資源簡介

南京市第十三中校本教材
《機器人設計與技術初步》
羅潔華編寫
想一想：1、什么是機器人？ 2、機器人應具備哪些最基本的特征？ 3、你能舉出身邊的幾種機器人嗎？
第一節 機器人介紹
一、機器人的三個基本特征。
1．有一定外型的身體
機器人的身體應該是一種物理形態，它的外形取決于人們想讓它做什么樣的工作，其功能設定決定了機器人的大小、形狀、材質和特征等等。
為了便于將機器人身體的設計思想盡快體現出來，我們選擇采用樂高積木塊(寶高的也行)來搭建機器人的身體，樂高積木塊的形狀如圖1-1所示；
圖1-1 樂高積木塊
2．有自身的大腦
大腦就是控制機器人的程序或指令組。當機器人接收到傳感器的信息后，能夠遵循人們編寫的程序指令，自動執行并完成一系列的動作。
我們使用圖形化編程軟件ROBOLAB軟件來編寫機器人的程序，上面的圖1-2就是機器人在桌面行走到桌邊自動后退的程序。該程序編寫好后可以下載到RCX（Robotics Control X機器人控制指令系統）微型電腦中，如圖1-3所示，它就可以像大腦一樣控制和指揮機器人動作。
3．能完成一定的動作
動作就是機器人的各種運動狀況，任何機器人在程序的指令下要執行某項工作，必定是靠動作來完成的，有時即使機器人根本不動，這也是它的一種動作表現。
機器人通常具有三個基本特征。是不是機器人，只需分析一下它是否具備以下三個特征：
1．有身體： 是一種物理狀態，具有一定的形態。
2．有大腦： 控制機器人的程序 。
3．有動作： 任何機器人都有一定的動作表現。
下面的設備是機器人嗎？（是則打“ √ ”）
取款機、復印機、尋呼機、自動售票機、售貨機、煙霧檢測器、紅綠燈、電動門、錄像機、微波爐，自動灑水系統、洗衣機、電話、風向標、玩具機器人或手表
參考答案：后3種肯定不是，電話要分是否有自動接聽等功能，機器人應是“能自動工作的機器”。
課后問題：1．制作機器人需要解決的問題有哪些？1）制作出有感覺和動作的機器人身體（需要機械、電子知識）；2）編寫出控制機器人動作的電腦程序（需要電腦和各類綜合知識）；3）……。2．設計制作機器人需要哪些能力和習慣配合？
參考資料
http://www./ ( http: / / www.21cnjy.com / " \o "歡迎登陸21世紀教育網 ) 江蘇省機器人網
2. ROBOLAB 2.5編程者指南
第二節 RCX和ROBOLAB（以樂高機器人為例）
想一想：1、制作機器人需要有哪些過程 2、制作機器人需要準備哪些硬件和軟件知識
機器人制作的四個步驟
設計和身體制作（搭建）
在電腦上編制程序
下載程序到微型電腦上（RCX）
程序執行和調試
二、RCX的結構
RCX（Robotics Control X 機器人控制指令系統）
RCX是一塊可編程積木，是所搭建模型的核心，用它來控制機器人的行動。
RCX可以下載程序，用程序控制一系列輸入（傳感器）和輸出（馬達和燈等），來響應周圍環境,完成一定的任務。
2．RCX結構
3路輸入端口（1，2，3），是RCX與傳感器（如觸動、光電、溫度及角度傳感器等）的連接點；
3路輸出端口（A，B，C），是RCX與輸出器件（如馬達和燈等）的連接點；
4個控制按鈕：紅色——電源開/關，黑色——端口查看，灰色——程序選擇，綠色——程序的開始/停止；
1個LCD顯示屏；
1個AC（交流）適配器連接器（變壓器）插口；
1個紅外傳輸（發送/接收）器。
3．RCX電源：直流9V——使用6節5號電池、電池盒或1個穩壓直流電源。
4．RCX 的編程語言：
圖形化編程語言——ROBOLAB語言。另外還有NQC 等，還可以通過控件使用VB、VC、Delphi 等語言。
三、ROBOLAB
1．ROBOLAB軟件界面
進入編程窗口：ROBOLAB——PROGRAMMER（編程者級別）——Inventor 4（發明家級別）
打開圖表區：Window（窗口）——Show diagram（顯示圖標區）
