行走機械人 (B3D1) 項目¶

這是什麼？¶

B3D1 這個名字可能會讓人想起 R2D2，但它實際上代表「Beets 3D1mension」，是對 Beets3D 這個創新公司及其團隊的致敬，該團隊在這個令人興奮的項目中發揮了重要作用。

這個行走曲柄機械人作為基本行走機制概念的實際演示，通過引人入勝的實驗提供了一個教育平台，讓學生和教師探討各種物理特徵如何影響機械人的運動。通過使用 LEGO 積木改變腿長和腳設計等基本組件，學生可以探索：

行走速度和效率
機械人的穩定性和平衡
各種行走步態和模式

掌握行走機制、平衡和運動動力學的原則對於加深對機器人的理解至關重要。欲了解更多信息，請參閱行走概念頁面。

主要特點：

設計易於修改，配有可互換的部件
能夠向前行走，並具備向左或向右轉的能力
腳部附件可使用 LEGO 積木自定義，允許進行不同腿長和腳設計的實驗
配備遙控功能，嘗試各種行走模式

這個機械人作為一個強大的教育資源，使學習者能夠掌握基本的機械原則、機器人學的基礎概念，以及設計決策與運動性能之間的複雜聯繫。

你將學到什麼¶

機械原則：行走機制、平衡、運動動力學
設計與實驗：測試不同的腳部設計、腿長及其對機械人運動的影響
電子學：使用 micro:bit、馬達控制、基本電路
編程：編程控制機械人及遙控
工程學：理解齒輪系統、機械優勢
問題解決：分析運動模式、改善穩定性、優化性能
文檔編寫：記錄觀察結果，對比不同配置
團隊合作：協作實驗，分享發現
STEM 整合：將物理概念與現實機器人應用相連接

你需要的東西¶

硬件

項目	描述	數量	必需/可選
BBC micro:bit	用於控制機械人的緊湊型微控制器	2	Y
用於編程的 USB 線	用於編程 micro:bit 的電纜（本項目使用 V2）	1	Y
主控制板	用於連接 micro:bit 的板，包括馬達驅動器和電池包	1	Y
AAA 電池	機械人的電源	4	Y
齒輪馬達 (N20 DC 馬達)	提供運動所需的扭矩和速度的馬達	2	Y
3D 打印部件	底盤和機械部件（鏈接到 STL 文件）	各種	Y
外殼部件	機械人的外部外殼	各種	Y
螺絲 M4X10	用於組裝的螺絲	8	Y
螺絲 M4X5	用於組裝的螺絲	4	Y
螺絲 M2	用於組裝的小螺絲	2	Y
LEGO 積木	用於修改和自定義	各種	N

軟件

項目	描述	必需/可選
MakeCode for micro:bit	基於網頁的編程平台或使用 iPad 應用	Y
行走機械人的主要代碼	代碼鏈接	Y
遙控器的代碼	代碼鏈接	Y
3D 打印軟件	用於自定義部件，建議使用 Fusion 360	N

工具

項目	描述	必需/可選
螺絲刀	用於組裝和拆卸部件的工具	Y
電線剪/剝線鉗	用於剪切和剝去跳線的工具	Y
3D 打印機訪問	用於打印 3D 模型的 3D 打印機	N

如何運作¶

設計¶

核心行走機制 - 馬達單元 - 由 2 個齒輪馬達組成，提供機械人運動所需的扭矩和速度。這些馬達的位置經過精心設計，以優化行走機制，實現平穩和協調的腿部運動。齒輪設計提高了動力傳輸的效率，確保機械人能夠有效地在各種地形上行駛。

腿（左/右） - 由一個模擬擺動行走的機制組成。這種設計使腿部能夠平穩地前後移動，模仿人類腿部的行走。腳部包括一個兼容 LEGO 的附件，便於自定義和更改腳部設計。這一特性鼓勵對不同形狀和大小的實驗，以觀察它們如何影響機械人的運動和平衡。

電子學 - 主板 - 作為機械人的中央樞紐，設有專用插槽供 micro:bit 單元使用，作為大腦。它集成了馬達驅動器，並促進了馬達和電池包之間的無縫連接，確保高效的電力分配和控制。

Micro:bit - Micro:bit 是一款緊湊且多功能的微控制器，旨在用於教育目的。它配備了一系列傳感器、按鈕和 LED 燈，非常適合編程和機器人項目。在這個機械人中，Micro:bit 作為大腦，控制馬達並處理用戶的輸入。
電池盒 - 電池盒設計用於安全地容納機械人的電源，確保電池受到保護並易於更換。設計良好的電池盒有助於機械人的整體穩定性，保持低重心，這對於有效的行走至關重要。適當的重量分配有助於防止翻倒，增強機械人在運動過程中的平衡。

