简易机器人入门和制作66中wzj3

1兰州市第六十六中学校本课程简易机器人入门及制作致同学们：“机器人是本世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义的自动化”，这是著名科学家宋健院士对于机器人在20世纪所取得成就的精辟概括。今天，机器人广泛地活跃在人类生产、生活的方方面面，已经成为我们的忠实助手和朋友。机器人集中了机械、电子、控制、计算机、人工智能等多学科的知识，已成为高科技的代名词。很多青少年都憧憬着能亲手设计、制作自己的机器人。本书将帮同学们圆这个梦。本书将向大家介绍有关机器人机械结构、控制系统和程序编写等方面的知识，指导大家运用这些知识来设计制作简易的机器人。机器人教育是中小学教育改革的一次全新尝试，尽管我们也力求用同学们熟悉的语言和形式，深入浅出地讲述机器人中包含的种种问题，但由于自身水平有限，书中一定存在不少错误或不妥之处。希望同学们将学习中发现的问题向你们的老师或直接向我们指出，我们一定会虚心听取同学们和老师们的意见，让这本教材在不断修订过程中日臻完善。愿我们通过本书成为好朋友！目录第一章认识机器人第一节机器人世界第二节机器人的结构特征第三节简易机器人设计第二章乐高教育机器人NXT介绍第一节蓝牙机器人系统第二节软件组成第三节硬件快速入门第三章搭建简易的机器人第四章机器人动起来1.播放声音2.使用显示器3.向前驱动4.向后5.加速6.曲线转弯7.锐角转弯8.方形驱动9.停车场10.检测声音11.检测距离12.距离控制13.检测暗线14.检测触摸15.我的赛车16.速度控制17.光线反应18.跟随线路1第一章认识机器人提起机器人，大家并不陌生。它不仅在电影电视、书籍报刊中频频出现，而且已经深入到人类生活的很多方面，在工业、农业、服务业、军事、航天等领域得到广泛应用。图1-1走近机器人，认识机器人，甚至亲手制作机器人，已成为很多青少年的憧憬。从本章开始，我们将走入机器人的世界，认识机器人的基本结构和原理。通过逐步深入地学习，我们将设计、制作出自己的机器人来。第一节机器人世界什么是机器人？面对这个问题，多数人脑海里浮现的可能是影视作品中那些令人难忘的角色，如铁臂阿童木、终结者、机器战警、变形金刚等等。它们充满智慧、能力超群，能完成很多人类所不能从事的工作。事实上，这些机器人只是艺术家对现实生活中正在为人类服务的机器人的智慧和能力的艺术夸张以及对未来机器人的大胆想象，那么目前现实生活中的机器人在人类的社会活动中扮演着什么样的角色呢？机器人为我们制造商品案例：工业机器人已经在汽车、家用电器等行业的生产线中广泛应用着。2图1-2机器人在为汽车喷漆图1-3电视机生产线上的机器人机器人为我们提供服务案例：家用清洁机器人已经成为韩国的热门商品。图1-4清洁机器人机器人为我们探索未知世界案例：火星探测机器人、海底探险机器人。3图1-5火星探测机器人图1-6海底探险机器人以上只是列举了机器人的几种典型应用，其实形形色色的机器人还有很多。可以看出，机器人是人类认识和改造自然的一种工具，它们不一定具有人的外形和所有功能。我国科学家曾经对机器人这样定义：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人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、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。需要指出的是，迄今关于机器人的定义仍然是仁者见仁、智者见智。原因在于机器人的应用领域还在不断地拓展。其实，机器人定义的多样性非但无害，反倒为人们提供了想象和创造的空间。4第二节机器人的结构特征一、机器人的结构特征机器人由于功能不同，因而形态各异。但各类机器人在组成上也存在共性，图1-7所示为一个典型机器人系统的结构组成。图1-7机器人系统构成根据不同的功能，机器人系统可分为五个部分：（1）机械结构：组成机器人的本体，如操作臂、末端执行器、行走机构等。