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 一 節 機器人的路徑規劃和運動控制
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.理解簡單的機器人路徑規劃與運動控制的概念和功能。
2.掌握利用柵格建模法對機器人移動路徑進行規劃和運動控制。
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:
理解簡單的機器人路徑規劃與運動控制的概念和功能。
掌握利用柵格建模法對機器人移動路徑進行規劃和運動控制。
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 一 節 機器人的路徑規劃和運動控制。
情景
酒店中的送餐機器人，從廚房出發，最后把飯菜送到客人的餐桌上。如何為機器人尋找一條連續的最優的路徑，又如何讓機器人避免與走動的人員或固定的障礙物發生碰撞呢？
要解決送餐機器人最優的路徑和避免與走動的人員或固定的障礙物發生碰撞問題，需要對機器人進行路徑規劃和運動控制。
1．路徑規劃
路徑規劃是機器人設計中的一項重要內容，它是指機器人根據自身任務的需要，按照一定的評價準則（時間最短，距離最短，能耗最少等），尋找一條從起始位置到目標位置的路徑。
路徑規劃的方法多種多樣，經過研究人員幾十年的研究，已經提出例如柵格建模法、自由空間法、可視圖法、人工勢場法、模糊邏輯算法、神經網絡法、遺傳算法等。應用中較為常見的是柵格建模法。
2．運動控制
運動控制主要包括對機器人的位置控制、速度控制、加速度控制、轉矩或力矩控制等。
按照動力驅動方式的不同，機器人的動力驅動一般可分為電機驅動、壓縮空氣驅動和液壓驅動等。其中采用電機驅動的機器人較多，特別是在人形機器人和移動機器人中，需要通過程序及驅動電路對多個電機進行控制，從而對機器人的運動進行控制。
知識窗
柵格建模法是由Howden在1986年提出的一種廣泛應用于移動機器人全局路徑規劃的方法。它是使用大小相同的柵格對機器人所在的二維空間進行劃分，每個柵格的大小一般以機器人自身的尺寸為準。如果在某個柵格的范圍內沒有障礙物，則該柵格稱為自由柵格；反之則稱為障礙柵格。在這個方法中，機器人所在的環境量化成一系列具有二值信息的網絡單元。
實踐
如圖5-1（參見教材P75）所示，假設機器人在同一個平面中，需要從A點到達B點，而且只能按照圖中的黑線進行移動，平面當中沒有障礙物，通過路徑規劃和運動控制的方法讓機器人從A點移動到B點。要求：
1．3～5人為一組進行活動。
2．讓機器人能循線向前移動。
3．機器人能利用傳感器檢測自身是否已經到達下一個位置點。
4．機器人能統計經過的位置點數目。
5．控制機器人轉動90°。
方法指導
首先對機器人所在的平面進行柵格建模，我們可以把平面的左下角設為位置原點（0，0），把黑線的每一行和列的交點設為一個位置點，則該平面可以定義為下圖的x乘以y網格（圖5-2）（參見教材P75）。其中機器人初始位置A（1，1），目標位置B（5，5）。從A點移動到B點的過程中，有多種可能的路徑，若以轉向次數最少為路徑規劃的準則，那么在對機器人進行運動控制的過程中，我們可以選擇讓機器人先往 y 的 正 方 向 移 動 ， 當到達目標位置所在行的時候，控制機器人順時針轉90°，接著繼續向目標點移動，最后控制機器人減速停下。該路徑規劃的算法流程圖如圖5-3（參見教材P75）所示。
知識鏈接
軌跡規劃和路徑規劃是機器人運動規劃中的兩個重要概念，它們有以下幾點不同：
定義不同：軌跡是指機器人在運動過程中實際所經過的路徑，而路徑是指機器人運動的規劃路徑，是一條抽象的線段。
目標不同：軌跡規劃的目標是生成一條機器人可以實際運動的路徑，使機器人能夠在運動過程中保持平穩、準確和高效。而路徑規劃的目標是生成機器人運動的最優路徑，使機器人能夠在給定的起點和終點之間以最短的距離或最短的時間到達終點。
實現方式不同：軌跡規劃通常是在機器人的關節空間或笛卡爾空間中進行，通過規劃機器人的關節或位姿來生成機器人的軌跡。而路徑規劃通常是在機器人的自由空間中進行，通過搜索算法或優化算法生成機器人的路徑。
算法不同：軌跡規劃通常使用速度規劃算法或加速度規劃算法來生成平滑、連續的機器人軌跡。而路徑規劃通常使用搜索算法如A*算法或RRT算法，或優化算法如最小二乘法或非線性規劃等，來生成機器人的最優路徑。
綜上所述，軌跡規劃和路徑規劃在定義、目標、實現方式和算法等方面都存在明顯的差異，但它們都是機器人運動規劃中不可或缺的部分，能夠為機器人的運動控制提供重要的支持和保障。
板書設計
第 一 節 機器人的路徑規劃和運動控制
1．路徑規劃
2.運動控制
位置控制
速度控制
加速度控制
轉矩或力矩控制
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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