乐高机器人—齿轮篇

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乐高机器人---运动篇

8.1简介

灵活的思维造就出了许许多多的机器人,运动使创造物获得了生命,带来无限的乐趣,同时也对自己的创造力进行了挑战。大多数运动机器人都属于轮子型与腿型机器人。虽然轮子在光滑的表面很有效,但是在凹凸不平的地面上运动,腿提供了更有力的方式。底盘结构是为了突出显示它们的传动系统和连接情况,因此,在实际搭建中还需对此结构加固。

8.2简单的差动装置

机器人具有很多优点(尤其具有简单性),至少在乐高的可移动机器人中常用到此结构。差动装置由机器人两边两个平行的驱动轮构成,单独提供动力,另外有一个或多个轮脚(万向轮)用于支撑重量并不是没有作用(图8.1)。注意我们称这个装置为差动装置是因为机器人的运动矢量是由两个独立部件产生的(它与差速齿轮没有关系,此装置上没有使用差速齿轮)。

当两个驱动轮以相同方向、相同速度转动时,机器人作直线运动。如果两个轮子转动速度相同,但方向相反时,机器人会绕着连接两轮线段的中心点旋转。根据轮子不同的转向,表8.1列出了机器人的不同运动状态。

图8.1简单差动装置

表8.1 轮子不同的旋转方向产生不同的运动状态

组合不同方向和速度,机器人可以做任意半径的旋转。因为它的灵活性、及原地旋转的功能成为许多工程的教学器具。另外,由于它很容易实现,所以乐高有一半以上的运动机器人属于此结构。

假如你想跟踪机器人的位置,那差动装置又是比较好的选择,仅仅需要简单的数学知识。这种结构只有一种弊端:它不能保证机器人笔直的运动,因为两个马达的功效总有差别,一个轮子会比另外一个轮子转动的快一点,因此使得机器人略微偏左或偏右。在某些应用中这中情况不会有问题,可以通过编程来避免,比如使机器人沿线走或在迷宫中寻找路线行走,但是让机器人在空地上走直线恐怕不行。

8.2.1直线运动

使用简单差动装置有许多方法可以保持直线行走,最简便的方式是选择两个速度相近的马达。如果你有两个以上的马达,尽量找两个速度最匹配的马达,这种方式也不能确保机器人走直线,但至少能减小走偏的情况。

另一种简单的方法是通过软件调整速度。在第3章介绍过程序能控制每个马达的速度,在程序中选择最有效的能量等级直到合适为止,这种方法的问题在于机器人负载发生变化,两马达速度需重新调整。

使用传感器让机器人直线运动

让机器人直线运动的一种更有效果的方法是在系统中加入反馈装置。从而,根据外界的变化,使用传感器来控制和调整每一个马达的速度,这也是现实生活中大多数差动装置所具有的的结构。可以为每一个驱动轮附加计转器(测量轮子旋转次数)装置,以便在软件中控制马达功补偿两轮间的转速差。乐高角度传感器在此应用中可以作为首选。在每一个轮子上安装一个角度传感器并测量计数的差别,然后停止或降低较快的轮子以保持两个传感器的计数相同。同时还可以使用在第四章中介绍的方法。使用同样的传感器来探测障碍物,如果马达启动但轮子不转,可推断机器人被某物卡住了。另外你也可使用角度传感器实现精确角度定位。最后,角度传感器提供了最基本功能:使用odometry技术让机器人计算出自己的位置。

使用齿轮让机器人直线运动

如果你只有一个角度传感器,可以使用驱动轮之间的速度差取代轮子的实际转速,差速齿轮,你能使用它加或减。如果差动齿轮与驱动齿轮连在一起,它会把传动方式传递给另一个齿轮。当轮子以同速转动时差动齿轮将停止转动。

假如两轮的速度有任何的差别,差动齿轮的转动和它的方向将告知你哪一个轮子转速快。如图8.2所示的结构,即使你没有角度传感器,也建议你搭建这种结构,因为此结构具有指导作用。我们省略了马达和其他加固梁以保持图片尽可能清楚,搭建时要加二个马达。右边传动链的作用是变换与差速齿轮配合轴的转向,同时保持原始的传动比不变。连接在差速齿轮上的角度传感器用于检测差动齿轮是否转动。

图8.2使用单个角度传感器观察左右轮速度的差别

一个更基本方法是你在需要走直线时,同时锁住两个轮子,此系统非常有效的使你的机器人走直线。它需要第三只马达来控制制动系统,同时也需要附加传动系统简化制动结构。图8.3展示了具有特殊部件制动机构的示例:暗灰色带离合器16齿齿轮,传动驱动环和传动转变钩,这种特殊的齿轮,用圆形洞取代了普通的十字型洞,使得它能够在轴上自由转动,驱动环将被安装在轴上。当你把驱动环与齿轮套在一起时(使用转变钩)齿轮与轴连在一起了。

图8.3可制动差动装置

你也可使用图8.2展示的结构,用马达取代角度传感器,回顾第四章马达能当作制动器使用:在马达关闭状态,会阻止运动,在float状态马达仍无动力,但可以自由转动。因此不要给马达提供动力,把它当作制动器来制动差速齿。在关闭状态下制动马达,差速齿很难转动,从而使你的机器人沿直线前进,另一方

面float状态使用马达,差速齿转动,机器人能够转弯,表8.2介绍了一些可行的组合。当左右马达以不同的方向运行时,差动齿轮锁马达必须处于float状态

图8.4带16齿齿轮离合器,传动操纵环,传动转变钩

表8.2电动差动齿轮锁机器人如何控制差动装置

考虑到马达在浮动状态下时也存在着重大的机械阻力,所以机器人将不能快速转弯,驱动马达在转弯时将负荷更大的重力。

使用小角轮走直线

小角轮是差动装置平滑移动和转弯的又一个关键因素,通常我们会忽略这一点,LEGO Constructopedia提出图8.5所示的小角轮结构,但是小角轮设计上还存在着欠缺,它在一根轴上使用了两个轮子,在第二章中你已经知道此结构的轮子不能独立转动。按照图表搭建此结构,试着让它转一个急弯,它的效果不是很好,为什么?事实上,除非你使其中的一个轮子打滑,否则它就不能转动。

图8.5 小角轮结构

图8.6中的小角轮的结构有了一定的改进,左边的结构使用了单轮彻底避免了问题的出现。右边的结构更可靠,它使用了两个自由轮允许小轮在原地转弯避免了磨擦与打滑的问题,两种结构的区别在轮轴、在左边结构中,轴与轮子同时旋转,而在右边的结构中,轮在轴上转动。

图8.6 避免打滑的角轮

选择使用一个或更多角轮要根据机器人的功能,独角轮适用于多种场合,而双角轮安放在机器人的前方或后面是保持稳定性的好方法。

在一些场合,当在平滑的表面上控制重量轻,结构简单的机器人可以用圆形垫块或其它与接触面磨擦力很小的部件替代独角轮(图8.7)。

图8.7 圆形垫块

8.3搭建双差动装置

双差动装置是对简单差动机构的一个改进结构,主要从机械结构上解决走直线的问题,并使用了两个马达(参考图8.8)。它的传动链有些复杂,依靠差动齿轮-使用两个更精确。

图8.8双差动装置

双差动装置是差动齿轮的另外一种用法,通常轮子是连接在从差动齿轮延伸出来的轴上,然而在此结构中,轮子通过齿轮连接在差动齿轮的外齿。在第四章中我们阐述了差动齿轮能够在机械上对两个独立的运动作加或减法运算,为了实现这个方法,用差动齿上延伸的轴作为输入,且差动齿轮本身将根据差动齿轮内部的代数和来运动(两个运动方向的代数叠加)。

在此结构中,两个马达为两个差动齿轮提供动力,特点其中一个马达同向带动差动齿轮的输入轴。另一个马达以相反的方向驱动第三根输入轴,要控制双差动装置,只需使用其中一个马达,让另一个马达关闭。

在图8.9中所示的结构与图8.8中的结构相同,只不过没有马达,当1号马达带动40齿齿轮A转动时,2号马达使齿轮B保持静止,运动沿着虚线传递(由图示)。两个差动装置同时转动,机器人沿直线向前,另一方面,1号马达停止,则齿轮停止,当2号电机转动,带动B将动力沿着实线传递。差动装置同速不同向旋转,结果是机器人在原地转动。

