资源简介

南京市第十三中校本教材
《机器人设计与技术初步》
罗洁华编写
想一想：1、什么是机器人？ 2、机器人应具备哪些最基本的特征？ 3、你能举出身边的几种机器人吗？
第一节 机器人介绍
一、机器人的三个基本特征。
1．有一定外型的身体
机器人的身体应该是一种物理形态，它的外形取决于人们想让它做什么样的工作，其功能设定决定了机器人的大小、形状、材质和特征等等。
为了便于将机器人身体的设计思想尽快体现出来，我们选择采用乐高积木块(宝高的也行)来搭建机器人的身体，乐高积木块的形状如图1-1所示；
图1-1 乐高积木块
2．有自身的大脑
大脑就是控制机器人的程序或指令组。当机器人接收到传感器的信息后，能够遵循人们编写的程序指令，自动执行并完成一系列的动作。
我们使用图形化编程软件ROBOLAB软件来编写机器人的程序，上面的图1-2就是机器人在桌面行走到桌边自动后退的程序。该程序编写好后可以下载到RCX（Robotics Control X机器人控制指令系统）微型电脑中，如图1-3所示，它就可以像大脑一样控制和指挥机器人动作。
3．能完成一定的动作
动作就是机器人的各种运动状况，任何机器人在程序的指令下要执行某项工作，必定是靠动作来完成的，有时即使机器人根本不动，这也是它的一种动作表现。
机器人通常具有三个基本特征。是不是机器人，只需分析一下它是否具备以下三个特征：
1．有身体： 是一种物理状态，具有一定的形态。
2．有大脑： 控制机器人的程序 。
3．有动作： 任何机器人都有一定的动作表现。
下面的设备是机器人吗？（是则打“ √ ”）
取款机、复印机、寻呼机、自动售票机、售货机、烟雾检测器、红绿灯、电动门、录像机、微波炉，自动洒水系统、洗衣机、电话、风向标、玩具机器人或手表
参考答案：后3种肯定不是，电话要分是否有自动接听等功能，机器人应是“能自动工作的机器”。
课后问题：1．制作机器人需要解决的问题有哪些？1）制作出有感觉和动作的机器人身体（需要机械、电子知识）；2）编写出控制机器人动作的电脑程序（需要电脑和各类综合知识）；3）……。2．设计制作机器人需要哪些能力和习惯配合？
参考资料
http://www./ ( http: / / www.21cnjy.com / " \o "欢迎登陆21世纪教育网 ) 江苏省机器人网
2. ROBOLAB 2.5编程者指南
第二节 RCX和ROBOLAB（以乐高机器人为例）
想一想：1、制作机器人需要有哪些过程 2、制作机器人需要准备哪些硬件和软件知识
机器人制作的四个步骤
设计和身体制作（搭建）
在电脑上编制程序
下载程序到微型电脑上（RCX）
程序执行和调试
二、RCX的结构
RCX（Robotics Control X 机器人控制指令系统）
RCX是一块可编程积木，是所搭建模型的核心，用它来控制机器人的行动。
RCX可以下载程序，用程序控制一系列输入（传感器）和输出（马达和灯等），来响应周围环境,完成一定的任务。
2．RCX结构
3路输入端口（1，2，3），是RCX与传感器（如触动、光电、温度及角度传感器等）的连接点；
3路输出端口（A，B，C），是RCX与输出器件（如马达和灯等）的连接点；
4个控制按钮：红色——电源开/关，黑色——端口查看，灰色——程序选择，绿色——程序的开始/停止；
1个LCD显示屏；
1个AC（交流）适配器连接器（变压器）插口；
1个红外传输（发送/接收）器。
3．RCX电源：直流9V——使用6节5号电池、电池盒或1个稳压直流电源。
4．RCX 的编程语言：
图形化编程语言——ROBOLAB语言。另外还有NQC 等，还可以通过控件使用VB、VC、Delphi 等语言。
三、ROBOLAB
1．ROBOLAB软件界面
进入编程窗口：ROBOLAB——PROGRAMMER（编程者级别）——Inventor 4（发明家级别）
打开图表区：Window（窗口）——Show diagram（显示图标区）
