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第9课《开源机器人初体验》教学设计
课题 开源机器人初体验 单元 第三单元 学科 综合实践活动 年级 九年级
学习目标 价值体认：理解机器人对人类生活与发展的积极意义，认识遵守机器人三原则对于保障人类安全与权益的重要性，形成正确的科技价值观。责任担当：明确在设计与制作机器人过程中应承担的责任，确保机器人行为符合道德与法律规范，培养对科技应用的责任感。解决问题：能够运用所学知识，分析机器人设计与制作中遇到的问题，通过小组合作探究，提出并实施有效的解决方案，提升问题解决能力。创意物化：发挥想象力与创造力，设计并制作出具有独特功能与创意的机器人模型，将创意转化为实际作品，提高动手实践能力与创新思维。
重点 1.掌握机器人的特点，深入理解机器人通过机械、动力、传感、控制等系统实现感知环境、判断决策、执行动作的基本控制过程。2.指导完成简单机器人模型的设计，包括功能规划、流程设计，以及利用开源硬件进行实际制作，如机械结构搭建、部件选择与组装、程序编写等。
难点 1.在改进机器人模型或设计新机器人时，如何巧妙整合多种传感器与执行部件，实现复杂且稳定的功能，如精准的避障、灵活的步态模拟等，并对其进行优化调试。2.对于人形机器人，研究人的行走动作并分解为机器人可完成的动作后，如何通过协同控制多个舵机，实现自然流畅的步态，是一个具有挑战性的问题。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 欣赏视频：智能扫地机器人同学们，智能扫地机器人能自主完成清洁、生产等任务，它们靠什么‘感知’环境、‘判断’行为、‘执行’动作？如果让你动手做一个简单机器人，你会从哪里入手？今天我们一起学习《开源机器人初体验》，感受亲手创造智能的奇妙旅程。 出示课题 思考课件展示的几个问题，小组之间讨论分享自己的感受。 通过欣赏视频，设置疑问活动，激发学生兴趣，引出本课教学主题。
讲授新课 一、探究新知 （一）活动准备根据不同的需要，人们设计制作了各种各样的机器人，既有生活中常见的扫地机器人，也有工业机器人、排爆机器人和人形机器人等。排爆机器人 水下机器人工业机器人人形机器人★议一议虽然这些都叫机器人，但其外观和功能有很大差别。说一说，机器人有哪些特点？ 机器人可以自行运动。 机器人能听从人们的指令。 能感知环境信息（如光线、距离、温度等）。 能根据预设逻辑或指令完成特定任务。（二）活动实施1.进一步认识机器人我们人类有手脚，能做各种各样的动作，能走路；有眼睛，能看到东西；有嘴巴，能说话；有耳朵，能听到声音；有皮肤，能感觉到凉热软硬；有大脑，能控制自己的行为。我们研制机器人是为了代替人的工作，所以机器人也要有类似的功能。它们通过什么样的组成和结构来实现这些功能呢？机械 动力传感 控制机械系统是机器人完成任务的执行机构。控制系统是机器人的指挥中枢，相当于人的大脑。动力系统是为机器人提供动力的系统。传感系统是机器人的感测系统，如同人的感官。这些系统共同实现机器人的基本功能。感知环境 根据环境做决定 执行决定感知Sense 判断Think 动作Act机器人基本控制过程2.设计简单的机器人模型我们可以通过设计一个简单的机器人模型来更好地理解机器人。★他山之石小明想设计一个会闪避障碍物的简单机器人：它可以前进，遇到障碍后会后退。为此，他设计了一个简单的小车，并将距离传感器安装在小车的正面。用小电机和电池驱动小车。这个机器人的工作流程如下：1.机器人感应前方3厘米内是否有障碍物。模型机器人2.若无障碍物，则前进。3.若有障碍物，则后退。感知、判断、动作是一种决策循环，这样的逻辑可以套用在任何机器人上，适用于任何传感器，几乎可以进行任何动作，可以用来为机器人解决很多问题。★做中学小组合作，尝试改进这个模型，增加更多的功能。名称：智能避障转向小车基本功能描述：1. 正常状态下沿直线前进；2. 前方 5 厘米内检测到障碍物时，自动左转 90°；3. 