乐高简易教材.pdf

前言 简易机器人制作是通用技术中的一门选修模块，也是目 前全国热烈普及的教学改革内容之一。 其中单片机技术是计算机技术的一个分支，是简易机器人 的核心元件。日常生活中的 VCD 机、 DVD 机、数字电视机、 自动洗衣机、空调及其遥控器等设备都使用着各种各样的单片 机，同时，在工业控制、智能机器、智能武器、智能化仪表和 仪器等领域，它也得到了广泛地应用。这里基于乐高教育平台， 我们使用 NXT 作为控制器，我们称为微电脑。其特性和功能远 远超越一个简单的单片机。 通过本模块的学习，学生应该知道单片机（ NXT）和机械 传动的基本知识，能设计与制作由单片机（ NXT）和传动机械 等组成的简易自动控制机器或简单的自动控制系统。 这本教材的活动中的器材组成以乐高 9797 为活动主要核心 器材。 目录 第一单元： NXT 控制器及其控制程序 第二单元：NXT 控制器与控制电路 第三单元：NXT 控制器与传动机械 第一单元： NXT 控制器及其控制程序 单元目标： （ 1）知道控制器 NXT 的特点及应用。 （ 2）知道控制器 NXT 的基本组成及工作过程。 一个机器人之所以能有各种功能，就是因为它的高级的大脑，但它的大脑不象我们的大 脑有细胞组成，它的大脑是这个世纪的决定性的发明 -微电子技术构成，就是我们看到的 控制器，这里我们这个控制器称为 NXT。 NXT 看起来象个 MP3 一样 ,里面是块智能芯片 . NXT 正面 NXT 反面 就是这快芯片 ,通过程序的运行 ,接受各种反馈信号 ,并控制各种输出装置 .但它和我们通 常说的单片机还是有区别的 ,单片机一般只能运行汇编语言 ,而 NXT 作为智能控制器 ,各种各 样的语言都可以对它进行控制 ,我们熟悉的 C 语言 ,VB.NET,就连最新的微软推出的 MSRS 都 可以对它进行控制 .所以 ,NXT 不只是块单片机 ,我们可以称它为微电脑 .它比单片机从功能等 多方面都要更高一级 . 而软件 ,作为 ”简易机器人制作 ”这门课程 ,这里我们着重推荐的是 NXT-G 软件 . 作为机器人的 ”五感 ”,它的各种条件的输入设备 ,传感器 : 光感 触感 声音传感器 超声波传感器 机器人一词 ,始源于捷克的一出舞台剧 ,意思是奴隶 ,其实至今这个已经依然有着延续 ,就 是产生生产力 ,产生动作行为 .那么如何来产生动作行为呢 ? 就是靠它的输出设备 ,马达或者 灯 . 马达的内部其实是一个发电机 ,并通过一系列的减速传动 ,从而马达可以形成更大的力 . 这个马达的内部有有芯片 ,可以精确记录圈数等一系列马达参数 ,我们称为 ”伺服电机 ”. 大脑控制器 NXT 通过导线连接输出和输入设备 .这里的导线我们也可以理解为是神经 , 人也是大闹通过神经连接五官和四肢的 . 在机器人领域 ,很多基本方式是和人体一样的 ,比如 ,人体内也有反馈 ,机器人控制也有反 馈等等 .所以 ,机器人这门学科 ,有个学术名称就是 ”人工智能 ”! 关于 NXT 的更详细的特性使用方法 ,这里不做进一步 介绍 ,如果需要更好地了解 ,请参考 一书 中的第一章 ,其中针对 NXT 的硬件特性做了非常详细地说 明 . 第二单元 控制器与控制电路 陀螺发动机 z 马达控制 z 顺序等待 要求 : 9 设计一个陀螺的发动机。 9 发动机可以不用手碰就可以启动陀螺。 9 让陀螺在地面上转动的时间尽量长些。 把 NXT 放在一旁，通过一跟长导线连接马达。 马达通过齿轮的连接去驱动陀螺。 用轮子，通过轴，作为一个陀螺，在轴上面连接蜗杆，让马达发动机去驱动它，可以转动， 传递给它能量，使它转动起来。 拖出一个马达图标， 因为这个操作的过程需要给陀螺足够的惯量， 所以等待条件是不确定的， 所以等待条件是无限的。