图 8.9 双差动装置剖面图

通常不同时使用两个马达,一个马达用于走直线,另一个马达用于转弯,如果根据马达的方向同时驱动两个马达也没关系,因为两个差动齿其中一个会抵消

两个相反的输入,保持静止,而另外一个差动齿对两个输入进行相加,从而使得速度提高一倍,此时,机器人绕着静止轮转动。

双差动装置一个非常好的特性是使用一个角度传感器就可以精确的检测机器人的运动类型。将传感器连接到其中一个轮上,当机器人直线运动时,使用传感器来测量运动的距离,当机器人转弯时,用传感器测量方向的改变量。

当然我们仍要牢记在机械结构有得必有失,换句话说,这种具有独创性的结构有它的缺点。首先是它非常复杂,我们展示了结构的平面图可以更容易理解它们的配合,然而你自己也可使用多种传动机构构建简易的机器人(可能仍需一些齿轮或者是更少的),这种复杂的传动装置导致产生了负面影响:磨擦力

4搭建滑动转向装置

滑动转向装置是差动装置的一种变化形式,通常用于履带式车辆,但有时也用于四个或六个轮子的形式。对于履带的车辆,唯一的驱动设计就是滑动转向装置。在现实生活中,挖土机和一些除草机是使用这种装置的最好例子。图8.10展示了一个简单的滑动转向装置,每一个履带都由单独马达提供能量,由一个8齿轮与一个24齿轮啮合,并连接在履带轮上,履带前轮不需驱动。

带轮滑动转向装置需要一个有效的装置,将动力传到所有的轮子上,否则机器人不能顺利转弯或者不能转弯。图8.11中的模型每侧使用五个24齿轮啮合,它们像履带那样从每个马达那里获得动力,每一个轮轴用于安装齿轮,这些齿轮都被用于传递运动的惰性齿轮分隔,如果有足够的24齿齿轮,你可以组合成此结构,图片中的圆形轮胎由补充套装提供。

图8.11 带轮滑动掌舵装置

履带机器人搭建简单且动作有趣,因此,许多乐高爱好者都采用此结构。与差动装置比较而言,当两条履带以同向运行时机器人向前行进,方向或速度上有差别就会使机器人转弯,原地转弯也有可能实现。滑动转向装置也具有差动装置驱动机器人走直线所具有的缺点。

最后总结滑动转向装置的特点:

■在粗糙的地面上履带与轮子相比,履带更易控制然而它不太租用光滑的表面

■履带结构产生了更大的摩擦力耗费了马达提供的部分动力。

■在利用机器人运动进行定位时,这种结构的机器人是不适合定位的,因为它们不能避免本身具有的缺陷:产生滑动。

8.5搭建转向装置

转向装置是用于各种车型的标准结构,由两个前转向轮和两个固定后轮构成,它也适用在机器人身上使用。你可以驱动后轮或者前轮或者是四只轮子,利用乐高来实现这个方法非常简单,这也是为什么要介绍它的原因。尽管它比差动

装置的通用性要差,并且不能在原地转弯或急转弯,但此结构也有很多优点:易实现沿直线行走,且在粗糙路面上行走具有较高稳定性。

当使用机器人基本套装搭建转向装置时,只有一个马达驱动轮子,因为你需要其它的装置转动前轮,因此你的转动装置需要有差动机构一半的动力,才能使你的机器人良好的沿直线行走。

图8.12、8.13展示了二个简单的转向机构,除动作细节外,这两个模型具有相同的结构特性。例如:后轮都是通过一只差动齿轮与驱动马达相连,在第二章中我们阐述过如果想让机器人转弯,就必须使用差动。辅助马达掌握前轮控制机器人的行进方向。注意我们使用了一只带子来驱动转向机构,主要是利用它的极限扭转来避免能力过程中损伤机械结构或马达。你最好添加一只传感器侦测转向轮的位置,更好的控制机器人的方向。当转向装置转动时至少也要一只触动传感器。在转完后你可使用定时方式或传感器使机器人再变为先前的行进方向。

图8.12 转向装置

图8.13另一种转向装置

方法与技巧

使用梯形转向机构(阿克曼转向机构)

现实中使用转向机构的车都是根据梯形转向机构的原理进行设计的(阿克曼为此装置的首创人)。我们在前面设计的转向轮转动的角度相同,但这个机构就不是这样的,在转弯时,内轮的转角比外轮的大。里面的轮子比外部的轮转弯急。在大半径的转弯中差别很小,可忽略。在急转弯中此差别变得相当明显且容易使内轮锁死。阿克曼转向机构在设计上补偿了内轮转角的差别,因此解决了普通转向机构的缺点。这个理论说明了当从轮子延长的线交于一点时,车就能平稳的转动并且始终围绕这一交点转动(图8.14)

图8.14 阿克曼转向机构:内部轮比外部轮转弯急

使用乐高搭建建阿克慢结构是可行的,在14章将有对前轮驱动更进一步的说明。

图8.12与8.13中两种模型都使用了齿轮齿条转向机构,一个8齿齿轮(小齿轮)与一个带齿的特殊板(齿条)相啮合,它们不同之处是后一种我们使用了一种特殊部件:三块1x10板,两个转向臂和两块光滑平板。将这些组件设计成一个组合部件,创造出一种使用更简易的使用在许多乐高工艺车、卡车模型上的转向装置。8.12模型只使用了机器人套装的基本部件,必须要使用2x8的板替换1*10板,用自制的去替换转向臂。此结构整个前面部分都是由梁搭建起来的,用于支撑轮子和转向机构,但通常还需要一个光滑的表面用于齿条滑动。

当你建好这个装置后,把轮子移到枢轴后面变成一个自定心转向机构(在很多情况下的一种明显的特性)。在图8.15中的a图,轮子装在枢轴下面,这样不会影响它的转向。如果轮子装在转向柱的后面,轮子摩擦引起车的动态向前运动从而推动轮子向后运动,产生自定心的动作。观察购物车的结构你就知轮子为什么装在中轴上,把轮子越往枢轴后面移动,如图B、C,就越容易产生自定心。不要把轮子装在枢轴的前面,如图d,会引起转向机构不稳定。事实上,轮子会向后走使你的车子自然转弯。

图8.15移动中轴线上的轮子

自己搭建一个简单的底盘去探索图8.15中各种结构的特性。

转向装置十分适用于粗糙的表面,因为它有四个轮胎非常平稳,你可以使用其它的方法改善此结构。另外重要一点是此结构没有一个驱动轮会长期离地,否

则差动机构将会把所有动力传递到阻力最小的轮子上,结果导致轮子打转,使你的机器人变得不能运动。

使用皮带与皮带轮把普通附加轴与轮轴连接在一起组成一个无滑差动机构能够大大减少上述的问题。皮带能够保持驱动轴以同速转动,然后在转弯过程中它们会在皮带轮上发生打滑现象以便调整轮子的速度。将一只轮子脱离地面皮带也会将大部分能量传递到其它轮子上。

图 8.16 无滑差动机构

8.6搭建一个三轮装置

三轮装置由一个用于驱动和转弯的前轮及两个保持稳定的独立后轮组成(图8.17)。三轮驱动装置的独特之处在:前轮既作为驱动又作为转向装置,使机器人的活动更灵活。

图8.17 三轮装置

你也许认为把后轮作为驱动轮也会得到与前轮作为驱动轮相同的结果,但是只有在一定转角内才一样。事实上,转向装置在转急弯时,你最终会发现一个情况:后轮不能再把动力转换成运动。这个装置的最大转角是当外轮可以沿着内轮画一个圆,另一方面,前驱动轮可以控制任何转角,甚至是前轮与后轮的运动方向成垂直角度时。

理论上,驱动轮可以转360度可以转向任何方向,这意味着你可以搭建一个转位自由的机构(娱乐公园套装中有这种结构的例子)。我们图8.14中的例子,能够转360度,但是由于马达与RCX的连接线使此机构只能转一个360度。

在平常使用中,转180度就能够活动自如。因为在180度到360等的范围等同与0度到180度向反向运动,换句话说:210度马达向前运动等同于30度(210度-180度=30度)马达向后转。你可用传感器侦测转向轮的方位。

8.7搭建同步驱动装置

同步驱动装置使用三个或更多的轮子,他们都作为转向与驱动装置。它们同时转动并保持一致,因此机器人改变运动方向但不改变它的方位。

使用乐高部件组建搭建同步驱动装置非常具有挑战性,在几年以前有人尝试但没有人能够成功完成。现在,障碍被攻破了,如果你上网你能发现许多用乐高搭建的很不错的同步驱动装置。

制作360度同步驱动装置并且避免任何转动的极限,关键是沿着每一个轮子的枢轴传递运动。最简单的方法需要一个叫转盘的特殊部件,应用于乐高模型中的旋转平台,支持起重机或挖土机(图8.18)