左转后无障碍物则继续前进，若仍有障碍物则右转 180° 后退控制流程图： 开始 → 超声波传感器检测前方距离 → 距离＞5cm？→ 是→ 前进 → 循环检测；否→ 左转 90° → 检测距离＞5cm？→ 是→ 前进；否→ 右转 180°→ 后退 3 秒→ 循环检测 3.制作简单的人形机器人我们设计一个人形机器人，能模仿人的步态行走，遇到障碍物能停下来。如果想要人形机器人能够模拟人的行走动作，我们首先要研究一下人是怎样行走的，将动作分解为机器人可以完成的动作。★议一议人在行走的时候，腿和脚是怎样运动的？身体的角度有什么变化？哪些关节在运动？讨论、交流，并制作下面的动作分解表。动作分解腿的运动 脚的运动 身体角度的变化抬腿大腿向上抬起（髋关节弯曲），小腿自然下垂（膝关节微屈）脚尖向上勾起（踝关节背屈），脚掌与地面呈30° 夹角 上半身略微前倾 5°-10°，保持平衡迈步大腿向前摆动（髋关节旋转），小腿随惯性向前伸展（膝关节逐渐伸直）脚掌保持勾起状态，沿地面平行向前移动上半身前倾角度保持不变，重心随腿部向前转移落脚大腿向下压（髋关节伸直），小腿缓慢落地（膝关节微屈缓冲）脚跟先着地，随后脚掌完全贴合地面（踝关节从背屈转为中立位）上半身逐渐恢复垂直，重心稳定在落地脚上方1.制作机器人的机械结构件。我们使用3D打印的方式制作机器人的机械结构件，包含以下几个部分：1个躯干、2个腿部结构件、2个脚掌结构件，如下图所示：躯干腿脚2.选择控制、动力和传感部件。我们使用一块Arduino Nano开源控制板作为控制部件、四个SG90小舵机提供动力，使用超声波传感器作为机器人的“眼睛”。3.组装机器人。将机器人的控制器、电池盒、舵机等部件与机械结构件进行组装和连接。4.步态规划。通过对机器人的四个舵机进行协同控制，使机器人能模拟出人的运动方式。这一部分我们可以称之为“步态规划”。倾斜 旋转 放平 再倾斜5.动作测试。我们将控制舵机的转动，以完成上述步态规划中的动作。我们先对机器人的四个舵机进行编号，再通过测试，得到完成动作的舵机标准角度。机器人动作与舵机角度对照表动作1号舵机2号舵机3号舵机4号舵机动作190°（中立）90°（中立）90°（中立）90°（中立）动作2120°（向上弯曲）100°（微屈）90°（中立）90°（中立）动作3120°→90°（向前摆动）100°→80°（逐渐伸直）90°（中立）90°（中立）动作490°（中立）80°→90°（微屈缓冲）90°（中立）90°（中立）6.程序编写。我们可以使用图形化编程软件来编写控制机器人运动的程序。编写程序时建议将机器人的各个动作定义为自定义函数，方便在程序中进行调用。 ★做中学小组合作，模仿或设计并制作简单的机器人。名称：智能避障人形机器人控制部件：Arduino Nano 开源控制板动力部件：4 个 SG90 小舵机（控制髋关节、膝关节运动）传感部件：超声波传感器（检测前方障碍物）功能描述：1. 能模拟人类步态直线行走；2. 超声波传感器检测前方 30cm 内有障碍物时，自动停止行走；3. 障碍物消失后，恢复行走状态控制流程：开始 → 初始化舵机角度（站立姿势） → 超声波传感器检测距离 → 距离＞30cm？→ 是→ 执行步态循环（抬腿→迈步→落脚）；否→ 舵机保持中立位（停止）→ 持续检测距离结构草图 （文字描述）：1 个长方体躯干（内置控制板、电池盒）；2 条腿部（每条腿含髋关节、膝关节舵机）；2 个扁平脚掌；超声波传感器安装在躯干正面上方 （三）交流评价交流展示各小组的机器人作品。 作品交流评价表我最喜欢的作品组名 探索小队 作品名称智能跟随避障机器人喜欢它的原因：1. 不仅能避障，还能通过红外传感器跟随人体移动，功能更全面；2. 步态设计流畅，机器人行走稳定；3. 程序中加入了动作延时，避免舵机卡顿，细节考虑周到其他小组的新发现1. 部分小组在机器人脚部增加了防滑垫，提升了行走时的稳定性；2. 有小组使用了双超声波传感器，左右对称安装，避障转向更精准；3. 