机器人校本课程教材(排版完成).doc

勤奋 严谨 求是 创新前 言在小学教育中，创新教育已经被提到了前所未有的高度。在小学各门学科教学之外，一种新的教学手段正为创新教育注入了新的活力，这就是机器人教育。机器人教育，为学生聪明才智的发挥提供了一个展示的好机会。通过机器人的学习活动，让学生了解掌握传感器知识，结构的搭建方法，各种部件的控制方法；引导学生逐渐形成编程的思想，掌握机器人的程序设计方法；在计算机上编写程序，然后通过计算机和机器人的通讯技术，将程序下载到机器人的微处理器上，通过观察机器人的运行情况来调试、验证、反思、改进。这里面涵盖了计算机知识、数学知识、物理知识、结构学知识等，这种多学科的综合性、合作性学习，极大地激发了学生的学习兴趣，有效地培养了学生的创新能力和综合素质能力。因此，在中小学开展机器人教育有着重要的意义。课程理念一、课程基本理论（一）机器人特色课程教学总目标（教学的三维目标）1.情感态度价值观：通过机器人课程的学习主要培养学生的兴趣爱好、提升空间、逻辑思维能力，并从中获得自我提升的价值取向。2.过程和方法：通过课程的教学，让学生从初步识别一些积木零件名称，到拼装动手组装机器，再到学习编程，再远程遥控机器人操作。3.知识和技能：通过课堂教学，让学生学会机器人的基础理论知识并能够把基础知识运用到课堂实践中来。（二）机器人特色课程教学重难点重点：组装机器零件、编辑程序。难点：在学习中如何获得自我成就感，提升空间、逻辑思维能力，并从中获得自我提升的价值取向。（三）机器人特色课程培养方向（从学生角度）1.通过机器人实践活动，激发学习兴趣，为今后的机器人学习奠定基础。2.在课堂中，加强学生合作交流，发挥团队精神，既要表现好个体的水平，也要有体现群体的意识，增强团队合作的精神。3.在机器人拼装的训练过程中，要有耐心，持之以恒，进而促进人格完善。4.了解机器人的基本理论和拼装技术，让学生多动手、多动脑、促进学生的心智健康发展。 5.学习机器人为学校和特色教育添砖加瓦。目 录第一课 认识机器人第二课 机器人的种类及其发展第三课 舞蹈教学常用术语与基本功练习第四章 EV3软件系统第五章 机器人传动结构第六章 机器人受控移动第七课 使用传感器转向第八课 沿线前进第九课 太空挑战激活通信第十课 太空挑战集合您的队员第一课 认识机器人各国科学家对机器人的定义都有所不同，而且随着时代的变化，机器人的定义也在不断发生变化。中国的科学家们把机器人定义为：“机器人是一种自动化的机器，而且其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、协同能力等，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”一、机器人的基本的机能机器人作为一种具备一定智能的自动化机器，有如下3个基本的机能：1.对外界产生作用: 人们可以用手拿东西和用脚踢球，我们可称之为动作器官。2.获取外界信息: 动物可以用耳朵听见声音，蜗牛的触须碰到硬物就会收缩，我们可称之为感应器官。 3.规划作业: 从家里到学校通常都有几条路可以到达，同学们却通过大脑及其思维能力找到最近的一条路，我们可称之为思维器官及其思想。二、机器人构成的基本条件六自由度机械手的手臂是一种动作器官人类是地球上最高级、最聪明的动物，基本条件是因为人类在漫长的进化过程中不但拥有了复杂的、完美的身体结构，而且还拥有了发达的大脑。那么机器人要发展成为优秀的、高级的机器人也应该具备相应的条件条件一 机械部件智能机器甲虫的触须是一种感应器官正如人类的身体需由骨架和肌肉牵引才能完成一定的动作一样，机器人的身体和动作表现也是由特定的机械结构组成的。在制作机器人的时候，我们不仅可以使用课堂上提供的拼装套件，还可以选取身边随手可得的各种材料作为机器人的加工原料。