第七章乐高机器人机电一体化创新设计(修改)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第九章,乐高机器人机电一体化创新设计,1,一、创新,设,设计与实,验,验的目的,1、培养学生用创造性思维方法，设计、搭,建,建新型的机构或,装,装置；,2、引导学生运,用,用乐高机器人套件，设计、制,作,作智能机器人，,提,提高学生的观察,分,分析、动手、创,造,造能力，培养学,生,生的参与、竞争,、,、实践与协作意,识,识；,3、加强学生对机电一体化的实践认识，培,养,养学生的创新意,识,识及综合设计能,力,力，并通过设计,乐,乐高机器人实现,计,计算机和机器人,控,控制的快速入门,。,。,2,二、原 理,乐高“课堂机器,人,人”是一种优秀,的,的科技教育产品,，,，这一独创性的,教,教育工具是由美,国,国麻省理工学院(MIT)、美,国,国TUFTS大,学,学、乐高公司和,美,美国国家仪器公,司,司(NI)共同,开,开发研究的，它,将,将模型搭建和计算机编程有效地结合在一,起,起，使学生能够,设,设计自己的机器,人,人，在计算机上,编,编写程序，然后,通,通过与计算机相,连,连的红外发射器,将,将程序下载到机,器,器人的大脑RCX微型电脑,中,中，启动RCX,的,的开关，机器人,就,就可以完全脱离,计,计算机，按下载,程,程序的指令独立,运,运动起来。例如,通,通过使用光电传,感,感器，学生可以,让,让机器人沿着一,定,定的路线前进、,或,或绕某一物体转,动,动、或是藏在暗,处,处等。,3,二、原 理,乐高机器人由机,械,械结构件、控制,器,器、电机、传感,器,器等多个模块组,成,成，采用搭积木方式搭建，硬件就是积木，软件采用图形化,编,编程语言，不涉,及,及单片机汇编语,言,言与机器码编程,。,。这就使系统理,论,论教学，摆脱了,单,单片机语言、电,路,路结构、微机接,口,口等分支学科的,束,束缚，可以直接,根,根据系统要求，,组,组态并展示系统,功,功能。让学生主,动,动体现设计思想,，,，理解系统设计,原,原理，更好地关,注,注于创新机构设,计,计以及机电一体,化,化系统集成。,4,三、仪器与设备,乐高积木有两千,多,多个各种形状的,积,积木组件，有足,够,够的零件让你完,成,成你的设想，更,重,重要的是，这些,积,积木组件都按同,一,一标准严格设计,、,、生产，所有积,木,木都是可兼容的,。,。它依据的标准,就,就是乐高单位，,而,而且积木有严格,的,的质量保持，乐,高,高积木模具公差,仅,仅为0. 005mm。可以巧,妙,妙地利用乐高积,木,木的特点梁,、,、块、板和孔之,间,间的关系完,善,善你的结构，完,成,成你独一无二的,设,设计。,5,1. 支承元,件,件,6,2. 传动元,件,件,7,2. 传动元,件,件,8,3. 动力元,件,件乐高马达,内置多级减速传,动,动链,9,10,马达,连接RCX的AC输,出,出端,口,口。,可,可通,过,过软,件,件编,程,程对,马,马达,进,进行,如,如下,控,控制,：,：1.,正,正向,旋,旋转,，,，停,止,止；2.反,向,向旋,转,转，,停,停止,；,；3.,改,改变,旋,旋转,方,方向,；,；4.,加,加速,或,或减,速,速。,11,4.,传,传感,器,器,触动,传,传感,器,器,光电,传,传感,器,器,角度,传,传感,器,器,目前,，,，乐,高,高机,器,器人,提,提供,四,四种,标,标准,传,传感,器,器：,光,光电,、,、温,度,度、,角,角度,及,及触,动,动传,感,感器,。,。,12,触动,传,传感,器,器：,触,触动,开,开关需连,接,接到RCX输,入,入端,或,或乐,高,高8,路,路输,入,入和,输,输出,接,接口,中,中黄,色,色输,入,入通,道,道(,),。