功能面板
打开功能面板：Window（窗口）——Show controls palette（显示功能面板）
在图表区右击,也可以出现功能面板,单击面板外——消失。
凡矩形图块右上角右黑点的，可以继续展开。
编程时，只要选择适当的图标，将图标拉到图表窗口中，并用线按逻辑顺序连在一起，就完成了编程，通过下载，我们就可以控制我们的乐高机器人。
在图标上右击可根据提示替换或解释图标，在连线上右击可插入图标（程序）。
工具面板
打开工具面板：Window（窗口）——Show tools palette（显示工具面板）
工具的具体功能如下：
Operate Value 操纵工具 常用于操纵面板窗口中的仪器板。在数据采集中会用到。
Position/Size/Select 定位工具 选择、定位图标，或更改图标尺寸。
Edit Text 标示工具 编辑注解或文字输入
Connect Wire 连线工具 在图表窗口中对图标进行连线。
Object shortcut menu 弹出工具 弹出快捷菜单,直接按下右键就会弹出这个菜单。
Scroll Window 滚动工具 整个画面滚动
Set/Clear Breakpoint 断点工具 设定/删除断点
Probe Data 探针工具 在连线上设定一个探针，用于调试
Color copy tool 颜色工具 取颜色
Set Color 着色工具 设定颜色
可以使用TAB 键或空格键来切换工具,TAB 键可以在Operating tool、Positioning
tool、Labeling tool、Wiring tool 这四个键之间切换。空格键可以在Positioning tool、Wiring tool这两个键之间切换。
猜一猜：（程序完成的动作）1)解释:2)解释:3)解释:4)解释:5)解释:
试一试：编写机器人前进至撞墙后退1秒钟停住的程序.2. 编写机器人前进1秒后左拐90度,行走1秒后再左拐90度回出发线的程序,并记录左拐90度的时间.3.自己设计编写程序
附：
RCX 端口：
标识 颜色 名称 功能 说明
1，2，3 咖啡色 输入端口 与传感器（例如光线、温度传感器）连接。 尺寸：标准乐高2*2板；A/D范围：0-5V
A，B，C 黑色 输出端口 与马达、灯等驱动部件连接。 尺寸：标准乐高2*2板；PWM输出
RCX 按钮：
标识 颜色 名称 功能 说明
On-Off 红色 开关 打开或关闭电源。 只要RCX的电池在，里面的程序是不会丢失。
View 黑色 查看 用户可以通过这个按钮选择需要查看的端口。 被在监控的端口附近的LCD 上将出现一个小箭头。
Prgm 灰色 程序 选择程序（1-5），用于运行或下载。 每按一下，数据递增一。
Run 绿色 运行 停止开始/停止程序。 在程序运行状态，LCD中的小人将在走动。
第三节 ROBOLAB编程练习
想一想：1、你认识ROBOLAB编程原理和图标了吗 2、你看懂了几个简单的机器人程序 试着交流一下。 3、通过尝试，感觉自己会编程了吗？
控制机器人行进的速度
编写机器人行走的程序
编写机器人慢速行走的程序
下载程序并实验
机器人拐弯和旋转
左右拐弯的3种方法和编程
旋转的程序编写
下载程序并实验
跳舞机器人
编写一段程序，包括四步：分别完成机器人的前进、后退、左转、右转，你能很快写出来吗？如果想让机器人不停地跳下去，你有几种方法？
编写一个程序：A、C马达向前转0.5秒，停0.5秒，然后向后转0.5秒。重复上述动作，要求：舞曲结束时，让机器人回到起点，你能做到吗？
编写程序，让你的跳舞机器人快乐起舞!下面是大赛规定的动作，除了规定的动作，还需要机器人有自选动作，当然，别忘记美妙的背景音乐!
规定动作：前行2秒; 右转45度，倒退3秒; 左转45度，前行4秒; 左转90度，倒退2秒; 右转90度，前行3秒; 自转2圈.