（2）驱动装置：驱动机器人关节运动的部件，如行进电机、伺服电机、汽缸、液压缸等。驱动装置和机械结构组成机器人的机械系统。（3）传感器：感知机器人内部状态及外界信息的元器件或元器组件，如光电类传感器、温湿度传感器、压力传感器等。形象点说，传感器就象是机器人的眼睛、鼻子、耳朵等器官。（4）控制器：负责接受传感器信息并指挥机器人运动的装置，是机器人的大脑。（5）动力装置：为机器人各部分正常工作提供能量的部件，如电源、气压液压源等。从物理结构上说，机器人就是上述几个部分构成的有机整体。本课程中，我们所要学习和制作的对象是简易机器人，那么它们与正在各个领域中服务的实用机器人有什么不同呢？表1-1给出了一个简单的比较。与实用机器人相比，简易机器人“麻雀虽小，五脏俱全”，虽然它重量轻、体积小，在功能、结构等方面相对简单，但与实用机器人没有本质的差别。同学们，就让我5们从简易机器人入手来学习有关机器人的知识吧，在掌握了简易机器人的基本设计、制作和控制知识后，制作更加复杂的机器人就不再是遥不可及的事了。二、简易机器人制作理念开展简易机器人制作活动，需要一个开发平台：计算机平台和简易机器人教具平台（图1-8）。通过不同途径和思路搭建教具平台，就衍生出不同的简易机器人制作理念。图1-86简易机器人与实用机器人的对比项目简易机器人实用机器人应用场合玩具、教具、比赛各类产业领域机械结构简单的拼装件、模块，以塑料、木料、铝材、纸板等材料为主满足额定载荷对刚度、强度、精度的要求，采用高强度、高刚度的轻质材料控制器单片机，软件开发资源丰富、廉价专用控制卡或计算机，软件开发环境复杂、昂贵驱动装置小功率直流电机、舵机大功率电机、液压缸、气压缸等传感器简易、廉价高性能、高精度、高价格动力装置电池电源、液压装置、气压装置质量数百克到数千克数十千克、数百千克等体积小大7第三节简易机器人设计从下面的的六张图中，我们可以看到机器人设计、制作的整个流程，所有的简易机器人都是这样设计和制作出来的。→任务提出方案制定和论证→→制作编程→→下载程序到机器人调试改进8第二章乐高教育机器人NXT介绍第一节蓝牙机器人系统一、硬件组成蓝牙机器人硬件是由NXT控制器、伺服电机、传感器等组成，如图1.1.1所示。NXT控制器就像人的大脑，伺服电机好比人的肌肉，提供动力，传感器就像人的五官，采集外界环境的数据，然后反馈回大脑进行处理。图1.1.1NXT蓝牙机器人硬件系统组成1．NXT控制器介绍性能参数特点描述主处理器32位ARM7处理器AT91SAM7S256256K闪存，64K静态内存主频：48MHZ协处理器8位AVR处理器ATmega484K闪存，512字节静态内存主频：9MHZ蓝牙无线通讯蓝牙核心规范2.0＋EDR系统支持串口规范9内置47KRAM，外置8Mbit闪存主频：26MHZUSB2.0通讯传输速度12Mbit/s输入端口4个6线数字接口，支持数字和模拟接口1个高速端口，符合国际总线标准IEC61158TYPE-4/欧洲标准EN50170输出端口3个六线数字接口，支持解码器信号输入显示屏100x64象素黑白图像显示可视区域26mmx40.6mm扬声器8位分辨率的输出频道支持2－16KHZ采样率电源6节AA电池，1400mA的锂电池板连接线6线工业标准连接线RJ12右侧卡口2．NXT伺服电机特性内置角度传感器可以测量速度和距离可以精准控制：当机器人运行时，可以校准速度控制精度可以精确到1度电机上的孔结构更容易固定和安装每个电机内置一个角度传感器，这使你能准确的控制电机转动，角度传感器测量电机转动能精确到1度，电机转动1圈等于360度，因此如果你在程序里设定电机转动180度，电机输出时将转动半圈。3．NXT传感器特性触动传感器：性能上与RCX触动传感器一样，但NXT触动传感器前端带有十字孔，方便我们制作缓冲器10光电传感器：可以读取周围环境光的强度可以从红外发射管的反射光来读值可以识别颜色，灵敏度更高红外发光管是可以关掉的，从而达到只读取环境光的强度声音传感器：能测量普通声音（dB）和用A计权测量的分贝(dBA)能识别声音模式能进行音调的识别，频率越高声音的音调越高超声波传感器：能测量距离，范围在0-255cm之间,检测误差+/-3cm,检测角度150度能识别物体，通过检测距离能识别物体运动4．