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简易机器人制作


专题讲座
“简易机器人制作”教学实践与探索
熊雪亭(北京八中、中学高级教师) 张 军(北京八中、特级教师)

课程简介
“简易机器人制作”教学实践与探索
【课程简介】 由于本模块属于选修模块,很多学校都没有开设,许多通用技术老师特别希望 得到这方面的全方位的支持。 简易机器人教学实践与探索课程考虑到了大部分通 用技术老师

的需求, 解决了机器人定义不易讲解并且学生不易理解的问题,同时 结合北京八中的教学实践重点介绍了本模块教学实施的相关经验, 使通用技术老 师有了具体可落实的方案,有了“抓手”,由“做什么”到知道“怎样做”,给 通用技术老师提供了有力的经验层面的支持。 本课程还根据课标对本模块的具体 要求逐一地详细地介绍了相关的知识点,进行了内容详细解析,给通用技术老师 提供了有力的技术层面的支持。 学习本课程后, 会拟定简易机器人模块的教学规划,掌握本模块相应的知识点并 能进行教学。 【学习要求】 1.希望老师们克服困难,做到按时,保质、保量的学习。 2.学习过程中努力分析、思考所学内容,结合教学实践积极探讨相关话题。 3.结合本人教学实践,按时完成相应的思考与活动内容。 4.作业的完成是在学习专家讲座、互动对话、案例分析的基础上,对所学内容的 消化吸收, 对所学知识与方法的反思与提升。作业的完成要紧密结合自己的教学 实践,反映自己的真情实感、真知灼见,作业提倡原创。

一、机器人的定义 关于机器人的定义,目前存在多种说法。 ? 江苏教育出版社:国际标准化组织( ISO )对于机器人的描述:

( 1 )机器人的动作具有类似于人或其他生物体的某些器官的功能; ( 2 )机器人具有通用性,工作种类多样,动作程序灵活多变; ( 3 )机器人具有不同程度的智能性如记忆、感知、推理、决策、学习等; ( 4 )机器人具有独立性,完整的机器人系统,在工作中可以不依赖于人的干 预。 地质出版社: 机器人的定义:一般地说,我们可以将机器人定义为由程序控制,具有人或生物 的某些功能,可以代替人进行工作的机器。 河南科学技术出版社: 我国科学家曾经对机器人下过这样的定义:机器人是一种自动化的机器,所不同 的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力,如感知能力、规化能力、动 作能力和协同能力,是一种具有高度灵活性的自动化机器。 比较通俗的说法是:机器人通常是指在计算机程序控制下,能完成某种特定任 务的机械装置。 二、简易教育机器人 机器人种类很多 , 就其应用领域来说有工业机器人、军用机器人、类人机器人、 娱乐机器人等,今天我们所介绍的是其中的一支:教育机器人。教育机器人有简 单的,也有复杂的,这里我们介绍是简易教育机器人。 简易机器人与一般机器 人有着相同的基本组成和工作过程。简易教育机器人结构简单,制作容易,成本 较低。 简易机器人与一般机器人有着相同的基本组成和工作过程。 简易教育机器人结构 简单,制作容易,成本较低。因此,简易教育机器人适合初学者学习,适合普及 性教育。 现在学校中还存在着一种成本不低的主要用于比赛的机器人,那么简易 机器人和比赛型机器人两者之间有什么区别呢?两者之间的区别在于, 中央处理 器的不同, 接口不同。 如果有模拟端口, 证明机器人对周围环境反应的灵敏度高, 能把周围环境的细节反应出来, 如果只有数字接口, 没有模拟端口, 反应比较粗, 这种机器人被称作简易机器人,简易机器人的处理器一般用单片机。