注意能量要设置在最高处。 在启动陀螺的时候， 这里非常强调手的姿势， 要在陀螺转到最高速的时候， 发动机向上提起， 便可以让陀螺不用手就能启动起来。 发动机连接更多齿轮，加速转动（大齿轮带小齿轮） ，陀螺就需要是一个加速，所以要是小 齿轮，这里我们使用蜗杆（相当于 1 齿的齿轮） ，能够让它得到最高的速度。 能否驱动更多的陀螺呢？ 比一比，谁的时间转动得更长！ 魔术画家 z 马达控制 要求 : 9 设计一个可以转动的画盘。 9 使用一支笔，在画盘上产生各种色彩。 笔是自己拿着，画盘利用一张纸，利用马达去转动画盘，笔在上面可以产生颜色。 改变马达的速度，留下的画也不一样，非常印象派！ 不同的马达速度配合不同的时间，产生画盘的不同转动级别，不断变换！ 如何来形成一个树立的画盘？如何可以在竖立的画盘上形成更多的颜色游戏？ 可以通过齿轮的加速 度来提高转动速度。 因为要放上画盘（纸） ， 所以需要一个结构能 够水平放置，然后通过 一根轴去转动画盘。 迷你高尔夫 z 马达控制 z 顺序等待 要求 : 9 设计一个在高尔夫运动员。 9 运动员手持高尔夫求杆，姿势优美。 9 能够击球，打进球洞。 把 NXT 放在一边，通过导线连接马达。 把马达和梁设计一个运动员，竖立地站立，马达相当于一个运动员的身体。 通过梁作为球杆，上面连接一个大块的梁，能够有足够的面积去击打球。 使用套装中的球作为高尔夫球，也可以使用其它的球作为球。 简单地使用马达和时间等待。第一个马达的马力可以小些，如同运动员的准备挥杆的动作。 等待时间作为动作的停留，第二个马达图标表示击打球的动作，作为击打球的动作，马力需 要大些。 作为击打完球的动作是自由轻松地停下，所以需要选用 COAST 来使马达停留下来。 BRAKE 是通过电流的控制停止马达， COAST 是通过关闭电流，缓慢地停留。 在设计运动员的时候， 充分地利用梁的连接功能。 在连接一个光电传感器，给运动员设计球洞，能够识别是否进洞。 智能 F1 z 马达控制 z 顺序等待 要求 : 9 设计辆 F1 赛车。 9 赛车可以无人驾驶，精确行驶完全程。 9 造型要象 F1 赛车，美观，具有流线造型。 在教室空地上布置一个线路，让 F1 赛车能够通过程序来跑完全程。 F1 赛车的造型特点就是流行性。 通过连串的马达指令来让 F1 赛车进行移动，前进，左转，右转，当然重要的是给 F1 赛车 的每一个运动图标设置一个合适的等待参数。 充分利用连接器来形成流线型的造型。甚至可以利用第三个马达来增加一个刹车。 结合各种传感器，哪些可以利用到你的 F1 赛车上的？ 可以来场 F1 比赛。 自动警报器 z 超声波传感器 , z 声音控制 z 循环等待 要求 : 9 给门口设计一个警报器。 9 当有人走进夜晚的家里的时候，可以自动报警。 9 给报警器设计报警音乐。 简单在 NXT 上安装上一个超声波传感器，并且注意角度倾斜，能够看到高处的人。 等待超声波看到有人靠近（设置安全距离）之后，响起报警音乐。 通过一连串的音符程序来设置音乐。 使用连接器给超声播传感器 向一个好的角度，能够明显看到高处的人 如何来显示今天走过这处门的人数呢？ 双杠体操 z 马达控制 z 顺序等待 要求 : 9 设计一个在双杠上表演体操的运动员。 9 机器人运动员可以在双杠上表演腿部动作。 9 腿部动作要标准到位。 利用梁设计双杠结构。 利用 NXT 作为运动员身体，两个马达作为它的腿部。 马达作为腿部，马达的转动角度代表了腿部的表演，通过时间来控制马达在空中某一个位置 的停留。 注意马达的角度，作为等待的条件。可以改变马达的马力来表现腿部表演的节奏。 如何来给运动员设计出全身的更加精彩的表演？ 比如，翻滚半周！ 