The LEGO ® MINDSTORMS ® EV3 Idea Book explores dozens of creative ways to build amazing mecha-nisms with the LEGO MINDSTORMS EV3 set. Each model includes a list of the required parts, minimal text, and color-ful photographs from multiple angles so you can re- create it without the need for step-by-step instructions.

You’ll learn to build cars with real suspension, steerable crawlers, ball-shooters, grasping robotic arms, and other creative marvels. Each model demonstrates simple mechanical principles that you can use as building blocks for your own creations.

Best of all, every part you need to build these machines comes in one LEGO set (#31313)!

181 Simple Machines and Clever Contraptions

Yoshihito isogawa

EV Idea Book

thE LEgo® MiNDstoRMs®

No Starch PreSS

No Starch PreSS

about thE authoR

Yoshihito Isogawa is a LEGO luminary with 46 years of building experience. He is the author of the LEGO Technic Idea Book series (No Starch Press) as well as many Japanese-language LEGO books.

Shelve iN: hobbieS/leGo $24.95 ($25.95 CDN)the FiNeSt iN GeeK eNtertaiNMeNt™

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thiS booK iS Not authorized or eNdorSed by the leGo GrouP.

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imagine. Create. invent. Now, what will You build?

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The LEGO® MINDSTORMS® EV3 Idea Book

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Yoshihito isogawa

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The LEGO® MINDSTORMS® EV3 Idea Book. Copyright © 2015 by Yoshihito Isogawa.

All rights reserved. No part of this work may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or

mechanical, including photocopying, recording, or by any information storage or retrieval system, without the prior

written permission of the copyright owner and the publisher.

Printed in China

First Printing

18 17 16 15 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9

ISBN-10: 1-59327-600-1

ISBN-13: 978-1-59327-600-3

Publisher: William Pollock

Production Editor: Riley Hoffman

Cover Design: Beth Middleworth

Photographer: Yoshihito Isogawa

Author Photo: Sumiko Hirano

Developmental Editor: Tyler Ortman

Technical Reviewer: Sumiko Hirano

Proofreader: Fleming Editorial Services

For information on distribution, translations, or bulk sales, please contact No Starch Press, Inc. directly:

No Starch Press, Inc.

245 8th Street, San Francisco, CA 94103

phone: 415.863.9900; info@nostarch.com

www.nostarch.com

Library of Congress Cataloging-in-Publication Data

Isogawa, Yoshihito, 1962-

The LEGO Mindstorms EV3 idea book : 181 Simple Machines and Clever Contraptions / Yoshihito Isogawa.

pages cm

ISBN 978-1-59327-600-3 -- ISBN 1-59327-600-1

1. Machinery--Models. 2. LEGO Mindstorms toys. I. Title.

TJ248.I86 2015

621.8022'8--dc23

2014027048

No Starch Press and the No Starch Press logo are registered trademarks of No Starch Press, Inc. Other product and

company names mentioned herein may be the trademarks of their respective owners. Rather than use a trademark

symbol with every occurrence of a trademarked name, we are using the names only in an editorial fashion and to the

benefit of the trademark owner, with no intention of infringement of the trademark.

LEGO®, MINDSTORMS®, the brick and knob configurations, and the minifigure are trademarks of the LEGO Group,

which does not sponsor, authorize, or endorse this book.

The information in this book is distributed on an “As Is” basis, without warranty. While every precaution has been

taken in the preparation of this work, neither the author nor No Starch Press, Inc. shall have any liability to any person

or entity with respect to any loss or damage caused or alleged to be caused directly or indirectly by the information

contained in it.