,。,类,类型,和,和供,电,电要,求,求:,无,无源,数,数字,传,传感,器,器,典,典型,应,应用,和,和说,明,明:,实,实,例,例1,：,：当,机,机器,人,人碰,到,到障,碍,碍物,时,时，,控,控制,机,机器,人,人后,退,退、,转,转弯,。,。,实,实例2：,在,在电,梯,梯模,型,型中,，,，可,以,以作,为,为楼,层,层的,触,触动,按,按钮,。,。,13,温度,传,传感,器,器需连,接,接到RCX输,入,入端,或,或乐,高,高8,路,路输,入,入和,输,输出,接,接口,板,板上,的,的黄,色,色输,入,入通,道,道（,）,。,。测,量,量范,围,围：-20C+50C,类,类型,和,和供,电,电要,求,求:,无,无源,模,模拟,传,传感,器,器,典,典型,应,应用,和,和说,明,明:,实,实,例,例1,：,：观,测,测一,杯,杯热,水,水散,热,热时,温,温度,的,的变,化,化。,实,实,例,例2,：,：当,温,温度,达,达到,一,一定,值,值时,，,，控,制,制马,达,达转,动,动。,14,光电,传,传感,器,器,传感,器,器测,试,试范,围,围0.6Lux(0%)760Lux(100%)。,利,利用,该,该传,感,感器,，,，你,可,可以,：,：-通,过,过检,测,测光,强,强变,化,化计,数,数-通,过,过测,试,试反,向,向光,强,强来,辨,辨别,颜,颜色-,测,测量,一,一个,光,光源,的,的光,强,强,类,类型,和,和供,电,电要,求,求:,有,有源,模,模拟,传,传感,器,器,典,典型,应,应用,和,和说,明,明:,实,实,例,例1,：,：沿,黑,黑线,机,机器,人,人；,实,实例2：,在,在交,通,通模,型,型中,，,，控,制,制路,灯,灯在,晚,晚上,自,自动,打,打开,；,；实,例,例3,：,：测,量,量房,间,间光,线,线的,分,分布,，,，考,查,查房,间,间照,明,明是,否,否合,理,理。,在,在竞,速,速赛,时,时，,拍,拍摄,数,数字,图,图片,。,。,15,角度/位,置,置传,感,感器,可连,接,接到RCX输,入,入端,或,或乐,高,高8,路,路输,入,入和,输,输出,接,接口,板,板上,的,的蓝,色,色输,入,入通,道,道（,）,。,。利,用,用这,个,个传,感,感器,，,，你,可,可以,：,：-测,试,试旋,转,转方,向,向-发,送,送一,个,个运,动,动，,测,测量,旋,旋转,位,位置,注,注,意,意：,不,不要,将,将马,达,达直,接,接联,接,接到,位,位置,传,传感,器,器，,否,否则,会,会大,大,大缩,短,短传,感,感器,使,使用,寿,寿命,。,。,类,类型,和,和供,电,电要,求,求:,有,有源,数,数字,传,传感,器,器,典型,应,应用,和,和说,明,明:,实,实,例,例1,：,：测,量,量车,子,子走,过,过的,距,距离,；,；实,例,例2,：,：获,取,取机,械,械手,臂,臂的,位,位置,；,；实,例,例3,：,：获,取,取电,梯,梯到,达,达的,位,位置,。,。,16,DCP,在实,际,际应,用,用中,，,，需,要,要采,集,集不,同,同的,物,物理,量,量以,实,实现,不,不同,的,的目,的,的，4种,传,传感,器,器可,能,能不,够,够。,为,为此,，,，乐,高,高与DCP公,司,司合,作,作开,发,发了LEGODCP,适,适配,器,器，,可,可将DCP公,司,司的,工,工业,传,传感,器,器与RCX连,接,接起,来,来，,让,让机,器,器人,采,采集,高,高精,度,度的,电,电压,、,、温,度,度、,湿,湿度,、,、pH值,、,、声,音,音、,旋,旋转/位,移,移、,压,压力,等,等信,号,号，,让,让您,的,的机,器,器人,更,更好,地,地响,应,应外,部,部环,境,境。