这里马达类似于一个身体上 的关键，马达的转动相当于 关节的运动。 英尺挪动 z 马达控制 z 棘轮 z 循环等待 要求 : 9 设计一个机器人可以象毛毛虫一样去挪动 9 机器人的移动不能靠轮子的转动来产生移动。 9 要能够有明显的“跨步”动作。 马达的转动，来驱动两条腿的“跨步” ，这里的轮子只是增加与地面接触的摩擦力。 这里的马达更象关节的作用。和过去常用的驱动轮子的方式不一样。 这里两个马达如同两条腿一样，先迈一条腿，转动一个马达，到一个角度，然后转动另外一 个马达，相当于另外一条腿，然后再向反方向转动同样角度。循环，机器人就会象走路一样， 往前移动！ 这里的橡胶轮子相当于一个橡胶鞋底。 所以要保证它不能自由移动，只能往我们需要前进的方向去移动。 这里介绍一种方法，我们称为棘轮，就是用一根梁来卡住一个齿轮，只让齿轮向一个方向转 动。有效防止打滑。 套装有三个马达，如果让机器人挪动的关节更多些？ 需要如何改进设计和程序？ 机器人手臂 z 触动传感器 , z 马达控制 z 转动平台 z 循环等待 要求 : 9 设计一个机器人手臂，可以夹起球体。 9 手臂可以自由地转动 360 度。 9 手臂的每一个动作都由触动传感器来触发。 一个马达负责转动手臂的角度（带动转动平台） ，一个马达负责抬起手臂的高度，或者 称为手臂夹东西的角度，最后一个马达负责夹起球体的动作。 其实，机器手臂的控制非常简单，虽然只有一个触感，但是通过触感依次控制每个马达 的正转和反转，连接在一起，就是整个手臂在三个自由度上的动作了。 注意每个马达都是无限等待条件，因为要等到下一次触感被按下才是进入另外一种状 态。 使用两个触感去控制手臂的运动，你会如何分配？ 机器手臂的最关 键的设计技巧是转动 平台的应用，可以产生 一个水平的转动自由 度，一个马达专门驱动 转动平台。 手臂的其它部分 都会位于转动平台之 上。这里可以体现出 NXT 马达的强大扭力。 机器蛇 z 超声波传感器 z 连杆结构 z 循环等待 要求 : 9 设计一条机器蛇，造型要象蛇一样盘在地上。 9 每当人接近的时候，设会去咬他的脚。 9 能够反复执行。 在蛇头上装上超声波传感器，造型也象眼睛蛇一样。利用梁，形成一个盘旋的姿势。 可以利用各种零件来装饰蛇的造型，让它象蛇。 眼睛（超声波传感器）看到有人走近，马达转动，伸头，咬了 1 秒之后，头缩回，然后 等待下一个路人。 利用四边形可以改变形状的特点来让蛇伸头，并可以自由地回收！ 如何可以让蛇除了头伸缩外，它的整个身体也可以伸缩，机构如何实现？ 如何改进程序？ 四边形可以改变形 状的特性我们可以 灵活地使用在各种 机构中。 第三单元 NXT 控制器与传动机械 自动击球 z 超声波传感器 , z 马达控制 z 循环等待 要求 : 9 利用超声波传感器设计一个可以自动击球的装置 . 9 一看到球靠近 ,就把球给击打出去 . 9 不断地工作 ,每当球靠近就如此反应 . 在马达上连接梁作为击打的动作机构 ,然后在旁边安装上超声波传感器 ,用来识别球是否 靠近 .注意 ,击打球的那根梁的高度要接近球的中位线 . 使用最简单的等待循环程序 . 每次等待球靠近的时候 ,马达击打 ,把球给击远 ,然后转回去初始角度 .注意这里的马达的 等待条件都是角度 DEGREES. 给机器人添加一个情报灯，作为球靠近时的报告信号。 为了准确地编 程，需要将通过 NXT的 VIWE功能 去观察到一个合理 的距离值。 梁直接连接在 马达上。 自动击球 2 z 超声波传感器 , z 马达控制 z 多任务 要求 : 9 利用超声波传感器设计一个可以自动击球的装置 . 9 一看到球靠近 ,就把球给击打出去 . 9 机器人自动发球，球一旦上轨道之后会自动地被发射出去。 