图8.18 乐高转盘

你可以把轮子固定在转盘的一边,并且使用转盘中心的一根轴来驱动。在图8.19展示出一个实例,注意转盘被颠倒,因为轮子必须与转盘连接在一起由外齿带动一起转动,因此机器人将完全或向下突出设计。

我们想让我们的同步驱动装置不通过移动而原地改变方向,为了实现这个方法,图8.19、8.20两装置相似,但不可互换,图8.19中的转盘的底部能顺利转动但图8.20不可以。这是因为图8.20中的轮没有与忠心轴连接所以当它转向时,它只能移动一些距离。图8.19中的传动装置使得轮子以适当的方向转动而8.20中的传动装置使轮子反对转动,我们描述的是一个精细的差异。我们再次邀请你亲自动手搭建这两个结构并看一看它们怎样工作的。

图8.19 可行的轮胎同步驱动装置

图8.20错误的轮胎同步驱动装置

建造一个完整的同步驱动装置你至少需要三个上述的转盘然后把它们连接在一起用一个马达同时驱动所有的轴然而其余的马达可以同时旋转所有的轴。

图8.21你看到是四轮同步驱动装置的仰视图。注意我们用8齿的齿轮把转盘连接起来,实现同时转动。驱动任何一只8齿轮都会使机器人改变方向。

图8.21一个完整的同步驱动装置(仰视图)

图8.22是完整同步驱动装置的俯视图。40齿大齿轮通过四对斜齿轮驱动轮子,其他40-齿轮负责转弯,对一个完整的同步驱动装置,你必须加二个马达驱动A 和B,可以使用8齿获得一个比较高的传动比。

任何人都会对同步驱动装置的动作会感到惊讶,你也不例外,假如你想用它在房间寻找障碍物,也不是很难,只需加一个缓冲装置。同步驱动装置中“前”和“后”的概念被淡化了,他能使用任何一面作为前面,因此你必须在所有面都加上缓冲器。在第四章你已了解到,如果机器人有四面,没必要在在四面使用四个端口连接四个传感器(RCX只有三个输入),你可以在相同的端口连出四个触动传感器,使用并接的方式,任何一个传感器被按下,就会反馈给RCX一个“on“状态。或者只用一个单独的全方位的传感器(如图8.23所示);触动传感器被正常关闭,然而任何时间打开后上面的轴将脱离初始值(通过橡皮带保持)用管或轴把佻的机器人包起来把此环连接到全方位传感器上就可以了。

图8.22 完全同步驱动器(俯视图)

图8.23全方位触动传感器

8.8其他结构

我们的介绍并没有完全包括所有活动结构,有其它更多的好的独特的类型:n 多自由角度车型简称(MDOF) MDOF车有三个或更多轮子或一组轮子,独立的转弯与驱动装置,想象同步驱动装置独轮在什么部位可以改变机器人速度和方向,此机器人像差动装置装置装置或同步装置是通过软件控制它的结构。虽然它们在搭建与控制上有很大的区别,但在使用上,对学习有利,且具有多用性,事实上他们运动并不相同n 结合装置与掌舵装置十分类似。它控制车的整体,前轮保持与底盘前部平行后面与前部相同因此两部分通过一个结合点连接在一起,此结构用于挖土机和其它结构的设备上。n 轮轴驱动装置由无心轴轮组成的底盘组成,中间带有一个可升降的平台,当平台升起时,机器人完全按照轮子的方向直线运动。当转弯时,机器人停止并降低平台直到轮子不再触到地面。此时旋转平台以改变方向,然后再升起平台继续直线运动。n 三星轮装置这种装置适用于灵活性高,各种地行的车辆。每一个“轮子”实际上是在顶点带有轮子的等边三角形;小车总共使用12个轮子,每三个作为一个“轮子”。当轮子转动并且三角形就好像大轮子转动一样。常规运动时,每个三角形的两个轮子触地,但当一个轮子碰到障碍物时,一个复杂的传动系统传递运动给三角形结构,它能转动并将它上面的轮子越过障碍物,虽然很复杂但很有趣

乐高机器人初级课程

乐高机器人初级课程 This manuscript was revised by the office on December 22, 2012

乐高机器人初级课程 编号:295 发布时间:2011-08-18 截止日期:地区: 适合2-3个学生为一组搭建和编程设计机器人方案。共431个组件的套装中包括一个NXT可编程的微型电脑,一块可充电的锂电池,三个伺服电机,二个触动传感器,一个光电传感器,一个超声波传感器,一个声音传感器,三个灯以及足够课堂教学所需的乐高积木。另外还有3根连接RCX传感器或马达的转换线,1根USB导线,以及分类盒和搭建手册等。 关健学习价值: 1.介绍机器人以及机械工程的概念。 2.收集、翻译数据,进行科学调查研究。 3.学习如何在团队工作中解决问题。 9797教育版和8527玩具版的分别: 9797 多了以下超级好用又超值的东西: 1. 多了玩具版没有的,一颗锂电池 2. 比玩具版多一个触觉传感器,所以有二个!! 3. 多了玩具版没有的,三个灯炮

4. 多了一个精美的储存胶箱(没有售卖) 5. 多了三条转接线可转接前一代的传感器及马达,等于是向下兼容!! 8527 较优胜的东西: 1. 组件数目8527有557件,而9797只有431件。 2. 9797可购买9648配件库671件,大幅增加配件数量。 3. 8527内附正版软件,而9797需额外购买正版软件。 两者软件基本上是相同的,分别在于软件内的教程不同。 8527的称为robo center,而9797的称为educator center。 8527教砌3个机械人,而9797则有40个教程

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乐咼机器人---运动篇 8.1简介 灵活的思维造就出了许许多多的机器人,运动使创造物获得了生命,带来无限的乐趣,同时也对自己的创造力进行了挑战。大多数运动机器人都属于轮子型与腿型机器人。虽然轮子在光滑的表面很有效,但是在凹凸不平的地面上运动,腿提供了更有力的方式。底盘结构是为了突出显示它们的传动系统和连接情况,因此,在实际搭建中还需对此结构加固。 8.2简单的差动装置 机器人具有很多优点(尤其具有简单性),至少在乐高的可移动机器人中常用到此结构。差动装置由机器人两边两个平行的驱动轮构成,单独提供动力,另外有一个或多个轮脚(万向轮)用于支撑重量并不是没有作用(图8.1 )。注意我们称这个装置为差动装置是因为机器人的运动矢量是由两个独立部件产生的(它与差速齿轮没有关系,此装置上没有使用差速齿轮)。 当两个驱动轮以相同方向、相同速度转动时,机器人作直线运动。如果两个轮子转动速度相同,但方向相反时,机器人会绕着连接两轮线段的中心点旋转。根据轮子不同的转向,表8.1列出了机器人的不同运动状态。 图8.1简单差动装置

表8.1轮子不同的旋转方向产生不同的运动状态 组合不同方向和速度,机器人可以做任意半径的旋转。因为它的灵活性、及原地旋转的功能成为许多工程的教学器具。另外,由于它很容易实现,所以乐高有一半以上的运动机器人属于此结构。 假如你想跟踪机器人的位置,那差动装置又是比较好的选择,仅仅需要简单的数学知识。这种结构只有一种弊端:它不能保证机器人笔直的运动,因为两个马达的功效总有差别,一个轮子会比另外一个轮子转动的快一点,因此使得机器人略微偏左或偏右。在某些应用中这中情况不会有问题,可以通过编程来避免,比如使机器人沿线走或在迷宫中寻找路线行走,但是让机器人在空地上走直线恐怕不行。 821直线运动 使用简单差动装置有许多方法可以保持直线行走,最简便的方式是选择两个速度相近的马达。如果你有两个以上的马达,尽量找两个速度最匹配的马达,这种方式也不能确保机器人走直线,但至少能减小走偏的情况。 另一种简单的方法是通过软件调整速度。在第 3 章介绍过程序能控制每个马达的速度,在程序中选择最有效的能量等级直到合适为止,这种方法的问题在于机器人负载发生变化,两马达速度需重新调整。

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《简易机器人制作》课堂推荐配置方案 乐高江苏唯一代理商——南京坤玛科技有限公司