例如：木板、金属板、塑料板、有机玻璃板，还有像螺丝、螺帽那样的各种各样的五金紧固件。只要我们在日常生活中留心观察身边的各种机械设备的动作，例如缝纫机、变速自行车、起重机、挖土机等等，相信一定能受到良好的启发，从而设计出能满足我们自己功能需求的机械结构。条件二感应和动作电子部件一个真正拥有智能的机器人通常都需要具备一定的感知能力，具有感知能力的电子器件我们通常又称之为传感器，顾名思义，这类器件具备了“传”递“感”应信息到机器人的大脑的功能。和人的感觉器官眼、耳、舌、鼻、皮肤分别对光线、声音、味道、气味、触碰、气温起感应作用一样，构成机器人的电子传感器也是按功能分类的，例如光源传感器、声音传感器、气体（煤气、烟雾）传感器、压力传感器、温度传感器等等；它们的灵敏度和感应范围甚至超越了人的感知界限，例如电子指南针、红外线传感器等。因此，在我们设计机器人的时候，应该根据设计的要求，选用合适的电子传感器件。条件三机器人的大脑机器人的大脑可称之为RCU(robot control unit),RCU就好象一台微型的家用电脑，它可以执行程序指令，并向具体动作器官发出相应的动作信息。条件四机器人的思想智能机器人尽管具备了以上的感应、动作和大脑器官，但它们只是让智能机器人有了个躯壳，机器人的大脑（RCU）初期是完全空白的，像初生的婴儿一样。需要我们用学到的编程知识，按照我们的意图编写出特定的程序，灌输给它后才能变成真正具备智能的大脑。机器人对知识的掌握是非常快速的，而当它跟人类一样能够对外界的复杂环境进行观察、思考，然后做出反应的时候，我们的机器人就拥有真正的智能了。因此，必须学习编写机器人程序的方法，才能让我们的机器人不但拥有漂亮的躯壳，还能拥有真正的灵魂。思考：1.机器人具有那些基本的机能？2.机器人构成的基本条件是什么？第二课 机器人的种类及其发展一、机器人的种类机器人的种类很多，分类的方法也非常多，如果按机器人的用途分，可以把它们分为工业机器人和特种机器人。工业机器人有搬运上料机器人、喷漆机器人、焊接与切割机器人、装配机器人、最后工序机器人等。特种机器人有军用或警用机器人、空间机器人、水下机器人、医用机器人、农业机器人、建筑机器人、服务机器人和娱乐机器人等。现在许多国家对学校开展早期的机器人学习非常重视，随之相应的教育机器人也出现了。积木式机器人以其自由拼装，创意无限的特点而深受同学们欢迎。机器人已成为人类的朋友。目前世界上已有数百万台机器人工作在各自的岗位上，发挥着巨大的作用。二、机器人的发展史机器人的历史并不算长,1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人,机器人的历史才真正开始。英格伯格在大学攻读伺服理论,这是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的理论.德沃尔曾于1946年发明了一种系统,可以重演所记录的机器的运动。1954年,德沃尔又获得可编程机械手专利,这种机械手臂按程序进行工作,可以根据不同的工作需要编制不同的程序,因此具有通用性和灵活性,英格伯格和德沃尔都在研究机器人,认为汽车工业最适于用机器人干活,因为是用重型机器进行工作,生产过程较为固定。1959年,英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。第一代机器人属于示教再现型,第二代则具备了感觉能力,第三代机器人是智能机器人,它不仅具有感觉能力, 而且还具有独立判断和行动的能力.英格伯格和德沃尔制造的工业机器人是第一代机器人,属于示教再现型,即人手把着机械手,把应当完成的任务做一遍,或者人用示教控制盒发出指令,让机器人的机械手臂运动,一步步完成它应当完成的各个动作. 第二代是有感觉的机器人:它们对外界环境有一定感知能力,并具有听觉,视觉,触觉等功能。