在上一个活动自动击球的基础上，再两个马达，并且两个马达形成一个发射器。通过两 根长导线连接。发射器与击球器之间有一定的距离。通过张纸，方便球滑行到传感器前。 在上一个程序的基础上，再拖一行程序，表示这个程序是同时在控制两个任务的执行， 我们称为多任务程序。 给发射器增加一个开关，只有通过开关才能触发球射击！ 两个马达，马达连接轮子，增加 摩擦力，同时在两个马达之间形成一 个轨道，可以顺利地发球，并通过下 一面张纸把球送到超声波传感器前。 这里要注意的是，要保证两个轮 子之间的距离，正好是一个球的直 径，这样发现起来，轮子的摩擦力才 正好。 圣诞老人送礼物 z 马达控制 z 声音 z 多任务 z 光感 要求 : 9 设计一个圣诞老人，骑着送礼物的鹿车。 9 圣诞老人和鹿的整体造型要像。 9 会在天黑的时候，开始出去送礼物，并响起圣诞歌。 这里有三部分需要去搭建，可以以团队分工的形式，第一部分是鹿，第二部分是圣诞老 人，第三部分是车。这里充分利用 NXT 的结构特点和马达的结构特点去设计鹿和圣诞老人。 如搭建卡所示，圣诞老人和卢是利用马达设计而成。呒鹿头是光电传感器。 两个任务同事执行，一个是放音乐，一个是鹿和圣诞老人一起运动，鹿是跑，圣诞老人 是挥鞭，其实就是同时去控制 B 和 C 马达。当然前提是等待光值小于了，才转动，并且注 意马达以 90 度 （ DEGREE）为等待条 件。另外一个任务就是 编辑音乐了。 圣诞老人是我们期待的， 每当我们唱圣诞歌越响的时候， 圣诞老人就越来得越快， 如何实现？ 充分利用马达的特殊造型来设计鹿和圣 诞老人。 选择或者自己搭建各种有趣的零件来作 为圣诞礼物。 割草机 z 触动传感器 z 马达控制 z 分支判断 要求 : 9 设计一台手动割草机。 9 机器人有开关来控制割草机工作与否。 9 能够顺利地把很多草给割下来。 首先底盘是一个小车的样子，前面还要有导轮，以方便转弯，后面有手柄可以推，接近 手柄高处有开关，控制割草机的前进和割草的动作。 割草机虽然有前进和割草两个任务，但这两个任务都是同时执行的，所以两个任务都是 同时存在或者同时不存在。所以，可以使用一个开关来同时控制这三个马达的运动。 如何可以通过两个触感来实现小车运动和割草任务的分割？ 割草的机构一般就是马达的转动，可 以在割草机的底部，设计一个割草的 装置。让一个马达转动即可，通过马 达连接的刀片来完成割草动作。 遥控车 z 触动传感器 z 多任务， z 分支 要求 : 9 设计一辆遥控车，利用触感作遥控器。 9 通过遥控器的控制来驾驶汽车行驶。 9 汽车可以前进，后退，左转，右转。 使用两个触感作为遥控器，所以首先要设计一辆小车，两个马达，可以完成前进，后退， 左转，右转的行驶任务。然后使用长导线连接遥控器。 有了手柄来控制小车的运动，再添加一个声音，来控制小车前进的马力，会更好玩！ 第一个任务，触感 1，控制一边的 轮子，马达 A，当触感 1 被按下， 马达 A 转动，当触感松开，马达 A 停止转动。 这个多任务程序的结果就是一个触感 开关控制一边的轮子， 所以造成的结果 就是当两个开关都同时被按下后， 小车 就前进，当被按下一个，那边的轮子转 动，就会形成转弯的运动，当都放开， 小车后退。 特别是男生，很喜欢打游戏， 使用乐高积木，设计出更加时尚的 游戏手柄。 游戏手柄这个结构最重要的就是 自己握在手里的舒适度。 声控速度 z 声音传感器 , z 马达控制 z 分支嵌套 要求 : 9 设计一个机器人，可以四处移动。 9 机器人移动的马力根据声音的大小来改变。 9 马力的改变可以根据声音的大小划分为三个层次。 机器人有两部分组成，一个可以移动的地盘，在上面加上一个声音传感器，当然声音传 感器要尽量高些，接近你的嘴巴。 