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
第二章　機器人的傳動機械
第 三 節 機器人的機械設計
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.掌握機器人機械結構的初步設計方法。
2.初步學會機器人機械部分的搭建。
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。
機械部分是機器人重要的組成部分，它能通過傳動裝置，將動力裝置產生的運動和力傳遞到執行裝置的移動機構和手爪機構，實現行走和抓取。機器人中的傳動裝置是機械傳動。在各種高新技術飛速發展的今天，我們的日常生活和工農業生產都離不開機械傳動。
讓我們通過本章的學習來了解和初步掌握機械傳動的知識和應用吧。
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:
掌握機器人機械結構的初步設計方法。
初步學會機器人機械部分的搭建。
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第二章機器人的傳動機械第 三 節 機器人的機械設計。
情景
圖2-26（參見教材P19）是一種由固定支撐體和機械手組成的工業機器人，圖2-27（參見教材P19）是一種由移動的履帶、實現操作的機械手和支撐體組成的排障機器人。這些機器人的手爪機構和移動機構是如何設計的呢？
本節我們將通過原理學習，了解機器人機械結構的設計方法。學習用的機器人一般有固定形式（圖2-28）（參見教材P19）和拼裝形式（圖2-29）（參見教材P19），通過學習，嘗試進行機器人機械結構的設計搭建。
一、機器人的移動機構
目前，機器人移動機構的主要方式有履帶式、輪式和足式等（圖2-30）（參見教材P20）。
機器人移動機構的動力一般來源于直流電機。根據對機器人行走功能的要求，可以利用前面我們已經學過的各種機械傳動和機構，將直流電機產生的旋轉運動轉變為移動機構所需要的各種運動形式。
實踐
機器人移動機構的分析和實現
（1）分析和討論采用齒輪傳動的四輪機器人是如何行走的。
（2）分析和討論采用平面四連桿機構的足式機器人是如何行走的。
（3）設計和制作六足機器人。
方法指導
1．齒輪傳動四輪形式（圖2-31）（參見教材P20）的機器人
齒輪傳動四輪形式是機器人行走的常用形式。它的動力一般是直流電機，通過一組齒輪系，將電機產生的轉動傳遞給驅動輪，使車行走。
討論
（1）電機驅動的是哪兩個輪子？
（2）齒輪傳動是如何將電機的轉動傳遞給車輪的？
（3）圖2-31a（參見教材P20）的車能夠執行什么運動？
（4）將圖2-31a（參見教材P20）中主動輪的軸改為差速齒輪系統（圖2-31b）（參見教材P20），將使車的運動發生什么變化？
2．平面四連桿機構的足式機器人
足式機器人實際上就是模仿生物行走或爬行。當用輪子行走時，輪子一般不會離開地面，而用足行走時卻需要離開地面。如何才能實現呢？
當一只足離開地面時，其他足必須使機器人保持平衡，這是足式機器人行走時需要解決的關鍵問題。圖2-32（參見教材P21）是一種足的基本結構，它的運動軌跡是一個橢圓。當這個機器人的足離地后，為保持機器人的平衡，必須采用支撐結構（在圖中足的后面）。
我們以較復雜的四連桿足為例，進一步進行分析和討論。
圖2-33（參見教材P21）是四連桿足兩面圖，它是典型的平面四連桿結構，而且兩個連架桿相等，構成平行四連桿。利用平行四邊形原理，四連桿足可以實現抬起和落下。這里我們應用了平行四邊形原理，當主動連架桿轉動時，從動連架桿跟隨做圓周運動，足（即連桿）的運動軌跡是一個圓。當連桿向最高點運動時，足抬起離開地面，向最低點運動時，足逐漸落到地面。
圖2-34（參見教材P21）所示的不等邊連桿足也是一種四連桿機構，請同學們討論：
（1）四連桿機構是如何構成的？
（2）它如何實現足的行走，其運動軌跡怎樣？
3．設計和制作六足機器人
在六足機器人中，為了在行走的過程中達到平衡，每側需要三只足。圖2-35（參見教材P22）是六足的單側圖。機器人每行走一步，需要提起3只足，當一側只有中間的足離開地面時，機器人的另一側應只有中間的足落地（另外2只足離開地面）。它的每一只足（圖2-36）（參見教材P22）都是利用曲柄連桿機構實現運動的，其運動軌跡是一個橢圓。