机器人工作时,根据感觉器官(传感器)获得的信息,灵活调整自己的工作状态,保证在适应环境的情况下完成工作，如:有触觉的机械手可轻松自如地抓取鸡蛋,具有嗅觉的机器人能分辨出不同饮料和酒类。第三代机器人是智能机器人,它不仅具有感觉能力,而且还具有独立判断和行动的能力,并具有记忆,推理和决策的能力,因而能够完成更加复杂的动作。智能机器人不同于工业机器人的示教,再现,不同于遥控机器人的主从操纵,而是以一种认知适应的方式自律地进行操作。智能机器人在发生故障时,通过自我诊断装置能自我诊断出故障部位,并能自我修复。三、机器人的未来:1.机器人会越来越小 目前各国的研究现状而言,表明微型机器人大多还处于实验室或原型开发阶段,但可以预见,将来微型机器人将广泛出现。 由德国工程师莱纳尔格茨恩发明的微型机器人,可直接由针头注射进入人体血管,尿道,胆囊或肾脏。它依靠微型磁铁驱动器前进,由医生通过遥控器指挥,既可用于疾病诊断,也可用于如动脉硬化,胆结石等管腔阻塞类疾病治疗，还能听从医生指挥,将药物直接送达到需要医治的患病器官,以取得更好的治疗效果，当这种微型机器人工作完成后,医生便可以像抽血那样用针头将它抽出来。未来,将会有可以进入人体血液循环系统的功能齐全的医用微型机器人,能进入工业上的小管道甚或裂缝,进行检测与维护的工业用微型机器人,以及各种微型传感器,微型机电产品,如掌上电视等.在军事上,将有小如昆虫的飞行器,用于侦察敌情;装有自动驾驶系统,能在海底航行数年的微型潜艇2.机器人会越来越聪明现在的智能机器人,它的智力最高也只相当于两三岁幼儿的智力水平。在将来,高智能的机器人将越来越多,其智力水平也一定会不断提高,慢慢地达到七八岁,十几岁少年甚至青年人的智力水平。 也许在将来的某一天,就如同1996年世界国际象棋冠军卡斯帕罗夫输给了计算机深蓝一样,我们会看到世界顶尖级的球员组成的超级联队也对付不了的机器人球队。思考：1.机器人的发展经历了什么变化？2.设想未来机器人的发展会是什么样的。第三课 EV3硬件系统一、EV3控制器显示屏可显示EV3程序块内部进程，您能够通过程序块界面进行操控。您还可以在编程或实验时增加文本、数值或图形。例如，您可以设计让显示屏显示一张笑脸或苦瓜脸作为对比反应，或是显示一个通过数学计算得到的结果数字(在EV3软件帮助中，您会了解更多关于如何使用显示屏的信息)。程序块按钮可引导您进人EV3程序块界面。这些按钮还可被用作可编程激活器。例如，您可以编制程序按压“向上”按钮，机器人抬起胳膊;按压“向下”按钮，机器人放下胳膊。二、EV3电机大型电机大型电机是一个强大的“智能”电机。它有一个内置转速传感器，分辨率为1度，可实现精确控制。大型电机经过优化可成为机器人的基础驱动力。通过使用EV3 软件中的“移动转向”或“坦克式移动”编程模块，大型电机可以同时协调动作。中型电机中型电机也包含一个内置转速传感器( 分辨率为1度)，但是它比大型电机更小更轻。这意味着它比大型电机反应更迅速。中型电机可以被编程为开启或关闭，控制功率等级或运行特定时间或进行指定数量的旋转。中型电机大型电机两种电机的比较:+ 大型电机每分钟转速为160-170 转，旋转扭矩为20 Ncm,失速扭矩为40Ncm (更低但更强劲)。+ 中型电机每分钟转速为240-250 转，旋转扭矩为8 Ncm,失速扭矩为12 Ncm (更快但弱一些)。+ 两种电机都支持自动识别。三、EV3连接技术连接传感器和电机要使电机和传感器运行，必须将其连接到EV3 程序块。使用黑色扁平连接电缆，通过输人端口1、2、3和4将传感器连接到EV3 程序块。如果编程时EV3 程序块没有连接到计算机，软件会将传感器分配到默认端口。这些默认端口分配为:+端口1: 触动传感器+端口2: 陀螺仪传感器1温度传感器+端口3: 颜色传感器+端口4:超声波传感器/红外传感器如果编程时EV3 程序块已连接到计算机，软件会自动为每个传感器或电机指定端口。