Robô de equilíbrio / Robô de 3 rodas / Robô STEM: 8 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Nós construímos um balanceamento combinado e um robô de 3 rodas para uso educacional em escolas e programas educacionais após as aulas. O robô é baseado em um Arduino Uno, um escudo personalizado (todos os detalhes de construção fornecidos), um pacote de bateria Li Ion (todos os detalhes de construção fornecidos) ou um pacote de bateria 6xAA, um MPU 6050, um módulo bluetooth BLE, um módulo ultrassônico (opcional) e um servo para mover um braço. Também há um extenso material educacional disponível, pronto para uso nas salas de aula.

O documento anexo contém as instruções dadas às crianças para construir o robô em uma série de etapas que proporcionam aprendizado educacional em cada etapa. Este é o documento fornecido às escolas e programas pós-escolares.

Existem 7 exercícios que podem ser feitos antes que o esboço completo do robô de balaning / 3 rodas seja carregado. Cada um dos exercícios enfoca um aspecto particular do robô, por exemplo, o sensor acelerômetro / giroscópio, interagindo com um aplicativo de telefone inteligente usando bluetooth, o sensor ultrassônico, o servo etc. Os exercícios são integrados à construção física do robô, então quando o suficiente do robô tiver sido construído para fazer um exercício, o esboço para o exercício pode ser carregado e feito. Isso ajuda a concentrar a diversão de construir o robô com o aprendizado educacional.

Decidiu-se usar um Arduino Uno porque é extremamente comum e usado em muitos ambientes educacionais. Também usamos, além da blindagem, módulos padrão de prateleira que estão prontamente disponíveis. O chassi é impresso em 3D e o design está disponível no TinkerCAD.

Também descobrimos que este robô ajuda a inspirar e dar confiança às crianças para pensarem em construir suas próprias criações e que não é difícil fazê-lo.

Todos os esboços são bem comentados e os alunos mais avançados podem modificar ou escrever seus próprios esboços. O robô pode formar uma plataforma geral para aprender sobre o Arduino e a eletrônica.

O robô também funciona com o aplicativo "blocos LOFI" (https://lofiblocks.com/en/), para que as crianças possam escrever seu próprio código em um ambiente gráfico semelhante ao SCRATCH.

Observe que o vídeo acima mostra o modelo da marca 1, o robô agora usa o aplicativo Bluetooth RemoteXY (que está disponível para dispositivos Andriod e Apple), o MPU 6050 agora está localizado no escudo do robô (não no controle deslizante na parte inferior do robô - embora você ainda possa localizá-lo lá, se desejar) e tenha um sensor ultrassônico opcional que pode ser conectado à blindagem.

Reconhecimentos:

(1) ângulo de inclinação e controle PID são baseados no software da Brokking:

(2) Aplicativo RemoteXY:

(3) LOFI Blocks e aplicativo LOFI Robot:

(4) braços baseados em jjrobots:

(5) todos os esboços são armazenados no Arduino Create:

(6) Projetos 3D são armazenados no TinkerCAD:

Isenção de responsabilidade: Este material é fornecido no estado em que se encontra, sem nenhuma garantia da exatidão ou não deste material. O uso de aplicativos de terceiros para iPhone e Android mencionados neste documento é de responsabilidade do usuário. O robô pode usar uma bateria de íon de lítio, o uso da bateria e da bateria é de responsabilidade do usuário. Os autores não assumem qualquer responsabilidade por perdas sofridas por qualquer pessoa ou organização usando este material ou da construção ou uso do robô.

Etapa 1: Lista de peças

Para fazer o robô do zero, existem muitas etapas e isso vai levar muito tempo e cuidado. Você precisará de uma impressora 3D e será bom em soldagem e construção de circuitos eletrônicos.

As peças necessárias para fazer o robô são:

(1) Impressão 3D do chassi e extensão da roda de rodízio

(2) Arduino Uno

(3) Construir o escudo do robô

(4) MPU 6050, módulo AT9 BLE Bluetooth, módulo ultrassônico opcional (todos plugados na blindagem)

(5) servo SG90

(6) Motores e rodas TT

(7) Construir o pacote de energia (bateria 6xAA ou bateria Li Ion)

O arquivo anexado explica como obter e construir todas as peças, exceto o pacote de força de íon de lítio e o escudo do robô, que são abordados nas próximas etapas.