,除,除了DCP传,感,感器,，,，如,果,果感,兴,兴趣,，,，你,还,还可,以,以根,据,据需,要,要，,开,开发,自,自己,的,的传,感,感器,，,，与RCX连,接,接，,让,让你,的,的机,器,器人,更,更好,地,地感,觉,觉外,部,部世,界,界。,17,其,它,它,传,传,感,感,器,器,1,电,电,压,压,传,传,感,感,器,器,：,：,测,测,量,量,范,范,围,围,：,：,电,电,压,压,25V,，,，,内,内,阻,阻,抗,抗,：,：410k,2,温,温,度,度,传,传,感,感,器,器,：,：,可,可,以,以,测,测,量,量-30,C130,C,温,温,度,度,3,湿,湿,度,度,传,传,感,感,器,器,：,：,可,可,以,以,测,测,量,量0100%,的,的,相,相,对,对,湿,湿,度,度,（,（,温,温,度,度,范,范,围,围-20,度,度,到,到80,度,度,）,）,4,旋,旋,转,转/,位,位,移,移,传,传,感,感,器,器,：,：360,旋,旋,转,转,，,，,可,可,测,测340,5,空,空,气,气,压,压,力,力,传,传,感,感,器,器,：,：0200KPa,（,（,约,约0-30psi,）,）,6,声,声,音,音,传,传,感,感,器,器,：,：,测,测,量,量,范,范,围,围,为,为,：,：50dB-100dB,（,（A,加,加,权,权,）,）,7pH,值,值传感器,适,适配器：,与,与pH值,电,电极配合,使,使用，25C时,每,每pH值,的,的输出为59.1mV。,8REDOX适,配,配器：高,阻,阻抗电压,适,适配器，,用,用于连接,其,其他传感,器,器或设备,。,。电压范,围,围为：+/-1250mV,9光度,传,传感器：,对,对光强度,具,具有较高,的,的分辨，,测,测量范围,为,为025000Lux.,10DESIGNER传,感,感器套件,：,：包括数,字,字、模拟,传,传感器，,测,测直流电,压,压，测量,范,范围为：02.5V,11线,性,性加速计,传,传感器：,加,加速范围,为,为-50m/s/s50m/s/s，斜度,为,为-90,+90,12电,流,流传感器,：,：如图所,示,示，4mm插槽及,电,电缆，可,以,以替换插,口,口、探针,及,及夹子，,可,可测量-1A+1A的直,流,流,18,5.RCX微,型,型电脑,RCX微,型,型电脑是,乐,乐高机器,人,人不可缺,少,少的大脑,，,，是它将,普,普通的模,型,型转换成,智,智能机器,人,人。通过,不,不同的传,感,感器，RCX能够,接,接收外界,环,环境的变,化,化，进行,处,处理和运,算,算后，输,出,出指令来,控,控制机器,人,人的动作,。,。,RCX是,美,美国麻省,理,理工学院,多,多媒体实,验,验室研究,多,多年的成,果,果，是一,个,个嵌入式,系,系统，或,者,者说是一,个,个小型电,脑,脑。RCX与普通,的,的单片机,有,有很大的,区,区别，其,最,最根本的,区,区别是RCX有自,己,己的类似WINDOWS的,操,操作平台,，,，可以用,多,多种高级,编,编程语言,来,来控制RCX，而,单,单片机只,能,能使用汇,编,编语言。,19,TheRCX,RCX带,有,有自己的,喇,喇叭，可,以,以播放6,种,种不同的,声,声调。通,过,过红外通,信,信，RCX可以：,接收,电,电脑上编,写,写的程序,。,。将,采,采集在内,存,存的数据,上,上传到电,脑,脑进行分,析,析。,和,和另一个RCX进,行,行通信，,方,方便制做,大,大型智能,系,系统。,20,灯,连接RCX的AC输出端,口,口。