روبوت موازنة / روبوت ذو 3 عجلات / روبوت STEM: 8 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:39

لقد قمنا ببناء روبوت مدمج مع توازن و 3 عجلات للاستخدام التعليمي في المدارس والبرامج التعليمية بعد المدرسة. يعتمد الروبوت على Arduino Uno ، وهو درع مخصص (يتم توفير جميع تفاصيل البناء) ، أو حزمة بطارية Li Ion (يتم توفير جميع تفاصيل البناء) أو حزمة بطارية 6xAA ، و MPU 6050 ، ووحدة بلوتوث BLE ، ووحدة فوق صوتية (اختياري)) ومؤازرة لتحريك الذراع. هناك أيضًا مواد تعليمية مكثفة متاحة وجاهزة للاستخدام في الفصول الدراسية.

الوثيقة المرفقة هي التعليمات المعطاة للأطفال لبناء الروبوت في سلسلة من الخطوات التي توفر التعلم التربوي في كل خطوة. هذه هي الوثيقة المقدمة للمدارس وبرامج ما بعد المدرسة.

هناك 7 تمارين يمكن إجراؤها قبل تحميل الرسم التخطيطي الكامل للروبوت ذي العجلات الثلاث. تركز كل تمرين على جانب معين من الروبوت ، على سبيل المثال مستشعر مقياس التسارع / الجيروسكوب ، يتفاعل مع تطبيق هاتف ذكي باستخدام البلوتوث ، ومستشعر الموجات فوق الصوتية ، والمؤازرة وما إلى ذلك. يتم دمج التمارين في البناء المادي للروبوت ، لذلك عندما يتم إنشاء ما يكفي من الروبوت للقيام بتمرين ، يمكن تحميل رسم التمرين والقيام به. هذا يساعد على تركيز متعة بناء الروبوت بالتعلم التربوي.

تقرر استخدام Arduino Uno لأنه شائع للغاية ويستخدم في العديد من المجموعات التعليمية. لقد استخدمنا أيضًا ، بخلاف الدرع ، وحدات قياسية متوفرة بسهولة. الهيكل مطبوع ثلاثي الأبعاد والتصميم متاح على TinkerCAD.

لقد وجدنا أيضًا أن هذا الروبوت يساعد في إلهام الأطفال وتوفير الثقة لهم في التفكير في بناء إبداعاتهم الخاصة وأنه ليس من الصعب القيام بذلك.

يتم التعليق على جميع الرسومات بشكل جيد ويمكن للطلاب الأكثر تقدمًا تعديل أو كتابة الرسومات التخطيطية الخاصة بهم. يمكن أن يشكل الروبوت منصة عامة للتعرف على Arduino والإلكترونيات.

يعمل الروبوت أيضًا مع تطبيق "LOFI block" (https://lofiblocks.com/en/) ، بحيث يمكن للأطفال كتابة التعليمات البرمجية الخاصة هناك في بيئة رسومية مشابهة لـ SCRATCH.

لاحظ أن الفيديو أعلاه يوضح نموذج العلامة 1 ، يستخدم الروبوت الآن تطبيق RemoteXY bluetooth (المتوفر لكل من أجهزة Andriod و Apple) ، ويقع MPU 6050 الآن على درع الروبوت (وليس في شريط التمرير في الجزء السفلي من الروبوت - على الرغم من أنه لا يزال بإمكانك تحديد موقعه هناك إذا كنت ترغب في ذلك) ولديه مستشعر فوق صوتي اختياري يمكن توصيله بالدرع.

شكر وتقدير:

(1) تعتمد زاوية الملعب والتحكم PID على برنامج من Brokking:

(2) تطبيق RemoteXY:

(3) تطبيق LOFI Blocks وتطبيق LOFI Robot:

(4) أسلحة على أساس jjrobots:

(5) يتم تخزين جميع الرسومات في Arduino Create:

(6) يتم تخزين التصميمات ثلاثية الأبعاد على TinkerCAD:

إخلاء المسؤولية: يتم توفير هذه المواد كما هي ، مع عدم وجود ضمان لصحة هذه المواد أو غير ذلك. يكون استخدام تطبيقات iPhone و Android التابعة لجهات خارجية المذكورة في هذا المستند على مسؤولية المستخدمين الخاصة. يمكن أن يستخدم الروبوت حزمة بطارية ليثيوم أيون ، ويكون استخدام البطارية وحزمة الطاقة على عاتق المستخدمين. لا يتحمل المؤلفون أي مسؤولية عن الخسائر التي تكبدها أي شخص أو منظمة باستخدام هذه المواد أو من بناء أو استخدام الروبوت.

