หุ่นยนต์ทรงตัว / หุ่นยนต์ 3 ล้อ / หุ่นยนต์ STEM: 8 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:05

เราได้สร้างหุ่นยนต์ทรงตัวและหุ่นยนต์ 3 ล้อสำหรับใช้ในการศึกษาในโรงเรียนและโปรแกรมการศึกษาหลังเลิกเรียน หุ่นยนต์ใช้ Arduino Uno, โล่แบบกำหนดเอง (รายละเอียดการก่อสร้างทั้งหมดที่มีให้), ชุดแบตเตอรี่ Li Ion (รายละเอียดการก่อสร้างทั้งหมดที่มีให้) หรือชุดแบตเตอรี่ 6xAA, MPU 6050, โมดูลบลูทู ธ BLE, โมดูลอัลตราโซนิก (อุปกรณ์เสริม) และเซอร์โวเพื่อขยับแขน นอกจากนี้ยังมีสื่อการเรียนรู้มากมายที่พร้อมใช้งานในห้องเรียน

เอกสารแนบเป็นคำแนะนำที่มอบให้กับเด็ก ๆ ในการสร้างหุ่นยนต์ในชุดของขั้นตอนที่ให้การเรียนรู้ทางการศึกษาในแต่ละขั้นตอน นี่คือเอกสารที่มอบให้กับโรงเรียนและโปรแกรมหลังเลิกเรียน

มี 7 แบบฝึกหัดที่สามารถทำได้ก่อนที่จะอัพโหลดภาพร่างเต็มบาลานซ์ / หุ่นยนต์ 3 ล้อ แบบฝึกหัดแต่ละข้อจะเน้นไปที่ลักษณะเฉพาะของหุ่นยนต์ เช่น เซ็นเซอร์วัดความเร่ง/ไจโรสโคป โต้ตอบกับแอปสมาร์ทโฟนโดยใช้บลูทูธ เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก เซอร์โว ฯลฯ แบบฝึกหัดจะรวมเข้ากับโครงสร้างทางกายภาพของหุ่นยนต์ ดังนั้นเมื่อสร้างหุ่นยนต์เพียงพอสำหรับออกกำลังกาย สามารถอัพโหลดและทำแบบร่างสำหรับแบบฝึกหัดได้ ซึ่งจะช่วยเน้นความสนุกในการสร้างหุ่นยนต์ด้วยการเรียนรู้ทางการศึกษา

ตัดสินใจใช้ Arduino Uno เนื่องจากเป็นเรื่องธรรมดามากและใช้ในสภาพแวดล้อมทางการศึกษาจำนวนมาก เรายังใช้โมดูลมาตรฐานที่มีจำหน่ายทั่วไป นอกเหนือจากโล่ป้องกัน แชสซีถูกพิมพ์ 3 มิติและการออกแบบพร้อมใช้งานบน TinkerCAD

นอกจากนี้เรายังพบว่าหุ่นยนต์ตัวนี้ช่วยสร้างแรงบันดาลใจและให้ความมั่นใจแก่เด็ก ๆ ในการคิดเกี่ยวกับการสร้างผลงานของตนเองและไม่ยากที่จะทำ

ภาพสเก็ตช์ทั้งหมดได้รับการแสดงความคิดเห็นอย่างดี และนักเรียนขั้นสูงสามารถแก้ไขหรือเขียนภาพร่างของตนเองได้ หุ่นยนต์สามารถสร้างแพลตฟอร์มทั่วไปสำหรับการเรียนรู้เกี่ยวกับ Arduino และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

หุ่นยนต์ยังทำงานร่วมกับแอป "บล็อก LOFI" (https://lofiblocks.com/en/) เพื่อให้เด็ก ๆ สามารถเขียนโค้ดของตัวเองได้ในสภาพแวดล้อมแบบกราฟิกที่คล้ายกับ SCRATCH

หมายเหตุ วิดีโอด้านบนแสดงโมเดล mark 1 ตอนนี้หุ่นยนต์ใช้แอป Bluetooth RemoteXY (ซึ่งมีให้สำหรับทั้งอุปกรณ์ Andriod และ Apple) ตอนนี้ MPU 6050 อยู่บนโล่ของหุ่นยนต์ (ไม่อยู่ในแถบเลื่อนที่ด้านล่างของ หุ่นยนต์ - แม้ว่าคุณยังสามารถค้นหามันได้หากต้องการ) และมีเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกเสริมซึ่งสามารถเสียบเข้ากับโล่ได้