使用黑色扁平连接电缆，通过输出端口A、B、C 和D 将电机连接到EV3 程序块。和传感器一样，当您编程时，如果EV3 程序块没有连接到计算机，每个电机将会被分配到默认端口。默认端口分配为:+ 端口A 中型电机+ 端口B 和C 两个大型电机+ 端口D 大型电机如果编程时EV3 程序块已连接到计算机，软件会在您的程序里自动分配正确端口。四、EV3控制界面程序块应用程序EV3 程序块带有五个预先安装的程序块应用程序。此外，您也可以在EV3 软件中创建自己的应用程序。将其下载到EV3 程序块后，自制的应用程序会在此处显示。五个预先安装的应用程序如下:端口视图在端口视图的第一个屏幕上，您将会立刻看到哪些端口连接有传感器或电机。使用EV3 程序块按钮导航到某个已使用的端口，您将会看到从传感器或电机返回的当前读数。连接一些传感器和电机，进行不同设置下的实验。按压“中”按钮查看或更改已连接电机和传感器的当前设置。按压“返回”按钮返回到Brick Apps主屏幕。电机控制控制已连接到四个输出端口之一的任何电机的正向和反向运动。有两种不同的模式。一种模式是，您可以控制连接到端口A 的电机(使用“上”和“下”按钮)和连接到端口D 的电机(使用“左”和“右”按钮)。另一种模式是，您可以控制连接到端口B 的电机( 使用“上”和“下”按钮)和连接到端口C 的电机( 使用“左”和“右”按钮)。使用“中”按钮在两种模式之间进行切换。按压“返回”按钮返回到Brick Apps 主屏幕。红外控制使用远程红外信标作为远程控制，红外传感器作为接收器来控制已连接到四个输出端口之一的任何电机的正向和反向运动。(红外传感器必须连接到EV3 程序块端口4) 有两种不同的模式。一种模式是，您将使用远程红外信标上的频道1和频道2。在频道1上，您可以控制连接到端口8 的电机( 使用远程红外信标上的按钮1和按钮2)和连接到端口C 的电机使用远程红外信标上的按钮3 和按钮4)。在频道2 上，您可以控制连接到端口A 的电机(使用按钮1和按钮2)和连接到端口D 的电机(使用按钮3和按钮4)。类似地，另一种模式是，您可以通过使用远程红外信标上的频道3和频道4来控制电机。程序块程序EV3程序块自带程序块编程应用程序，类似于您的计算机中安装的获件。以下说明为您提供了开始使用的基本信息。创建程序打开您的程序块应用程序。“Start”屏幕为您提供了通过序列线连接的“Start”和“LOOP” 模块。中间的“Add Block垂直虚线表示您可以添加更多的模块到程序中。按压“上”按钮从“Block Palette”中添加一个新的模块。在“Block Palette? 中，您可以使用“左”、“右”“上”、“下”按钮导航来选择添加哪个新模块。进一步导航，会显示更多的模块。一路向下导航，将返回到您的程序。通常，有两种模块类型一动作和等待。动作模块指示器是模块右上方的一个小箭头。等待模块指示器是一个小沙漏。总之，共有6种不同的动作模块和11种不同的等待模块可供选择。思考：1.EV3必备的硬件条件有哪些？2.你知道的EV3传感器有哪些？3.EV3的端口可以混用吗？4.EV3五个预先安装的应用程序有哪些？第四章 EV3软件系统一、电脑系统要求设计搭建机器人很好玩，但机器人技术的核心在于使其具有生命一使他们能够移动并完成任务。您会发现软件具有以下特点：+以可视且直观的方式介绍编程+高效且全面的数据采集工具+是一本既提供指示信息又可记录结果的数字练习册+激发并展示您在科学、技术、工程和数学等领域的兴趣二、软件安装一旦确认您的计算机满足最低系统需求，您就可以安装此软件。关闭所有其他程序，然后双击EV3 软件应用程序文件夹内的安装文件。三、编程大厅每次打开EV3软件，都会进人大厅界面。