全国职业技能类校本课程开发比赛一等奖校本选修课程《机器人制作》配套教材设计（社团活动材料模板）.docx

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1、XX校本选修课程机器人制作编者内容简介本教材为XX学校兴趣特长类校本课程开发的配套教材。随着科学技术的发展，特别是人工智能与机器人的结合，机器人不再局限于工业应用和研究所内，它已经进入教育领域。国内外教育专家指出，利用机器人来开展实践学习，不仅有利于学生理解科学、工程学和技术等领域的抽象概念，更有利于培养学生的创新能力、综合设计能力和动手实践能力。机器人教育在基础教育越来越受到人们的关注。我国自2001年举办首届全国青少年机器人竞赛以来，在竞赛的带动与促进下，全国各地展开了校本课程、课外科技小组、选修课等丰富多彩的机器人教育活动。近年来，由于对机器人教育认识上的不足，机器人竞赛活动目标不明确等

2、原因，我国机器人教育的发展受到一定程度的制约。在课程改革的背景下，从全国基础教育发展现状出发，构建科学、合理、切实可行的中小学机器人课程体系，规范机器人教育，对我国今后机器人教育的蓬勃发展起着非常重要的作用，势在必行。高中阶段机器人课程目标：在初中的基础上，学生通过对机器人的综合设计及算法编程，学习有关机器人原理及相关知识，掌握机器人的软硬件原理、设计方法、基本算法和基本技能；结合实际，理解机器人科学技术与应用的重要性；相成健康应用机器人的习惯，积极尝试应用机器人解决实际问题。具体目标如下：1.了解机器人的历史、发展，分类和应用，深刻理解机器人对人类社会的价值。2.掌握机器人的基本构成、基本原

3、理及相关软硬件知识。3.能够完成机器人的规划设计，制作与组装，设计算法编写程序，程序编辑与调试，系统的运行与检测等综合设计环节。4.通过完整地经历提出问题、规划设计、制作与实施、调试与反馈等规范化设计过程，初步掌握综合设计的方法与技术。5.认识机器人对人类的重要性，增强学习机器人技术的兴趣。6.增强正确应用机器人的意识，巩固规范地使用机器人的习惯。本课程选报学生需要比较熟悉电脑操作，以及一定的动手操作能力。第一单元机器人概述第二单元机器人制作第1课智能小车制作第2课光控风车第3课光控六脚虫第4课光牵引机器人第5课简易行走机器人第三单元自主设计机器人（学生活动）第一章机器人概述本田公司ASIMO

4、机器人机器人英文名为robot,原为rob。，意为奴隶，即人类的仆人，是由作家罗伯特创造的词汇。机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可

5、编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”它能为人类带来许多方便之处！机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。知识链接：机器人的定义在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上，就提出了两个有代表性的定义。一是森政弘与合田周平提出的：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。从这一定义出发，森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个特性来表示机器人的形象。另一个是加藤一郎提出的具有如下3个条件的机器

6、称为机器人：1,具有脑、手、脚等三要素的个体；2,具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；3,具有平衡觉和固有觉的传感器。机器人的执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构机器人高科技产物（18张），其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。机器人的驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的

7、指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。机器人的检测装置是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能

8、适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。机器人的控制系统分为两种。一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU,进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要

9、求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。机器人的分类情况诞生于科幻小说之中，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。中国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人

10、等。国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和中国的分类是一致的。空中机器人又叫无人机器,在军用机器人家族中，无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。80多年来,世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前推进的，无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看，美国均居世界之首位。知识链接：“机器人三原则”为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫（ISaaC.Asimov）于1940年提出T“机器人三原则”：1 .机器人不应伤害人类；2 .机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；

11、3 .机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。2004年美国科幻电影机械公敌（英文名：Robot）探讨了随着人工智能的进化，机器人对“三原则”产生了自己的理解，从而与人类的伦理发生冲突的故事。这部电影深刻揭示机器人时代的科技与伦理冲突。同类主题的优秀科幻电影还有2001年美国著名导演斯皮尔伯格拍摄的人工智能（AI）。如今机器人发展的特点可概括为：横向上，应用面越来越宽。由95%的工业应用扩展到更多领域的非工业应用。像做手术、采摘水果、剪枝、巷道掘进、侦查、排雷，还有空间机器人、潜海机器人。机器人应用无限制，只要能想