可通,过,过软件编,程,程对灯进,行,行如下控,制,制：1.开关,；,；2.,以,以用户定,义,义的时间,频,频率闪烁,；,；3.,改,改变发光,强,强度。,21,蜂鸣器,连接RCX的AC输出端,口,口。可通,过,过软件编,程,程对蜂鸣,器,器进行如,下,下控制：1.开,关；2.发出,两,两种声音,。,。,利,利用软,件,件控制，,需,需将蜂鸣,器,器转到正,确,确位置，,才,才能使其,响,响应实际,声,声音。,22,6. IR红外发,射,射仪,将电脑程,序,序下载到RCX，,是,是电脑和RCX不,可,可缺少的,连,连接。有2种类型,：,：USB接口,：,：必须使,用,用ROBOLAB,版,版本2.5以上,串口：RS232接口,，,，可以兼,容,容所有ROBOLAB版本,。,。,串口发射,仪,仪,USB发,射,射仪,23,7. 连,接,接导线、,轴,轴套类零,件,件与其它,辅,辅助元件,24,8.,编,编程ROBOLAB软件,为乐高机,器,器人编写,程,程序的ROBOLAB软件是一,个,个低起步,，,，高发展,，,，直观易,学,学的图形,化,化编程环,境,境，是以,美,美国国家,仪,仪器公司,的,的LabVIEW为基础开,发,发的。1997年,诺,诺贝尔物,理,理奖获得,者,者WilliamD.Phillips,博,博士选用LabVIEW作,为,为编程环,境,境, 控,制,制他发明,的,的全新原,子,子冷却实,验,验。,25,LabVIEW采,用,用图形化,编,编程方式,，,，产生的,程,程序是框,图,图的形式,，,，对于使,用,用者来说,，,，编程就,像,像设计流,程,程图一样,，,，在很短,的,的时间内,就,就能够学,会,会。 由,于,于 LabVIEW明显提,高,高了科研,和,和生产效,率,率, 它,在,在航天航,空,空、通信,、,、汽车、,半,半导体和,生,生物医学,等,等众多领,域,域很快得,到,到广泛应,用,用。,乐高公司,通,通过和美,国,国国家仪,器,器公司，,美,美国TUFTS大,学,学的友好,合,合作，开,发,发了基于LabVIEW的,机,机器人编,程,程软件ROBOLAB，使,机,机器人更,容,容易进入,课,课堂，使,我,我们的学,生,生在很小,的,的年龄就,可,可以开始,编,编写程序,，,，体会计,算,算机的威,力,力。,26,ROBOLAB有200多,个,个编程模,块,块,可以,完,完成常见,编,编程语言,，,，如C/C+或VisualBasic等,软,软件的功,能,能。学生,在,在计算机,上,上为机器,人,人编写好,程,程序，程,序,序一旦下,载,载到RCX，机器,人,人就脱离,计,计算机，,根,根据程序,指,指令，按,照,照周围环,境,境的输入,信,信息来行,动,动，完全,智,智能化。,当,当然，如,果,果机器人,未,未按预先,设,设计的行,动,动，即程,序,序编写不,够,够完善时,，,，可以在,计,计算机上,修,修改源程,序,序，再下,载,载，运行,机,机器人进,行,行测试，,直,直到机器,人,人完全按,要,要求工作,为,为止。,27,ROBOLAB软,件,件分为编程者(Programmer)和研究者(Investigator)两部分,可,可以在ROBOLAB开,始,始使用的,第,第一用户,界,界面选择. 编程,者,者主要用,于,于控制机,器,器人,而,而研究者,增,增加了数,据,据采集和,分,分析功能,，,，用于学,科,科实验。,ROBOLAB最,突,突出的优,点,点是提供,不,不同的编,程,程级别,例,例如机,器,器人编程,者,者分为,“,“导航者,”,”和 “,发,发明家”. “导,航,航者”级,别,别提供的,编,编程环境,和,和例子较,为,为简单，,适,适宜初学,者,者；它为,初,初学者提,供,供了固定,的,的编程模,块,块，你可,以,以在这里,用,用鼠标点,击,击图标模,块,块并在下,拉,拉图标模,块,块中选取,所,所需图标,来,来完成。