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
第二章　机器人的传动机械
第 三 节 机器人的机械设计
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.掌握机器人机械结构的初步设计方法。
2.初步学会机器人机械部分的搭建。
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。
机械部分是机器人重要的组成部分，它能通过传动装置，将动力装置产生的运动和力传递到执行装置的移动机构和手爪机构，实现行走和抓取。机器人中的传动装置是机械传动。在各种高新技术飞速发展的今天，我们的日常生活和工农业生产都离不开机械传动。
让我们通过本章的学习来了解和初步掌握机械传动的知识和应用吧。
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:
掌握机器人机械结构的初步设计方法。
初步学会机器人机械部分的搭建。
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第二章机器人的传动机械第 三 节 机器人的机械设计。
情景
图2-26（参见教材P19）是一种由固定支撑体和机械手组成的工业机器人，图2-27（参见教材P19）是一种由移动的履带、实现操作的机械手和支撑体组成的排障机器人。这些机器人的手爪机构和移动机构是如何设计的呢？
本节我们将通过原理学习，了解机器人机械结构的设计方法。学习用的机器人一般有固定形式（图2-28）（参见教材P19）和拼装形式（图2-29）（参见教材P19），通过学习，尝试进行机器人机械结构的设计搭建。
一、机器人的移动机构
目前，机器人移动机构的主要方式有履带式、轮式和足式等（图2-30）（参见教材P20）。
机器人移动机构的动力一般来源于直流电机。根据对机器人行走功能的要求，可以利用前面我们已经学过的各种机械传动和机构，将直流电机产生的旋转运动转变为移动机构所需要的各种运动形式。
实践
机器人移动机构的分析和实现
（1）分析和讨论采用齿轮传动的四轮机器人是如何行走的。
（2）分析和讨论采用平面四连杆机构的足式机器人是如何行走的。
（3）设计和制作六足机器人。
方法指导
1．齿轮传动四轮形式（图2-31）（参见教材P20）的机器人
齿轮传动四轮形式是机器人行走的常用形式。它的动力一般是直流电机，通过一组齿轮系，将电机产生的转动传递给驱动轮，使车行走。
讨论
（1）电机驱动的是哪两个轮子？
（2）齿轮传动是如何将电机的转动传递给车轮的？
（3）图2-31a（参见教材P20）的车能够执行什么运动？
（4）将图2-31a（参见教材P20）中主动轮的轴改为差速齿轮系统（图2-31b）（参见教材P20），将使车的运动发生什么变化？
2．平面四连杆机构的足式机器人
足式机器人实际上就是模仿生物行走或爬行。当用轮子行走时，轮子一般不会离开地面，而用足行走时却需要离开地面。如何才能实现呢？
当一只足离开地面时，其他足必须使机器人保持平衡，这是足式机器人行走时需要解决的关键问题。图2-32（参见教材P21）是一种足的基本结构，它的运动轨迹是一个椭圆。当这个机器人的足离地后，为保持机器人的平衡，必须采用支撑结构（在图中足的后面）。
我们以较复杂的四连杆足为例，进一步进行分析和讨论。
图2-33（参见教材P21）是四连杆足两面图，它是典型的平面四连杆结构，而且两个连架杆相等，构成平行四连杆。利用平行四边形原理，四连杆足可以实现抬起和落下。这里我们应用了平行四边形原理，当主动连架杆转动时，从动连架杆跟随做圆周运动，足（即连杆）的运动轨迹是一个圆。当连杆向最高点运动时，足抬起离开地面，向最低点运动时，足逐渐落到地面。
图2-34（参见教材P21）所示的不等边连杆足也是一种四连杆机构，请同学们讨论：
（1）四连杆机构是如何构成的？
（2）它如何实现足的行走，其运动轨迹怎样？
3．设计和制作六足机器人
在六足机器人中，为了在行走的过程中达到平衡，每侧需要三只足。图2-35（参见教材P22）是六足的单侧图。机器人每行走一步，需要提起3只足，当一侧只有中间的足离开地面时，机器人的另一侧应只有中间的足落地（另外2只足离开地面）。它的每一只足（图2-36）（参见教材P22）都是利用曲柄连杆机构实现运动的，其运动轨迹是一个椭圆。