NXT蓝牙特性蓝牙（BlueTooth)是一种低成本大容量短距离无线通讯新规范，蓝牙规范采用微波频段工作，传输速率每秒1MB字节，最少传输距离10米，通过增加发射功率可达到100米。NXT蓝牙一般特性●蓝牙V2.0（CLASSII）●支持SPP（串行埠定义）●传输范围至少10M，最大范围达到30M或甚至更远●具有很强的安全性NXT蓝牙的主要功能：●与带有蓝牙功能的设备通讯。如:手机、电脑等11●能同时可以与3个设备连接●可以搜索其它蓝牙设备●能记住前一个连接的设备并快速连接●可以将NXT隐藏●可以关闭蓝牙以节省电源第二节软件组成TheLEGO®MINDSTORMS®EducationNXTSoftware是使用“LabView™引擎开发的图形化编程软件，该软件入门起点低，拓展面广，具有循序渐进式的友好的用户界面，整个编程界面只使用了43个命令图标，编程速度更快，功能更强大。软件共分为”模块界面、编程区、控制面板、参数设置面板和教学区“五部分。相比其它图形化编程软件，该软件在功能上做了很大提高，具体特点如下：1.基于Labview图形化编程语言（G语言）G语言(GraphicalLanguage)。G语言是一个划时代的高效用的图形化编程开发环境，提供了一种更快捷的程序编写方法，编程环境直观明了，它有几百个模块组成，用一个个图形模块代替传统的编程语句，例如循环、条件等都有相应的图标，可以完成所有C语言和VB等语言的功能，设计者只需要把所需的图标从功能模块中抓取下来进行连线即可实现程序编写，无需编写任何代码，与传统编程的表现形式有根本区别，但其编程的逻辑思维与传统编程一样，和C、VB等一样都是计算机的编程语言。所有这些特性使G语言更易于学习，从而减少程序开发时间，提高编程质12量。2.循序渐进式的友好的用户界面交互式快速入门向导,三等级编程模块区，从易到难，从基本模块到高级模块。38个编程模块，入门更加快3.任务驱动式的学习环境－39个活动案例1314第三节硬件快速入门一.安装电池1．安装碱性电池NXT控制器需要安装6节AA电池推荐使用碱性电池NXT也可以使用AA/LR6类可充电电池，但是,NXT力量显示出来也许没使用碱性电池大当NXT显示电量低时,这个电量图象会不停的闪动注意!不能在NXT内使用不同类型的电池要及时将用完电池取出NXT长期不使用时要将里面电池取出不能在NXT内直接对AA/LR6类充电电池充电2．安装充电电池15在充电时，将电源适配器与外接电源连接，充电电池直接与适配连接，当充电电池没有安装在NXT上时也能完成充电。当电源适配器与电池连接时，电池上绿灯会打开当电池充电时候，电池上面红灯会打开，当充满电时红灯将关闭将一块空电量电池充满大约需要四小时，但充电时间久了也不会损坏NXT当电池正在充电时候也能正常使用NXT，但充满电需要更长的时间充电电池能反复充电500次以上当第一次使用充电电池之前，要将电池与NXT一起充电大约20分钟，在充电电池完全地耗尽时，再次充电之前也可以这样做二.NXT控制器全貌1．NXT输入、输出端口16NXT控制器是LEGO®MINDSTORMS®教育机器人的大脑，它有三个输出端口、四个输入端口和一个USB端口。伺服电机通过连接线可以连接到NXT控制器任意输出端口（A、B、C）上，也可以使用套装内转换线缆，将灯泡和RCX系列的电机连接到输出端口上，在NXT上电机或灯泡默认设置如下：端口A：此端口上电机或灯泡起到扩展功能的作用端口B：当机器人由两电机驱动运动时，B端口连接一个电机，通常是机器人左边的驱动部分端口C：当机器人由两电机驱动运动时，C端口连接一个电机，通常是机器人右边的驱动部分传感器通过连接线可以连接到NXT控制器任意输入端口（1、2、3、4）上，也可以使用套装内转换线缆，将RCX系列的传感器或第三方传感器连接到输入端口上，在NXT上传感器默认设