Etapa 2: escudo do robô

O projeto da PCB para o escudo do robô é feito em Fritzing, em anexo está o arquivo Fritzing se você deseja modificar o projeto.

Também anexados estão os arquivos gerber para a placa de blindagem. Você pode enviar esses arquivos a um fabricante de placas de circuito impresso para que ele fabrique a blindagem.

Por exemplo, os seguintes fabricantes podem fazer 10 placas PCB por cerca de US $ 5 + postagem:

www.pcbway.com/

easyeda.com/order

Também está anexado o documento de fabricação do escudo.

Etapa 3: Power Pack

Você pode construir uma bateria 6xAA ou uma bateria de íon de lítio para o robô. As instruções para ambos estão anexadas.

A bateria AA é muito mais fácil de construir. No entanto, as baterias duram apenas cerca de 20/30 minutos antes de precisarem ser substituídas. Além disso, o servo não pode ser usado com a bateria AA, portanto, não há braço móvel.

A bateria de íons de lítio pode ser recarregada e dura aproximadamente 60 minutos ou mais entre as recargas (dependendo da capacidade da bateria usada). No entanto, a bateria de íon de lítio é mais difícil de construir e usa uma bateria de íon de lítio. As baterias de íon de lítio devem ser manuseadas com cuidado.

O pacote de bateria de íon de lítio inclui um circuito de proteção, que protege a bateria contra excesso e falta de carga e limita a corrente máxima a 4 amperes. Ele também usa um módulo de carregamento de íons de lítio.

Você poderia usar qualquer bateria de íon de lítio com uma saída de aproximadamente 7,2 volts, mas seria necessário criar um cabo com o plugue de blindagem do robô apropriado.

Deixe-me saber se você tem um bom pacote de energia alternativo. A razão pela qual eu criei este pacote de íon de lítio é que ele usa uma única célula de íon de lítio, o que significa que é relativamente pequeno e pode ser carregado a partir de qualquer carregador micro USB ou de qualquer porta USB, incluindo um computador. Eu vi que cerca de 7,2 volts usam 2 células e requerem um carregador especial, o que aumenta o custo e não é tão conveniente para carregar.

Se você optar por construir o pacote de bateria de íon de lítio (ou usar qualquer pacote de bateria de íon de lítio), você deve estar ciente dos problemas de segurança com tais baterias, por exemplo,

Etapa 4: exercícios e esboços do robô

Depois de obter todas as partes, conforme você constrói o robô, você pode fazer exercícios de programação ao longo do caminho, se quiser. Esses exercícios, juntamente com as explicações, estão disponíveis no Arduino Create - os links abaixo levam você aos exercícios do Arduino Create - você pode então abrir e salvar o exercício em seu login do Arduino Create.

Para fazer upload de esboços para o robô, certifique-se de que seu telefone não esteja conectado ao robô por Bluetooth - uma conexão Bluetooth impede que o upload ocorra. Embora geralmente não seja necessário, o pino para o módulo Bluetooth é 123456.

Os exercícios 3, 5 e 7 usam o aplicativo de smartphone "LOFI robot" (ou o aplicativo "joystick BLE" - embora esse aplicativo nem sempre funcione com dispositivos Apple).

Os exercícios 8 (o esboço completo do robô) usam o aplicativo de telefone inteligente “RemoteXY” para controlar o robô.

O esboço LOFI Blocks usa o aplicativo "LOFI Blocks". (observe que este aplicativo funciona melhor em dispositivos Apple).

Quando você carrega um exercício no Arduino Create, além do esboço do arduino, há várias outras guias que fornecem informações sobre o exercício.

Exercício 1: Noções básicas do Arduino - piscar os LEDs no escudo de controle do robô vermelho e verde. Você pode fazer este exercício após a Etapa (3) na construção.

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

Exercício 2: Gyro Sensor - familiarização com gryos e acelerômetros. Você pode fazer este exercício após a Etapa (4) na construção. Você precisa usar o “Monitor serial”, com a taxa de transmissão definida para 115200.

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

Exercício 3: Link Bluetooth - estabeleça um link Bluetooth, use um aplicativo de smartphone para ligar e desligar os LEDs na proteção de controle do robô. Você pode fazer este exercício após a Etapa (5) na construção.

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

Exercício 4: Sensor ultrassônico de distância (opcional) - familiarização com o sensor ultrassônico. Você pode fazer este exercício após a Etapa (5) na construção. Você precisa usar o “Monitor Serial”, com a taxa de transmissão configurada para 115200.