รับทราบ:

(1) มุมพิทช์และการควบคุม PID ขึ้นอยู่กับซอฟต์แวร์โดย Brokking:

(2) แอป RemoteXY:

(3) แอพ LOFI Blocks และ LOFI Robot:

(4) อาวุธที่ใช้ jjrobots:

(5) ภาพสเก็ตช์ทั้งหมดถูกเก็บไว้ใน Arduino Create:

(6) การออกแบบ 3D ถูกเก็บไว้ใน TinkerCAD:

ข้อจำกัดความรับผิดชอบ: เนื้อหานี้มีให้ตามที่เป็นอยู่โดยไม่มีการรับประกันความถูกต้องหรือเนื้อหานี้ การใช้แอพ iPhone และ Android ของบุคคลที่สามที่มีชื่อในเอกสารนี้เป็นความเสี่ยงของผู้ใช้เอง หุ่นยนต์สามารถใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้ การใช้แบตเตอรี่และชุดไฟถือเป็นความเสี่ยงของผู้ใช้เอง ผู้เขียนไม่รับผิดชอบต่อความสูญเสียที่บุคคลหรือองค์กรใด ๆ ประสบโดยใช้วัสดุนี้หรือจากการสร้างหรือการใช้หุ่นยนต์

ขั้นตอนที่ 1: รายการชิ้นส่วน

การสร้างหุ่นยนต์ตั้งแต่เริ่มต้นนั้นมีหลายขั้นตอนและจะใช้เวลาและการดูแลค่อนข้างมาก คุณจะต้องมีเครื่องพิมพ์ 3 มิติและสามารถบัดกรีและสร้างวงจรไฟฟ้าได้ดี

ชิ้นส่วนที่จำเป็นในการสร้างหุ่นยนต์คือ:

(1) 3D พิมพ์ Chasis และล้อเลื่อนขยาย

(2) Arduino Uno

(3) สร้างเกราะป้องกันหุ่นยนต์

(4) MPU 6050, AT9 BLE Bluetooth module, โมดูลอัลตราโซนิกเสริม (เสียบเข้ากับโล่ทั้งหมด)

(5) เซอร์โว SG90

(6) มอเตอร์และล้อ TT

(7) สร้างชุดไฟ (ชุดแบตเตอรี่ 6xAA หรือชุดแบตเตอรี่ Li Ion)

ไฟล์แนบจะอธิบายวิธีการรับและสร้างชิ้นส่วนทั้งหมด ยกเว้นชุดจ่ายไฟ Li Ion และเกราะป้องกันหุ่นยนต์ ซึ่งจะกล่าวถึงในขั้นตอนต่อไป

ขั้นตอนที่ 2: โล่หุ่นยนต์

การออกแบบ PCB สำหรับโล่หุ่นยนต์เสร็จสิ้นใน Fritzing ซึ่งแนบมากับไฟล์ Fritzing หากคุณต้องการแก้ไขการออกแบบ

นอกจากนี้ยังแนบไฟล์ gerber สำหรับ shield PCB อีกด้วย คุณสามารถส่งไฟล์เหล่านี้ไปยังผู้ผลิต PCB เพื่อให้พวกเขาผลิต Shield

ตัวอย่างเช่น ผู้ผลิตต่อไปนี้สามารถสร้างบอร์ด PCB 10 แผ่นได้ในราคาประมาณ $5 + ค่าส่งไปรษณีย์:

www.pcbway.com/

easyeda.com/order

แนบเอกสารทำโล่ด้วย

ขั้นตอนที่ 3: พาวเวอร์แพ็ค

คุณสามารถสร้างชุดแบตเตอรี่ 6xAA หรือชุดแบตเตอรี่ Li Ion สำหรับหุ่นยนต์ได้ คำแนะนำสำหรับทั้งสองจะแนบมาด้วย

ชุดแบตเตอรี่ AA นั้นสร้างได้ง่ายกว่ามาก อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานประมาณ 20/30 นาทีก่อนที่จะต้องเปลี่ยน นอกจากนี้ ยังไม่สามารถใช้เซอร์โวกับก้อนแบตเตอรี่ AA ดังนั้นจึงไม่มีแขนเคลื่อนที่