尽量把声音传感竖得高些，接近生源。 可以灵活地使用梁来完成这个任务。 如何可以实现让机器人更细化马力的分配？能否实现更多的层次分配？ （更多的分支嵌套） 声音大于 80 的 时候，机器人前 进马力是 100 声音大于 50，小 于 80 的时候， 机 器人前进马力是 50， 当小于 50 的 时候，马达马力 只为 0。 探索者 z 超声波传感器 , z 多任务 要求 : 9 设计一个探索者机器人。 9 可以利用超声波传感器来识别障碍物。 9 机器人可以自动躲避开障碍物 . 一个可以移动的底盘，在前面加上触感，在上面装上超声波传感器，并且同意一个马 达去转动它，非常形象生动的一个探索者机器人。 探索者的超声波头要竖立得高些，但不要过去向前。底盘是一个可以移动的机器人小车。 是否发现机器人在探索的过程中经常卡住？如果多了一个触感，如何改进程序，可以避免？ 探索者的头一直在转动 正 转 一 个角度 ， 再反转回来 。 看到障碍物之后后退下，转动 一个角度，再反复判断，如果 没有障碍物继续前进， 碰碰车 z 触动传感器 , z 等待循环 要求 : 9 设计一两碰碰车 . 9 碰碰车有保险缸，可以保住机器人有地避开障碍物。 9 设计机器人程序，走出迷宫。 一个可以移动的底盘，在前面加上触感觉，并利用梁形成一个类似“保险缸”的结构。 它的作用是增加触感的受作用力面。 等到触感被按下，说明碰到障碍物，后退一圈，转个角度，如故没碰到，继续前进。 保险缸的作用就是把触感的接触范围扩大，触感上只有一个接触点，所以需要通过一种机构 把它给扩大范围，只要有个地方碰了，触感就知道。 如果增加一个触感，两个触感，可以如何来编程序，让机器人躲开障碍物或者走出迷宫 的速度更快些？ 沿轨迹走 z 光电传感器 , z 分支判断 要求 : 9 利用光电传感器去让机器人沿着一根黑线行驶。 9 沿线行驶的速度尽量快些！ 在地板上利用胶带贴一个大的，可以弯曲的圆圈，尽量找一个黑色的胶带，在一个白色 的地面上，把胶带固定。 机器人是一个可移动的机器人，把光感安装在前面，并让光感向下观察地面。 当光感看到黑线处，机器人往一个方向转弯，当看到白线了，往另外一个方向转弯。 转弯的时候使用一个马达转，一个马达停的方式。这样会比较有效。同时给马达的马力放在 一个适中的数字，避免机器人过快没有看清楚光值。 给光感的地方用一些零件给遮下，避免光感受环境光的影响。 如果把光感放在机器人上方，让机器人去追一个光源，需要如何改进程序，让 机器人停在光源的最深处。 电子吉它 z 超声波传感器 z 分支嵌套 要求 : 9 设计一把电子吉它。 9 能够发出各种音符。 9 造型象一把时尚的电子吉它，拿在手里非常地舒服。 结合自身的手的尺寸和舒适程度，设计吉它的结构。 用超声波传感器和一个滑块来识别音符。 如何可以给吉它，能够弹出更多的动听音符？表演一下！ 根据滑板的距离，划分 三个阶段，取两个域 值，然后在每个分支上 放上一个不同的音符。 使用光滑 的梁来设 计琴把手， 因为光滑， 所以可以 非常容易 滑动， 机器狗 z 声音传感器 z 多任务 要求 : 9 设计一只机器人狗。 9 机器狗要非常可爱，讨人喜欢。 9 小够能够听你话作出反映。 小狗的身体可以用 NXT，通过马达来让小狗可以移动。 通过各种梁和连接器让小狗的造型美观可爱。 小狗的头可以用超声波传感器做眼睛，声音传感器做鼻子。 通过第三个马达让小狗的头部可以转动。 第三个马达放在身体下面，通过各种连接器来构成小狗的身体。 如何给小狗增加更多的感觉？ 让它的本领越来越大！ 当你发出一个声 音，小狗也会发出 叫声。 小狗一步步往前！ 通过设置马达的圈 数作为小 狗的步伐 ！ 小狗的头部，左转右 转。 三个任务同时执行！