三、课标对本模块的具体要求及主要内容 通过本模块的学习, 学生应该知道单片机和机械传动的基本知识,能设计与制作 由单片机和传动机械等组成的简易自动控制机器或简单的自动控制系统。 本模块由 3 个主题组成:单片机及其控制程序、单片机与控制电路、单片机与 传动机械。 简易机器人是由软件和硬件组成的, 它的软件是指控制程序这一方面; 而它的硬件由两大部分组成: 一部分是机械方面的装置,一部分是从电子技术方 面来考虑。 四、我校教学实践 机器人是综合技术的载体 教学实践以制作为载体 将知识融入制作之中 做中学,学中做 由于机器人是综合技术的载体。 学生最感兴趣的是制作出机器人成品。我们设计 了多款不同层次的机器人, 不同的机器人蕴含的知识各有侧重。学生通过制作出 多个完成不同难度任务的机器人,很快就能看到自己的劳动成果,体验成功的喜 悦,从而增强学习信心。而相关的知识巧妙地融合在制作过程中。这样学生亲历 多款机器人制作全过程, 在不断体会技术带来的乐趣的同时,培养综合的视野及 综合应用知识和技术解决问题的能力。 由于许多学校没有开设简易机器人模块,许多老师们非常需要本模块的内容详 解,故特此在下面对于本模块的内容进行详细解读。 五、详细介绍不同层次简易机器人 简易机器人名称 侧重的知识点 风车机器人 基本组成与制作全过程 六脚虫机器人 单片机、传动机械单元 寻迹机器人 控制电路、控制程序单元 分拣球机器人 高层次、三个单元的综合 (一)风车机器人 教学侧重点:认识机器人各部件、知道机器人基本组成、亲历制作全过程。 第一步: 认识并组装机械部件 第二步:认识并组装电路部件

第三步:编程并下载 制作过程概括为三个步骤、两个结合:

(二)六 脚虫机器人 教学侧重点:控制程序(偏硬) 、学习传动机械相关知识。 1 . 控制程序(偏硬) 课标对第一主题 单片机及其控制程序的具体要求共有 6 点,现侧重于前三点, 主要讲解单片机的相关知识: ( 1 )知道单片机的特点及应用。 ( 2 )知道单片机的基本组成及工作过程。 ( 3 )知道单片机集成电路引脚的功能。 内容如下: ( 1 ) 单片机内部主要结构图

( 2 )单片机的基本组成 单片机由中央处理器( CPU ) 、存储器、输入 / 输出接口以及连接这三部分的 总线组成。 ( 3 )以 AT89S52 为例

AT89S52 单片机属于塑料双列直插式封装方式。它共有 40 个引脚。其中 2 个 电源引脚、 2 个时钟引脚、 32 个输入输出引脚、 1 个复位引脚和 3 个控制 引脚。 ( 4 )单片机 工作过程 单片机执行一条完整的指令必须经过提取指令、分析指令和执行指令三个过程。 2 . 单片机与传动机械 课标中对于传动机械具体要求如下: ( 1 )知道一般机械的组成,了解常见的机械传动的方式。 ( 2 )了解常见齿轮传动的特点、形式和应用,会计算简单的齿轮传动比。 ( 3 )能按照装配图样安装简单的齿轮装置,并进行调试。 ( 4 )了解常见的连杆传动机构的结构及其应用,能设计和制作简单的连杆装 置。 ( 5 )能设计一个简单的电动机械,并进行安装和调试。 ( 6 )能设计和制作一个由传感器、单片机、继电器、电动机和传动机械等组 成的简易机器人或简单的自动控制系统, 并能通过试验完成 2 ~ 3 个规定的动 作。 “单片机与传动机械”主要是教给学生最基本的机械知识, 并通过设计和制作简 易机器人, 使学生对系统组成的认识由单一的硬件拓展到由软件和硬件组成的控 制系统, 并通过软件和硬件之间的联系和协调,更深一层次地让学生运用系统思 想方法和技术试验去解决设计中的技术问题, 并能亲身感受先进技术方法的优越 性,使学生在“技术与设计”中习得的知识、技能和方法得到再一次锤炼。 ( 1 )机械一般由动力部分、传动部分、执行部分和机体组成。 六脚虫机器人机械部分:动力部分是电机、传动部分是齿轮、执行部分是虫脚、 机体是虫身。 ( 2 )机械传动的作用