你的自选动作和音乐：
下载程序并实验
碰壁（触感）
急停
倒退
拐弯（先退后拐）
下载程序并实验
悬崖（光感）
急停
倒退
拐弯（先退后拐）
下载程序并实验急停
沿黑线走
单光感行走原理
两光感行走原理
下载程序并实验
数格子走
试一试：依次完成第三节编程，用老师的机器人下载后实验，分析结果。完成并保存第三节7个项目基本任务的成功的程序，取其中几个任务结合后可以编出哪些任务的程序，效果如何？
第四节 乐高基本搭建技巧
想一想：1、你会做机器人吗 你想做机器人吗？你曾经用积木块做出过能活动的机器人吗？ 2、你认为乐高积木块能做出些什么？能有哪些方面的应用？ 3、你想知道乐高积木块搭建的基本技巧吗？
对初级乐高搭建者来说，认识乐高积木只是入门的最基本要求，而要搭建出美观、稳固的结构就必须掌握一些基本的搭建技巧。我们知道任何复杂的结构都可以分割为最基本结构，如果掌握了搭建的基本技巧，就可以将简单的模块(结构)叠加为复杂模块，同时也有利于入门者一开始就能在有设计方案的前提下搭建，而不是盲目的搭建。
认识乐高基本单位
乐高积木的基本功能
3．乐高积木设计技巧
试一试：搭建1个没有RCX的，能自由行走的最简单的小车。搭建1个2马达、1RCX的，能自由行走的最简单的小车。搭建1个2马达、1RCX的，能自由行走的，有感觉和触觉的最简单的小车。制作1个有个人特色的，能完成一定任务的机器人，并下载程序执行。
附：
ROBOLAB常用图标解释
图标 功能 范例 解释
程序开始与结束 B马达转动2秒后停止。
打开马达 A马达转动1秒后停止。
关闭端口
表示时间 B马达转动2秒后停止
等待指定时间（秒）
A灯打开，5.5秒后关闭。
等待指定时间（0.01秒） A灯打开，0.1秒后关闭。
等待触感被按下 A灯打开，等待触感被按下后关闭A灯。
等待触感被松开 A灯打开，等待触感被松开后关闭A灯。
等待光感大于某一数值 A灯打开，光感值大于40后关闭A灯。
等待光感小于某一数值 A灯打开，光感值小于40后关闭A灯。
等待光感增加一定量 A灯打开，光感值上升1后关闭A灯。
等待光感下降一定量 A灯打开，光感值下降1后关闭A灯。
指定输出端口 A马达打开1秒后关闭。
指定输入端口 打开A马达，等待3端口触感被按下后关闭A马达。
端口的值 等待触感被按下后在RCX屏幕上显示端口1的值。
马达的能量级 马达A以能量级别3转动4秒后停止。
常量 前面一直在使用，很常用的一个图标。
着落和跳转实现无限循环 无限播放C音符。
触动传感器判断分支 触感松开时，A灯亮，触感按下后，C灯亮。
光感判断分支 光感值大于40时，A灯亮，光感值小于40时，C灯亮。
分支合并 光感值大于40时，A马达转动，小于40时，C灯亮
循环 打开A马达一秒后关闭，重复循环5次。
触动传感器循环 打开A马达一秒后关闭，直到按下触感后结束循环。
光感小于循环 当光电传感器的值小于40时，让A马达不端转动。
更多图标解释请看ROBOLAB编程指南
常用机器人活动网址
中文网站名 网址 描述
西觅亚网站 www. 目前中国最大的乐高网站
机器人社区 www.robotdiy.com 中国最大的机器人社区
乐高资料库 Robolab.fjyy.com 有非常丰富的乐高资料
RoboCupJunior中国赛区官方网站 robocupjunior. 机器人足球中国赛区官方网站
RoboCupJunior 国际官方网站 www.robocupjunior.org 机器人足球国际官方网站
FLL机器人世锦赛网站 www.firstlegoleague.org FLL机器人世锦赛网站
IRO国际机器人奥林匹克竞赛 www.iroc.org 亚太地区机器人比赛官方网站
江苏省机器人网 www. 江苏省青少年机器人等科技活动网站
