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 一 节 机器人的路径规划和运动控制
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.理解简单的机器人路径规划与运动控制的概念和功能。
2.掌握利用栅格建模法对机器人移动路径进行规划和运动控制。
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:
理解简单的机器人路径规划与运动控制的概念和功能。
掌握利用栅格建模法对机器人移动路径进行规划和运动控制。
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 一 节 机器人的路径规划和运动控制。
情景
酒店中的送餐机器人，从厨房出发，最后把饭菜送到客人的餐桌上。如何为机器人寻找一条连续的最优的路径，又如何让机器人避免与走动的人员或固定的障碍物发生碰撞呢？
要解决送餐机器人最优的路径和避免与走动的人员或固定的障碍物发生碰撞问题，需要对机器人进行路径规划和运动控制。
1．路径规划
路径规划是机器人设计中的一项重要内容，它是指机器人根据自身任务的需要，按照一定的评价准则（时间最短，距离最短，能耗最少等），寻找一条从起始位置到目标位置的路径。
路径规划的方法多种多样，经过研究人员几十年的研究，已经提出例如栅格建模法、自由空间法、可视图法、人工势场法、模糊逻辑算法、神经网络法、遗传算法等。应用中较为常见的是栅格建模法。
2．运动控制
运动控制主要包括对机器人的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力矩控制等。
按照动力驱动方式的不同，机器人的动力驱动一般可分为电机驱动、压缩空气驱动和液压驱动等。其中采用电机驱动的机器人较多，特别是在人形机器人和移动机器人中，需要通过程序及驱动电路对多个电机进行控制，从而对机器人的运动进行控制。
知识窗
栅格建模法是由Howden在1986年提出的一种广泛应用于移动机器人全局路径规划的方法。它是使用大小相同的栅格对机器人所在的二维空间进行划分，每个栅格的大小一般以机器人自身的尺寸为准。如果在某个栅格的范围内没有障碍物，则该栅格称为自由栅格；反之则称为障碍栅格。在这个方法中，机器人所在的环境量化成一系列具有二值信息的网络单元。
实践
如图5-1（参见教材P75）所示，假设机器人在同一个平面中，需要从A点到达B点，而且只能按照图中的黑线进行移动，平面当中没有障碍物，通过路径规划和运动控制的方法让机器人从A点移动到B点。要求：
1．3～5人为一组进行活动。
2．让机器人能循线向前移动。
3．机器人能利用传感器检测自身是否已经到达下一个位置点。
4．机器人能统计经过的位置点数目。
5．控制机器人转动90°。
方法指导
首先对机器人所在的平面进行栅格建模，我们可以把平面的左下角设为位置原点（0，0），把黑线的每一行和列的交点设为一个位置点，则该平面可以定义为下图的x乘以y网格（图5-2）（参见教材P75）。其中机器人初始位置A（1，1），目标位置B（5，5）。从A点移动到B点的过程中，有多种可能的路径，若以转向次数最少为路径规划的准则，那么在对机器人进行运动控制的过程中，我们可以选择让机器人先往 y 的 正 方 向 移 动 ， 当到达目标位置所在行的时候，控制机器人顺时针转90°，接着继续向目标点移动，最后控制机器人减速停下。该路径规划的算法流程图如图5-3（参见教材P75）所示。
知识链接
轨迹规划和路径规划是机器人运动规划中的两个重要概念，它们有以下几点不同：
定义不同：轨迹是指机器人在运动过程中实际所经过的路径，而路径是指机器人运动的规划路径，是一条抽象的线段。
目标不同：轨迹规划的目标是生成一条机器人可以实际运动的路径，使机器人能够在运动过程中保持平稳、准确和高效。而路径规划的目标是生成机器人运动的最优路径，使机器人能够在给定的起点和终点之间以最短的距离或最短的时间到达终点。
实现方式不同：轨迹规划通常是在机器人的关节空间或笛卡尔空间中进行，通过规划机器人的关节或位姿来生成机器人的轨迹。而路径规划通常是在机器人的自由空间中进行，通过搜索算法或优化算法生成机器人的路径。
算法不同：轨迹规划通常使用速度规划算法或加速度规划算法来生成平滑、连续的机器人轨迹。而路径规划通常使用搜索算法如A*算法或RRT算法，或优化算法如最小二乘法或非线性规划等，来生成机器人的最优路径。
综上所述，轨迹规划和路径规划在定义、目标、实现方式和算法等方面都存在明显的差异，但它们都是机器人运动规划中不可或缺的部分，能够为机器人的运动控制提供重要的支持和保障。
板书设计
第 一 节 机器人的路径规划和运动控制
1．路径规划
2.运动控制
位置控制
速度控制
加速度控制
转矩或力矩控制
教学反思
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电子控制技术
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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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