传动部分是机械中一个重要组成部分。 传动部分的作用是把动力部分产生的动力传递到执行部分。 ( 3 )机械传动的方式 带传动、链传动、齿轮传动和平面连杆传动。 带传动:带传动通常由主动轮、从动轮和张紧在两轮上的环形带组成。 链传动:利用链与链轮轮齿的啮合来传递动力和运动的机械传动。 平面连杆传动:所有构件间的相对运动均在平行平面内运动的连杆机构。 齿轮传动:齿轮传动是利用齿轮间的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。 在这,我们重点学习齿轮传动和平面连杆传动。 A :常见齿轮传动形式:圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动、齿轮齿条传动、蜗杆传 动。 圆柱齿轮传动:改变转速与转动方向。 圆锥齿轮传动:改变转轴朝向。 齿轮齿条传动:将旋转运动转换为直线运动。 蜗杆传动:由蜗杆与蜗轮互相啮合组成的交错轴间的齿轮传动。传动比大,传动 平稳。 B :常见平面连杆传动形式 曲柄摇杆:把曲柄的圆周运动转变为摇杆的往复摆动。

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平行连杆:一个曲柄带动另一个曲柄做角速度相同的旋转运动。 曲柄滑块:把曲柄的转动转变为滑块的直线往复运动。 3 . 六脚虫机器人与机械传动: 六脚虫所用的变速箱采用的是齿轮传动。 六脚虫的脚采用的是平面连杆传动中的曲柄摇杆传动。

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学生动手实践:

第一:计算齿轮传动比:齿轮转动中主动轮与从动轮的角速度(转速)之比叫做 传动比。 第二:齿轮变速箱的安装:认识齿轮变速箱各部件的名称。区分圆柱齿轮与冠状 齿轮、组合齿轮变速箱、对比不同片数齿轮变速箱的差异 (三)寻迹机器人 寻迹机器人,也叫循迹机器人,或称为走黑线机器人。它是通过光电传感器识别 地面上的轨迹,随时调整自己的运动方向以使自己始终沿着轨迹行走。 教学侧重点:控制电路、控制程序(偏软) 。 1 . 单片机与控制电路 A :课标对于此主题的具体要求如下: ( 1 ) 了解电子控制系统的基本组成,知道单片机是一种使用广泛的控制电路。 ( 2 )知道常见的传感器及其作用。 ( 3 )了解继电器的结构和工作原理,并能掌握简单的使用方法。 ( 4 )能用传感器、单片机和继电器等安装一个简单控制装置,并进行试验。 电子控制系统:电路组件相当于人的大脑和各种神经。由电路组件相互连接,组 成电子控制系统。 电子控制系统的基本组成: (重点介绍输入与输出部分)

第一:输入部分:通常由各种传感器组成。 传感器: 传感器是能把各种非电信号转化成电信号的器件或装置。在电子控制系 统中,传感器相当于人的感觉器官。

第二:控制部分:一般由微处理器或具有控制功能的电子电路组成。单片机就是 一种广泛使用的控制电路。 第三:输出部分:一般由电磁继电器、扬声器、灯等多种执行器件组成。 电磁继电器:继电器是具有隔离功能的自动开关元件 。继电器是用较小电流去 控制较大电流的一种“自动开关”。 继电器的作用: 通过“以低控高”、“以小控大”,从而达到控制、保护、传 递和转换信息等作用。 继电器主要参数 :额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压,也 就是控制电路的控制电压。 触点负荷是指继电器允许加载的电压和电流。它决 定了继电器能控制电压和电流的大小。例:会识读继电器的参数:如下图继电器 额定电压为 3V ;触点负荷为: AC250V 3A 、 DC30V 3A 。