知识窗
履带车机器人的越障能力如果机器人的腿是与坦克相仿的履带形式（图2-37）（参见教材P22），就能具备一定的逾越台阶障碍的能力，它行走过程如图2-38（参见教材P22），其越障的高度与前后履带斜坡部分的高度及角度有关。台阶越高，机器人倾斜越严重，如果倾斜使重心超出履带支承点时，则容易发生整体的倾覆。
二、机器人的手爪机构
根据机器人功能的不同，其操作装置也不相同。
机器人的手爪如图2-39（参见教材P23）所示。
在机器人中，手爪的抓取功能也可以利用我们前面已经学过的各种机械传动和机构来实现，手爪的运动同样是将直流电机产生的旋转运动转变为所需要的各种运动方式。
实践
手爪机构的分析与制作
（1）通过分析和讨论了解手爪实现抓取的方法，掌握已学过的各种机械传动和机构的应用。
（2）实现手爪简单的抓取操作，了解实现的过程，学会发现问题和解决问题。
方法指导
1．不同的手爪机构
图2-40（参见教材P23）为一种简单的手爪。它是如何抓取物体的呢？从图2-40（参见教材P23）中可以看出，它的一个爪被固定，另一个爪、齿轮和连杆形成一个平面四连杆机构。由电机驱动，控制其张开和抓取物体。
图2-41（参见教材P23）是在简单手爪基础上改进的。请大家分析和讨论，它是如何抓取物体的。
图2-42（参见教材P23）是蜗杆蜗轮手爪。它是由什么来驱动，又是如何抓取物体的呢？通过动手制作、试验，分析它与上述两种手爪在抓取方面有何不同。
2．制作机器人手爪
三、机器人机械部分的搭建
根据本章前面学习的知识，搭建一个类似图2-44（参见教材P24）所示的机器人手臂，通过控制手臂上的多个关节，实现机械手臂的运动。
实践
尝试搭建如图2-45（参见教材P24）所示的机器人手臂，从中理解机器人的基本组成，初步学会如何组装机械人的手臂。
要求：
①采用多关节结构进行构想设计。
②了解齿轮的传动及舵机的连接。
③注意机器人手臂结构的稳定性设计。
方法指导
1．搭建底盘
（1）找出机器人手臂的连接件、舵机及其他配件，如图2-46（参见教材P25）检查配件是否齐备。
（2）开始搭建出机器人手臂的底座，如图2-47（参见教材P25）所示的底座平台。
（3）找出1个舵机，把舵机与底座进行固定，制作机器人手臂的第一个关节，如图2-48（参见教材P25）所示。
2．搭建机械手臂
（1）由于这个部分的制作涉及手臂的多个关节，需要把各个传动部分通过连接件和不同的螺丝组装在一起，所以机械手臂的搭建是整个制作过程最复杂的部分。开始时先找出需要使用的连接件和螺丝，制作机械手臂的结构部分，如图2-49（参见教材P25）所示。
（2）找出2个舵机，把机械手臂的结构部分和底座进行连接，如图2-50（参见教材P25）所示。
（3）安装舵机，完成机械手臂的结构搭建，如图2-51（参见教材P26）所示。
3．组建机械手爪
（1）找出机械手爪的配件并完成组装，如图2-52（参见教材P26）。
（2）把控制手爪的舵机通过连接件安装到机械手爪上，使舵机能控制机械手爪的开合，如图2-53（参见教材P26）所示。
4．整体组装
把安装好舵机的机械手爪与其他部分进行连接，完成整个机械手臂的组装，如图2-54（参见教材P26）所示。
思考
1．如何让机器人的手臂更加稳固？
2．如何加大机器人手臂的灵活度，让手臂实现更多动作？
学习评价
评价内容 评价方式
自评 互评 师评
了解机器人的机械部分和传动机械
了解齿轮和齿轮系传动，能计算简单的齿轮传动比，按照装配图样安装和调试简单的齿轮装置
分析常见连杆传动装置的结构及其应用，并根据需求设计和制作简单的连杆装置
学会机器人机械结构的初步设计方法，初步学会机器人机械部分的搭建
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
第二章　机器人的传动机械
第 三 节 机器人的机械设计
一、机器人的移动机构
二、机器人的手爪机构
三、机器人机械部分的搭建
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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