الخطوة 1: قائمة الأجزاء

لصنع الروبوت من الصفر ، هناك العديد من الخطوات وسيستغرق الكثير من الوقت والعناية. ستحتاج إلى طابعة ثلاثية الأبعاد ، وتكون جيدًا في لحام وإنشاء الدوائر الإلكترونية.

الأجزاء المطلوبة لصنع الروبوت هي:

(1) طباعة ثلاثية الأبعاد للمطاردة وامتداد عجلة العجلات

(2) Arduino Uno

(3) بناء درع الروبوت

(4) وحدة MPU 6050 ، AT9 BLE Bluetooth ، وحدة الموجات فوق الصوتية الاختيارية (كل المكونات في الدرع)

(5) أجهزة SG90

(6) محركات وعجلات TT

(7) بناء حزمة الطاقة (إما بطارية 6xAA أو بطارية Li Ion)

يشرح الملف المرفق كيفية الحصول على جميع الأجزاء وبنائها باستثناء حزمة طاقة Li Ion ودرع الروبوت ، والتي تمت تغطيتها في الخطوات التالية.

الخطوة الثانية: درع الروبوت

تم تصميم PCB لدرع الروبوت في Fritzing ، والمرفق به ملف Fritzing إذا كنت ترغب في تعديل التصميم.

كما يتم إرفاق ملفات gerber للدرع PCB ، يمكنك إرسال هذه الملفات إلى مصنع PCB لتصنيع الدرع.

على سبيل المثال ، يمكن للمصنعين التاليين صنع 10 × لوحات PCB بحوالي 5 دولارات + رسوم بريدية:

www.pcbway.com/

easyeda.com/order

مرفق أيضًا مستند إنشاء الدرع.

الخطوة 3: حزمة الطاقة

يمكنك بناء حزمة بطارية 6xAA أو بطارية Li Ion للروبوت. التعليمات لكليهما مرفقة.

حزمة بطارية AA أسهل بكثير في البناء. ومع ذلك ، تدوم البطاريات حوالي 20/30 دقيقة فقط قبل أن تحتاج إلى استبدالها. كما لا يمكن استخدام المؤازرة مع حزمة بطارية AA لذلك لا يوجد ذراع متحرك.

يمكن إعادة شحن حزمة بطارية Li Ion وتستمر لمدة 60 دقيقة تقريبًا بين عمليات إعادة الشحن (حسب سعة البطارية المستخدمة). ومع ذلك ، فإن حزمة بطارية Li Ion أكثر صعوبة في البناء وتستخدم بطارية Li Ion ، ويجب التعامل مع بطاريات Li Ion بعناية.

تشتمل حزمة بطارية Li Ion على دائرة حماية تحمي البطارية من الشحن الزائد وتحت الشحن وتحد من الحد الأقصى للتيار إلى 4 أمبير. كما تستخدم وحدة شحن Li Ion.

يمكنك استخدام أي حزمة بطارية Li Ion ذات خرج يبلغ 7.2 فولت تقريبًا ، ولكنك ستحتاج إلى تكوين كبل بمقبس درع الروبوت المناسب.

اسمحوا لي أن أعرف إذا كان لديك حزمة طاقة بديلة جيدة. السبب في أنني صنعت حزمة Li Ion هذه هو أنها تستخدم خلية Li Ion واحدة مما يعني أنها صغيرة نسبيًا ويمكن شحنها من أي شاحن USB صغير أو من أي منفذ USB بما في ذلك الكمبيوتر. حزم طاقة Li Ion التي رأيتها تستخدم حوالي 7.2 فولت خليتين وتتطلب شاحنًا خاصًا ، مما يزيد من التكلفة وليس مناسبًا للشحن.