12、到的，就可以去创造实现；纵向上，机器人的种类会知识错接：世界著名机器人展会竞赛名称周期国家/地区RoboCup（机器人世界杯）2年国际越来越多，WRO（国际机器人奥林匹克竞赛1年国际像进入人体IREX（日该国际机器人展1年日本的微型机器TIROS（台北国际机器人展）1年台湾人，已成为1.oebner（国际人工智能机器人展）1年国际一个新方向，可以小到像一个米粒般大小；机器人智能化得到加强，机器人会更加聪明。第二章机器人制作第一课智能小车智能小车制作过程智能小车全貌构建小车的成员连接扣有四种长度分别为：10.5mm,14mm,21,28mm幻灯片4弹性垫圈用于构件的连接。有三种规格：单孔，双孔，

13、三孔弹性垫圈连杆上述为直板连杆，有：13孔、11孔、9孔、7孔、5孔。智能小车的装配1、小车底部装配2、小车前部装配3、万向轮装配4、电机变速箱装配、车轮装配5、喇叭架装配6、电池盒与控制主板的装配7、传感器装配8、控制电路连接9、整车美化整理小车前部的装配万向轮装配Q211DnI连接Q1.3.5nn垫圈电机变速箱装配车轮装配喇叭架装配10.5nm连接扣电池盒及电路主板装配传感器的装配发光二极管装配控制电路连接第二课二节电子蠕虫二节电子蠕虫制作过程参考两节电子蠕虫结构搭建资料需注意的事项在参考过程中需要注意留心文字说明以及图片中标注的文字。本资料中，搭建过程有的地方跳跃的较多。但注意观察前后图

14、片的差异，可以区分开。两节电子蠕虫结构大致可分为3块：前节驱动、后节驱动、中节连接结构。资料中各机构的搭建都是采用连接扣拼插的，拼插时注意连接扣选用的长度，连接扣固定的位置。搭建资料中的电机变速箱曲轴为75mm长，而两节电子蠕虫中需要的是IOonIm长的曲轴，所以需要改装，改装过程资料中提及。资料中只提供各传感器、各电机连接主板输入输出口，与四引线板、电机驱动板的连接，即硬件连接示意图。传感器在结构上固定的大致位置（只作建议），不提供四引线板、电机驱动板在结构上固定的具体位置。图示中显示的是两节电子蠕虫的部分零件，零件中的变速箱需要改装。前节与后节驱动结构的组装，注意驱动电机固定的位置。前后节

15、驱动结构的组装，在组装过程中注意各零件固定的位置。注意连接结构件固定的位置。前后驱动结构类似,注意各零件连接的位置在搭建中间连接结构时，注意连接的孔位，选用的连接扣长度。注意各零件固定的位置，注意选用连接扣的长度各部结构组合时，注意各零件固定的位置。结构全观图，注意各零件固定的位置。两节电子蠕虫硬件连接示意图注意硬件连接示意图的标注，硬件连接要与软件设置以及结构示意图标注一一对两节电子蠕虫硬件连接示意图后节前进限位传感器J口母氤，口口左轮右轮电机前节驱动电机后节驱动电机两节电子蠕虫程序截面图，注意“属性”栏中，各连接端口的一一对应。图示中只显示程序的“主程序，子程序的指令截面需要参考程序。ft

16、SS南f电子修虫咽2节音乐二件无定义因恤入口I号帧入口2号输入口如入口三电动O号电动机I号电耐”电动机三1口c输出口1.ttiHt右后名蓼3ffixSHI号侵掰8刊传IM1.力裾酸5前节的动电机扁节死动电机呐2火Ijro1.tt程赤井Ifc机正闩防马货动电机停若山后节知电*机停另36tm机正长序jP第三课光控风车光控风车制作过程组装光控风车所需的组件电池盒没有包含在内、主要介绍结构的组装光控风车车身部分的组装幻灯片3光控风车前轮的组装光控风车后轮驱动的组装风车旋转部件的组装光控风车驱动部件与支撑部件的组装光控风车各部分的组装机器人接线说明将结构件搭建好后，取出主板。将主板与电池盒连接好，参考本