部分小组将步态动作编写为独立函数，程序可读性更强其他小组对我作品的评价1. 避障反应灵敏，停止动作及时；2. 行走步态模拟度高，身体平衡控制较好；3. 建议增加转向功能，避免遇到障碍物时只能停止，无法绕行（四）拓展提升我还想完成以下任务： 给自己的机器人增加更多的功能。 制作仿生机器人。 学习使用 C 语言编写机器人控制程序，替代图形化编程 给机器人增加语音识别模块，实现语音控制行走、停止 设计多关节手臂，让机器人能完成抓取小物件的动作 结合蓝牙模块，实现手机 APP 远程控制机器人运动（五）信息园地机器人三原则是1940年由科幻作家阿西莫夫提出的，出于保护人类而对机器人做出的规定。第一条：机器人不得伤害人类，也不得在人类受到伤害时袖手旁观。第二条：机器人必须服从人类的命令，除非这条命令与第一条相矛盾。第三条：机器人必须保护自己，除非这种保护与以上两条相矛盾。二、知识拓展1.机器人的机械、动力、传感、控制四大系统各自的作用是什么？它们之间如何协同工作实现“感知－判断－动作”的控制过程？作用：①机械系统：执行机构，相当于人的手脚，完成具体动作（如行走、抓取）；②动力系统：提供动力，如舵机、电机，为机械动作提供能量；③传感系统：相当于人的感官，通过传感器（如超声波、红外）采集环境信息；④控制系统：指挥中枢（如Arduino），处理传感信息并下达动作指令。协同过程：传感系统采集环境信息（感知）→ 控制系统分析信息并做出决策（判断）→ 控制系统下达指令，动力系统驱动机械系统完成动作（动作），形成闭环控制。2.开源硬件（如Arduino）在机器人制作中的优势是什么？与传统专用控制板相比，它更适合中学生学习使用的原因有哪些？开源硬件优势：①开源性：硬件设计和软件代码公开，可自由修改、拓展；②低成本：价格亲民，适合学生群体；③易操作：支持图形化编程，入门门槛低，同时可进阶学习代码编程；④兼容性强：可连接多种传感器、舵机等部件，适配性广。适合中学生原因：兼顾入门简易性和进阶空间，能培养动手能力、编程思维和创新意识，且资源丰富，便于小组合作探究。3.人形机器人制作中“步态规划”的核心是什么？为何需要对舵机进行编号和标准角度测试？步态规划核心：通过协同控制多个舵机的转动角度和时序，使机器人模拟人类行走时的肢体运动（如抬腿、迈步、落脚），实现稳定行走。舵机编号和角度测试的原因：①编号可明确各舵机的控制对象（如对应左腿、右腿关节），避免控制混乱；②标准角度测试能确定完成每个动作的精准舵机角度，确保动作一致性和稳定性，为后续程序编写提供准确参数。4.若要给避障机器人增加“自动跟随”功能，需新增哪些部件？请简述功能实现的核心逻辑。新增部件：红外循迹传感器或超声波测距传感器（检测跟随目标）、额外舵机（调整机器人转向，确保对准目标）。核心逻辑：①传感器实时采集与跟随目标的距离和位置信息；②控制系统分析信息，判断机器人与目标的偏差（如偏左、偏右、距离过远）；③下达指令给动力系统，驱动舵机调整方向、电机控制速度，使机器人始终保持与目标的设定距离并跟随移动。 了解各类机器人的类型与特征，围绕机器人的共同特点展开讨论，梳理总结出机器人的核心特点。 类比人类身体功能，认识机器人的机械、动力、传感、控制四大组成系统及各系统作用，学习并理解机器人 “感知 - 判断 - 动作” 的基本控制过程。 先学习小明避障机器人的设计案例及工作流程，再以小组合作形式改进模型，明确智能避障转向小车的基本功能与控制流程。 先讨论人类行走的动作细节并完成动作分解表，再以小组合作形式，模仿或设计制作智能避障人形机器人，完成机械结构认知、部件选型、组装、步态规划、动作测试、程序编写，明确机器人功能、控制流程及结构草图文字描述。 参与各小组机器人作品的交流展示活动，填写作品交流评价表，记录最喜欢的作品及原因、其他小组作品的新发现，并接收其他小组对自身作品的评价。明确后续拓展任务，规划机器人功能升级、仿生制作、编程进阶及模块拓展等相关的深化学习与设计方向。学习机器人三原则。小组讨论、思考、然后回答 。 