21世纪是一个科技飞速发展的时代。如何让学生们更早地接触科技知识, 激发他们对科学的兴趣?如何帮助他们更好地面对未来社会激烈的竞争?面对这一切,我们必须选择更好的教学途径与教学工具,尤其科技方面的教学。机器人教育倡导先进的教育理念,配合循序渐进的学习工具和完整的教学资源,被普遍应用于国外的课堂和科技活动中。乐高教育系列是专门为不同年龄的学生设计,并用于课程的。所有的软硬件可以相互兼容或混合使用,逐步引导学生面向未来的科技挑战,学生也可以根据自己的能力挑战自己,培养自己的创新精神和实践能力。 特别指出,机器人教育旨在以其独具特色的教学方法,做中学的教育理念 引导学生循序渐进地机器人知识。使用机器人套装,学生在课堂中的整个构思、设计和开发过程俨然是实际工作和生活中的真实体验。他们就像真正的工程师一样,针对项目主题,进行研究、策划、设计、组装和测试。通过鼓励学生们主动调查、动手实践,让他们亲身体验抽象的理论如何变成了触手可及的答案,享受成功的兴奋。在活动中,学生不仅可以学到有关机械、电子、计算机等技术知识,更可帮助他们培养良好的生活习惯与生存技能:与人的沟通与合作、对他人的尊重、毅力的培养,自信心的树立及时间的合理分配、利用等等,为将来走上社会面对新的挑战做好充分的准备。 (中国学生研究乐高机器人;美国麻省理工学院生使用乐高机器人做科研项目.) 1, 机器人教育所提倡的教学理念:做中学! ①,20世纪最有影响力的20名科学家之一瑞士儿童心理学家Piaget 博 士的观点: “建构论” - 知识不是灌输的。当学生们在动手制作(建构)一 些有意义的事物时,如用沙子堆城堡、写诗、设计小机器、写故事、编写电 脑程序、或者搭积木,这时是学生学习知识的最好时刻. ②,做中学与传统教学的区别: 抽象的能力 解决问题的能力 模仿 传授 做中学(活动与项目) (Activity&projec t) 研究性学习 学生参与程度高 教师参与程度高

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乐高机器人---运动篇 令狐采学 8.1简介 灵活的思维造就出了许许多多的机器人,运动使创造物获得了生命,带来无限的乐趣,同时也对自己的创造力进行了挑战。大多数运动机器人都属于轮子型与腿型机器人。虽然轮子在光滑的表面很有效,但是在凹凸不平的地面上运动,腿提供了更有力的方式。底盘结构是为了突出显示它们的传动系统和连接情况,因此,在实际搭建中还需对此结构加固。 8.2简单的差动装置 机器人具有很多优点(尤其具有简单性),至少在乐高的可移动机器人中常用到此结构。差动装置由机器人两边两个平行的驱动轮构成,单独提供动力,另外有一个或多个轮脚(万向轮)用于支撑重量并不是没有作用(图8.1)。注意我们称这个装置为差动装置是因为机器人的运动矢量是由两个独立部件产生的(它与差速齿轮没有关系,此装置上没有使用差速齿轮)。

当两个驱动轮以相同方向、相同速度转动时,机器人作直线运动。如果两个轮子转动速度相同,但方向相反时,机器人会绕着连接两轮线段的中心点旋转。根据轮子不同的转向,表8.1列出了机器人的不同运动状态。 图8.1简单差动装置 表8.1 轮子不同的旋转方向产生不同的运动状态 组合不同方向和速度,机器人可以做任意半径的旋转。因为它的灵活性、及原地旋转的功能成为许多工程的教学器具。另外,由于它很容易实现,所以乐高有一半以上的运动机器人属于此结构。 假如你想跟踪机器人的位置,那差动装置又是比较好的选择,仅仅需要简单的数学知识。这种结构只有一种弊端:它不能保证机器人笔直的运动,因为两个马达的功效总有差别,一

个轮子会比另外一个轮子转动的快一点,因此使得机器人略微偏左或偏右。在某些应用中这中情况不会有问题,可以通过编程来避免,比如使机器人沿线走或在迷宫中寻找路线行走,但是让机器人在空地上走直线恐怕不行。 8.2.1直线运动 使用简单差动装置有许多方法可以保持直线行走,最简便的方式是选择两个速度相近的马达。如果你有两个以上的马达,尽量找两个速度最匹配的马达,这种方式也不能确保机器人走直线,但至少能减小走偏的情况。 另一种简单的方法是通过软件调整速度。在第3章介绍过程序能控制每个马达的速度,在程序中选择最有效的能量等级直到合适为止,这种方法的问题在于机器人负载发生变化,两马达速度需重新调整。 使用传感器让机器人直线运动 让机器人直线运动的一种更有效果的方法是在系统中加入反馈装置。从而,根据外界的变化,使用传感器来控制和调整每一个马达的速度,这也是现实生活中大多数差动装置所具有的的结构。可以为每一个驱动轮附加计转器(测量轮子旋转次数)装置,以便在软件中控制马达功补偿两轮间的转速差。乐高角度传感器在此应用中可以作为首选。在每一个轮子上安装

乐高机器人

乐高机器人—齿轮篇 在机器人的设计中,机械结构是完善系统的一个重要因素。要认识各种各样的传动机构,了解其工作原理及其优缺点,什么时候用哪种传动系统最有效等,从而设计出出色的机器人系统。 2.1简介 齿轮是机器中很重要的部件,它几乎是机器的象征。探索齿轮的一种非常有用的特性:将一种力魔法般的转换成另外一种力。介绍一些新的概念——速度、力、扭矩、摩擦力;还有一些简单的机械理论基础。认识齿轮和简单杠杆之间的相似点。 2.2齿数的计算 一般用中至少需要两个齿轮,如图2.1所示,为两个普通的乐高齿轮:左边是8齿齿轮,右边是24齿齿轮。齿轮的最重要属性就是它的齿数。齿轮是根据齿数分类的:它的英文缩写就代表它的名字,例如24齿的齿轮可以表示为24t 。 图2.1 一个8齿和24齿的齿轮 例子中使用了8齿和24齿的两个齿轮,分别固定在一根轴上。两轴与一带孔梁相配合,两孔间距两个乐高单位(一个乐高单位就相当于相邻两孔间距),现在一手拿住梁,另一手轻轻地转动其中一根轴,注意到的第一个特性:当转动其中一根轴时,另一轴也同时转动,因此,齿轮的基本属性就是可以将运动从一根轴传到其它轴上。第二个特点是你不需要用很大的力去转动它们,因为齿轮间配合

相当紧凑,摩擦力很小,这也是乐高工艺系统大特性之一:部件之间配合精度高。第三个特点是两根轴反向转动:一个顺时针,一个逆时针。第四个特点:也是最重要的特性,就是两根轴的旋转速度不同。当转动8齿齿轮时,24齿齿轮转动得很慢;而24齿的齿轮转动时,8齿齿轮转动得很快。 2.3加速和减速传动 先转动大齿轮(24齿),它的每一个齿都与8齿的两个齿啮合的很好。当转动24齿,每一次在齿轮的接触面一个新齿取代前一个齿时,8齿也刚好转过一个齿,因此,大齿轮转过8个齿(24齿的齿轮)就可以让小齿轮转过一圈(360度)。当大齿轮再转过8个齿时,小齿轮又转了一圈。在你转动24齿齿轮的最后8个齿时,8齿齿轮转过第三圈。这也是两轴产生不同速度的原因:24齿齿轮转动一圈,8齿齿轮转动了三圈!我们用两个齿轮齿数之比来表示两者的关系:24比8。经过简化,得到3:1。从数字来看,24齿齿轮1转就相当与8齿齿轮的3转。 由此,我们得到一种加速的方法(从技术角度来将应称为角速度,而不是速度)。这时候你可能会想到在竞速小车上使用巨大的传动比。遗憾的是,在力学中有得必有失,获得了速度,同时就减少了扭矩,简单的说,就是在力量上的损失会转化为速度——速度越快,扭矩就越小。比率也相同:如果获得了三倍的角速度,你的扭矩会减小到原来的1/3。 齿轮有一个有趣的特性:扭矩和速度的转换是对称的,你可以将扭矩转换成速度,反之亦然。当系统增加速度而减小扭矩时,我们称为加速,反之我们称为减速。什么是扭矩? 当你用扳手转动螺钉上的螺母时,即产生扭矩。扳手动时,螺母产生抵阻力,你握手柄的地方离螺母越远,你需要施加的力就越小。实际上,力矩是两个参数的乘积:距离和力。增加其中一个量,就可以增加扭矩。力矩的度量单位就是力的单位和距离的单位,国际单位表示为牛顿米(Nm)或者是牛顿厘米(Ncm)。如果熟悉杠杆,你会认识到它们之间的相似性。对于杠杆,合力的大小依赖施力