参考书：
ROBOLAB 2.5编程者指南
乐高搭建指南
乐高组件和软件在在工程学中的应用-美国
乐高设计的艺术
第五节 实践练习
领用器材
2-4人小组确定名单和工作空间。根据实验要求开列器材清1式2份，领用器材。
通过查资料、询问及实际操作和调查，笔答下列问题于专用笔记本上（注明题号，写清是否经过实践验证）。
实践并笔答问题如下：
RCX的电源电压是多少？如何测量？有哪几种提供方式？
普通5号干电池电压是多少？新买的电压是多少？电压通常低于多少时不能使用，需要更换？
5号充电电池电压是多少？充足电时电压是多少？电压通常低于多少时不能使用，需要重新充电？
同一RCX中，能否使用不同电量，不同电压，不同型号的电池？为什么？
同一充电器中，能否装放不同电量，不同型号的电池充电？为什么？
如何延长充电电池寿命？
可以对普通干电池充电吗？为什么？
有同学使用充电电池，其RCX电源电压是多少？有同学想用增加两节电池的方法提高电压，可以吗？如何连接？操作中要注意什么？
什么叫短路？什么叫断路？画图说明。
什么叫串联？什么叫并联？各有什么特性？画图说明。
给RCX换电池要注意什么？
RCX电量低时，有哪些显示？在RCX上还是电脑屏幕上？如何操作？
RCX使用的是什么软件？有哪些途径可以得到？有哪些版本？如何安装？
活动室内的电脑可以随便使用吗？有哪些常规要求？各种插件可以任意插拔吗？
使用电脑的注意事项有哪些？如何传进、导出电脑中有用的资料？如何保存资料（常规）？
如何防治电脑病毒？如何安装杀毒软件？
活动小组中，每人都是主人。你担任了什么主人的角色（管理和常规）？任务完成得如何？
RCX红外发射器通常有哪几种？你使用的是哪一种？如何为其寻找和安装软件？
由RCX窗口能知道哪些信息？通过窗口怎样知道RCX有无固件？窗口如何表示电力低？如何表示高能量传输信号？
如何设置红外发射器的能量？如何调整自动关机时间？如何锁定和解锁程序1和2？如何查看RCX的电池能量？
你的电池准备好没有？规格如何？一般换一次电池可以使用多长时间？
1个RCX可以同时安装几个程序？1次可以执行几个程序？不同程序间可以相互连接和控制吗？
RCX红外发射器最远可以传输多大距离？通常的低能量传输信息多少距离最佳？你有哪些措施保护RCX程序不被外界干扰？
举出3件结束机器人活动，离开活动室前的重要工作。
RCX窗口无显示，可能的原因有哪些？
乐高马达有哪几种？空载转速和最大扭矩分别是多少？哪一种最快？哪一种力量最大？哪一种功率最大？哪一种耗电最大？
乐高马达的电源由哪些方式提供？连接线有几种？乐高马达的连接线与RCX有上下左右4个方向的连接方式，不同的连接方式，马达旋转方向有何改变？拔插连接线时要注意什么？
什么是乐高单位？砖块、梁和板子的乐高单位分别是多少？普通马达的长度、宽度和高度各是几个乐高单位？
寻找固定马达的最佳方案？用什么零件并列2个梁？怎样使底盘和RCX牢固连接？
用1个普通马达搭建一种最简单的直线行走小车，至少需要哪些积木？做出来，比试比试。
编程中关于马达有哪几种符号？编写直线走程序，直线竞速，看谁先到达终点。
在编程中，马达有几种能量级别？各能量级别如何设定？不同能量级别对速度和扭矩有何影响？有哪些方面的应用？
做1个差速器至少需要哪些零件？做一做。如何测试两个马达是否同速？选定接近同速的1对马达，记下标志。
1个马达搭建的小车能够控制转弯吗？2个马达搭建的小车可以控制转弯吗？做1个能自由转弯的小车至少需要哪些零件？编写定点左转90度和定点右转90度的行走程序，结合2马达小车试一试。
影响马达走直线的因素通常有哪些？举出调整小车走直线的方法种种。
做一做，2个马达和RCX的组合方式有哪些？各有哪些特点和应用？
应用时控编程，看谁最快、最稳地居中行走，进入灭火场地2号房间。
设计三轮车的不同万向轮。各有什么优缺点？各有哪些应用？
如何准确定位机器人？可以利用哪些辅助设置和原理？
爬坡机器人和走平地机器人相比，在结构上有何特殊要求？对马达的能量有何要求？设计制作机器人爬上保龄球场地坡顶，并居中左转90度直线走。
齿轮有哪些种类？齿轮的固定有何注意事项？
应用齿轮如何改变速度？哪些齿轮可以形成齿轮组？速度改变如何？
设计1个有情节、有动作、有服装道具的表演2分钟左右的舞蹈机器人。
设计制作一个能利用时控和触动传感器控制，在灭火场地里由起点出发，进入3号房间，绕房一周后回到出发点的机器人。
设计制作一个沿桌边走的机器人（提示：利用光感）。
分别使用1个和2个光感设计制作一个沿黑线走的机器人。
设计制作一个数格子到终点的机器人。
根据自己的观察和生活实践，设计制作一个有一定创新设计和功能意义的机器人。
按要求完成所设计的机器人的文字报告。
各组最好的作品展示评比。
第六节 研究性学习
根据前阶段学习成果，选择优秀学生领头各小组分选今年江苏省机器人大赛一个项目研究制作，做比赛参赛项目准备。
（项目见江苏省比赛通知）
归纳小结
问题讨论
修改变量
直接控制
音乐
互联网控制
控制板
清零
高级编程
等待时间或
传感器的变化
容器运算
开始与结束
结构（包括条件、跳转、循环、多任务、子程序等）
输出控制
多媒体
Scout控制
打开程序
我自己的程序
通信
修饰
等待时间或传感器的变化
音乐
结构（包括条件、、循环、多任务、子程序等）
清零
循环
跳转
分支
事件
相等分支
开始
FLU表示乐高的基本单位
1FLU=0.8cm
水平方向上单位关系为2:1(为了方便计算只要比较水平两个方向的凸点之比,如右图凸点个数之比为4:2)
三块板的厚度等于一块梁的高度
利用乐高基本单位对梁进行垂直固定,可以利用上面的关系计算一下.
白色和黑色销作用有什么不同呢
白色销:表面比较光滑,与梁的孔配合,可以很自由的旋转,常用于连动机构,铰链的设计中.
黑色销:表面比较粗糙,与孔配合时无法灵活转动,常用于部件之间,机构之间的固定.
当小齿轮(8齿)带动大齿轮(24齿)时,实现减速传动,传动比为3:1，即小齿轮转动3圈时，大齿轮转动一圈。该机构会减小速度，同时增加力量
当大齿轮（24齿）带动小齿轮（8齿）时，实现加速传动，传动比为1：3，即大齿轮转动1圈时，小齿轮转动3圈，该机构会增加速度，同时减小力量
通过多组齿轮间的配合实现机构的多级传动，如图所示为两级传动链，传动比为9：1（小齿轮带动大齿轮）。
观察左图，思考该传动链为几级传动且传动比为多大？
答案：5级传动
传动比为243：1
该图为蜗轮蜗杆机构，该机构特点为：
1： 24：1的传动比，速度非常慢
2： 具有“自锁”功能，不能反响传动
（只能是通过蜗杆带动冠齿轮，反
之无法转动）。
3：可以产生大扭矩，但因摩擦，能量 损失较大，无法应用于高性能的主驱动装置中
如果要改变输出轴的转动方向可以使用冠齿轮和直齿轮的配合（如左图），该图中产生一个垂直方向的运动输出。
斜齿轮的配合也可以改变输出轴的转动方向（如左图），该图中产生一个水平方向的运动输出。
如图所示可以使用小滑轮、轴套、斜齿轮防止轴窜动
利用滑轮传动有如下特点：
噪音小，易打滑
常使用于高速低扭矩条件下。
利用滑轮和销固定轴的一种方法
两根梁的另一种特殊固定方法。
两根梁的一种特殊固定方法，非常牢固
观察一下，这两个有什么区别，不仿试一下？
履带的使用方法，注意箭头所指的齿轮作用。
固定马达的一种方法，注意图中导轨板的安装和作用
乐高腿的基本搭建方法
乐高抓手的基本搭建方法

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