Production Date: 8/5/14

Plant & Location: Printed by Everbest Printing (Guangzhou, China), Co. Ltd

Job / Batch #: 42088-0 / 703189

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ContentsIntroduction · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1

PART 1 • Basic Mechanisms

Gear ratios · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4

Compound gear systems · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 18

Changing the angle of rotation · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 22

Using worm drives · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 30

Swinging mechanisms · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 36

Reciprocating mechanisms · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 42

Cam mechanisms · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 48

Intermittent motion · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 52

Transmitting rotation with rubber bands · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 56

Transmitting rotation with caterpillar treads · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 60

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Transmitting rotation over a long distance · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 62

Off-center axes of rotation · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 64

Changeover mechanisms using rotational direction · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 68

Universal joints · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 74

PART 2 • Vehicles

Driving wheels with a motor · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 78

Driving wheels with two motors · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 82

Caster wheels · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 90

Crawlers · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 94

Suspended wheels · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 100

Steering · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 104

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PART 3 • Moving Without Tires

Walking machines · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 110

Moving like an inchworm · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 122

Moving through vibration · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 126

PART 4 • Arms, Wings, and Other Movements

Flapping wings · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 130

Gripping fingers · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 140

Lifting things · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 152

Shooting things · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 158

Automatic doors · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 168

Raking up or out · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 176

Creating wind · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 180

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Swinging a pendulum · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 184

Using attachments to change motion · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 188

Meshing gears diagonally · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 194

Changing the angle of rotation freely · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 198

PART 5 • Sensors

Ideas for using the touch sensor · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 206

Ideas for using the buttons of the Intelligent EV3 Brick · · · · · · · · · · · · · · · · · · 214

Ideas for using the color sensor · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 216

PART 6 • Something Extra

Using the Pythagorean theorem · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 220

Try building something handy! · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 222

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IntroductionThe LEGO MINDSTORMS EV3 set is designed to allow builders of any age to create robots, vehicles, and other contraptions with moving parts.

Each model in this book is only a small mech-anism, but you can make an infinite variety of larger models by combining these ideas. LEGO bricks aren’t designed to fit in just one specific place or in one particular way. Your imagination is your guide when building with LEGO, and I hope that you will create your own wonderful masterpieces using this book as inspiration.

To build the models in this book, all you need is the LEGO MINDSTORMS EV3 set (home edition #31313).

Where Are the Words?Other than this brief introduction and the table of contents, this book has almost no words. Instead, you’ll find a series of photographs of increasingly complex models, each designed to demonstrate a mechanical principle or building technique.

While the book lists the pieces needed for each model, it does not include step-by-step building instructions. Look at the photographs taken from various angles and try to reproduce the model. Building in this way is something like putting together a puzzle. You’ll get the hang of it after a little practice.

This is an idea book; it’s about imagination. Rather than tell you what to see or think when you study the models, I encourage you to interpret them in your own way. Your interpre-tations will lead you to invent your very own models or use my mechanisms in entirely new ways!

What About Programs?This book is about exploring the mechanical side of EV3 and robotics, rather than program-ming. You’ll need only a few simple programs to test out your mechanical creations. Prepare these three simple programs in advance.

A few of the models in this book require spe-cial programs. Take note of these programs, as they are written to avoid damaging parts by overextending a mechanism’s range of motion.

This program will rotate the Large EV3 motor, then rest for a period.

This program will rotate the Medium EV3 motor, then rest for a period.

This program will rotate two motors, then rest for a period.

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PART 1

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Basic Mechanisms

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Gear ratios

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Compound gear systems

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Using worm drives

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Swinging mechanisms

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Reciprocating mechanisms

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Transmitting rotation with rubber bands

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Transmitting rotation with caterpillar treads

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Transmitting rotation over a long distance