功能面板
打開功能面板：Window（窗口）——Show controls palette（顯示功能面板）
在圖表區右擊,也可以出現功能面板,單擊面板外——消失。
凡矩形圖塊右上角右黑點的，可以繼續展開。
編程時，只要選擇適當的圖標，將圖標拉到圖表窗口中，并用線按邏輯順序連在一起，就完成了編程，通過下載，我們就可以控制我們的樂高機器人。
在圖標上右擊可根據提示替換或解釋圖標，在連線上右擊可插入圖標（程序）。
工具面板
打開工具面板：Window（窗口）——Show tools palette（顯示工具面板）
工具的具體功能如下：
Operate Value 操縱工具 常用于操縱面板窗口中的儀器板。在數據采集中會用到。
Position/Size/Select 定位工具 選擇、定位圖標，或更改圖標尺寸。
Edit Text 標示工具 編輯注解或文字輸入
Connect Wire 連線工具 在圖表窗口中對圖標進行連線。
Object shortcut menu 彈出工具 彈出快捷菜單,直接按下右鍵就會彈出這個菜單。
Scroll Window 滾動工具 整個畫面滾動
Set/Clear Breakpoint 斷點工具 設定/刪除斷點
Probe Data 探針工具 在連線上設定一個探針，用于調試
Color copy tool 顏色工具 取顏色
Set Color 著色工具 設定顏色
可以使用TAB 鍵或空格鍵來切換工具,TAB 鍵可以在Operating tool、Positioning
tool、Labeling tool、Wiring tool 這四個鍵之間切換。空格鍵可以在Positioning tool、Wiring tool這兩個鍵之間切換。
猜一猜：（程序完成的動作）1)解釋:2)解釋:3)解釋:4)解釋:5)解釋:
試一試：編寫機器人前進至撞墻后退1秒鐘停住的程序.2. 編寫機器人前進1秒后左拐90度,行走1秒后再左拐90度回出發線的程序,并記錄左拐90度的時間.3.自己設計編寫程序
附：
RCX 端口：
標識 顏色 名稱 功能 說明
1，2，3 咖啡色 輸入端口 與傳感器（例如光線、溫度傳感器）連接。 尺寸：標準樂高2*2板；A/D范圍：0-5V
A，B，C 黑色 輸出端口 與馬達、燈等驅動部件連接。 尺寸：標準樂高2*2板；PWM輸出
RCX 按鈕：
標識 顏色 名稱 功能 說明
On-Off 紅色 開關 打開或關閉電源。 只要RCX的電池在，里面的程序是不會丟失。
View 黑色 查看 用戶可以通過這個按鈕選擇需要查看的端口。 被在監控的端口附近的LCD 上將出現一個小箭頭。
Prgm 灰色 程序 選擇程序（1-5），用于運行或下載。 每按一下，數據遞增一。
Run 綠色 運行 停止開始/停止程序。 在程序運行狀態，LCD中的小人將在走動。
第三節 ROBOLAB編程練習
想一想：1、你認識ROBOLAB編程原理和圖標了嗎 2、你看懂了幾個簡單的機器人程序 試著交流一下。 3、通過嘗試，感覺自己會編程了嗎？
控制機器人行進的速度
編寫機器人行走的程序
編寫機器人慢速行走的程序
下載程序并實驗
機器人拐彎和旋轉
左右拐彎的3種方法和編程
旋轉的程序編寫
下載程序并實驗
跳舞機器人
編寫一段程序，包括四步：分別完成機器人的前進、后退、左轉、右轉，你能很快寫出來嗎？如果想讓機器人不停地跳下去，你有幾種方法？
編寫一個程序：A、C馬達向前轉0.5秒，停0.5秒，然后向后轉0.5秒。重復上述動作，要求：舞曲結束時，讓機器人回到起點，你能做到嗎？
編寫程序，讓你的跳舞機器人快樂起舞!下面是大賽規定的動作，除了規定的動作，還需要機器人有自選動作，當然，別忘記美妙的背景音樂!
規定動作：前行2秒; 右轉45度，倒退3秒; 左轉45度，前行4秒; 左轉90度，倒退2秒; 右轉90度，前行3秒; 自轉2圈.