利用大厅可轻松找到并使用软件，也让您能够访问需要的一切。在大厅内您会发现如下选项和资源:1.大厅选项卡-此按钮可随时返回大厅2.活动概览-您可以在此访同、组织、预览内容，并开始一个项目 为核心模型构建指令 “快速入门”资源，如一小段介绍视频和EV3 用户指南 文件管理，您可以在此创建一个新项目或打开一个现有项目3.查看-此按钮可返回到“活动概览”4.搜索-使用不同过滤器选项查找特定内容的项目四、编程模块和面板所有控制您机器人的骗程模块都在“编程面板”内，位于“编程画布”下面编程环境的底部。编程模块根据类型和性质分为不同类别，以使于您我到所需模块。动作类模块(从左到右的顾序) 中型电机 大型电机 移动转向 坦克式移动 显示 声音 程序块状态灯流程类模块(从左到右的顺序) 开始 等待 循环 切换 循环暂停传感器类模块（从左到右的顺序) 程序块按钮 颜色传感器 陀螺仪传感器 红外传感器 电机旋转 温度传感器 计时器 触动传感器 超声波传感器 能量表 NXT声音传感器数据类模块(从左到右的顺序) 变量 常量 阵列运算 逻辑运算 数学 舍入 比较 范围 文本 随机高级类模块(从左到右的顺序) 文件读写 数据采集 消息传递 蓝牙连接 保持活动 原始传感器值 未校准电机 反转电机 停止程序我的模块当您在许多程序中重复使用同一段程序时，说明是时候创建一个“我的模块”了。一旦创建好“我的模块”，您就可以将此独立模块简单地插人到同一项目的后续程序中。思考：1.EV3编程大厅由哪几部分组成？2.编程软件中的绿色模块有什么作用？3.“我的模块”如何创建？第五章 机器人传动结构一、齿轮传动结构齿轮传动结构是设计机器人驱动方式时常用的一种传动结构。我们的生活中随处可见齿轮，它是锯齿状的轮子。两个或更多的齿轮啮合在一起就能传送动力，实现加快或减慢速度，还能改变旋转运动的方向。二、驱动和从动接近动力源的齿轮称为驱动齿轮。从驱动齿轮接收动力的齿轮称为从动齿轮。齿轮“齿数比”指的是从动齿轮的齿数与驱动齿轮齿数的比。要计算齿数比的值，可以用从动齿轮的齿数除以驱动齿轮的齿数。1.如果齿轮齿数比值等于1(例如，1:1)，那么从动齿轮的速度和扭矩等于驱动齿轮的速度和扭矩。这称为1:1传动。2.如果齿轮齿数比值小于1( 例如，0.3:1)，那么从动齿轮的速度快于驱动齿轮的速度。同样，从动齿轮的扭矩小于驱动齿轮的扭矩。这称为增速。3.如果齿轮齿数比值大于1(例如，3:1)，那么从动齿轮的速度慢于驱动齿轮的速度。同样，从动齿轮的扭矩大于驱动齿轮的扭矩。这称为减速。三、建构本节的任务是设计有齿轮传动结构的机器人。可以参考上图的搭建方法（但不是唯一方法）。该模型有2个大型电机，其中一个电机带有传动装置，活动时可以更改装置，另一个电机作为参考使用。示例程序：程序概述：开始移动转向圈数（1）功率（15）在运行程序之前，预测启动之后齿轮的转动情况。运行程序并记录观察结果（齿轮转动的方向和速度）。思考：1.是1:1传动吗？增速还是减速呢？2.齿轮齿数比是多少？四、扩展更改齿轮比率，实现不同的齿轮传动。在运行程序之前，预测启动之后齿轮的转动情况。运行程序并记录观察结果（齿轮转动的方向和速度）。思考：1.如何运用齿轮改变传动方向？2.改变齿数比率对速度有什么影响？第六章 机器人受控移动一、机器人驱动基座要想使机器人受控移动，首先就要搭建出一个可以动的结构，以下为一个基础的驱动基座搭建方案：驱动基座整体构造驱动基座底部构造驱动基座整体构造该方案不是唯一方案，允许有不同的设计构造。二、程序设计机器人的移动一般需要有一定的精度，如何控制机器人的基本移动就是本章内容要解决的主要问题。我们可以使用编程软件中的动作类模块进行编程，使其控制驱动基座尽可能以最大精度受控移动。程序概述：开始移动转向装置圈数（2）功率（30）等待（2秒）移动转向装置度数（720）功率（-30）以上为一个机器人精确沿直线前进并沿直线后退的程序。