引导学生观察不同类型机器人，通过对比外观与功能差异，归纳总结机器人特点，加深对机器人本质特征的理解与认知 。引导学生理解机器人组成系统的功能与定位，掌握其基本控制过程，建立机器人系统与人类身体功能的关联认知，夯实机器人结构和工作原理的基础。引导学生了解机器人感知 - 判断 - 动作的决策循环逻辑，再通过小组合作改进模型、增加功能，培养学生创新思维与动手实践能力，深化对机器人工作原理的理解 。引导学生通过研究人类行走动作并分解，以制作简单人形机器人为载体，让学生经历从机械结构制作、部件选择、组装，到步态规划、动作测试、程序编写的完整过程，培养其动手实践、分析问题与解决问题的能力，深化对机器人工作原理及制作流程的理解 通过作品交流展示与评价，促进学生间相互学习借鉴，分享创新思路与制作经验，同时让学生从他人视角获取反馈，发现自身作品的优缺点，提升反思与改进能力，培养交流合作和批判性思维 。引导学生突破现有制作成果，激发创新思维与探索欲望，鼓励在机器人功能拓展和类型创新（如仿生机器人）上深入实践，进一步提升机器人制作与应用能力 。普及机器人领域重要的伦理准则——机器人三原则，引导学生初步了解机器人发展需遵循的道德与安全规范，培养其对科技伦理的思考意识 。通过知识拓展，引导学生了解解析系统作用与协同、开源硬件优势、步态规划要点及功能拓展逻辑，帮助学生系统掌握机器人制作原理、方法与拓展思路，培养其理论应用、问题分析与创新实践能力 。
课堂练习 一、选择题1.下列部件中，属于机器人控制系统的是（ ）A. SG90舵机 B. Arduino Nano控制板 C. 超声波传感器 D. 电池盒
2.机器人“感知－判断－动作”控制过程中，负责“判断”环节的是（ ）
A. 传感系统 B. 机械系统 C. 控制系统 D. 动力系统
3.关于开源硬件的描述，错误的是（ ）
A. 代码和硬件设计公开可修改 B. 仅支持图形化编程C. 兼容性强，可连接多种部件 D. 成本较低，适合学生使用
二、填空题1.机器人的四大核心系统分别是________、________、________和________。2.人形机器人制作中，常用________作为动力部件驱动肢体运动，用________作为传感部件检测障碍物。3.编写机器人控制程序时，将各个动作定义为________，可方便在程序中调用，提升代码的可读性和可维护性。三、判断正误题（对的打“√”，错的打“×”）1.机器人必须具备人形外观，才能实现“感知－判断－动作”的功能。（ ）2.步态规划的核心是通过协同控制舵机，使机器人模拟人类行走动作。（ ）3.3D打印技术可用于制作机器人的机械结构件，能精准匹配设计需求。（ ） 想一想，做一做，完成课堂练习。 帮助学生及时巩固知识与技能。
课堂小结 通过这堂课的学习，我们不仅掌握了机器人四大系统的组成及协同原理，还学会了使用开源硬件制作简单机器人的基本流程，培养了动手实践和编程设计的核心能力。 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
板书 开源机器人初体验一、探究新知1.活动准备2.活动实施①进一步认识机器人②设计简单的机器人模型③制作简单的人形机器人3.交流评价4.拓展提升5.信息园地二、知识拓展 观看板书 回顾已讲知识点，观察学生对知识的掌握情况。
课后作业 调研一款现实中的开源机器人（如Arduino智能小车、仿生机械臂），分析其核心结构、控制原理与本课所学知识的关联，撰写200字左右的调研报告，并提出1条对该机器人的功能优化建议。 实践、体验、记录感受。 引导学生将课堂所学的机器人机械、动力、传感、控制等理论知识，与现实开源机器人案例相结合，通过调研分析深化对知识的理解与应用。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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