乐高机器人竞赛配置方案

乐高机器人竞赛器材配置方案 一、概述 多年来,中国的教育界一直以加强学生素质教育为核心,探索和实践着教育改革的方向和途径。全国基础教育工作会议的召开,对全面推进素质教育提出了十分明确的要求,课程教材改革在推进素质教育、培养21世纪技能的重要作用已经成为全国上下的共识。 我们引入了以乐高教育为主的教育解决方案,它是长期以来与世界各国教育界密切合作,不断探究和开发出最先进的教育方案,并在25年的教学实践中获得成功应用,受到世界各国教育界的广泛接受和推崇。乐高教育在世界各地教育界的应用中已逐步形成了自身的符合这些教育理念的可持续发展的优秀平台。 我们提供的教育解决方案确保学生获得快乐和有效的学习。教师在教学过程中将“指导”和“建构”的理念相互结合,这将帮助教师在学生以团队为单位来共同解决问题的课堂上,扮演顾问型的指导者,而不是灌输者。 二、建立乐高机器人创新实验室的意义 随着素质教育的推进和新课程新教材的改革,在各个学科的教学中对学生动手操作、动手实验的要求越来越多,因此除了常见的物理实验室、化学实验室、生物实验室,各个学校还建立了很多新课程的实验室,例如科学(自然)实验室、信息技术实验室、劳技实验室、通用技术实验室、探究实验室。 这些新课程的实验室由于建设时间较短,并没有形成统一的标准,实验室的设备配置区别很大。乐高教育平台可以很好的在这些课程上使用,而且如果在这些实验室里都有乐高设备,那么教师在教学的时候,学生在学习的时候就会非常的方便。 乐高机器人创意实验室是基于乐高教育设备建立的综合性实验室,在这个实验室中可以开展多门学科的教学,学校可以根据需要将这个实验室变为科学实验室、信息技术实验室、探究实验室等等。

乐高机器人课程

乐高机器人课程 Lego Mindstorms(乐高机器人)是集合了可编程Lego砖块、电动马达、传感器、Lego Technic部分(齿轮、轮轴、横梁)的统称。Mindstorms起源于益智玩具中可编程传感器模具(programmable sensor blocks)。第一个Lego Mindstorms的零售版本在1998年上市,当时叫做Robotics Invention System (RIS)。最近的版本是2006年上市的Lego Mindstorms NXT。 乐高机器人套件的核心是一个称为RCX或NXT的可程序化积木。它具有六个输出输入口:三个用来连接感应器等输入设备,另外三个用于连结马达等输出设备。乐高机器人套件最吸引人之处,就像传统的乐高积木一样,玩家可以自由发挥创意,拼凑各种模型,而且可以让它真的动起来。 机器人是一门涉及机械学、电子学、工程学、自动控制、计算机、人工智能等方面的综合性学科,以培养学生的科学素养和技术素养为宗旨,以综合规划、设计制作、调试应用为主要学习特征的实践性课程。在拓宽学生的知识面,促进学生全面而富有个性的发展上起着不可替代的作用。 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,乐高从全国基础教育发展现状出发,构建科学、合理、切实可行的中小学乐高机器人教程体系,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。 科学和技术素养是当今社会每个公民必备的基本素养。乐高机器人课程在培养学生的科学与技术素养方面有其独特的优势,机器人教育作为一门基础课程,要面向全体学生。 乐高机器人课程要为学生营造动手动脑、进行设计活动的环境,提供必要的设备和工具,倡导学生积极主动、勇于探索的学习精神,组织学生进行探索式学习,让学生充分动手实践,积极合作,主动探究。 乐高机器人更多信息可登入网站棒棒贝贝科技中心了解更多。 地址:上海市浦东新区杜鹃路68号。

乐高机器人实验室建设方案设计

乐高教育探究实验室配置方案 及课程介绍 一、乐高教育的理念 多年来,中国的教育界一直以加强学生素质教育为核心,探索和实践着教育改革的方向和途径。全国基础教育工作会议的召开,对全面推进素质教育提出了十分明确的要求,课程教材改革在推进素质教育、培养21世纪技能的重要作用已经成为全国上下的共识。

我们引入了以乐高教育为主的教育解决方案,它是长期以来与世界各国教育界密切合作,不断探究和开发出最先进的教育方案,并在25年的教学实践中获得成功应用,受到世界各国教育界的广泛接受和推崇。乐高教育在世界各地教育界的应用中已逐步形成了自身的、符合这些教育理念的可持续发展的优秀平台。 我们提供的教育解决方案确保学生获得快乐和有效的学习。教师在教学过程中将“指导”和“建构”的理念相互结合,这将帮助教师在学生以团队为单位来共同解决问题的课堂上,扮演顾问型的指导者,而不是灌输者。 二、乐高教育的应用 随着素质教育的推进和新课程新教材的改革,在各个学科的教学中对学生动手操作、动手实验的要求越来越多,因此除了常见的物理实验室、化学实验室、生物实验室,各个学校还建立了很多新课程的实验室,例如科学(自然)实验室、信息技术实验室、劳技实验室、通用技术实验室、探究实验室。 这些新课程的实验室由于建设时间较短,并没有形成统一的标准,实验室的设备配置区别很大。乐高教育平台可以很好的在这些课程上使用,而且如果在这些实验室里都有乐高设备,那么教师在教学的时候,学生在学习的时候就会非常的方便。 乐高探究实验室所涉及课程包含有:机械基础,动力机械,机械工程,机器人等。 三、机器人教育的目的 学生借助乐高机器人的平台,在老师的知道下,开展丰富多彩的机器人活动,通过活动提高学生对科技活动及知识的兴趣,培养学生动手能力、创新能力; 提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力;充分体会“做中学,玩中学”的无穷乐趣。建立机器人活动室,不仅满足课堂教学的需求,还能开展第二课堂活动,建立科技兴趣小组,丰富学生的课外活动,还可以参加到全国青少年机器人竞赛和全国电脑制作大赛中去。满足学生的同事也能给科技老师不断发现新的问题提供自身的发展的机会,参加到全国的比赛及交流中提高教师自身的素质。 (1)、通过创新实验室学习,对中小学生进行计算机编程、工程设计、动手制作与技术构建等知识的教学,培养他们动脑动手和独立思考、解决问题的技能,不断发展青少年的观察力、想象力和创新能力。

乐高Ev3教材

小学乐高特色课程校本教材 一、课程基本理论 (一)、乐高特色课程教学总目标(教学的三维目标) 1、情感态度价值观: 通过乐高课堂的学习主要培养学生的兴趣爱好、提升空间、逻辑思维能力,并从中获得自我提升的价值取向。 2、过程和方法: 通过课堂的教学,让学生从初步识别一些乐高积木零件名称,到拼装动手组装机器,再到学习编程,再远程遥控乐高机器人操作。 3、知识和技能: 通过课堂教学,让学生学会乐高机器人的基础理论知识并能够把基础知识运用到课堂实践中来。 (二)、乐高特色课程教学重难点 重点:组装机器零件、编辑程序。 难点:在学习中如何获得自我成就感,提升空间、逻辑思维能力,并从中获得自我提升的价值取向。 (三)、乐高特色课程培养方向(从学生角度) 1、通过乐高实践活动,激发学习兴趣,为今后的乐高学习奠定基础。 2、在课堂中,加强学生合作交流,发挥团队精神,既要表现好个体的水平,也要有体现群体的意识,增强团队合作的精神。 3、在乐高拼装的训练过程中,要有耐心,持之以恒,进而促进人格完善。 4、了解乐高的基本理论和拼装技术,让学生多动手、多动脑、促进学生的心智健康发展。 5、学习乐高兴趣课为学校和特色教育添砖加瓦。 二、课程模块(目录、内容) 第一课、初识乐高机器人基础理论 第二课、乐高积木元件的认识和使用方法。 第三课、舞蹈教学常用术语与基本功练习 ……

第二十课、…… 三、课程教案 第一课:乐高基础理论 第一节基础理论部分 第一课时 教学内容:初识乐高机器人 教学目的: 1.了解什么是乐高,什么是乐高机器人; 2.了解乐高机器人给我们的生活带来了哪些作用。 教学准备: 组织上课,图片,视频、文字资料。 教学过程: 一、播放乐高教学视频: 1.教师辅助学生了解乐高; 2.教师辅助学生了解乐高积木、乐高机器人的概念。 3.教师辅助学习乐高有哪些作用。 二、教师简单讲解乐高积木的概念与作用。 1、用通俗的易懂的话来说,乐高积木现在已是儿童喜爱的玩具。这种塑料积木一头有凸粒,另一头有可嵌入凸粒的孔,形状有1300多种,每一种形状都有12种不同的颜色,以红、黄、蓝、白、黑为主。它靠学生自己动脑动手,可以拼插出变化无穷的造型,令人爱不释于,被称为“魔术塑料积木”。乐高积木的故乡在丹麦。其发明者是奥勒?基奥克。 2、作为教育手段,研究发现乐高课堂机器人可以帮助学生通过科学、技术、工程学、数学等学科知识来解决生活实际问题,同时也可以培养学生在课堂上团队合作精神。 三、教师与孩子们讨论: 1、什么是乐高积木? 2、你认为怎么样学习乐高才能把学习学好?