三、反思拓展为已搭建机器人重新编写程序，使机器人执行以下任务：1. 机器人向前直线移动50cm，然后向后10cm。2. 机器人向右前方移动30cm。3. 机器人向右后方移动30cm。示例程序：思考：1.哪些因素会影响移动的精度和一致性？2.除了可以用“移动转向”模块来实现转向，还可以怎么控制机器人转向？3.尝试设计能够自由移动转向的的机器人结构。第七课 使用传感器转向一、结构构建使用轮子进行转向有时不精确。如果是在有灰尘或者容易打滑的表面上，由于打滑或者摩擦力不均匀，机器人可能无法精确转向到正确的角度。而陀螺仪传感器是一种数字传感器，它可以准确检测单轴旋转运动，利用这个特性，它可以帮助机器人进行更加精准的转向。机器人的搭建可以参考下图：陀螺仪可以安装在不动驱动结构的不同部位，但安装时应牢固，切忌晃动。二、简单运用学习陀螺仪传感器与循环模块，并创建程序示例程序：程序概述：开始移动槽功率B（10），功率C（-10）等待陀螺仪传感器比较角度类型（3）（大于或等于），度数（90）移动槽关闭排除问题角度需要调整一通常情况下，值需要小于90 度。将机器人放在场地图的起始位置上，然后运行程序描述程序的各个部分使机器人执行的动作。估算机器人的旋转角度。说明在有和没有陀螺仪传感器的情况下机器人转向的区别。三、反思和拓展在已搭建的机器人的基础上，进行更多尝试并归纳总结。重新编写程序，让机器人执行以下的转向操作：1.顺时针转向45度程序概述：开始移动槽功率B（10），功率C（-10）等待陀螺仪传感器比较角度类型（3）（大于或等于），度数（45）移动槽关闭2.顺时针转向180度程序概述：开始移动槽功率B（10），功率C（-10）等待陀螺仪传感器比较角度类型（3）（大于或等于），度数（180）移动槽关闭3.顺时针转向360度，随后逆时针转向360度程序概述：开始移动槽功率B（10），功率C（-10）等待陀螺仪传感器比较角度类型（3）（大于或等于），度数（360）移动槽关闭等待秒（2）移动槽功率B（10），功率C（-10）等待陀螺仪传感器比较角度类型（5）（大于或等于），度数（0）移动槽关闭想一想，与程序指示机器人所旋转的角度相比，机器人旋转了多少度？思考：1.陀螺仪传感器有什么作用？2.尝试使用循环模块创建一个新程序，使机器人沿正方形行走。3.自由设计机器人并运用陀螺仪传感器精确控制方向。第八章 沿线前进一、任务联系机器人竞赛场地上会有一些不同颜色的线，机器人在行驶时也可能可能经过不同颜色的地面。在某些情况下，机器人可以检测地面的颜色并循着轨迹行驶，这就需要用到颜色传感器。通过编程，一台搭建有颜色传感器的机器人就可以巡着地面颜色或者场地中的黑白线来精确前进，从而也就能更高效地完成挑战任务了。可以参考上图结构，允许学生发挥创造。二、程序设计利用切换与循环模块，编写一个简单的巡线程序。程序概述：开始循环无限大型电机（C）On功率（30）等待颜色传感器比较反射光线强度（小于，45）大型电机（C）关闭大型电机（B）On功率（30）等待颜色传感器比较反射光线强度（大于或等于，45）大型电机（B）关闭1.将机器人放在训练场地的起始位置上，运行程序。2.描述程序的各个部分使机器人执行的动作。3.你能否说出可能使机器人接触不到黑色线的因素？4.描述程序的各个部分使机器人执行的动作。三、反思与拓展使用同一程序，增大电机的功率级别，然后看看机器人在仍能可靠地追踪线的情况下可以达到多快的速度。程序概述：开始循环无限大型电机（C）On功率（100）等待颜色传感器比较反射光线强度（小于，45）大型电机（C）关闭大型电机（B）On功率（100）等待颜色传感器比较反射光线强度（大于或等于，45）大型电机（B）关闭1.将机器人放在场地的起始位置上，运行程序。2.说明为何在高功率级别时，机器人可能无法沿线前进。3