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

Exercício 5: Servo-mecanismo - familiarizando-se com o servomecanismo e movendo o braço, use um aplicativo de smartphone para controlar o ângulo do braço servo. Você pode fazer este exercício após a Etapa (8) na construção. Você precisa usar o “Monitor serial”, com a taxa de transmissão definida para 115200.

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

Exercício 6: Motores de acionamento - familiarizando-se com os motores, opere os motores de acionamento para frente e para trás. Necessita que a bateria esteja ligada. Você precisa usar o “Monitor Serial”, com a taxa de transmissão configurada para 115200.

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

Exercício 7: Carro Básico - construa um carro de três rodas simples (robô com engate na 3ª roda), usamos um aplicativo de smartphone para controlar o carro. Também usa o sensor ultrassônico para seguir sua mão. Você pode fazer isso no mesmo ponto da construção acima. Necessita que a bateria seja ligada e insira o acessório da 3ª roda.

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

Exercício 8: Robô de equilíbrio total - o código para o robô de três rodas / equilíbrio total. Use o aplicativo para smartphone “RemoteXY” para controlar o robô.

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

LOFI Blocks Sketch - para usar o aplicativo "LOFI Blocks", carregue este sketch no robô. Você pode então programar o robô usando o aplicativo "LOFI Blocks", que usa blocos de programação semelhantes ao SCRATCH.

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

Exercício 9: Robô de rastreamento de linha. É possível adicionar dois sensores de rastreamento de linha e usar o plugue ultrassônico para conectar os sensores de rastreamento de linha ao robô. Observe que os sensores são conectados aos pinos digitais D2 e D8.

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

Exercício 10: Controle de Bluetooth. Usando Bluetooth e um aplicativo de telefone (RemoteXY) para controlar os LEDs do robô e o servomecanismo. Neste exercício, os alunos aprendem sobre Bluetooth, como usar um aplicativo de telefone para controlar coisas do mundo real e aprender sobre LEDs e servomecanismos.

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

Etapa 5: Equilibrando a Matemática do Robô e a Estrutura do Programa

O arquivo anexado fornece uma visão geral da estrutura matemática e de software da parte de equilíbrio do robô.

A matemática por trás do robô de balanceamento é mais simples e mais interessante do que você pode imaginar.

Para os alunos de escolas mais avançadas, é possível vincular a matemática do robô de equilíbrio aos estudos de matemática e física que estão fazendo no ensino médio.

Em matemática, o robô pode ser usado para mostrar como a trigometria, a diferenciação e a integração são aplicadas no mundo real. O código mostra como a diferenciação e a integração são calculadas numericamente por computadores, e descobrimos que os alunos obtêm uma compreensão mais profunda desses conceitos.

Na física, os acelerômetros e giroscópios fornecem informações sobre as leis do movimento e uma compreensão prática de coisas como por que as medições do acelerômetro são barulhentas e como mitigar essas limitações do mundo real.

Essa compreensão pode levar a discussões adicionais, por exemplo, controle PID e uma compreensão intuitiva dos algoritmos de controle de feedback.

É possível incorporar a construção deste robô ao currículo escolar, ou em conjunto com um programa pós-escolar, desde o ensino fundamental até o ensino médio.

Etapa 6: acessório de câmera de streaming de vídeo

Criamos uma câmera de vídeo com base em framboesa PI que pode ser acoplada à extensão da roda de rodízio do robô. Ele usa Wi-Fi para transmitir o fluxo de vídeo para um navegador da web.

Ele usa uma fonte de alimentação separada para o robô e é um módulo autônomo.

O arquivo fornece os detalhes do make.

Como alternativa, outras câmeras de streaming de vídeo autônomas, como a Quelima SQ13, podem ser conectadas à extensão da roda do rodízio, por exemplo:

Etapa 7: usando motores N20 em vez de motores TT

É possível usar o motor N20 em vez do motor TT.

O robô funciona com mais suavidade e muito mais rápido com o motor N20.

Os motores N20 que usei são motores N20 de 3 V, 250 rpm, por ex.

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

Os motores N20 não são tão robustos e não duram tanto, talvez 5-10 horas de uso.

O motor N20 requer que você imprima em 3D os suportes do motor N20, e há uma inserção da roda para permitir que uma roda do motor TT se encaixe no eixo axial do motor N20.

Os suportes do motor N20 podem ser encontrados procurando por "balrobot" na galeria tinkerCAD.