你的自選動作和音樂：
下載程序并實驗
碰壁（觸感）
急停
倒退
拐彎（先退后拐）
下載程序并實驗
懸崖（光感）
急停
倒退
拐彎（先退后拐）
下載程序并實驗急停
沿黑線走
單光感行走原理
兩光感行走原理
下載程序并實驗
數格子走
試一試：依次完成第三節編程，用老師的機器人下載后實驗，分析結果。完成并保存第三節7個項目基本任務的成功的程序，取其中幾個任務結合后可以編出哪些任務的程序，效果如何？
第四節 樂高基本搭建技巧
想一想：1、你會做機器人嗎 你想做機器人嗎？你曾經用積木塊做出過能活動的機器人嗎？ 2、你認為樂高積木塊能做出些什么？能有哪些方面的應用？ 3、你想知道樂高積木塊搭建的基本技巧嗎？
對初級樂高搭建者來說，認識樂高積木只是入門的最基本要求，而要搭建出美觀、穩固的結構就必須掌握一些基本的搭建技巧。我們知道任何復雜的結構都可以分割為最基本結構，如果掌握了搭建的基本技巧，就可以將簡單的模塊(結構)疊加為復雜模塊，同時也有利于入門者一開始就能在有設計方案的前提下搭建，而不是盲目的搭建。
認識樂高基本單位
樂高積木的基本功能
3．樂高積木設計技巧
試一試：搭建1個沒有RCX的，能自由行走的最簡單的小車。搭建1個2馬達、1RCX的，能自由行走的最簡單的小車。搭建1個2馬達、1RCX的，能自由行走的，有感覺和觸覺的最簡單的小車。制作1個有個人特色的，能完成一定任務的機器人，并下載程序執行。
附：
ROBOLAB常用圖標解釋
圖標 功能 范例 解釋
程序開始與結束 B馬達轉動2秒后停止。
打開馬達 A馬達轉動1秒后停止。
關閉端口
表示時間 B馬達轉動2秒后停止
等待指定時間（秒）
A燈打開，5.5秒后關閉。
等待指定時間（0.01秒） A燈打開，0.1秒后關閉。
等待觸感被按下 A燈打開，等待觸感被按下后關閉A燈。
等待觸感被松開 A燈打開，等待觸感被松開后關閉A燈。
等待光感大于某一數值 A燈打開，光感值大于40后關閉A燈。
等待光感小于某一數值 A燈打開，光感值小于40后關閉A燈。
等待光感增加一定量 A燈打開，光感值上升1后關閉A燈。
等待光感下降一定量 A燈打開，光感值下降1后關閉A燈。
指定輸出端口 A馬達打開1秒后關閉。
指定輸入端口 打開A馬達，等待3端口觸感被按下后關閉A馬達。
端口的值 等待觸感被按下后在RCX屏幕上顯示端口1的值。
馬達的能量級 馬達A以能量級別3轉動4秒后停止。
常量 前面一直在使用，很常用的一個圖標。
著落和跳轉實現無限循環 無限播放C音符。
觸動傳感器判斷分支 觸感松開時，A燈亮，觸感按下后，C燈亮。
光感判斷分支 光感值大于40時，A燈亮，光感值小于40時，C燈亮。
分支合并 光感值大于40時，A馬達轉動，小于40時，C燈亮
循環 打開A馬達一秒后關閉，重復循環5次。
觸動傳感器循環 打開A馬達一秒后關閉，直到按下觸感后結束循環。
光感小于循環 當光電傳感器的值小于40時，讓A馬達不端轉動。
更多圖標解釋請看ROBOLAB編程指南
常用機器人活動網址
中文網站名 網址 描述
西覓亞網站 www. 目前中國最大的樂高網站
機器人社區 www.robotdiy.com 中國最大的機器人社區
樂高資料庫 Robolab.fjyy.com 有非常豐富的樂高資料
RoboCupJunior中國賽區官方網站 robocupjunior. 機器人足球中國賽區官方網站
RoboCupJunior 國際官方網站 www.robocupjunior.org 機器人足球國際官方網站
FLL機器人世錦賽網站 www.firstlegoleague.org FLL機器人世錦賽網站
IRO國際機器人奧林匹克競賽 www.iroc.org 亞太地區機器人比賽官方網站
江蘇省機器人網 www. 江蘇省青少年機器人等科技活動網站