ก้อนแบตเตอรี่ Li Ion สามารถชาร์จใหม่ได้และใช้งานได้ประมาณ 60 นาทีบวกนาทีระหว่างการชาร์จซ้ำ (ขึ้นอยู่กับความจุของแบตเตอรี่ที่ใช้) อย่างไรก็ตาม ก้อนแบตเตอรี่ Li Ion นั้นสร้างได้ยากกว่าและใช้แบตเตอรี่ Li Ion จำเป็นต้องจัดการแบตเตอรี่ Li Ion ด้วยความระมัดระวัง

ชุดแบตเตอรี่ Li Ion มีวงจรป้องกัน ซึ่งปกป้องแบตเตอรี่จากการชาร์จไฟเกินและต่ำกว่า และจำกัดกระแสไฟสูงสุดไว้ที่ 4 แอมป์ นอกจากนี้ยังใช้โมดูลการชาร์จ Li Ion

คุณสามารถใช้ก้อนแบตเตอรี่ Li Ion ที่มีเอาต์พุตประมาณ 7.2 โวลต์ แต่คุณจะต้องประกอบสายเคเบิลด้วยปลั๊กตัวป้องกันหุ่นยนต์ที่เหมาะสม

แจ้งให้เราทราบหากคุณมีชุดจ่ายไฟสำรองที่ดี เหตุผลที่ฉันสร้างแพ็ค Li Ion นี้ขึ้นมาก็คือมันใช้เซลล์ Li Ion เพียงเซลล์เดียว ซึ่งหมายความว่ามันค่อนข้างเล็กและสามารถชาร์จจากที่ชาร์จ micro USB หรือจากพอร์ต USB รวมถึงคอมพิวเตอร์ ชุดจ่ายไฟ Li Ion ที่ฉันเคยเห็นมาประมาณ 7.2 โวลต์ใช้ 2 เซลล์และต้องใช้ที่ชาร์จแบบพิเศษ ซึ่งจะเพิ่มค่าใช้จ่ายและไม่สะดวกในการชาร์จ

หากคุณเลือกสร้างชุดแบตเตอรี่ Li Ion (หรือใช้ชุดแบตเตอรี่ Li Ion ใดๆ) คุณควรทราบถึงปัญหาด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ดังกล่าว

ขั้นตอนที่ 4: แบบฝึกหัดและสเก็ตช์หุ่นยนต์

เมื่อคุณได้ชิ้นส่วนทั้งหมดแล้ว ในขณะที่คุณสร้างหุ่นยนต์ คุณสามารถทำแบบฝึกหัดการเขียนโปรแกรมไปพร้อมกันได้หากต้องการ แบบฝึกหัดเหล่านี้พร้อมคำอธิบายมีอยู่ใน Arduino Create – ลิงก์ด้านล่างจะนำคุณไปยังแบบฝึกหัด Arduino Create – จากนั้นคุณสามารถเปิดและบันทึกแบบฝึกหัดในการเข้าสู่ระบบ Arduino Create ของคุณ

ในการอัปโหลดภาพสเก็ตช์ไปยังหุ่นยนต์ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าโทรศัพท์ของคุณไม่ได้เชื่อมต่อกับหุ่นยนต์ด้วย Bluetooth - การเชื่อมต่อ Bluetooth จะป้องกันไม่ให้เกิดการอัปโหลด แม้ว่าโดยทั่วไปจะไม่จำเป็น แต่พินสำหรับโมดูลบลูทูธคือ 123456

แบบฝึกหัดที่ 3, 5 และ 7 ใช้แอปสมาร์ทโฟน "LOFI robot" (หรือแอป "BLE joystick" - แม้ว่าแอปนี้จะไม่ทำงานกับอุปกรณ์ Apple เสมอไป)

แบบฝึกหัดที่ 8 (ภาพร่างหุ่นยนต์แบบเต็ม) ใช้แอพสมาร์ทโฟน “RemoteXY” เพื่อควบคุมหุ่นยนต์

ร่าง LOFI Blocks ใช้แอพ "LOFI Blocks" (โปรดทราบว่าแอปนี้ทำงานได้ดีที่สุดบนอุปกรณ์ Apple)

เมื่อคุณโหลดแบบฝึกหัดลงใน Arduino Create นอกเหนือจากสเก็ตช์ Arduino แล้ว ยังมีแท็บอื่นๆ อีกจำนวนมากที่ให้ข้อมูลเกี่ยวกับแบบฝึกหัดนี้

แบบฝึกหัดที่ 1: Arduino Basics – กะพริบไฟ LED บนโล่ควบคุมหุ่นยนต์สีแดงและสีเขียว คุณสามารถทำแบบฝึกหัดนี้ได้หลังจากขั้นตอนที่ (3) ในการก่อสร้าง

