資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術》選擇性必修2
機器人設計與制作
第五章　機器人的控制與制作
第 二 節 機器人的控制與制作活動
教學設計
教學背景
黨的二十大明確指出，“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐。必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力，深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略，開辟發展新領域新賽道，不斷塑造發展新動能新優勢”。
機器人是20世紀人類的偉大發明，今天，它不僅能夠代替人類登陸火星和潛入幾千米以下的深海，還可以不知疲倦地工作在各種生產線上，并服務于我們的日常生活。
關于機器人，我國科學家認為機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。國際標準化組織認為工業機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業的可編程操作機。
教學目標：
知識與技能目標:
1.熟悉一種機器人平臺的硬件和軟件系統，以及計算機編程語言及其調試環境。
2.掌握編制計算機程序，實現簡單的機器人路徑規劃和運動控制的方法，并能完成程序調試和程序下載。
教學內容分析:
機器人是一種能夠按照預先設計程序而自動執行工作的機械裝置。當前機器人已經大規模地走進工業生產、軍事、政府管理、商業應用等領域，它們可以幫助或代替人類完成不同的工作，在各個方面影響著人類的生活。通過本章的學習，讓我們來初步了解和認識機器人吧。
前面我們學習了機器人主要組成部分的基礎知識，搭建了機器人，初步體驗了控制器和傳感器的設計制作。在這一章中，我們將理解機器人路徑規劃和運動控制的概念和功能，掌握機器人常用路徑規劃和運動控制的設計方法。通過機器人制作活動，親歷設計和制作、編程和調試的全過程，嘗試簡單的機器人運動控制和路徑規劃，使我們對機器人的基本組成及功能有更進一步的掌握。
學情分析:
生活在科技迅猛發展的21世紀，同學們有必要了解一些機器人的知識，因為未來的機器人將對我們的生活和工作產生巨大的影響。
　　自己動手制作機器人是讓同學們了解機器人的最好手段。同學們一起進入機器人設計與制作的精彩世界吧。
教學重難點:
熟悉一種機器人平臺的硬件和軟件系統，以及計算機編程語言及其調試環境。
掌握編制計算機程序，實現簡單的機器人路徑規劃和運動控制的方法，并能完成程序調試和程序下載。
教學策略:
本節課教學主要由教師通過實物和多媒體手段設置學習情境，并加以引導，讓學生在過程中發展學生核心素養、培養實踐能力、提升創新意識、開闊認知視野；將自主學習、合作學習、探究學習等多種學習方式滲透進學生的學習和教師的教學當中；不斷嘗試現代教育技術和方法的運用。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景倒入:
老師：本節課我們學習《通用技術》選擇性必修2第五章機器人的控制與制作第 二 節 機器人的控制與制作活動。
通過前面的學習，我們對機器人的組成和原理有了一定的了解。這一節，我們將通過制作活動，進一步培養創新精神和動手能力。
機器人的制作是一個復雜的過程。下面讓我們通過實踐體悟機器人的制作過程，發揮自己的創造能力，設計出符合項目要求的機器人。
一、自動循跡機器人的制作