إذا اخترت إنشاء حزمة بطارية Li Ion (أو استخدام أي حزمة بطارية Li Ion) ، فيجب أن تكون على دراية بقضايا السلامة المتعلقة بهذه البطاريات ، على سبيل المثال

الخطوة 4: تمارين الروبوت والرسوم التخطيطية

بمجرد حصولك على جميع الأجزاء ، أثناء قيامك بإنشاء الروبوت ، يمكنك القيام بتمارين البرمجة على طول الطريق إذا كنت ترغب في ذلك. تتوفر هذه التمارين جنبًا إلى جنب مع الشروحات على Arduino Create - تنقلك الروابط أدناه إلى تمارين إنشاء Arduino - يمكنك بعد ذلك فتح التمرين وحفظه في تسجيل الدخول إلى Arduino.

لتحميل الرسومات على الروبوت ، تأكد من أن هاتفك غير متصل بالروبوت عن طريق البلوتوث - يمنع اتصال Bluetooth حدوث التحميل. على الرغم من عدم الحاجة إليه بشكل عام ، فإن دبوس وحدة Bluetooth هو 123456.

تستخدم التمارين 3 و 5 و 7 تطبيق الهاتف الذكي "LOFI robot" (أو تطبيق "BLE joystick" - على الرغم من أن هذا التطبيق لا يعمل دائمًا مع أجهزة Apple).

تستخدم التمارين 8 (رسم الروبوت الكامل) تطبيق الهاتف الذكي "RemoteXY" للتحكم في الروبوت.

يستخدم رسم LOFI Blocks تطبيق "LOFI Blocks". (لاحظ أن هذا التطبيق يعمل بشكل أفضل على أجهزة Apple).

عند تحميل تمرين في Arduino Create ، بالإضافة إلى مخطط اردوينو ، هناك عدد من علامات التبويب الأخرى التي توفر معلومات حول التمرين.

التمرين 1: أساسيات Arduino - اربط مؤشرات LED الموجودة على درع التحكم في الروبوت باللونين الأحمر والأخضر. يمكنك القيام بهذا التمرين بعد الخطوة (3) في البناء.

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

التمرين 2: مستشعر الجيروسكوب - التعرف على الجيروسكوب ومقاييس التسارع. يمكنك القيام بهذا التمرين بعد الخطوة (4) في البناء. تحتاج إلى استخدام "Serial Monitor" ، مع ضبط سرعة البث بالباود على 115200.

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

التمرين 3: Bluetooth Link - قم بإنشاء ارتباط Bluetooth ، واستخدم تطبيق هاتف ذكي لتشغيل وإيقاف تشغيل مصابيح LED الموجودة على درع التحكم في الروبوت. يمكنك القيام بهذا التمرين بعد الخطوة (5) في البناء.

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

التمرين 4: مستشعر المسافة بالموجات فوق الصوتية (اختياري) - التعرف على المستشعر فوق الصوتي. يمكنك القيام بهذا التمرين بعد الخطوة (5) في البناء. تحتاج إلى استخدام "Serial Monitor" ، مع ضبط سرعة البث بالباود على 115200.

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

التمرين 5: آلية المؤازرة - التعرف على آلية المؤازرة وتحريك الذراع ، استخدم تطبيق الهاتف الذكي للتحكم في زاوية ذراع المؤازرة. يمكنك القيام بهذا التمرين بعد الخطوة (8) في البناء. تحتاج إلى استخدام "Serial Monitor" ، مع ضبط سرعة البث بالباود على 115200.

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

التمرين 6: قيادة المحركات - التعرف على المحركات ، قم بتشغيل محركات الدفع للأمام وللخلف. يحتاج إلى بطارية ليتم تشغيلها. تحتاج إلى استخدام "Serial Monitor" ، مع ضبط سرعة البث بالباود على 115200.

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

التمرين 7: السيارة الأساسية - قم ببناء سيارة بسيطة ذات ثلاث عجلات (روبوت مع ملحق عجلة ثالثة) ، نستخدم تطبيق هاتف ذكي للتحكم في السيارة. يستخدم أيضًا جهاز استشعار الموجات فوق الصوتية لمتابعة يدك. يمكنك القيام بذلك في نفس النقطة في البناء كما هو مذكور أعلاه. يحتاج إلى تشغيل البطارية وإدخال مرفق العجلة الثالثة.

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

التمرين 8: روبوت التوازن الكامل - رمز الموازنة الكاملة / الروبوت ثلاثي العجلات. استخدم تطبيق الهاتف الذكي RemoteXY للتحكم في الروبوت.