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

แบบฝึกหัดที่ 2: Gyro Sensor – ทำความคุ้นเคยกับ gryos และมาตรความเร่ง คุณสามารถทำแบบฝึกหัดนี้ได้หลังจากขั้นตอนที่ (4) ในการก่อสร้าง คุณต้องใช้ "Serial Monitor" โดยตั้งค่าอัตราบอดเป็น 115200

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

แบบฝึกหัดที่ 3: Bluetooth Link – สร้างลิงค์ Bluetooth ใช้แอพสมาร์ทโฟนเพื่อเปิดและปิดไฟ LED บนโล่ควบคุมหุ่นยนต์ คุณสามารถทำแบบฝึกหัดนี้ได้หลังจากขั้นตอนที่ (5) ในการก่อสร้าง

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

แบบฝึกหัดที่ 4: เซ็นเซอร์วัดระยะอัลตราโซนิก (อุปกรณ์เสริม) – ทำความคุ้นเคยกับเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก คุณสามารถทำแบบฝึกหัดนี้ได้หลังจากขั้นตอนที่ (5) ในการก่อสร้าง คุณต้องใช้ "Serial Monitor" โดยตั้งค่าอัตราบอดเป็น 115200

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

แบบฝึกหัดที่ 5: กลไกเซอร์โว - ทำความคุ้นเคยกับกลไกเซอร์โวและขยับแขน ใช้แอปสมาร์ทโฟนเพื่อควบคุมมุมของแขนเซอร์โว คุณสามารถทำแบบฝึกหัดนี้ได้หลังจากขั้นตอนที่ (8) ในการก่อสร้าง คุณต้องใช้ "Serial Monitor" โดยตั้งค่าอัตราบอดเป็น 115200

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

แบบฝึกหัดที่ 6: ขับเคลื่อนมอเตอร์ – ทำความคุ้นเคยกับมอเตอร์ ขับมอเตอร์ขับเคลื่อนไปข้างหน้าและข้างหลัง จำเป็นต้องเปิดชุดแบตเตอรี่ คุณต้องใช้ "Serial Monitor" โดยตั้งค่าอัตราบอดเป็น 115200

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

แบบฝึกหัดที่ 7: Basic Car – สร้างรถสามล้ออย่างง่าย (หุ่นยนต์ที่มีล้อที่ 3) เราใช้แอพสมาร์ทโฟนเพื่อควบคุมรถ ยังใช้เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกเพื่อติดตามมือของคุณ คุณสามารถทำสิ่งนี้ได้ที่จุดเดียวกันในการก่อสร้างดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ต้องเปิดแบตเตอรี่และใส่ชุดประกอบล้อที่ 3

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

แบบฝึกหัดที่ 8: หุ่นยนต์ฟูลบาลานซ์ – รหัสสำหรับฟูลบาลานซ์ / หุ่นยนต์สามล้อ ใช้แอพสมาร์ทโฟน “RemoteXY” เพื่อควบคุมหุ่นยนต์

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

LOFI Blocks Sketch – เพื่อใช้แอพ "LOFI Blocks" อัปโหลดภาพร่างนี้ไปยังหุ่นยนต์ จากนั้นคุณสามารถตั้งโปรแกรมหุ่นยนต์โดยใช้แอพ "LOFI Blocks" ซึ่งใช้บล็อกการเขียนโปรแกรมที่คล้ายกับ SCRATCH

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

แบบฝึกหัดที่ 9: หุ่นยนต์ติดตามเส้น เป็นไปได้ที่จะเพิ่มเซ็นเซอร์การติดตามเส้นสองเส้น และใช้ปลั๊กอัลตราโซนิกเพื่อเชื่อมต่อเซ็นเซอร์การติดตามสายกับหุ่นยนต์ หมายเหตุ เซ็นเซอร์เชื่อมต่อกับพินดิจิตอล D2 และ D8

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

แบบฝึกหัดที่ 10: การควบคุมบลูทูธ การใช้บลูทูธและแอปโทรศัพท์ (RemoteXY) เพื่อควบคุม LED ของหุ่นยนต์และกลไกเซอร์โว ในแบบฝึกหัดนี้ นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับบลูทูธ วิธีใช้แอปโทรศัพท์เพื่อควบคุมสิ่งต่างๆ ในโลกจริง และเรียนรู้เกี่ยวกับ LED และกลไกเซอร์โว