循跡機器人是一種按照給定路線（使用黑線標識引導）自動進行移動的機器人，它綜合運用了傳感器、信號處理、電機驅動和自動控制程序設計等技術來實現地面標識檢測、障礙避讓、路線規劃和自動行駛。循跡機器人在生活中有著廣泛的應用，例如自動化生產車間中的物料配送機器人、餐廳里的送餐機器人、商場或銀行里的機器人助理等。
實踐
在地面任意白色水平面上繪制1條黑色標識線（如在地面繪制如圖5-4所示的路線）（參見教材P76），設計制作自動循跡機器人，讓機器人從該路線中的任何一個位置出發，都能夠順利地沿著路線走下去。
要求：
①分析機器人的行走策略，規劃合適的行走路線，控制機器人實地行走。
②幫助機器人在撞到障礙物時，及時后退，繼續行走。
③設計機器人可以循著黑線行走的程序流程圖，完成程序編寫和調試。
④觀察機器人循跡行走的過程，分析成功和失敗的原因，提出優化的方案并實施。
方法指導
機器人制作的第一步就是設計，機器人的設計實際上有兩個重要內容：硬件設計和軟件設計。如果我們把硬件看成是機器人的軀體，軟件就是機器人的靈魂。硬件使機器人具有行走、感覺的能力，軟件使其具有思考、判斷、控制的能力。
1．硬件設計
硬件上可采用輪式機器人平臺，該機器人依靠左、右兩個電機帶動車輪進行移動。
通過程序對電機的控制可以實現向前、后退、左轉和右轉等運動，應用兩對光電傳感器分置于機器人前部并照射于地面黑線的左右兩端（略大于黑線的寬度），就可以檢測機器人是否在黑色標識線上方，利用紅外傳感器、超聲波傳感器或碰撞傳感器都可以使機器人“看”到前方的障礙物，并通過編程進行避讓。
2．軟件設計
（1）分析。
1）機器人在行走過程中需要不斷地檢測黑色標識線，一旦發生偏移的現象就要重新對行走的路線進行規劃，并通過控制電機讓機器人重新走到正軌上。其程序流程如圖5-5（參見教材P77）所示。
2）為了對機器人實現更好的運動控制方式，我們要對機器人的左、右兩個電機進行差速控制，以避免原地轉動。例如：左邊的電機轉速比右邊的電機轉速慢，機器人向左前方走；左邊的電機轉速比右邊的電機轉速快，機器人向右前方走。具體控制參數如圖5-6（參見教材P78）所示。
思考
1．在控制機器人直線行走和轉向的時候，應該如何調劑左、右電機的轉速？
2．不同的轉速配置會對應怎樣的行走路徑？
3．對于不同的場地應該如何選擇合適的行走路徑？這種路徑如何實現？
3）在機器人躲避障礙物方面，可以利用超聲波傳感器檢測遠方是否存在障礙物， 如果有則先降低機器人的行走速度，再結合紅外傳感器來躲避障礙物。但是對于一些較小的障礙物，超聲波傳感器和紅外傳感器可能檢測不到，因此，我們可以利用碰撞傳感器檢測機器人是否已經撞上障礙物，以避免機器人在行走的過程中出現“罷工”的現象。下面給出了利用紅外傳感器躲避障礙物的設計流程圖（圖5-7）（參見教材P78）。
4）機器人在躲避障礙物時，應采用原地旋轉或后退再轉向的方式。
5）在尋找黑線和躲避障礙物這兩個功能出現沖突時，一般來說，機器人應優先考慮躲避障礙物，再去尋找地面的標識線，這樣能夠更有效地對行走路線進行規劃。
（2）編程。根據軟件設計分析的思路，規劃好循跡機器人程序的流程圖，并使用圖形化編程環境進行代碼塊的編寫。實現上述功能的程序可以不同，這里給出的只是一個例子（圖5-8）（參見教材P79），供參考。
3．現場調試
程序編程完成后，需要對機器人進行現場調試，通過對程序進行編譯并把編譯好的程序上傳到機器人中。例如在圖像化編程環境中，可使用編程環境中 “編譯”按鈕對程序進行編譯，完成后使用“上傳”把程序上傳到機器人中（圖5-9）（參見教材P80）。上傳程序后將機器人放到有標識線的平面上進行調試，此時機器人有可能會跑偏，需要結合實際情況對程序中的速度值Speed、轉向速度差值DeltaSpeed和光電傳感器測量回來的數值、判斷黑色的閾值進行修改，重復多次編譯上傳程序的調試步驟，最終完成實現循跡機器人的設計要求。