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Universal joints

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×4

×2

×2

×2

×2

3

5

6

×2

www.it-ebooks.info

75

#101

×2×4

×2

×2

×5

×2

×6

×6

3

5

×2×2

www.it-ebooks.info

76

PART 2

www.it-ebooks.info

77

78

82

Vehicles

90

94

100

104

www.it-ebooks.info

78

Driving wheels with a motor

×2 ×2

×29

#102

www.it-ebooks.info

79

×2×2

×2×2

Gear ratio 12:36 = 1:3

12:20 = 3:5 4:4 = 1:1

5 6

#103

×4

www.it-ebooks.info

80

×2

×2

×2

×3

×2

9

#104

www.it-ebooks.info

81

×2

×8

×3 ×2×2 ×2

×2

1:24

69

3

#105

www.it-ebooks.info

82

Driving wheels with two motors

×2 ×2

×2

×2 ×25

×4 ×4

#106

www.it-ebooks.info

83

×2×2

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×2×2

5

×6 ×4

×33

12:20 = 3:5

#107

www.it-ebooks.info

84

×2

×2

×2

×2

×4

×4

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×4

×10

×4

7

3

#108

www.it-ebooks.info

85

4:4 = 1:1

www.it-ebooks.info

86

×2 ×2

×4

×2×10

×4

×4

×4

×2

×4

#109

×2

×2

×2

×2

3

6

×2

www.it-ebooks.info

87

12:20 = 3:5

www.it-ebooks.info

88

×2 ×2

×2

×2 ×2

×2

×2

×2 ×4

×6

×8

×2

×4

#110

6

×4

www.it-ebooks.info

89

20:36 = 5:9

www.it-ebooks.info

90

Caster wheels

×2

×3

#111

www.it-ebooks.info

91

×2 ×2

#112

www.it-ebooks.info

92

×2 ×2×2 ×2

#1133

www.it-ebooks.info

93

×2 ×2

×2×3 ×3

#1143

www.it-ebooks.info

94

Crawlers

×4×2 ×2

5

×4

×2

×2

#115

×2 ×27

www.it-ebooks.info

95

×2 ×2

×2

×2

×2

×2×2

5

×8

3

20:12:20 = 5:3:5

#116

6

×4

www.it-ebooks.info

96

×2

×4

×4

×4

#117

×2

×2

×2

×2 ×2 ×4

7

www.it-ebooks.info

97

www.it-ebooks.info

98

×2

×4

×8

×12

#118

×2

×2

×4

×2

×2 ×4

7

×4

×2

×4

×4

www.it-ebooks.info

99

www.it-ebooks.info

100

Suspended wheels

#119

×2

×2

×2 ×2×4×2

×2 ×2

×2 ×4

×2

×2

3

7

www.it-ebooks.info

101

www.it-ebooks.info

102

#120

×2×2

×2 ×2

×2

×2

×2

×2×10

×2

×2

×2

×2

×2

×4 ×4 ×4

×3

www.it-ebooks.info

103

www.it-ebooks.info

104

Steering

#121

×2 ×2

×5

×5

×2×2

×2

×2

×2

×14

×5

×3

3

5

www.it-ebooks.info

105

www.it-ebooks.info

106

×2

×2 ×2

×2×2 ×2

6

×2

×10

×2

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107

www.it-ebooks.info

108

PART 3

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109

Moving Without Tires

110 122 126

www.it-ebooks.info

110

Walking machines

#122

×2×2

×2

×2×2×2

×2

×2

×2 ×6

×4

×8

7

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111

www.it-ebooks.info

112

#123

×2

×2

×2×2

×2

×2

×2

×3

×2 ×2 ×2×12

×2

×4

×4

×2

×43

7

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113

www.it-ebooks.info

114

#124

×2

×2×2

×2

×2 ×8 ×2

×4

×4×4

×4 ×10

×4

×4

×24

3

7