乐高机器人齿轮篇

乐高机器人---运动篇 8.1简介 灵活的思维造就出了许许多多的机器人,运动使创造物获得了生命,带来无限的乐趣,同时也对自己的创造力进行了挑战。大多数运动机器人都属于轮子型与腿型机器人。虽然轮子在光滑的表面很有效,但是在凹凸不平的地面上运动,腿提供了更有力的方式。底盘结构是为了突出显示它们的传动系统和连接情况,因此,在实际搭建中还需对此结构加固。 8.2简单的差动装置 机器人具有很多优点(尤其具有简单性),至少在乐高的可移动机器人中常用到此结构。差动装置由机器人两边两个平行的驱动轮构成,单独提供动力,另外有一个或多个轮脚(万向轮)用于支撑重量并不是没有作用(图8.1)。注意我们称这个装置为差动装置是因为机器人的运动矢量是由两个独立部件产生的(它与差速齿轮没有关系,此装置上没有使用差速齿轮)。 当两个驱动轮以相同方向、相同速度转动时,机器人作直线运动。如果两个轮子转动速度相同,但方向相反时,机器人会绕着连接两轮线段的中心点旋转。根据轮子不同的转向,表8.1列出了机器人的不同运动状态。 图8.1简单差动装置

表8.1 轮子不同的旋转方向产生不同的运动状态 组合不同方向和速度,机器人可以做任意半径的旋转。因为它的灵活性、及原地旋转的功能成为许多工程的教学器具。另外,由于它很容易实现,所以乐高有一半以上的运动机器人属于此结构。 假如你想跟踪机器人的位置,那差动装置又是比较好的选择,仅仅需要简单的数学知识。这种结构只有一种弊端:它不能保证机器人笔直的运动,因为两个马达的功效总有差别,一个轮子会比另外一个轮子转动的快一点,因此使得机器人略微偏左或偏右。在某些应用中这中情况不会有问题,可以通过编程来避免,比如使机器人沿线走或在迷宫中寻找路线行走,但是让机器人在空地上走直线恐怕不行。 8.2.1直线运动 使用简单差动装置有许多方法可以保持直线行走,最简便的方式是选择两个速度相近的马达。如果你有两个以上的马达,尽量找两个速度最匹配的马达,这种方式也不能确保机器人走直线,但至少能减小走偏的情况。

乐高机器人—齿轮篇之欧阳家百创编

乐高机器人---运动篇 欧阳家百(2021.03.07) 8.1简介 灵活的思维造就出了许许多多的机器人,运动使创造物获得了生命,带来无限的乐趣,同时也对自己的创造力进行了挑战。大多数运动机器人都属于轮子型与腿型机器人。虽然轮子在光滑的表面很有效,但是在凹凸不平的地面上运动,腿提供了更有力的方式。底盘结构是为了突出显示它们的传动系统和连接情况,因此,在实际搭建中还需对此结构加固。 8.2简单的差动装置 机器人具有很多优点(尤其具有简单性),至少在乐高的可移动机器人中常用到此结构。差动装置由机器人两边两个平行的驱动轮构成,单独提供动力,另外有一个或多个轮脚(万向轮)用于支撑重量并不是没有作用(图8.1)。注意我们称这个装置为差动装置是因为机器人的运动矢量是由两个独立部件产生的(它与差速齿轮没有关系,此装置上没有使用差速齿轮)。 当两个驱动轮以相同方向、相同速度转动时,机器人作直线运动。如果两个轮子转动速度相同,但方向相反时,机器人会绕着

连接两轮线段的中心点旋转。根据轮子不同的转向,表8.1列出了机器人的不同运动状态。 图8.1简单差动装置 表8.1 轮子不同的旋转方向产生不同的运动状态 组合不同方向和速度,机器人可以做任意半径的旋转。因为它的灵活性、及原地旋转的功能成为许多工程的教学器具。另外,由于它很容易实现,所以乐高有一半以上的运动机器人属于此结构。 假如你想跟踪机器人的位置,那差动装置又是比较好的选择,仅仅需要简单的数学知识。这种结构只有一种弊端:它不能保证机器人笔直的运动,因为两个马达的功效总有差别,一个轮子会比另外一个轮子转动的快一点,因此使得机器人略微偏左或偏右。在某些应用中这中情况不会有问题,可以通过编程来避免,

机器人校本课程纲要

《机器人》校本课程纲要 xx

中学

《机器人》校本课程纲要 一、课程简介: 1.开发背景: 学校为学生开设了机器人这门课,就是培养学生解决问题和动手的能力。未来社会更需要有实践经验,有新的想法,创造力和新的思考方式。在解决问题的过程中,创新思维是培养解决问题能力的核心,它帮助学生发现多个可能的解决方案,寻找替代方案,挑战假设,并提出新的想法,帮助学生解决问题,使学生们会自觉地学习、获取新知识,从而培养学生了合作能力,提高沟通能力,充分表达思想能力。核心理念是“做中学,玩中学”。它传达的观念是让孩子充分体会学习的乐趣,让孩子成为整个学习的过程中是主导角色。 我校机器人教学主要采用乐高机器人EV3的可程序化积木为主,乐高机器人套件最吸引人之处,就像传统的乐高积木一样,玩家可以自由发挥创意,拼凑各种模型,而且可以让它真的动起来。 2 .开发教师一-XX 3 .课程名称一冋编程机器人 4 .授课对象 ---- 高一年级学生 5 .课程类别一呵编程机器人拼装技能与编程能力提升 6.课时安排一令周一节 二、课程目标 1.知识与技能: (1)熟练掌握各个部件之间的组合方法 (2 )根据自己的想象,拼装出有创意的机器人或积木 (3)对可编程机器人进行简单的编程操作 2.过程与方法:

(1)学会设计、拼装机器人、对机器人进行编程

(2 )通过小组合作制作增强学生之间的团队合作意识和创意分享意识 3 .情感态度与价值观: 可编程机器人除了能给学生带来这些相互促进的能力之外,还可以带来无穷 的乐趣。为兴趣而生、在能力中提升兴趣,这些能力都不是刻意去要求的,都是 潜移默化的,无形中就学会这样的能力,同时能认识各种机械的运动方式、 学习 作品中的数学和物理原理、了解机械装置在生活中的应用,在后期通过机械结构, 传感应用,程序应用进行研究探索性学习,进入机器人编程阶段,可以培养学生 的逻辑思维能力、团队合作能力。 三、课程内容 乐高机器人编程环境介绍 了解各个传感器 10. 超声波传感器的应用 11. 触动传感器的应用 12. 为小车进行编程 13. 小组合作进行创意触碰小车搭建 14. 为搭建的触碰小车进行编程 15. 利用超声波搭建一个壁障小车 16. 为壁障小车进行编程 四、具体实施 1. 教学环境:机器人教室。 1. 机器人发展历史及简单结构拼装 2. 讲解教师本人利用废旧的材料搭建一个机器人模型 3. 熟悉各个零件的名称和作用 4. 认识乐高机器人积木及基本零件识别 5. 组装简易机器人 5. 传动装置的功能和作用 6. 建筑的建构 7. 搭建一个简单的小车 8. 9.

