Robotické Rameno ovládané systémem Arduino

Domov mládeže a školní jídelna Pardubice
V rámci projektu si žáci na 3D tiskárně vytisknou a sestaví robotické rameno, které bude sloužit k výuce zapojování elektroniky a seznámení se s možnostmi jeho ovládání s využitím systému Arduino.
Hard
Medium-term
15+ yrs
Verified by Prusa Team
Suitable printers: Prusa MK3/S/S+
3
194
1
1715
updated December 30, 2021

Summary

PDF
V rámci projektu si žáci na 3D tiskárně vytisknou a sestaví robotické rameno, které bude sloužit k výuce zapojování elektroniky a seznámení se s možnostmi jeho ovládání s využitím systému Arduino.

The focus of the target group

Cílovou skupinou tohoto projektu jsou především žáci učebních oborů a středních škol se zaměřením na elektrotechniku. Projekt lze realizovat v rámci volnočasové aktivity (kroužky zaměřené na robotiku, IT, elektrotechniku) nebo jako součást praktické výuky na SŠ.  My jsme projekt realizovali s žáky 1 a 2 ročníku Střední školy elektrotechnické a to spíše zábavnou formou v rámci volnočasové aktivity. Obtížnost projektu lze však variovat v závislosti na rozsahu prováděných úkonů, jako například vlastní návrh robotického ramene a způsob jeho ovládání. Je tak možné výukovou složku ztížit a rozšířit (kreslení vlastního modelu robotického ramene v prostředí odpovídajícího software) a tím odpovídajícím způsobem posunout náročnost výuky i pro žáky vyšších ročníku SŠ apod.

Necessary knowledge and skills

  • Zvládnutí základních operací s 3D tiskárnou a v uživatelské míře ovládání software PrusaSlicer, pro přípravu jednotlivých části (STL souborů) pro zdárný tisk.
  • Odpovídající manuální zručnost a orientace v montážním návodu.
  • Obecné znalosti při zapojování elektrotechnických obvodů a čtení schémat.
  • Znalost základních operací v prostředí software Arduino IDE.

Project objectives

  • Žáci si osvojí či rozšíří dovednosti v prostředí programu PrusaSlicer zaměřené zejména na vhodnou orientaci a usazení tisknutelných částí na tiskové podložce a generování odpovídajících podpěr.
  • Při vlastní montáži robotického ramene se žáci seznámí se základy konstrukce a mechanických principů využívaných v oblasti robotiky.
  • Žáci si osvojí a procvičí zapojení jednotlivých elektronických komponent (servomotorů, řadiče, ovladačů, potenciometrů, napájení atd.), která budou sloužit k pohonu a ovládání robotického ramene.
  • Sestrojené rameno poskytne žákům možnost vyzkoušet jeho ovládání a funkci za pomoci programování kódu v prostředí Open-source software Arduino (IDE) a ve zmenšené podobě jim tento výrobek umožní pochopit, jak fungují podobná robotická zařízení v průmyslové výrobě.

Required equipment

Běžné vybavení elektrotechnické/IT dílny. Základní montážní nářadí. Soupis materiálu a další info je součástí ZIP přílohy dodané spolu s projektem.

 

V ZIP příloze naleznete soupisy materiálů, které je nejprve nutné objednat! Jsou zde uvedeny i přímé linky do obchodu, kde jsme objednávali my. Viz Word přílohy: Soupis elektronického materiálu pro robotické rameno a Spojovací a montážní materiál pro robotické rameno

V dalších krocích již budete potřebovat další níže uvedené soubory ze seznamu příloh seřazené posloupně za sebou. Od této chvíle již budou pracovat především žáci za podpory a vedení odpovědného pedagoga.

Seznam příloh:

Soupis elektronického materiálu pro robotické rameno

Spojovací a montážní materiál pro robotické rameno

Stl a Gcode pro tisk jednotlivých částí RR

Návod na sestavení RR (slide návod PowerPoint)

Elektronické zapojení RR (slide návod PowerPoint)

Arduino IDE a knihovna pro řadič

Kód pro ovládání robotického ramene se 4 servy pro ARDUINO IDE

Pár fotografií ze stavby a video z prvního testu RR

3D modelingArduinoWorkroom

Project time schedule

  • Příprava na projekt zahrnující prostudování materiálů, potřebných ke stavbě a objednání potřebných komponent 1-2 h.
  • Příprava souborů pro tisk v PrusaSliceru 1h.
  • Tisk všech dílů robotického ramene při použití 0,2mm výšky vrstvy a 15% infillu zabere celkem cca 36 h.
  • Kompletace/mechanická montáž ramena 1-2 h.
  • Elektronické zapojení kompletního ovládacího obvodu 1 h.
  • Instalace potřebného ovládacího software, programování s výkladem a testy 3 h.
  • V přílohách jsou k dispozici veškeré stl soubory, g-cody, plánek montáže, plánek el. zapojení, ovládací software a soupis potřebného materiálu k nákupu. 