B :寻迹机器人控制电路:

寻迹机器人的输入部分主要由光电传感器组成。 寻迹机器人的输入部分主要由控制电路板组成,其中的核心部件是单片机。

寻迹机器人的输出部分主要由电机组成。 在这里主要学习光电传感器。 光敏传感器是将光强弱的变化转换成与之对应的电信号的变化。 光电传感器属于 光敏传感器。光电传感器能检测光照度强弱的变化。

光电传感器的结构: 光电传感器工作原理:光电传感器工作时,红外发光管能发射红外线,当它遇到 障碍物时反射到红外接收管上,红外接收管受到红外线的照射后阻值发生变化, 形成高电位和低电位。 不同颜色的物体表面的反射能力不同,一般白色物质反射 能力强,黑色物质反射能力弱。 2 . 单片机与控制程序 在这里主要解决程序方面的问题: 课标具体要求如下: ( 4 )了解一种单片机汇编语言,掌握一种单片机常用的汇编语言指令。 ( 5 )学会用指令编制简单控制的程序,并能根据试验进行修正。 ( 6 )能操作单片机编程器将编写的程序烧结固化。 语言的选择:程序设计的语言有多种。我们选取图形化编程语言。图形化编程语 言采用了一种经过特殊设计和定义的图形化代码来进行程序设计。 图形化编程语 言不仅是因为它形象生动,简单易学,还因为它逻辑清晰。这种语言可以让学生 把学习的重点放在逻辑设计上, 而不必花更多的时间去记忆一些程序语言的繁琐 规定。 以寻迹机器人为例:学习编程并下载的过程。 第一步:分析原理并制定实施方案 第二步:画实施流程图 第三步:转换成图形化编程语言 第四步:调试与下载

寻迹机器人有两个方案可以实现寻迹。 ? 方案一:利用一个光电传感器完成寻迹任务。

第一步:分析原理并制定实施方案

单个光电传感器寻迹机器人左右摇摆工作。首先将寻迹机器人的光电传感器放 置在黑线上,机器人会向右摆动,当光电传感器出到黑线外时,机器人向左摆 动。由此往复。 第二步:画实施流程图 第三步:转换成图形化编程语言

实施方案二:利用二个光电传感器完成寻迹任务 第一步:分析原理并制定实施方案 第二步:画实施流程图 第三步:转换成图形化编程语言

第四步:调试与下载 (四)分拣球机器人 分拣球机器人需要运用机械、电路、程序等多个单元的综合知识;每一部分也都 比前面的机器人要更为复杂。 因此这个机器人可作为综合性实践项目,对学生进行全面的考察与训练。

熊雪亭 北京八中,中学高级教师。 研究方向:主要研究机器人、 CAD 和 CAM 。 获奖情况:辅导学生参加 北京市中小学电子制作创新大赛,有多名学生分 获一、二、三等奖。 学术机构兼职: 无线电运动协会专业委员会 主要论著: 2009.9-2010.1 期间负责《电子制作》杂志简易机器人系列讲座, 《风车机器人》在《电子制作》杂志 2009 年 9 月上发表; 《六角虫机器人》在《电子制作》杂志 2009 年 10 月上发表; 《走黑线机器人》在《电子制作》杂志 2009 年 11 月上发表;

《碰壁回头机器人》在《电子制作》杂志 2009 年 12 月上发表; 《分拣球机器人》在《电子制作》杂志 2010 年 1 月上发表。

张军 工作单位: 北京市第八中学 职务职称 : 特级教师 主要研究方向 : 通用技术和信息技术教学 荣誉称号: 北京市特级教师、北京市优秀 教师、北师大兼职导师。 学术机构兼职: 1.北京市无线电运动协会(理事长) 2.北京市西城教育学会理事 主要论著: 1.《乐智机器人简明教程》 2.《高中信息技术》 3.《初中信息技术》 4.北京八中通用技术教学实践(全国一等 奖)


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