外殼 - 機身- 這是行走機械人的主要機身，旨在容納內部組件並為腿部和頭部提供結構支持。

頭部 - 此組件作為機械人的頭部，提供視覺表示並容納任何必要的傳感器或互動功能。這可以根據學習需求進行自定義。
外殼 - 此組件為機械人提供外部外殼，提供良好的外觀並根據需求進行自定義。

遙控您可以使用另一個 Micro:bit 來控制行走模式，通過按下 A 或 B 按鈕。每個按鈕對應一條腿的運動；按下按鈕將使相關的腿向前邁步。例如，假設 A 按鈕控制左腿，B 按鈕控制右腿。當您按下 A 按鈕時，左腿將向前邁步；當您按下 B 按鈕時，右腿將向前邁步。這種設置使您能夠管理兩條腿的運動時間和動作，提供了一個探索「控制時間」如何影響行走過程中的平衡、速度和方向的機會。

自定義選項 - LEGO 附件 - 腳部設計允許添加任何 LEGO 附件

可調腿長 - 通過 LEGO 附件，您可以通過添加 LEGO 積木來調整腿的長度，這將改變每一步的運動範圍。
可調腳形 - 您還可以設計任何形狀以測試不同的行走行為，考慮到平衡。

組裝指南¶

有關詳細的組裝說明，請參閱組裝指南。

課程計劃¶

課程目標：¶

理解行走機制（平衡、扭矩、步態模式）。
使用 B3D1 套件設計和建造一個功能性行走機械人。（可選）
整合編程（micro:bit）以進行馬達控制和遙控操作。（可選）
實驗修改以優化性能。
通過迭代測試和文檔編寫來培養問題解決能力。

課程結構¶

總課時：10 節核心 + 4 節可選每節時長：40–60 分鐘

目標 1：理解行走機制（平衡、扭矩、步態模式）¶

第 1 節：生物力學基礎
練習： 步態圖示 – 使用人形動畫比較人類/昆蟲的步態。
時長： 50 分鐘
對應： 平衡、步態模式。

有關詳細信息，請參閱練習：步態圖示

第 2 節：扭矩與平衡
練習： 翹翹板測試 – 使用 LEGO 重量調整機械人在支點上的平衡。
時長： 50 分鐘
對應： 扭矩、平衡。

有關詳細信息，請參閱練習：翹翹板測試

目標 2：設計與建造 B3D1 機械人（可選 🔧）¶

第 3 節：機械組裝與電子設置
練習： 齒輪箱中繼與電路偵探 – 團隊組裝齒輪系統，專注於扭矩傳輸，並診斷接線錯誤（例如，馬達連接鬆動）。
時長： 60 分鐘

有關詳細信息，請參閱組裝指南

目標 3：整合編程（可選 🔧）¶

第 4 節：馬達控制基礎
練習： 步數計數器 – 編程機械人向前/向後走 10 步。
時長： 60 分鐘
第 5 節：遙控
練習： 迷宮導航者 – 編寫遙控代碼，駕駛機械人通過簡單的路徑。
時長： 50 分鐘

目標 4：實驗修改¶

第 6 節：優化實驗室
練習： 腳部更換挑戰 – 在不同表面上測試 LEGO 腳部。
時長： 50 分鐘
對應： 修改、性能。
第 7 節：重量與速度的權衡 （可選 🔧）
練習： 負載測試 – 向機械人添加重量並測量速度減少。
時長： 50 分鐘

目標 5：培養問題解決能力¶

第 8 節：除錯工作坊 （可選 🔧）
練習： 破壞與修復 – 引入設計缺陷（例如，腿部不對齊）讓團隊進行故障排除。
時長： 60 分鐘
第 9 節：最終項目
練習： 機械人奧林匹克 – 優化機械人以完成自定義任務（例如，爬坡）。
時長： 60 分鐘

可選路徑
- 建造與編碼路徑（第 3–6 節）： 適合建造完整套件的學生。
- 僅實驗路徑（第 7–10 節）： 使用預製機械人專注於測試/文檔編寫。

靈活性說明：
- 無套件選項： 用虛擬模擬（例如，Tinkercad）替代 B3D1 組裝。
- 評估： 使用實驗日誌（目標 5）來評估迭代問題解決能力。

這一結構確保了對機械原理、實驗和問題解決的核心關注，而可選課程則讓您根據不同小組的需求調整深度。