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115

www.it-ebooks.info

116

www.it-ebooks.info

117

www.it-ebooks.info

118

#125

×2

×4

×4

×2×2

×4

×4

×16

×6

×2

×2

×2×2

×2

×2

3

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119

www.it-ebooks.info

120

#126

×2 ×2

×2

×2

×4

×4

×4

×4×16

×4

×4

×2

×2

×2×2×2 ×2

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121

www.it-ebooks.info

122

Moving like an inchworm

#127

×2

×2

×2×2

×2

×2 ×2

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×4×2 ×2

×3 ×3

3

5

7

9

×4 ×4

×12

×6

×4 ×4

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123

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124

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125

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126

Moving through vibration

#128

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×4

×6

×14

×2 ×2

×3

×4

3

5

76

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127

www.it-ebooks.info

128

PART 4

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129

Arms, Wings, and Other Movements

130

140

152

158

168

176

180

184

188

194

198

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130

Flapping wings

#129

×4 ×4 ×2

×2

www.it-ebooks.info

131

#130

×2

×4

×4

×2

×2

×2

×2

×23

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132

#131

×2

×2

×3

×2

×2 ×4 ×4×2

×4

×2

×2 ×2×4

×4

×2

3

5

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133

www.it-ebooks.info

134

#132

3

×2

×2 ×2 ×2 ×2

×2

×2

×2

×2

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135

www.it-ebooks.info

136

#133

×2×2×2

×2 ×2

×4

×2×3×2 ×3

×3 ×33 5

×4

×5

×5

www.it-ebooks.info

137

www.it-ebooks.info

138

#134

5

7

×2×4

×4 ×4 ×4

×4

×2

×2

×2×2

×2

×2

×2

×2

×2

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139

www.it-ebooks.info

140

Gripping fingers

#135

×2

×2

×2×3

×2

×4

×2

×25 76

×8

www.it-ebooks.info

141

www.it-ebooks.info

142

#136

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×3

×3

×3

×4

×4

×4

×4

3

5

6

×2

×2

×14

www.it-ebooks.info

143

To avoid overextending the mechanism, use this program instead of the standard one.

www.it-ebooks.info

144

#137

×2

×2

×2

×5

×4

×4

3

5

7

×4

×10

×4

www.it-ebooks.info

145

www.it-ebooks.info

146

#138

×2

×2

×2

×2

×2

×2×2

×2

×2

×4

×4

3

www.it-ebooks.info

147

To avoid overextending the mechanism, use this program instead of the standard one.

www.it-ebooks.info

148

#139

×2

×2

×2

×2 ×2

×2

×2

×10

×2

×3

×4

×4

×4

×4

×4

×4

3

5

7

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149

www.it-ebooks.info

150

www.it-ebooks.info

151

Here’s a program for this arm.