Workflow

Než začnete práci na projektu, doporučuji se seznámit důkladně s obsahem příloh a především dle seznamů materiálu včas objednat veškeré potřebné součástky a materiál. Je možné, že některé z uvedených věcí již máte a tak by bylo zbytečné objednávat je znovu. Připravte si také fotografii celého RR (použijte například z přílohy) což žákům následně ulehčí s orientací v tisku a použití jednotlivých konstrukčních dílů.

  1. Na první schůzce si se žáky představte projekt a obecně pohovořte o využití robotiky v dnešní době a k čemu jsou vlastně roboti užiteční. Myslím, že je to v dnešní velmi technologické době opravdu zajímavé téma a žáky tato sféra obecně dost zajímá.
  2. Další schůzka už bude obsahovat praktickou část a dostanete se tak k zpracování .gcode souborů a prvním tiskům jednotlivých částí RR. Zde si žáci také mohou procvičit práci v PrusaSliceru za použití .stl souborů. Zaměřte se na jednotlivé tištěné díly, jejich orientaci na podložce a případnou potřebu podpěr či límců.
  3. V rámci vyučovacích jednotek by byl tisk všech dílů časově dost náročný a tak bude potřeba, aby pedagog tisknul průběžně, což by neměl být žádný problém.
  4.  Když jsou všechny díly vytištěné a máme také veškeré potřebné díly nakoupené, můžou žáci přistoupit k vlastní montáži RR. Celý postup montáže je zcela srozumitelně krok za krokem zpracován v prostředí PowerPointu. Zde si žáci procvičí svou manuální zručnost a také orientaci v pracovním návodu. Myslím, že byste montáž RR měli zvládnout za cca 2 výukové hodiny.
  5. V další výukové jednotce se spolu s žáky pusťte do elektronického zapojení RR. Zde v případě zábavné formy výuky použijte přiložený PowerPoint návod. Lze také využít vlastních navrhnutých el. schémat a volit i jiné způsoby ovládání dle úrovně znalostí žáků. Zde uváděný způsob zapojení, je jen jeden z mnoha možných. 
  6. Dalším krokem je samotné naprogramování a oživení RR. Dejte žákům za úkol nainstalovat vývojové prostředí Arduino IDE software a knihovnu od Adafruit pro ovládání serv pomocí připojeného Shieldu. V tomto bodě se žáci naučí či zopakují vkládání nové knihovny do Arduino IDE. (postup je případně na webu)
  7. Dalším krokem a možná nejrozsáhlejší výukovou částí může být programování v prostředí Arduino IDE. Dle znalostí žáků tak buď navažte na již vám známé postupy programování, popřípadě si ukažte jednotlivé posloupnosti a pravidla v programování ve zmíněném prostředí. Každý krok naprogramované části lze ověřit přímo v programu a tak postupujte ke zdárnému cíli. V příloze naleznete celý programovací kód již zpracovaný i s doplněním vysvětlivek, co ten či onen daný příkaz obstarává. Můžete si jej tak vytisknout a ve výuce zábavnou formou postupovat dle něj. Věřím, že nakonec vše dobře dopadne a program po kontrole zapsaného kódu zahlásí, že je vše v pořádku a vy jej vítězně nahrajete na řídící desku Arduina. 
  8. Nyní už zbývá robotické rameno už jen otestovat či odladit případné nedostatky, které mohly v procesu stavby vzniknout. Je možné, že budou žáci muset například část RR i rozebrat a chyby či nedostatky napravit. To je ale naprosto v pořádku a žáci si tak uvědomí, že cesty k vytouženému cíly nebývají obvykle snadné a přímočaré. Odměnou jim bude vlastnoručně sestavené, zapojené a naprogramované  RR, se kterým užijí spoustu zábavy!
  9. V závěrečné výukové jednotce pohovořte s žáky o tom, co bylo pro ně v průběhu stavby nejtěžší, co jim naopak připadalo snadné a co je na stavbě RR nejvíce bavilo. Diskutujte také o tom, zda jim tato konstrukce připadá povedená nebo by měli i návrhy na nějaké zlepšení, což může posloužit k další tvorbě či inovacím již stávajícího RR. Vyzkoušejte si také zasoutěžit v přemisťování předmětu z místa na místo na čas nebo v dovednosti uchopení kulatého předmětu apod. Nápadům a kreativitě se meze nekladou a berte to jako takovou zábavnou nástavbu nad samotnou podstatu dokončeného projektu.

 

Závěrem bych vám chtěl popřát mnoho zdaru ve zvládnutí celé stavby společně s vašimi žáky a mnoho radosti z dobře odvedené práce!

Authors

Pavel Hlaváček – pedagog volného času Klub robotiky a 3D tisku – zájmová volnočasová aktivita Poděkování patří panu Carlo Franciscone – autorovi robotického ramene EEZYbotARM, které posloužilo jako předloha pro náš projekt a to s využitím volně stažitelných souborů a podkladů k tisku a stavbě.

Model origin

The author hasn't provided the model origin yet.

License