,发,发明家级,别,别则提供,全,全部的控,制,制能力。,这,这两个级,别,别均包含,四,四个等级,，,，从浅到,深,深。,28,四、实验,前,前的准备,工,工作,1.按模,型,型组合包,设,设备清单,清,清点模型,零,零件，并,按,按类型分,类,类置放于,装,装料盘中,；,；,2.认真,阅,阅读模型,组,组合包操,作,作手册；,3.按组,装,装指导图,搭,搭接模型,，,，掌握组,合,合模型的,拼,拼接方法,；,；,4.熟悉,动,动力元器,件,件的装配,、,、连接方,法,法；,包括：电,动,动机、传,感,感器、变,压,压器、气,动,动元件、,各,各种开关,等,等；,5. 熟,悉,悉组合包,配,配备的软,件,件Robolab,及,及接口。,29,五、实验,内,内容与步,骤,骤,机器人的,制,制作是一,个,个循序渐,进,进的过程,，,，首先你,需,需要确立目标：你需要,一,一个什么,样,样的机器,人,人？接着,需,需要设计和搭,建,建，然后在,电,电脑上使,用,用ROBOLAB,为,为机器人编写程序，通过红,外,外发射器,将,将程序下,载,载到RCX上。下,载,载成功后,，,，RCX,就,就可以脱,离,离计算机,自,自动运行,。,。最后是测试你的机器,人,人，是否,实,实现了你,的,的目标？,哪,哪些需要,改,改进？回,到,到第一步,，,，改进你,的,的机器人,。,。,在这个过,程,程中，需,要,要学生发,挥,挥自己的创作才能，综合利,用,用各种知,识,识，还有,充,充分发挥团队合作,精,精神。,30,31,第一步：,设,设计与搭,建,建机器人,乐高机器,人,人套件认,知,知、观察,，,，了解其,种,种类、作,用,用等相关,信,信息；,选题，确,定,定设计目,标,标，制定,设,设计方案,，,，进行任,务,务分工；,运用乐高,机,机器人套,件,件，组装,智,智能机器,人,人。,32,RCX微,型,型电脑是,由,由MIT,开,开发的，,是,是乐高机,器,器人系统,的,的核心部,分,分。使用ROBOLAB软,件,件及RCX，学生,们,们可以创,造,造、搭建,、,、编程真,正,正的机器,人,人，让它,运,运动、做,动,动作、甚,至,至自己去,“,“想”。,为RCX,编,编写程序,，,，通过各,种,种输入（,传,传感器）,与,与输出（,马,马达与灯,等,等）对周,围,围环境做,出,出响应。,33,第二,步,步：,在,在PC机,上,上为,机,机器,人,人编,写,写程,序,序,为RCX,编,编写,控,控制,程,程序,的,的ROBOLAB,软,软件,是,是一,个,个简,单,单、,直,直观,、,、易,学,学的,编,编程,环,环境,，,，是,以,以美,国,国国,家,家仪,器,器公,司,司的LabVIEW，,流,流行,于,于测,量,量和,自,自动,化,化领,域,域的,图,图形,化,化编,程,程软,件,件为,基,基础,开,开发,的,的。ROBOLAB软,件,件具,有,有所,有,有通,用,用编,程,程环,境,境，,如,如C/C+,或,或VisualBasic,等,等软,件,件的,功,功能,。,。在,计,计算,机,机上,为,为机,器,器人,编,编写,好,好程,序,序，,程,程序,一,一旦,下,下载,到,到RCX,，,，机,器,器人,就,就脱,离,离计,算,算机,，,，根,据,据程,序,序指,令,令，,按,按照,周,周围,环,环境,的,的输,入,入信,息,息来,做,做出,判,判断,，,，决,定,定下,一,一步,如,如何,行,行动,。,。完,全,全智,能,能化,。,。