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152

Lifting things

#140

×4

×2

×2

×2

3

7

×2

×8

×5

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153

www.it-ebooks.info

154

#141

×2

×2 ×2×2 ×2

×4×2

×2 ×2×4

×6 ×9

×2

×7

3 5 76

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155

www.it-ebooks.info

156

#142

×2

×2

×3

×2

×2

×2 ×2

×2

3

5

9

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157

www.it-ebooks.info

158

Shooting things

#143

×2

×2

×2

×2

×6

×3

37

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159

www.it-ebooks.info

160

#144

×3×2

×2

×2

×2

×2

×2 ×2

×2

×2 ×2

×2×6

×43

5

7

www.it-ebooks.info

161

www.it-ebooks.info

162

#145

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×2

3

5

7

×2

×2

×4

www.it-ebooks.info

163

www.it-ebooks.info

164

#146

×2

×2×2×2

×2

×2

×5

×2

×2

×2

×2

×2

×2 ×2

×8

×4

×2×2

×2

×2

3

5

6

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165

www.it-ebooks.info

166

#147

×2 ×2

×2

×2 ×2

×18

×2 ×2

×2

×2

×2

3

5

6

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167

www.it-ebooks.info

168

Automatic doors

#148

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×5

×8

×5

×4

×4

3

9

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169

www.it-ebooks.info

170

#149

×2

×2 ×4

×2

×2

×2

×9 ×10

×2 ×23

5

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171

www.it-ebooks.info

172

#150

×2

×4

×4

×4

×4

×3

×3

×3×3

×6

×5

×2

×2

3

5

9

×15

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173

www.it-ebooks.info

174

www.it-ebooks.info

175

www.it-ebooks.info

176

Raking up or out

#151

×2

×2×3

×4

×4

×4

×4

×2

×2 ×2

×23

5

×2

×2

×2

×14

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177

www.it-ebooks.info

178

#152

×2×2 ×2

×2

×2

×2 ×2

×2

×2

×4 ×4

3

9

×4

×4 ×4

×8

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179

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180

Creating wind

#153

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×3

7

6

×6

×10

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181

www.it-ebooks.info

182

#154

×2

×2

×2

×2

×2

×12×2

×3

×3

3

5

7

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183

www.it-ebooks.info

184

Swinging a pendulum

#155

×3

×4

×2

×2

×2

×2

×20

×2

×23

5

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185

www.it-ebooks.info

186

#156

×2

×2

×2

×2

×3

×2

×12

×2

3

7

9

6

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187

www.it-ebooks.info

188

Using attachments to change motion

#157

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189

www.it-ebooks.info

190

×2×2

×2

×2

×2

×4

×4

×8

×3

×33

7

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191

×3

6

www.it-ebooks.info

192

×2 ×2

×2×3×23

9

www.it-ebooks.info

193

×2

×2

×2

×2

×4

×6

×3

×4

×4

×4

5

7

6

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194

Meshing gears diagonally

#158

×2 ×2

×2×2 ×2

×2 ×2×4 ×4 ×3

×4

×6

×4×6

3 5

6

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195

www.it-ebooks.info

196

#159

×2

×2

×2

×4×4

×4

×4

×4

×2

×4

×2 ×6

3

5

6

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197

#160

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×2

×2

3

×6

×2

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198

Changing the angle of rotation freely

#161

×4

×2

×2

×2

×2

×2

×2 ×2

×2

×4

×2

×2 ×2

3

5

9

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199

www.it-ebooks.info

200

#162

×2

×4

×2 ×2×4

×2

×2

×3

3

5

9

×8 ×4×6

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201

www.it-ebooks.info

202

#163

×3

×2

×2

×2

×2

×8

×4

×2

×3

×2 ×2×2

3

5 ×3

7

6

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203

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204

PART 5

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205

Sensors

206 214 216

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206

Ideas for using the touch sensor

#164

3

×2

×2×4

www.it-ebooks.info

207

#165

×2×4

37

www.it-ebooks.info

208

#166

5

9×2 ×3 ×3

×4×3

www.it-ebooks.info

209

#167

×2

×2

×2 ×2

×2 ×2

×2

×2

×4

OFF ON

5 6

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210

#168

OFF ON

×2

×5

×2×2

www.it-ebooks.info

211

#169

OFF ON

×2×2

×2

×2

×2

×2

×4

3

www.it-ebooks.info

212

#170

OFF ON

×2×2 ×4

×8

www.it-ebooks.info

213

#171

OFF ON

×2

×2

×2

×2

×2×2

×4

×8

3

www.it-ebooks.info

214

Ideas for using the buttons of the Intelligent EV3 Brick

#172

×2

×2

×4

×3

×8×2

www.it-ebooks.info

215

×2

×2×2

×2 ×2

×4×3 ×8

#173

3

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216

Ideas for using the color sensor

#174

3 59

×2

×2

×2

×2

www.it-ebooks.info

217

#175

×2

×2

×3

×2 ×2 ×6

3

7

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218

PART 6

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219

Something Extra

220 222

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220

Using the Pythagorean theorem

#176

#177

5

5

3

3

4

4

5 * 5 = (3 * 3) + (4 * 4)

5 * 5 = (3 * 3) + (4 * 4)

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221

#178

#179 #180

5

12

12

17

12

13

13 * 13 = (12 * 12) + (5 * 5)

7 * 7 ≈ (5 * 5) + (5 * 5) 17 * 17 ≈ (12 * 12) + (12 * 12)

5

7

5

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222

Try building something handy!

#181

3 5×2

×2×4 ×6 ×8

×2

×2 ×2

×2 ×2

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223

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