción de este robot en el plan de estudios de la escuela, o en conjunto con un programa extracurricular, desde la escuela primaria hasta la secundaria.

Paso 6: Accesorio de cámara de transmisión de video

Hemos creado una cámara de video basada en Raspberry PI que se puede conectar a la extensión de la rueda giratoria del robot. Utiliza WiFi para transmitir la transmisión de video a un navegador web.

Utiliza una fuente de alimentación separada para el robot y es un módulo independiente.

El archivo proporciona los detalles de la marca.

Como alternativa, se pueden conectar otras cámaras de transmisión de video independientes como la Quelima SQ13 a la extensión de la rueda giratoria, por ejemplo:

Paso 7: uso de motores N20 en lugar de motores TT

Es posible utilizar el motor N20 en lugar del motor TT.

El robot funciona de forma más suave y mucho más rápido con el motor N20.

Los motores N20 que he utilizado son motores N20 de 3 V, 250 rpm, p. Ej.

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

Los motores N20 no son tan robustos y no duran tanto, quizás de 5 a 10 horas de uso.

El motor N20 requiere que imprima en 3D los soportes del motor N20, y hay un inserto de rueda que permite que una rueda de motor TT se ajuste al eje axial del motor N20.

Los soportes del motor N20 se pueden encontrar buscando "balrobot" en la galería de tinkerCAD.