參考書：
ROBOLAB 2.5編程者指南
樂高搭建指南
樂高組件和軟件在在工程學中的應用-美國
樂高設計的藝術
第五節 實踐練習
領用器材
2-4人小組確定名單和工作空間。根據實驗要求開列器材清1式2份，領用器材。
通過查資料、詢問及實際操作和調查，筆答下列問題于專用筆記本上（注明題號，寫清是否經過實踐驗證）。
實踐并筆答問題如下：
RCX的電源電壓是多少？如何測量？有哪幾種提供方式？
普通5號干電池電壓是多少？新買的電壓是多少？電壓通常低于多少時不能使用，需要更換？
5號充電電池電壓是多少？充足電時電壓是多少？電壓通常低于多少時不能使用，需要重新充電？
同一RCX中，能否使用不同電量，不同電壓，不同型號的電池？為什么？
同一充電器中，能否裝放不同電量，不同型號的電池充電？為什么？
如何延長充電電池壽命？
可以對普通干電池充電嗎？為什么？
有同學使用充電電池，其RCX電源電壓是多少？有同學想用增加兩節電池的方法提高電壓，可以嗎？如何連接？操作中要注意什么？
什么叫短路？什么叫斷路？畫圖說明。
什么叫串聯？什么叫并聯？各有什么特性？畫圖說明。
給RCX換電池要注意什么？
RCX電量低時，有哪些顯示？在RCX上還是電腦屏幕上？如何操作？
RCX使用的是什么軟件？有哪些途徑可以得到？有哪些版本？如何安裝？
活動室內的電腦可以隨便使用嗎？有哪些常規要求？各種插件可以任意插拔嗎？
使用電腦的注意事項有哪些？如何傳進、導出電腦中有用的資料？如何保存資料（常規）？
如何防治電腦病毒？如何安裝殺毒軟件？
活動小組中，每人都是主人。你擔任了什么主人的角色（管理和常規）？任務完成得如何？
RCX紅外發射器通常有哪幾種？你使用的是哪一種？如何為其尋找和安裝軟件？
由RCX窗口能知道哪些信息？通過窗口怎樣知道RCX有無固件？窗口如何表示電力低？如何表示高能量傳輸信號？
如何設置紅外發射器的能量？如何調整自動關機時間？如何鎖定和解鎖程序1和2？如何查看RCX的電池能量？
你的電池準備好沒有？規格如何？一般換一次電池可以使用多長時間？
1個RCX可以同時安裝幾個程序？1次可以執行幾個程序？不同程序間可以相互連接和控制嗎？
RCX紅外發射器最遠可以傳輸多大距離？通常的低能量傳輸信息多少距離最佳？你有哪些措施保護RCX程序不被外界干擾？
舉出3件結束機器人活動，離開活動室前的重要工作。
RCX窗口無顯示，可能的原因有哪些？
樂高馬達有哪幾種？空載轉速和最大扭矩分別是多少？哪一種最快？哪一種力量最大？哪一種功率最大？哪一種耗電最大？
樂高馬達的電源由哪些方式提供？連接線有幾種？樂高馬達的連接線與RCX有上下左右4個方向的連接方式，不同的連接方式，馬達旋轉方向有何改變？拔插連接線時要注意什么？
什么是樂高單位？磚塊、梁和板子的樂高單位分別是多少？普通馬達的長度、寬度和高度各是幾個樂高單位？
尋找固定馬達的最佳方案？用什么零件并列2個梁？怎樣使底盤和RCX牢固連接？
用1個普通馬達搭建一種最簡單的直線行走小車，至少需要哪些積木？做出來，比試比試。
編程中關于馬達有哪幾種符號？編寫直線走程序，直線競速，看誰先到達終點。
在編程中，馬達有幾種能量級別？各能量級別如何設定？不同能量級別對速度和扭矩有何影響？有哪些方面的應用？
做1個差速器至少需要哪些零件？做一做。如何測試兩個馬達是否同速？選定接近同速的1對馬達，記下標志。
1個馬達搭建的小車能夠控制轉彎嗎？2個馬達搭建的小車可以控制轉彎嗎？做1個能自由轉彎的小車至少需要哪些零件？編寫定點左轉90度和定點右轉90度的行走程序，結合2馬達小車試一試。
影響馬達走直線的因素通常有哪些？舉出調整小車走直線的方法種種。
做一做，2個馬達和RCX的組合方式有哪些？各有哪些特點和應用？