,34,美国,国,国家,仪,仪器,（,（NI）,公,公司,的,的LABVIEW,软,软件,：,：1997,年,年，,美,美国,太,太空,总,总署,在,在监,测,测其,飞,飞船,着,着陆,、,、定,位,位、,位,位置,、,、运,转,转状,况,况等,时,时，,使,使用,了,了LabVIEW,软,软件,。,。LabVIEW,软,软件,是,是一,功,功能,强,强大,、,、设,计,计完,美,美的,编,编程,环,环境,，,，深,受,受大,学,学、,和,和各,行,行各,业,业的,工,工程,技,技术,人,人员,及,及科,学,学家,喜,喜欢,，,，并,被,被广,泛,泛使,用,用。,是,是测,控,控领,域,域倍,受,受欢,迎,迎的,软,软件,开,开发,工,工具,，,，应,用,用于,生,生物,医,医学,、,、航,空,空航,天,天、,能,能源,研,研究,等,等各,个,个领,域,域，,用,用于,数,数据,采,采集,与,与仪,器,器控,制,制、,数,数据,分,分析,与,与处,理,理等,。,。,35,第三,步,步：,下,下载,程,程序,到,到RCX,RCX通,过,过IR红,外,外发,射,射仪,与,与计,算,算机,通,通信,。,。使,用,用ROBOLAB,编,编程,软,软件,在,在计,算,算机,上,上编,写,写好,编,编程,，,，然,后,后，,通,通过,与,与计,算,算机,串,串口,机,机相,连,连的IR,发,发射,仪,仪下,载,载到RCX。IR,与,与RCX,通,通过,无,无线,红,红外,方,方式,通,通信,。,。,36,下载,的,的固,件,件包,括,括了RCX硬,件,件的,细,细节,和,和底,层,层的,编,编程,指,指令,，,，ROBOLAB,软,软件,也,也将,难,难懂,的,的汇,编,编语,言,言表,达,达为,一,一个,个,个图,标,标。,编,编程,时,时我,们,们只,需,需要,选,选择,所,所需,的,的功,能,能图,标,标，,像,像画,流,流水,线,线一,样,样有,逻,逻辑,性,性地,将,将图,标,标连,起,起来,，,，这,样,样就,可,可以,完,完成,程,程序,编,编写,，,，实,现,现复,杂,杂的,软,软件,设,设计,。,。,37,下面,，,，我,们,们用,单,单片,机,机的,汇,汇编,语,语言,来,来与ROBOLAB做,个,个比,较,较。,同,同样,是,是完,成,成RCX,赋,赋值,，,，直,接,接对RCX的,微,微处,理,理器H8,编,编写,程,程序,要,要复,杂,杂许,多,多，,编,编写,时,时不,但,但要,注,注意,语,语句,顺,顺序,，,，甚,至,至标,点,点符,号,号也,不,不能,错,错。,而,而通,过,过RCX,操,操作,系,系统,使,使用ROBOLAB，,你,你只,需,需要,懂,懂得,怎,怎样,使,使用,几,几个,图,图标,。,。,图形化语言ROBOLAB功能强,大,大，设计完,美,美，广泛流,行,行于测量和,自,自动化领域,。,。 熟悉,使,使用ROBOLAB无,疑,疑对我们以,后,后工作有巨,大,大的帮助。,38,第四步：运,行,行程序，测,试,试机器人是,否,否按要求工,作,作,通过运行程,序,序，马上知,道,道机器人是,否,否按设计的,行,行动。如果,机,机器人没有,按,按要求的做,，,，那么，可,通,通过检查机,器,器人搭建及,程,程序编写是,否,否正确来修,正,正错误。这,一,一过程不仅,锻,锻炼学生分,析,析问题、解,决,决问题的能,力,力；而且培,养,养学生逻辑,分,分析能力、,团,团队合作精,神,神与交流能,力,力。,39,例子,40,41,42,43,44,45,46,视频,47,实验报告,一、机构结,构,构简图及原,理,理图,二、控制程,序,序,三、思考题,简要说明设,计,计思路,2. 试述,本,本设计的创,意,意性和实用,性,性,48,演讲完毕，,谢,谢谢观看！,