17、资料说明。将光控小车的两个电机分别连接在ZB2主板（左轮1）与（右轮2）两个电机接口。将光敏电阻传感器连接在主板输入口0。光敏电阻两个管脚分别连接在三针线的红黑两根线上。（按照下图连接）光控小车程序截图指令造捽电MIg杼.KinCccc廊F金令条伸刃斯子程序碘。号喻入Q关信号修的金100%O程序结束第四课光控六脚虫光控六脚虫制作过程在参考搭建光控六脚虫机器人资料时，注意资料中图片的标注，注意搭建细节，如：连接扣的长度；连杆的长度；连接扣、连杆连接固定的孔位；变速箱固定的孔位等等。光控六脚虫机器人结构大致分为：支撑躯体（含驱动）、传动节肢。资料中只有结构部分的搭建、控制电路部分的简易连接、控制电

18、路部分固定的大致位置，控制电路部分以硬件连接示意图为主。在搭建过程中，搭建资料只作为参考，如果搭建后感觉效果不佳，可以在合理的情况下进行任意的结构修改。搭建光控六脚虫机器人所需的部分零件，注意图中标注的注意事项传动节肢的组装，在组装搭建过程中注意各连杆连接固定的孔位。搭建传动节肢所需的部分零件注意各连杆的长度，连接扣的长度注意各连杆连接的孔位%J传动节肢限制节点的固定，连接时注意连接的孔位，注意图示中的标注。传动节肢限制节点二二，工注意节点固定的孔位在组装支撑躯体时，注意各零件组装搭建的位置，注意图中的标注。支撑躯体的搭建搭建过程中注意各零件连接固定的位置。驱动变速箱的固定，注意变速箱固定的孔

19、位，注意图示中的标注各部结构的组合，组合过程中，注意相互组合连接的孔位。注意连杆连接固定的孔位传感器固定的位置。光敏传感器的固定左图中为光敏电阻的连接方法，连接主板传感器输入口的GDN与IN端。光控六脚虫机器人硬件连接示意图注意硬件连接示意图的标注，硬件连接要与软件设置以及结构示意图标注一一对应光控六脚虫硬件连接示意图六脚虫前进右探测传感器光敏电阻QQ光敏电阻C匚口六脚虫前进左探测传感器o下载线 SQ复位下载运行CM电池盒口2sSo右轮电机0前进驱动电机I吸m旋转驱动电机光控六脚虫机器人程序截面图，注意“属性”栏中，各连接端口的一一对应。图示中只显示程序的“主程序，子程序的指令截面需要参考程序

20、。指乡潮S8打开11便寿卷序假性昭位BgJF阖!M登六a日M。号械入口AHitT5口 0 一 2 3 uoo叭电池盒(ff1.m-JB左轮右轮电机 前进右电机前进左电机光牵引机器人程序截面图，注意“属性”栏中，各连接端口的一一对应。图示中只显示程序的“主程序，子程序的指令截面需要参考程序。玷立漂5行进机那人澹坏命令Q程序开帖3小车停止，无条忡喝Vcccc100%第六课简易行走机器人简易行走机器人制作过程组装简易行走机器人所需的全部组件简易行走机器人躯体的组装（注意各个组件安装连接的位置）简易行走机器人的连杆驱动的组装（注意各连杆之间连接的孔位）简易行走机器人曲轴驱动部件的组装（注意曲轴连杆之间连接的孔位）按照先前的步骤再组装一个对称的行走连杆驱动机构（注意连杆驱动部件与躯体连接的孔位即位置）注意驱动曲轴连接的方向（对称）简易行走机器人头部的组装简易行走机器人的全观图（电源部分与控制电路板组装未说明详见公司网站说明）按照下图将连线连接好下图为步行机器人的程序截图未来之纪戮育机用人诲程EB然坏世型国变?步行机秘人下髭程序律项子程序IU孑段序刈助条件MW孑程序鼐用矽程序开的100%步行机器人的操作打开ZB2软件，将资料内的程序打开，将程序下载到机器人主板中，运行机器人程序。运行之后，若机器人反向运动可调成资料程序中编写的电机转向。第三章自主设计机器人（学生活动）