應用時控編程，看誰最快、最穩地居中行走，進入滅火場地2號房間。
設計三輪車的不同萬向輪。各有什么優缺點？各有哪些應用？
如何準確定位機器人？可以利用哪些輔助設置和原理？
爬坡機器人和走平地機器人相比，在結構上有何特殊要求？對馬達的能量有何要求？設計制作機器人爬上保齡球場地坡頂，并居中左轉90度直線走。
齒輪有哪些種類？齒輪的固定有何注意事項？
應用齒輪如何改變速度？哪些齒輪可以形成齒輪組？速度改變如何？
設計1個有情節、有動作、有服裝道具的表演2分鐘左右的舞蹈機器人。
設計制作一個能利用時控和觸動傳感器控制，在滅火場地里由起點出發，進入3號房間，繞房一周后回到出發點的機器人。
設計制作一個沿桌邊走的機器人（提示：利用光感）。
分別使用1個和2個光感設計制作一個沿黑線走的機器人。
設計制作一個數格子到終點的機器人。
根據自己的觀察和生活實踐，設計制作一個有一定創新設計和功能意義的機器人。
按要求完成所設計的機器人的文字報告。
各組最好的作品展示評比。
第六節 研究性學習
根據前階段學習成果，選擇優秀學生領頭各小組分選今年江蘇省機器人大賽一個項目研究制作，做比賽參賽項目準備。
（項目見江蘇省比賽通知）
歸納小結
問題討論
修改變量
直接控制
音樂
互聯網控制
控制板
清零
高級編程
等待時間或
傳感器的變化
容器運算
開始與結束
結構（包括條件、跳轉、循環、多任務、子程序等）
輸出控制
多媒體
Scout控制
打開程序
我自己的程序
通信
修飾
等待時間或傳感器的變化
音樂
結構（包括條件、、循環、多任務、子程序等）
清零
循環
跳轉
分支
事件
相等分支
開始
FLU表示樂高的基本單位
1FLU=0.8cm
水平方向上單位關系為2:1(為了方便計算只要比較水平兩個方向的凸點之比,如右圖凸點個數之比為4:2)
三塊板的厚度等于一塊梁的高度
利用樂高基本單位對梁進行垂直固定,可以利用上面的關系計算一下.
白色和黑色銷作用有什么不同呢
白色銷:表面比較光滑,與梁的孔配合,可以很自由的旋轉,常用于連動機構,鉸鏈的設計中.
黑色銷:表面比較粗糙,與孔配合時無法靈活轉動,常用于部件之間,機構之間的固定.
當小齒輪(8齒)帶動大齒輪(24齒)時,實現減速傳動,傳動比為3:1，即小齒輪轉動3圈時，大齒輪轉動一圈。該機構會減小速度，同時增加力量
當大齒輪（24齒）帶動小齒輪（8齒）時，實現加速傳動，傳動比為1：3，即大齒輪轉動1圈時，小齒輪轉動3圈，該機構會增加速度，同時減小力量
通過多組齒輪間的配合實現機構的多級傳動，如圖所示為兩級傳動鏈，傳動比為9：1（小齒輪帶動大齒輪）。
觀察左圖，思考該傳動鏈為幾級傳動且傳動比為多大？
答案：5級傳動
傳動比為243：1
該圖為蝸輪蝸桿機構，該機構特點為：
1： 24：1的傳動比，速度非常慢
2： 具有“自鎖”功能，不能反響傳動
（只能是通過蝸桿帶動冠齒輪，反
之無法轉動）。
3：可以產生大扭矩，但因摩擦，能量 損失較大，無法應用于高性能的主驅動裝置中
如果要改變輸出軸的轉動方向可以使用冠齒輪和直齒輪的配合（如左圖），該圖中產生一個垂直方向的運動輸出。
斜齒輪的配合也可以改變輸出軸的轉動方向（如左圖），該圖中產生一個水平方向的運動輸出。
如圖所示可以使用小滑輪、軸套、斜齒輪防止軸竄動
利用滑輪傳動有如下特點：
噪音小，易打滑
常使用于高速低扭矩條件下。
利用滑輪和銷固定軸的一種方法
兩根梁的另一種特殊固定方法。
兩根梁的一種特殊固定方法，非常牢固
觀察一下，這兩個有什么區別，不仿試一下？
履帶的使用方法，注意箭頭所指的齒輪作用。
固定馬達的一種方法，注意圖中導軌板的安裝和作用
樂高腿的基本搭建方法
樂高抓手的基本搭建方法

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