知識窗
履帶車機器人的越障能力如果機器人的腿是與坦克相仿的履帶形式（圖2-37）（參見教材P22），就能具備一定的逾越臺階障礙的能力，它行走過程如圖2-38（參見教材P22），其越障的高度與前后履帶斜坡部分的高度及角度有關。臺階越高，機器人傾斜越嚴重，如果傾斜使重心超出履帶支承點時，則容易發生整體的傾覆。
二、機器人的手爪機構
根據機器人功能的不同，其操作裝置也不相同。
機器人的手爪如圖2-39（參見教材P23）所示。
在機器人中，手爪的抓取功能也可以利用我們前面已經學過的各種機械傳動和機構來實現，手爪的運動同樣是將直流電機產生的旋轉運動轉變為所需要的各種運動方式。
實踐
手爪機構的分析與制作
（1）通過分析和討論了解手爪實現抓取的方法，掌握已學過的各種機械傳動和機構的應用。
（2）實現手爪簡單的抓取操作，了解實現的過程，學會發現問題和解決問題。
方法指導
1．不同的手爪機構
圖2-40（參見教材P23）為一種簡單的手爪。它是如何抓取物體的呢？從圖2-40（參見教材P23）中可以看出，它的一個爪被固定，另一個爪、齒輪和連桿形成一個平面四連桿機構。由電機驅動，控制其張開和抓取物體。
圖2-41（參見教材P23）是在簡單手爪基礎上改進的。請大家分析和討論，它是如何抓取物體的。
圖2-42（參見教材P23）是蝸桿蝸輪手爪。它是由什么來驅動，又是如何抓取物體的呢？通過動手制作、試驗，分析它與上述兩種手爪在抓取方面有何不同。
2．制作機器人手爪
三、機器人機械部分的搭建
根據本章前面學習的知識，搭建一個類似圖2-44（參見教材P24）所示的機器人手臂，通過控制手臂上的多個關節，實現機械手臂的運動。
實踐
嘗試搭建如圖2-45（參見教材P24）所示的機器人手臂，從中理解機器人的基本組成，初步學會如何組裝機械人的手臂。
要求：
①采用多關節結構進行構想設計。
②了解齒輪的傳動及舵機的連接。
③注意機器人手臂結構的穩定性設計。
方法指導
1．搭建底盤
（1）找出機器人手臂的連接件、舵機及其他配件，如圖2-46（參見教材P25）檢查配件是否齊備。
（2）開始搭建出機器人手臂的底座，如圖2-47（參見教材P25）所示的底座平臺。
（3）找出1個舵機，把舵機與底座進行固定，制作機器人手臂的第一個關節，如圖2-48（參見教材P25）所示。
2．搭建機械手臂
（1）由于這個部分的制作涉及手臂的多個關節，需要把各個傳動部分通過連接件和不同的螺絲組裝在一起，所以機械手臂的搭建是整個制作過程最復雜的部分。開始時先找出需要使用的連接件和螺絲，制作機械手臂的結構部分，如圖2-49（參見教材P25）所示。
（2）找出2個舵機，把機械手臂的結構部分和底座進行連接，如圖2-50（參見教材P25）所示。
（3）安裝舵機，完成機械手臂的結構搭建，如圖2-51（參見教材P26）所示。
3．組建機械手爪
（1）找出機械手爪的配件并完成組裝，如圖2-52（參見教材P26）。
（2）把控制手爪的舵機通過連接件安裝到機械手爪上，使舵機能控制機械手爪的開合，如圖2-53（參見教材P26）所示。
4．整體組裝
把安裝好舵機的機械手爪與其他部分進行連接，完成整個機械手臂的組裝，如圖2-54（參見教材P26）所示。
思考
1．如何讓機器人的手臂更加穩固？
2．如何加大機器人手臂的靈活度，讓手臂實現更多動作？
學習評價
評價內容 評價方式
自評 互評 師評
了解機器人的機械部分和傳動機械
了解齒輪和齒輪系傳動，能計算簡單的齒輪傳動比，按照裝配圖樣安裝和調試簡單的齒輪裝置
分析常見連桿傳動裝置的結構及其應用，并根據需求設計和制作簡單的連桿裝置
學會機器人機械結構的初步設計方法，初步學會機器人機械部分的搭建
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
第二章　機器人的傳動機械
第 三 節 機器人的機械設計
一、機器人的移動機構
二、機器人的手爪機構
三、機器人機械部分的搭建
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

展開更多......

收起↑