探究
結合所開展的實踐活動討論下列問題。
1．教室里有許多桌子、椅子和同學。機器人要避開這些障礙物，才可以順利地沿著黑線行走。請分析機器人需要什么傳感器來避開障礙物？對教室的環境有什么要求
2．機器人利用什么傳感器來找到黑色標識線？怎樣才能使機器人沿著黑線走, 并且不會偏離？
3．探討機器人“看東西”的能力，對于機器人不能“看”到的東西可以采用什么方法避開？
4．機器人在實際行走的過程中，可能會有什么現象發生？應怎樣避免？
5．在程序中，用不同的傳感器進行檢測的優先順序是什么？調整這些順序，將出現怎樣的情況？
二、自動返回機器人的制作
我們通過設計制作一個能“自動返回”的機器人，學習如何使機器人擁有“智慧”，懂得“判斷”外界環境，并能進行“記憶”和“思考”。
實踐
設計一個“自動返回”機器人，讓其在如圖5-10（參見教材P80）所示的場地中走到第5根黑線后，自動返回到出發點并停下。
方法指導
要完成設計要求，需要使用光電傳感器收集來自場地中對應黑線的信息。在行進過程中， 必須要讓機器人能“記住”共經過了幾條黑線。當“判斷”其到達第5條黑線時，就可以停止移動，并開始返回。在返回過程中，也要重新“數”黑線的數目，“判斷”到達出發點并停下（圖5-10）（參見教材P80）。
1．軟件的安裝與配置
機器人程序代碼的編寫可以使用多種開發環境，如BricxCC、Arduino IDE、Eclipse、Buddy++等等，這里使用Arduino IDE作為例子，介紹一種機器人代碼編寫的方法（圖5-11）（參見教材P81）。
為了更便捷地完成機器人的編程，Arduino IDE為我們提供了豐富的庫函數以方便實現代碼的調用。首先，我們點擊“項目”菜單下面的“加載庫”，然后點擊二級菜單的管理庫（圖5-12）（參見教材P81），就可以打開庫文件管理器的界面（圖5-13）（參見教材P81），此時搜索所需要的庫函數（圖5-14）（參見教材P82），并點擊“安裝”按鈕，就能把庫函數下載到計算機中。
當庫函數下載完成后，可以關閉庫文件管理器，然后依次點擊“文件”下面的“示例”，在下拉菜單中找到已經下載庫函數示例文件（圖5-15）（參見教材P82）。
點擊打開庫函數示例文件，可以瀏覽到與之對應的示范程序，這個將是我們編寫程序的基礎模板（圖5-16）（參見教材P82）。
2．傳感器的選取
為了達到設計的要求，“自動返回”機器人需要控制兩種關鍵部件：光電傳感器和電機。
我們之前已經學習過怎樣使用光電傳感器，在本設計過程中，同學們需要利用光電傳感器收集來自地面的信息（圖5-17）（參見教材P83）。
3．程序編寫
出發與返回兩個過程主要是通過兩個電機的正向轉動和反向轉動來實現，配合光電傳感器檢測到的地面信息，以計數的方式統計通過黑色線的數目。根據設計思路，我們可以確定程序對應的流程圖（圖5-18）（參見教材P83）。
打開Arduino IDE，選擇菜單“文件”下面的“新建”（圖5-19）（參見教材P83）
清空原來的代碼并輸入以下內容（圖5-20）（參見教材P84）
依次單擊菜單“文件”下面“保存”，并命名為Motor_FB。單擊菜單“項目”下面的“驗證/編譯”（圖5-21）（參見教材P85），對程序進行編譯。
等待程序編譯的結果，編譯正常通過的情況如圖5-22（參見教材P85）所示，具體數字會因機器人處理器的情況有所不同。
依次單擊菜單“工具”下面“開發板”，根據機器人處理器的情況選擇對應的開發板（圖5-23）（參見教材P85）。
依次單擊菜單“工具”下面“端口”，根據機器人與計算機連接的情況選擇對應的通訊端口（圖5-24）（參見教材P86）。