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

LOFI Blocks Sketch - لاستخدام تطبيق "LOFI Blocks" ، قم بتحميل هذا الرسم التخطيطي في الروبوت. يمكنك بعد ذلك برمجة الروبوت باستخدام تطبيق "LOFI Blocks" الذي يستخدم كتل برمجة مشابهة لـ SCRATCH.

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

التمرين 9: روبوت تعقب الخط. من الممكن إضافة مستشعرات تتبع خطين ، واستخدام قابس الموجات فوق الصوتية لتوصيل مستشعرات تتبع الخط بالروبوت. لاحظ أن المستشعرات متصلة بالدبابيس الرقمية D2 و D8.

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

التمرين 10: التحكم في البلوتوث. استخدام تطبيق Bluetooth والهاتف (RemoteXY) للتحكم في مصابيح LED الخاصة بالروبوت وآلية المؤازرة. يتعرف الطلاب في هذا التمرين على تقنية Bluetooth وكيفية استخدام تطبيق الهاتف للتحكم في أشياء العالم الحقيقي والتعرف على مؤشرات LED وآليات المؤازرة.

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

الخطوة 5: موازنة الرياضيات الروبوتية وهيكل البرنامج

يقدم الملف المرفق نظرة عامة على الرياضيات وهيكل البرامج لجزء التوازن من الروبوت.

تعتبر العمليات الحسابية وراء روبوت التوازن أبسط وأكثر إثارة مما قد تعتقد.

بالنسبة لطلاب المدارس الأكثر تقدمًا ، من الممكن ربط حسابات الروبوت المتوازنة بدراسات الرياضيات والفيزياء التي يقومون بها في المدرسة الثانوية.

في الرياضيات ، يمكن استخدام الروبوت لإظهار كيفية تطبيق حساب المثلثات والتمايز والتكامل في العالم الحقيقي. يوضح الكود كيف يتم حساب التفاضل والتكامل عدديًا بواسطة أجهزة الكمبيوتر ، ووجدنا أن الطلاب يحصلون على فهم أعمق لهذه المفاهيم.

في الفيزياء ، توفر مقاييس التسارع والجيروسكوبات نظرة ثاقبة لقوانين الحركة ، وفهمًا عمليًا لأشياء مثل سبب ضجيج قياسات مقياس التسارع وكيفية التخفيف من قيود العالم الحقيقي.

يمكن أن يؤدي هذا الفهم إلى مزيد من المناقشات على سبيل المثال ، التحكم في PID وفهم حدسي لخصائص التحكم في التغذية الراجعة.

من الممكن دمج بناء هذا الروبوت في المناهج المدرسية ، أو بالاشتراك مع برنامج ما بعد المدرسة ، من طلاب المرحلة الابتدائية وحتى طلاب المرحلة الثانوية.

الخطوة 6: ملحق كاميرا دفق الفيديو

لقد أنشأنا كاميرا فيديو تعتمد على raspberry PI والتي يمكن توصيلها بامتداد عجلة الكاستر بالروبوت. يستخدم WiFi لنقل دفق الفيديو إلى متصفح الويب.

يستخدم مصدر طاقة منفصل للإنسان الآلي وهو وحدة قائمة بذاتها.

يوفر الملف تفاصيل الصنع.

كبديل ، يمكن توصيل كاميرات دفق الفيديو المستقلة الأخرى مثل Quelima SQ13 بامتداد عجلة العجلات ، على سبيل المثال:

الخطوة 7: استخدام N20 Motors بدلاً من TT Motors

من الممكن استخدام محرك N20 بدلاً من محرك TT.

يعمل الروبوت بشكل أكثر سلاسة ويعمل بشكل أسرع مع محرك N20.

المحركات N20 التي استخدمتها هي محركات 3V ، 250rpm N20 ، على سبيل المثال

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

محركات N20 ليست قوية ولا تدوم طويلاً ، ربما من 5 إلى 10 ساعات من الاستخدام.

يتطلب منك محرك N20 طباعة ثلاثية الأبعاد لحوامل المحرك N20 ، وهناك ملحق عجلة لتمكين عجلة محرك TT لتلائم العمود المحوري للمحرك N20.

يمكن العثور على حوامل المحرك N20 من خلال البحث عن "balrobot" في معرض tinkerCAD.