乐高机器人教案

乐高机器人教案文档编制序号:[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]

乐高机器人—齿轮篇教案 在机器人的设计中,机械结构是完善系统的一个重要因素。要认识各种各样的传动机构,了解其工作原理及其优缺点,什么时候用哪种传动系统最有效等,从而设计出出色的机器人系统。 简介 齿轮是机器中很重要的部件,它几乎是机器的象征。探索齿轮的一种非常有用的特性:将一种力魔法般的转换成另外一种力。介绍一些新的概念——速度、力、扭矩、摩擦力;还有一些简单的机械理论基础。认识齿轮和简单杠杆之间的相似点。 齿数的计算 一般用中至少需要两个齿轮,如图所示,为两个普通的乐高齿轮:左边是8齿齿轮,右边是24齿齿轮。齿轮的最重要属性就是它的齿数。齿轮是根据齿数分类的:它的英文缩写就代表它的名字,例如24齿的齿轮可以表示为24t 。 图一个8齿和24齿的齿轮 例子中使用了8齿和24齿的两个齿轮,分别固定在一根轴上。两轴与一带孔梁相配合,两孔间距两个乐高单位(一个乐高单位就相当于相邻两孔间距),现在一手拿住梁,另一手轻轻地转动其中一根轴,注意到的第一个特性:当转动其中一根轴时,另一轴也同时转动,因此,齿轮的基本属性就是可以将运动从一根轴传到其它轴上。第二个特点是你不需要用很大的力去转动它们,因为齿轮间配合相当紧凑,摩擦力很小,这也是乐高工艺系统大特性之一:部件之间配合精度高。第三个特点是两根轴反向转动:一

个顺时针,一个逆时针。第四个特点:也是最重要的特性,就是两根轴的旋转速度不同。当转动8齿齿轮时,24齿齿轮转动得很慢;而24齿的齿轮转动时,8齿齿轮转动得很快。 加速和减速传动 先转动大齿轮(24齿),它的每一个齿都与8齿的两个齿啮合的很好。当转动24齿,每一次在齿轮的接触面一个新齿取代前一个齿时,8齿也刚好转过一个齿,因此,大齿轮转过8个齿(24齿的齿轮)就可以让小齿轮转过一圈(360度)。当大齿轮再转过8个齿时,小齿轮又转了一圈。在你转动24齿齿轮的最后8个齿时,8齿齿轮转过第三圈。这也是两轴产生不同速度的原因:24齿齿轮转动一圈,8齿齿轮转动了三圈!我们用两个齿轮齿数之比来表示两者的关系:24比8。经过简化,得到3:1。从数字来看,24齿齿轮1转就相当与8齿齿轮的3转。 由此,我们得到一种加速的方法(从技术角度来将应称为角速度,而不是速度)。这时候你可能会想到在竞速小车上使用巨大的传动比。遗憾的是,在力学中有得必有失,获得了速度,同时就减少了扭矩,简单的说,就是在力量上的损失会转化为速度——速度越快,扭矩就越小。比率也相同:如果获得了三倍的角速度,你的扭矩会减小到原来的1/3。 齿轮有一个有趣的特性:扭矩和速度的转换是对称的,你可以将扭矩转换成速度,反之亦然。当系统增加速度而减小扭矩时,我们称为加速,反之我们称为减速。

机器人校本课程纲要(完整资料).doc

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《机器人》校本课程纲要 一、课程简介: 1.开发背景: 学校为学生开设了机器人这门课,就是培养学生解决问题和动手的能力。未来社会更需要有实践经验,有新的想法,创造力和新的思考方式。在解决问题的过程中,创新思维是培养解决问题能力的核心,它帮助学生发现多个可能的解决方案,寻找替代方案,挑战假设,并提出新的想法,帮助学生解决问题,使学生们会自觉地学习、获取新知识,从而培养学生了合作能力,提高沟通能力,充分表达思想能力。核心理念是“做中学,玩中学”。它传达的观念是让孩子充分体会学习的乐趣,让孩子成为整个学习的过程中是主导角色。 我校机器人教学主要采用乐高机器人EV3的可程序化积木为主,乐高机器人套件最吸引人之处,就像传统的乐高积木一样,玩家可以自由发挥创意,拼凑各种模型,而且可以让它真的动起来。 2.开发教师—— xxx 3.课程名称——可编程机器人 4.授课对象——高一年级学生 5.课程类别——可编程机器人拼装技能与编程能力提升 6.课时安排——每周一节 二、课程目标 1.知识与技能: (1)熟练掌握各个部件之间的组合方法 (2)根据自己的想象,拼装出有创意的机器人或积木 (3)对可编程机器人进行简单的编程操作

2.过程与方法: (1)学会设计、拼装机器人、对机器人进行编程 (2)通过小组合作制作增强学生之间的团队合作意识和创意分享意识 3.情感态度与价值观: 可编程机器人除了能给学生带来这些相互促进的能力之外,还可以带来无穷的乐趣。为兴趣而生、在能力中提升兴趣,这些能力都不是刻意去要求的,都是潜移默化的,无形中就学会这样的能力,同时能认识各种机械的运动方式、学习作品中的数学和物理原理、了解机械装置在生活中的应用,在后期通过机械结构,传感应用,程序应用进行研究探索性学习,进入机器人编程阶段,可以培养学生的逻辑思维能力、团队合作能力。 三、课程内容 1.机器人发展历史及简单结构拼装 2.讲解教师本人利用废旧的材料搭建一个机器人模型 3.熟悉各个零件的名称和作用 4.认识乐高机器人积木及基本零件识别 5.组装简易机器人 5. 传动装置的功能和作用 6. 建筑的建构 7. 搭建一个简单的小车 8. 乐高机器人编程环境介绍 9. 了解各个传感器 10. 超声波传感器的应用 11. 触动传感器的应用 12. 为小车进行编程 13.小组合作进行创意触碰小车搭建 14.为搭建的触碰小车进行编程 15.利用超声波搭建一个壁障小车

乐高机器人直线行走

简单的差速驱动装置 双差速驱动装置 制动转向装置 转向装置 三轮装置 同步驱动装置 其它结构 8.1简介 灵活的思维造就出了许许多多的机器人,运动使创造物获得了生命,带来无限的乐趣,同时也对自己的创造力进行了挑战。大多数运动机器人都属于轮子型与腿型机器人。虽然轮子在光滑的表面很有效,但是在凹凸不平的地面上运动,腿提供了更有力的方式。 本章将概述最常用的轮型机器人结构,讨论它们的优缺点。请记住,在下面章节中介绍的底盘结构是为了突出显示它们的传动系统和连接情况,因此,在实际搭建中还需对此结构加固。 8.2简单的差动装置 如果你根据LEGO Constructopedia中的描述已搭建出了一些模型,或者整合了第五章介绍的一些测试结构,那么你对差速装置的结构已经熟悉了。机器人具有很多优点(尤其具有简单性),至少在乐高的可移动机器人中常用到此结构。 差动装置由机器人两边两个平行的驱动轮构成,单独提供动力,另外有一个或多个轮脚(万向轮)用于支撑重量并不是没有作用(图8.1)。注意我们称这个装置为差动装置是因为机器人的运动矢量是由两个独立部件产生的(它与差速齿轮没有关系,此装置上没有使用差速齿轮)。 当两个驱动轮以相同方向、相同速度转动时,机器人作直线运动。如果两个轮子转动速度相同,但方向相反时,机器人会绕着连接两轮线段的中心点旋转。根据轮子不同的转向,表8.1列出了机器人的不同运动状态。

图8.1简单差动装置 表8.1 轮子不同的旋转方向产生不同的运动状态 左轮右轮机器人 停止停止停止 停止向前转动绕着左轮逆时针转动 停止向后转动绕着左轮顺时针转动 向前转动停止绕着右轮顺时针转动 向前转动向前转动向前运动 向前转动向后转动原地顺时针旋转 向后转动停止绕着右轮逆时针转动 向后转动向前转动原地逆时针旋转 向后转动向后转动向后运动 组合不同方向和速度,机器人可以做任意半径的旋转。因为它的灵活性、及原地旋转的功能成为许多工程的教学器具。另外,由于它很容易实现,所以乐高有一半以上的运动机器人属于此结构。 假如你想跟踪机器人的位置,那差动装置又是比较好的选择,仅仅需要简单的数学知识。(我们将在本书以后的章节中讨论) 这种结构只有一种弊端:它不能保证机器人笔直的运动,因为两个马达的功效总有差别,一个轮子会比另外一个轮子转动的快一点,因此使得机器人略微偏左或偏右。在某些应用中这中情况不会有问题,可以通过编程来避免,比如使机器人沿线走或在迷宫中寻找路线行走,但是让机器人在空地上走直线恐怕不行。 8.2.1直线运动 使用简单差动装置有许多方法可以保持直线行走,最简便的方式是选择两个速度相近的马达。如果你有两个以上的马达,尽量找两个速度最匹配的马达,这种方式也不能确保机器人走直线,但至少能减小走偏的情况。