最后讓我們上傳并運行程序，點擊菜單欄中的 上傳程序（圖5-25）（參見教材P86）。
當程序上傳完成后，開發環境會提示上傳成功并開始自動運行程序（圖5-26）（參見教材P86）。若出現錯誤情況，會在下面信息欄中顯示出錯原因，可以根據具體提示檢查程序存在的問題。
4．檢查硬件連接
當程序上傳到機器人后，我們需要再次檢查機器人的硬件連接是否存在問題，確保信號線已經接到對應的引腳處，以免出現機器人工作不正常的情況（圖5-27）（參見教材P87）。
思考
如果要讓輪式機器人行進到第4條黑線時開始返回，行進到第2條黑線時再次前行，最后在第3條黑線處停下，程序應如何編寫？
拓展活動
根據之前學習過的有關知識，在已有的輪式機器人上增加手爪，讓其完成以下任務：將放于第5條線的球抓起，然后返回至第1條線處放下（圖5-28）（參見教材P87）。
三、避障機器人的制作
實踐
設計一個避障機器人，讓其在如圖5-29（參見教材P88）所示的場地中，繞過障礙物走到第6根黑線后停下。
要求：
①機器人能通過編程控制機器人向不同的方向移動。
②機器人需帶有光電傳感器，并能利用傳感器獲得到場地中對應黑線的信息。
③機器人前方安裝能識別距離的傳感器，能判斷周邊是否存在障礙物。
④在滿足以上要求的前提下，機器人移動所花費的時間越短越好。
方法指導
1．機器人設計方案
（1）收集和分析需要。在進行機器人的設計前，需要針對場地的情況進行分析，了解黑線的分布和障礙物的位置。通過了解和分析場地信息可以預先設計機器人的行走與避障方法，方便對機器人進行路徑規劃和運動控制。
（2）硬件搭建。根據分析得出的思路對機器人硬件進行搭建，增加能讓機器人獲得場地黑線信息和識別障礙物的相關傳感器。
（3）軟件設計與調試。
①通過所學內容編寫程序，讓機器人能直行與轉向。
②單獨調試黑線識別傳感器，測試程序是否正常。
③通過編寫程序，使機器人經過第3根黑線后停下。
④單獨調試障礙物識別傳感器，測試程序是否正常。
⑤設計程序使機器人能避開障礙物。
⑥對走黑線和避開障礙物兩部分的程序進行聯合調試，實現任務需求。
2．優化設計方案
機器人行走與避障的過程中往往會出現意外的情況，因此我們需要在調試的過程中對發現的問題進行分析，修改程序參數的設置，對設計方案進一步優化、改進。同時也逐步減少機器人行走所需的時間。
綜合實踐活動
選取下列1~2個機器人項目進行制作，并寫出設計報告。
（1）自動避障并返回的機器人。
（2）圍繞障礙物行走的機器人。
（3）跟隨前方物體行走的機器人。
（4）沿著墻壁行走的機器人.
學習評價
評價內容 評價方式
自評 互評 師評
理解簡單的機器人路徑規劃與運動控制的概念和功能
學會利用柵格建模法對機器人移動路徑進行規劃和運動控制
掌握路徑規劃和運動控制的程序設計、調試及下載方法
實現至少一種機器人路徑規劃和運動控制的任務
能綜合最小控制系統的軟硬件知識，完成綜合實踐項目
說明：A—優秀，B—良好，C—合格，D—待改進
通過本章的學習，你的核心素養得到了哪些發展？
板書設計
第 二 節 機器人的控制與制作活動
一、自動循跡機器人的制作
二、自動返回機器人的制作
三、避障機器人的制作
教學反思
通用技術
選擇性必修2
電子控制技術
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發
副 主 編：李 榕 周衛星 朱美健 席春玲
本 冊 主 編：李 榕
本冊副主編：鄭永駒 鐘清華
編 寫 人 編：
張百睿 李 榕 鄭永駒 鐘清華　周 嘉 龔澤祥 胡智豪
廣東教育出版社
廣東科技出版社

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