In recent years, there is an increasing interest in high school robotics extracurriculars such as robotics clubs and robotics competitions. The growing demand is a result of more ubiquitous open-source software and affordable off-the-shelf hardware kits, which significantly help lower the barrier for entry-level robotics hobbyists. In this project, we present an open-source, low-cost, and lightweight robotic manipulator designed and developed by a high school researcher under the guidance of a university faculty and a Ph.D. student. We believe the presented project is suitable for high school robotics research and educational activities. Our open-source package consists of mechanical design models, mechatronics specifications, and software program source codes. The mechanical design models include CAD (Computer Aided Design) files that are ready for prototyping (3D printing technology) and serve as an assembly guide accommodated with a complete bill of materials. Electrical wiring diagrams and low-level controllers are documented in detail as part of the open-source software package. The educational objective of this project is to enable high school student teams to replicate and build a robotic manipulator. The engineering experience that high school students acquire in the proposed project is full-stack, including mechanical design, mechatronics, and programming. The project significantly enriches their hands-on engineering experience in a project-based environment. Throughout this project, we discovered that the high school researcher was able to apply multidisciplinary knowledge from K-12 STEM courses to build the robotic manipulator. The researcher was able to go through a system engineering design and development process and obtain skills to use professional engineering tools including SolidWorks and Arduino microcontrollers.


翻译:近年来,高中机器人学习活动,如机器人俱乐部和机器人竞赛,日益受到关注。这种增长的需求是由于越来越普遍的开源软件和经济实惠的现成硬件套件,这些都极大地降低了入门级机器人爱好者的门槛。在这个项目中,我们提出了一个开源、低成本和轻量化的机器人机械臂,由一位高中研究员在大学教师和博士研究生的指导下设计和开发。我们相信所提出的项目非常适合高中机器人研究和教育活动。我们的开源软件包括机械设计模型,机电规格和软件程序源代码。机械设计模型包括CAD(计算机辅助设计)文件,已经准备好进行原型制作(3D打印技术),并配有完整的物料清单作为装配指南。电气布线图和低级控制器详细记录在开源软件包中。该项目的教育目标是使高中学生团队能够复制和构建机器人机械臂。在提出的这个项目中,高中学生所获得的工程经验是全方位的,包括机械设计、机电一体化和编程。该项目显着丰富了他们在项目为基础的环境中的实践工程经验。在整个项目过程中,我们发现高中研究员能够应用K-12 STEM课程中的多学科知识来构建机器人机械臂。研究员能够经历系统工程设计和开发过程,并获得使用SolidWorks和Arduino微控制器等专业工程工具的技能。

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