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

ขั้นตอนที่ 5: ปรับสมดุลคณิตศาสตร์หุ่นยนต์และโครงสร้างโปรแกรม

ไฟล์แนบจะให้ภาพรวมของโครงสร้างทางคณิตศาสตร์และซอฟต์แวร์ของส่วนที่สมดุลของหุ่นยนต์

คณิตศาสตร์เบื้องหลังหุ่นยนต์ทรงตัวนั้นเรียบง่ายและน่าสนใจมากกว่าที่คุณคิด

สำหรับนักเรียนชั้นมัธยมศึกษาตอนปลาย เป็นไปได้ที่จะเชื่อมโยงคณิตศาสตร์หุ่นยนต์ที่สมดุลกับการศึกษาคณิตศาสตร์และฟิสิกส์ที่พวกเขาทำในโรงเรียนมัธยมศึกษาตอนปลาย

ในวิชาคณิตศาสตร์ หุ่นยนต์สามารถใช้เพื่อแสดงให้เห็นว่าตรีโกณมิติ ความแตกต่าง และการรวมเข้าด้วยกันนั้นถูกนำไปใช้ในโลกแห่งความเป็นจริงได้อย่างไร โค้ดนี้แสดงให้เห็นว่าคอมพิวเตอร์คำนวณความแตกต่างและการรวมเข้าด้วยกันอย่างไร และเราพบว่านักเรียนเข้าใจแนวคิดเหล่านี้อย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น

ในทางฟิสิกส์ มาตรความเร่งและไจโรสโคปจะให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับกฎการเคลื่อนที่ และความเข้าใจเชิงปฏิบัติในสิ่งต่างๆ เช่น เหตุใดการตรวจวัดความเร่งจึงส่งเสียงดัง และวิธีลดข้อจำกัดในโลกแห่งความเป็นจริงดังกล่าว

ความเข้าใจนี้สามารถนำไปสู่การอภิปรายเพิ่มเติมได้ เช่น การควบคุม PID และความเข้าใจอย่างสังหรณ์ใจเกี่ยวกับอัลกอริธึมการควบคุมผลป้อนกลับ

เป็นไปได้ที่จะรวมการสร้างหุ่นยนต์ตัวนี้เข้ากับหลักสูตรของโรงเรียน หรือร่วมกับโปรแกรมหลังเลิกเรียน ตั้งแต่ระดับประถมศึกษาจนถึงระดับมัธยมศึกษาตอนปลาย

ขั้นตอนที่ 6: อุปกรณ์เสริมกล้องสตรีมวิดีโอ

เราได้สร้างกล้องวิดีโอที่ใช้ Raspberry PI ซึ่งสามารถต่อเข้ากับส่วนต่อขยายของล้อเลื่อนของหุ่นยนต์ได้ คือใช้ WiFi เพื่อส่งสตรีมวิดีโอสตรีมไปยังเว็บเบราว์เซอร์

ใช้แหล่งจ่ายไฟแยกต่างหากสำหรับหุ่นยนต์และเป็นโมดูลแบบสแตนด์อโลน

ไฟล์ให้รายละเอียดการทำ

อีกทางเลือกหนึ่งคือ กล้องวิดีโอสตรีมมิ่งแบบสแตนด์อโลนอื่นๆ เช่น Quelima SQ13 สามารถต่อเข้ากับส่วนขยายล้อเลื่อนได้ เช่น

ขั้นตอนที่ 7: การใช้มอเตอร์ N20 แทน TT Motors

สามารถใช้มอเตอร์ N20 แทนมอเตอร์ TT ได้

หุ่นยนต์ทำงานได้อย่างราบรื่นและเร็วกว่ามากด้วยมอเตอร์ N20

มอเตอร์ N20 ที่ฉันใช้คือมอเตอร์ 3V, 250rpm N20 เช่น

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

มอเตอร์ N20 ไม่แข็งแรงและใช้งานได้ไม่นาน อาจใช้งานได้ 5-10 ชั่วโมง

มอเตอร์ N20 ต้องการให้คุณพิมพ์ 3D พิมพ์ตัวยึดมอเตอร์ N20 และมีการใส่ล้อในการเปิดใช้งานล้อมอเตอร์ TT เพื่อให้พอดีกับเพลาแกนของมอเตอร์ N20

สามารถติดตั้งมอเตอร์ N20 ได้โดยค้นหา "balrobot" ในแกลเลอรี tinkerCAD

ขั้นตอนที่ 8: