资源简介

普 通 高 中 教 科 书
《通用技术》选择性必修2
机器人设计与制作
第五章　机器人的控制与制作
第 二 节 机器人的控制与制作活动
教学设计
教学背景
党的二十大明确指出，“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略，开辟发展新领域新赛道，不断塑造发展新动能新优势”。
机器人是20世纪人类的伟大发明，今天，它不仅能够代替人类登陆火星和潜入几千米以下的深海，还可以不知疲倦地工作在各种生产线上，并服务于我们的日常生活。
关于机器人，我国科学家认为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。国际标准化组织认为工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。
教学目标：
知识与技能目标:
1.熟悉一种机器人平台的硬件和软件系统，以及计算机编程语言及其调试环境。
2.掌握编制计算机程序，实现简单的机器人路径规划和运动控制的方法，并能完成程序调试和程序下载。
教学内容分析:
机器人是一种能够按照预先设计程序而自动执行工作的机械装置。当前机器人已经大规模地走进工业生产、军事、政府管理、商业应用等领域，它们可以帮助或代替人类完成不同的工作，在各个方面影响着人类的生活。通过本章的学习，让我们来初步了解和认识机器人吧。
前面我们学习了机器人主要组成部分的基础知识，搭建了机器人，初步体验了控制器和传感器的设计制作。在这一章中，我们将理解机器人路径规划和运动控制的概念和功能，掌握机器人常用路径规划和运动控制的设计方法。通过机器人制作活动，亲历设计和制作、编程和调试的全过程，尝试简单的机器人运动控制和路径规划，使我们对机器人的基本组成及功能有更进一步的掌握。
学情分析:
生活在科技迅猛发展的21世纪，同学们有必要了解一些机器人的知识，因为未来的机器人将对我们的生活和工作产生巨大的影响。
　　自己动手制作机器人是让同学们了解机器人的最好手段。同学们一起进入机器人设计与制作的精彩世界吧。
教学重难点:
熟悉一种机器人平台的硬件和软件系统，以及计算机编程语言及其调试环境。
掌握编制计算机程序，实现简单的机器人路径规划和运动控制的方法，并能完成程序调试和程序下载。
教学策略:
本节课教学主要由教师通过实物和多媒体手段设置学习情境，并加以引导，让学生在过程中发展学生核心素养、培养实践能力、提升创新意识、开阔认知视野；将自主学习、合作学习、探究学习等多种学习方式渗透进学生的学习和教师的教学当中；不断尝试现代教育技术和方法的运用。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
教学过程:
情景倒入:
老师：本节课我们学习《通用技术》选择性必修2第五章机器人的控制与制作第 二 节 机器人的控制与制作活动。
通过前面的学习，我们对机器人的组成和原理有了一定的了解。这一节，我们将通过制作活动，进一步培养创新精神和动手能力。
机器人的制作是一个复杂的过程。下面让我们通过实践体悟机器人的制作过程，发挥自己的创造能力，设计出符合项目要求的机器人。
一、自动循迹机器人的制作
循迹机器人是一种按照给定路线（使用黑线标识引导）自动进行移动的机器人，它综合运用了传感器、信号处理、电机驱动和自动控制程序设计等技术来实现地面标识检测、障碍避让、路线规划和自动行驶。循迹机器人在生活中有着广泛的应用，例如自动化生产车间中的物料配送机器人、餐厅里的送餐机器人、商场或银行里的机器人助理等。
实践
在地面任意白色水平面上绘制1条黑色标识线（如在地面绘制如图5-4所示的路线）（参见教材P76），设计制作自动循迹机器人，让机器人从该路线中的任何一个位置出发，都能够顺利地沿着路线走下去。
要求：
①分析机器人的行走策略，规划合适的行走路线，控制机器人实地行走。
②帮助机器人在撞到障碍物时，及时后退，继续行走。
③设计机器人可以循着黑线行走的程序流程图，完成程序编写和调试。
④观察机器人循迹行走的过程，分析成功和失败的原因，提出优化的方案并实施。
方法指导
机器人制作的第一步就是设计，机器人的设计实际上有两个重要内容：硬件设计和软件设计。如果我们把硬件看成是机器人的躯体，软件就是机器人的灵魂。硬件使机器人具有行走、感觉的能力，软件使其具有思考、判断、控制的能力。
1．硬件设计
硬件上可采用轮式机器人平台，该机器人依靠左、右两个电机带动车轮进行移动。
通过程序对电机的控制可以实现向前、后退、左转和右转等运动，应用两对光电传感器分置于机器人前部并照射于地面黑线的左右两端（略大于黑线的宽度），就可以检测机器人是否在黑色标识线上方，利用红外传感器、超声波传感器或碰撞传感器都可以使机器人“看”到前方的障碍物，并通过编程进行避让。
2．软件设计
（1）分析。
1）机器人在行走过程中需要不断地检测黑色标识线，一旦发生偏移的现象就要重新对行走的路线进行规划，并通过控制电机让机器人重新走到正轨上。其程序流程如图5-5（参见教材P77）所示。
2）为了对机器人实现更好的运动控制方式，我们要对机器人的左、右两个电机进行差速控制，以避免原地转动。例如：左边的电机转速比右边的电机转速慢，机器人向左前方走；左边的电机转速比右边的电机转速快，机器人向右前方走。具体控制参数如图5-6（参见教材P78）所示。
思考
1．在控制机器人直线行走和转向的时候，应该如何调剂左、右电机的转速？
2．不同的转速配置会对应怎样的行走路径？
3．对于不同的场地应该如何选择合适的行走路径？这种路径如何实现？
3）在机器人躲避障碍物方面，可以利用超声波传感器检测远方是否存在障碍物， 如果有则先降低机器人的行走速度，再结合红外传感器来躲避障碍物。但是对于一些较小的障碍物，超声波传感器和红外传感器可能检测不到，因此，我们可以利用碰撞传感器检测机器人是否已经撞上障碍物，以避免机器人在行走的过程中出现“罢工”的现象。下面给出了利用红外传感器躲避障碍物的设计流程图（图5-7）（参见教材P78）。
4）机器人在躲避障碍物时，应采用原地旋转或后退再转向的方式。
5）在寻找黑线和躲避障碍物这两个功能出现冲突时，一般来说，机器人应优先考虑躲避障碍物，再去寻找地面的标识线，这样能够更有效地对行走路线进行规划。
（2）编程。根据软件设计分析的思路，规划好循迹机器人程序的流程图，并使用图形化编程环境进行代码块的编写。实现上述功能的程序可以不同，这里给出的只是一个例子（图5-8）（参见教材P79），供参考。
3．现场调试
程序编程完成后，需要对机器人进行现场调试，通过对程序进行编译并把编译好的程序上传到机器人中。例如在图像化编程环境中，可使用编程环境中 “编译”按钮对程序进行编译，完成后使用“上传”把程序上传到机器人中（图5-9）（参见教材P80）。上传程序后将机器人放到有标识线的平面上进行调试，此时机器人有可能会跑偏，需要结合实际情况对程序中的速度值Speed、转向速度差值DeltaSpeed和光电传感器测量回来的数值、判断黑色的阈值进行修改，重复多次编译上传程序的调试步骤，最终完成实现循迹机器人的设计要求。
探究
结合所开展的实践活动讨论下列问题。
1．教室里有许多桌子、椅子和同学。机器人要避开这些障碍物，才可以顺利地沿着黑线行走。请分析机器人需要什么传感器来避开障碍物？对教室的环境有什么要求
2．机器人利用什么传感器来找到黑色标识线？怎样才能使机器人沿着黑线走, 并且不会偏离？
3．探讨机器人“看东西”的能力，对于机器人不能“看”到的东西可以采用什么方法避开？
4．机器人在实际行走的过程中，可能会有什么现象发生？应怎样避免？
5．在程序中，用不同的传感器进行检测的优先顺序是什么？调整这些顺序，将出现怎样的情况？
二、自动返回机器人的制作
我们通过设计制作一个能“自动返回”的机器人，学习如何使机器人拥有“智慧”，懂得“判断”外界环境，并能进行“记忆”和“思考”。
实践
设计一个“自动返回”机器人，让其在如图5-10（参见教材P80）所示的场地中走到第5根黑线后，自动返回到出发点并停下。
方法指导
要完成设计要求，需要使用光电传感器收集来自场地中对应黑线的信息。在行进过程中， 必须要让机器人能“记住”共经过了几条黑线。当“判断”其到达第5条黑线时，就可以停止移动，并开始返回。在返回过程中，也要重新“数”黑线的数目，“判断”到达出发点并停下（图5-10）（参见教材P80）。
1．软件的安装与配置
机器人程序代码的编写可以使用多种开发环境，如BricxCC、Arduino IDE、Eclipse、Buddy++等等，这里使用Arduino IDE作为例子，介绍一种机器人代码编写的方法（图5-11）（参见教材P81）。
为了更便捷地完成机器人的编程，Arduino IDE为我们提供了丰富的库函数以方便实现代码的调用。首先，我们点击“项目”菜单下面的“加载库”，然后点击二级菜单的管理库（图5-12）（参见教材P81），就可以打开库文件管理器的界面（图5-13）（参见教材P81），此时搜索所需要的库函数（图5-14）（参见教材P82），并点击“安装”按钮，就能把库函数下载到计算机中。
当库函数下载完成后，可以关闭库文件管理器，然后依次点击“文件”下面的“示例”，在下拉菜单中找到已经下载库函数示例文件（图5-15）（参见教材P82）。
点击打开库函数示例文件，可以浏览到与之对应的示范程序，这个将是我们编写程序的基础模板（图5-16）（参见教材P82）。
2．传感器的选取
为了达到设计的要求，“自动返回”机器人需要控制两种关键部件：光电传感器和电机。
我们之前已经学习过怎样使用光电传感器，在本设计过程中，同学们需要利用光电传感器收集来自地面的信息（图5-17）（参见教材P83）。
3．程序编写
出发与返回两个过程主要是通过两个电机的正向转动和反向转动来实现，配合光电传感器检测到的地面信息，以计数的方式统计通过黑色线的数目。根据设计思路，我们可以确定程序对应的流程图（图5-18）（参见教材P83）。
打开Arduino IDE，选择菜单“文件”下面的“新建”（图5-19）（参见教材P83）
清空原来的代码并输入以下内容（图5-20）（参见教材P84）
依次单击菜单“文件”下面“保存”，并命名为Motor_FB。单击菜单“项目”下面的“验证/编译”（图5-21）（参见教材P85），对程序进行编译。
等待程序编译的结果，编译正常通过的情况如图5-22（参见教材P85）所示，具体数字会因机器人处理器的情况有所不同。
依次单击菜单“工具”下面“开发板”，根据机器人处理器的情况选择对应的开发板（图5-23）（参见教材P85）。
依次单击菜单“工具”下面“端口”，根据机器人与计算机连接的情况选择对应的通讯端口（图5-24）（参见教材P86）。
最后让我们上传并运行程序，点击菜单栏中的 上传程序（图5-25）（参见教材P86）。
当程序上传完成后，开发环境会提示上传成功并开始自动运行程序（图5-26）（参见教材P86）。若出现错误情况，会在下面信息栏中显示出错原因，可以根据具体提示检查程序存在的问题。
4．检查硬件连接
当程序上传到机器人后，我们需要再次检查机器人的硬件连接是否存在问题，确保信号线已经接到对应的引脚处，以免出现机器人工作不正常的情况（图5-27）（参见教材P87）。
思考
如果要让轮式机器人行进到第4条黑线时开始返回，行进到第2条黑线时再次前行，最后在第3条黑线处停下，程序应如何编写？
拓展活动
根据之前学习过的有关知识，在已有的轮式机器人上增加手爪，让其完成以下任务：将放于第5条线的球抓起，然后返回至第1条线处放下（图5-28）（参见教材P87）。
三、避障机器人的制作
实践
设计一个避障机器人，让其在如图5-29（参见教材P88）所示的场地中，绕过障碍物走到第6根黑线后停下。
要求：
①机器人能通过编程控制机器人向不同的方向移动。
②机器人需带有光电传感器，并能利用传感器获得到场地中对应黑线的信息。
③机器人前方安装能识别距离的传感器，能判断周边是否存在障碍物。
④在满足以上要求的前提下，机器人移动所花费的时间越短越好。
方法指导
1．机器人设计方案
（1）收集和分析需要。在进行机器人的设计前，需要针对场地的情况进行分析，了解黑线的分布和障碍物的位置。通过了解和分析场地信息可以预先设计机器人的行走与避障方法，方便对机器人进行路径规划和运动控制。
（2）硬件搭建。根据分析得出的思路对机器人硬件进行搭建，增加能让机器人获得场地黑线信息和识别障碍物的相关传感器。
（3）软件设计与调试。
①通过所学内容编写程序，让机器人能直行与转向。
②单独调试黑线识别传感器，测试程序是否正常。
③通过编写程序，使机器人经过第3根黑线后停下。
④单独调试障碍物识别传感器，测试程序是否正常。
⑤设计程序使机器人能避开障碍物。
⑥对走黑线和避开障碍物两部分的程序进行联合调试，实现任务需求。
2．优化设计方案
机器人行走与避障的过程中往往会出现意外的情况，因此我们需要在调试的过程中对发现的问题进行分析，修改程序参数的设置，对设计方案进一步优化、改进。同时也逐步减少机器人行走所需的时间。
综合实践活动
选取下列1~2个机器人项目进行制作，并写出设计报告。
（1）自动避障并返回的机器人。
（2）围绕障碍物行走的机器人。
（3）跟随前方物体行走的机器人。
（4）沿着墙壁行走的机器人.
学习评价
评价内容 评价方式
自评 互评 师评
理解简单的机器人路径规划与运动控制的概念和功能
学会利用栅格建模法对机器人移动路径进行规划和运动控制
掌握路径规划和运动控制的程序设计、调试及下载方法
实现至少一种机器人路径规划和运动控制的任务
能综合最小控制系统的软硬件知识，完成综合实践项目
说明：A—优秀，B—良好，C—合格，D—待改进
通过本章的学习，你的核心素养得到了哪些发展？
板书设计
第 二 节 机器人的控制与制作活动
一、自动循迹机器人的制作
二、自动返回机器人的制作
三、避障机器人的制作
教学反思
通用技术
选择性必修2
电子控制技术
普 通 高 中 教 科 书
主 编 刘琼发
副 主 编：李 榕 周卫星 朱美健 席春玲
本 册 主 编：李 榕
本册副主编：郑永驹 钟清华
编 写 人 编：
张百睿 李 榕 郑永驹 钟清华　周 嘉 龚泽祥 胡智豪
广东教育出版社
广东科技出版社

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