资源简介

(共35张PPT)
第9课
开源机器人初体验
（湘科版）九年级
全
01
学习目标
内容总览
02
新知导入
03
探究新知
05
课堂练习
06
课堂小结
07
板书设计
04
知识拓展
课后作业
08
教学目标
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。
01
02
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。
03
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。
04
责任担当
创意物化
解决问题
价值体认
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。
新知导入
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？
探究新知
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
探究新知
议一议
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。
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？
活动准备
探究新知
议一议
根据以上信息，小组讨论有几种烧水泡茶方案，哪一种花费时间最短？
活动准备
序号 方案 花费时间
1 洗茶壶→洗茶杯→拿茶叶→烧开水→泡茶（依次顺序进行） 2+1+1+15+1=20分钟
2 烧开水（同时洗茶壶、洗茶杯、拿茶叶）→泡茶 15+1=16分钟（最短）
探究新知
活动实施
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
探究新知
活动实施
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
机器人基本控制过程
感知
Sense
判断
Think
动作
Act
探究新知
活动实施
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。
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。
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。
探究新知
活动实施
小组合作，尝试改进这个模型，增加更多的功能。
做中学
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
探究新知
活动实施
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。
探究新知
活动实施
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。
议一议
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
探究新知
活动实施
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
探究新知
活动实施
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。
探究新知
活动实施
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
探究新知
活动实施
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1 90°（中立） 90°（中立） 90°（中立） 90°（中立）
动作2 120°（向上弯曲） 100°（微屈） 90°（中立） 90°（中立）
动作3 120°→90°（向前摆动） 100°→80°（逐渐伸直） 90°（中立） 90°（中立）
动作4 90°（中立） 80°→90°（微屈缓冲） 90°（中立） 90°（中立）
探究新知
活动实施
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。
探究新知
活动实施
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
探究新知
活动实施
小组合作，模仿或设计并制作简单的机器人。
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
探究新知
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 探究新知
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
探究新知
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。
信息园地
知识拓展
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。
知识拓展
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。
知识拓展
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。
知识拓展
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。
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
B
C
B
课堂练习
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。
机械系统 动力系统 传感系统 控制系统
SG90小舵机
超声波传感器
自定义函数
课堂练习
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。（ ）



课堂总结
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。
板书设计
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
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。
https://www.21cnjy.com/help/help_extract.php
让备课更有效
www.21cnjy.com
Thanks!

展开更多......

收起↑