LEGO智能除冰机器人的设计

- 29 - LEGO 智能除冰机器人的设计 甘辰予1,陈劲生2 (1.南宁市第二中学,广西 南宁 530022; 2.广西和信通讯技术有限公司,广西 南宁 530022) 【摘 要】介绍采用LEGO(乐高)组件搭建的除冰机器人其整体结构、动作原理以及发明创新点。并从系统控制方案及硬件组成、软件结构特点等方面对除冰机器人控制系统的设计进行了讨论。通过实验使用表明其可靠性高,性能良好,作业安全。 【关键词】除冰机器人;输电线路;除冰;越障 【中图分类号】TP242.6 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2009)10-0029-03 (一)引言 输电线路冬季因受冰雪危害引起的供电中断事故通常都是较严重的,其修复工作难度大,周期长,停电影响面积广,因此一直是全世界范围内需要解决的难点问题。2008年初,我国南方大面积连续特大降雪,冰雪压跨了输电线路塔架, 压断了输电线路,受灾人口高达1 亿之多,直接经济损失超过1100 亿元。目前输高压导线路除冰措施主要依靠人工用拉杆、竹棒等沿线敲打,使覆冰脱落。这次南方遭受冰灾地区的电网除冰主要采用的就是人工除冰的方法,不仅效率低下,而且对电力工人的生命安全造成了极大的威胁。因此,研究新型的除冰方法替代人工除冰就变成十分迫切。利用除冰机器人实现输电线路在线除冰是目前输电线路除冰技术的发展趋势,具有功耗小、成本低、效率高、保障人身安全、无需 停电和转移负载等优点。研制安全有效的除冰机械以代替人 工进行导线除冰具有较好的应用前景和实用意义。 (二)除冰机器人构型方案的确定 1.系统的工作要求 (1)除冰机器人设计必须考虑下列因素。1)具有适合于柔性线路上平直段、爬坡和下坡段的轮式行走或步进式行走装置以及爬坡、制动能力。2)具有摆动、旋转、俯仰调整功能的越障装置。3)具有故障状态的安全报警能力。4)由于除冰机器人悬挂在架空的输电线路上,越障时应保证除冰机器人姿态平稳,并保持与其它导线和线塔金属部件的安全间距等。因此,各类附属装置的空间尺寸受到一定的限制。5)除冰机器人不但能在架空的输电线路上自主移动,还能通过搅拌机式的装置快速压碎冰块。6)提供足够的空间安装所携带的电源以及探测、记录和分析处理仪器。 (2)除冰机器人设计的关键。1)如何精确定位卡住输电线路上的电缆;2)如何驱动;3)如何除去覆冰;4)终点如何制动。 其中最难的是如何除冰,选定除冰方案是以机器人在电缆线上行走中,利用除冰装置上的螺纹旋柱向内的压力和旋柱上粗糙的螺纹压碎线路上的覆冰,其效果最为有效。而针对终点制动这个难题,利用超声波测距装置进行除冰机器人制动,使其真正成为具有智能的除冰机器人。 2.系统的组成部分 除冰机器人是基于传感器技术、控制技术、机器人技术于一体的集成系统。本除冰机器人采用乐高(LEGO)组件搭建, 机器人总体结构大致可以分为主控模块、执行模块(越障系 统、摄像系统、测距系统、除冰系统)和电源模块(太阳能蓄电池、太阳能充电器)等叁个模块。 各模块功能如下表: 超声波和触碰传感器 感应层(采集发送环境信息) NXT 主控中心处理器 决策层(路径识别、实时控制) 电源供给和电机驱动 驱动层(决策的执行、系统维持) 在本系统中,除冰机器人底盘采用两轮结构,在前轮的上方,安装四个螺纹旋柱作为除冰装置。后轮为驱动轮,采用两轮差动转向的方式实现转向。每一个主动轮采用一个步进电机独立驱动。机器人系统外观图如图1。 图1 系统外观图 (三)系统的硬件设计 整个硬件系统由控制中心、越障系统、摄像系统、测距系统、除冰系统和电源系统组成。硬件构成如图2所示。 装置 装置 数据 图2 系统的硬件构成图 1.控制中心设计 控制中心是机器人的运算核心和控制核心,乐高公司到现在为止总共推出过两款机器人:第一代RCX 和第二代NXT。NXT 与RCX 相比最大的特点就是控制中心的中央处理器从8位升级到32位,处理能力得到了大幅度的提高。这给了NXT 【收稿日期】2009-07-15 【作者简介】甘辰予,男,南宁市第二中学高中部教师,研究方向为LEGO 机器人功能设计和实验、应用;陈劲生,男,广西和信通讯技术有限公司经济师,研究方向通信线路维护及通信技术管理。

机器人入门初识EV3教案

第1课机器人入门 学习目标 1.认识机器人零件。 2.认识机器人的控制核心、电机和传感器。 3.搭建简单的机器人模型。 课堂前情 由于是第一节课,所以在课程正式开始之前,做一个简短的自我介绍,并对本门课做一个课堂要求。导入 机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的机器。它已经融入到了人们的日常生活中,取代或协助人类的工作。目前,机器人在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。 同学们心目中的机器人是怎样的呢?请同学们拿笔画一画。 不同领域的机器人有着不同的功能,但是它们都有特定的机械结构。比如生活扫地机器人、科幻电影中的机器人、动画卡通中的机器人还有我们即将要学习的乐高机器人,咱们学校的乐高版本是EV3。

在本节课中,我们来认识设计机器人结构常用的零件。 课堂实践 1 .认识零件 设计制作机器人和盖房子相似,都需要用材料或零件支撑起它们的结构。盖房子需要用到钢筋、石材、木材等材料,而搭建一个机器人则需要用到梁、轴、连接销等零件。 梁 梁是制作机器人最常用的零件之一,多用于搭建机器人的主体结构。通过梁的搭建和连接,可以组成具有各种功能的结构。 同时,梁可以作为零件的测量工具。梁上面的每一个圆孔就是一个单位。在机器人的设计过程中,会用到多种零件,搭建指南中的每个零件旁边都有一个数字标注用以区分。

如下图中标注“15”单位的梁,“15”表示的就是这个梁的长度。有些不易读取其长度的零件(如轴),你可以用梁做对比,孔的数量就是该零件的长度。 轴 轴的横截面为十字形,多用于转动结构中。轴在现实生活中很常见,工厂里的传送带,马路上的汽车 和摩托车等都需要用到轴。在机器人的设计中,轴可以与圆孔、十字形孔相连接。 轴套 轴套用于将零件固定在轴上,与生活中的螺母或垫片的功能相似。下图中黄色的零件是“1/2单位轴套”, 灰色的零件是“1单位轴套”。 连接销 连接销的种类有很多。在机器人的设计中,连接销多用于梁或其它零件的连接和固定。机器人套件中 有带摩擦的连接销、带轮轴的连接销、带套管的连接销等多种连接销。 车轮 车轮由轮毂和轮胎组成,用于组建机器人的驱动部分。 机器人控制核心 控制核心是机器人的“大脑”和“心脏”,它为机器人提供指令,控制机器人其他设备的运行。机器人通过控制核心存储并运行程序。可通过可充电电池为其充电。

制作乐高机器人培训

制作乐高机器人-乐高乐园科技中心 现在有很多人都喜欢玩乐高机器人,感觉机器人是那么的神秘,所以从没想过自己能亲自动手制作一个机器人,其实,普通的机器人制作起来是非常简单的,今天,乐高乐园科技中心就来教大家做乐高机器人的方法,你只需要准备好材料,耐心的跟乐高乐园学很快就能见到自己的作品了。 制作乐高机器人的要点主要有两点:一是必须亲自动手,二是循序渐进。 亲自动手是必须的,只看理论,永远无法知道实际会遇到的问题;而如果你直奔复杂的人形机器人控制,不用多久你就会被你的挫折感打败,直到彻底放弃,所以循序渐进也是必须的。 有这两点,你也许应该知道上面问题的答案了,这个老师只能是你自己,我们也只能是你的同学,而乐高机器人就是入门的敲门砖! 一个机器人主要由三大部分组成:机械部件、电子电路、软件。 可能你不会对所有的部分都有兴趣,但遗憾的是,一个完整的实体机器人必须有这些部分。乐高机器人是一个完整的入门型机器人,你可以制作一个这样的机器人作为你的第一个作品,也可以只改造你最感兴趣的部分。 乐高教学机器人完全模块化,车架、主控制器(大脑)、各种传感器都是接插件,轻轻的插入相应的插座即可使用。 车架:铝合金高精度加工,数控激光切割等工艺制作。 主控制器:采用乐高MCU,核心是一块高档PIC18单片机r,只需要一根USB线即可重复更新芯片程序,不再需要额外的编程器了。这个控制器还可以作为单片机的学习开发板,非常方便。网站不仅提供了入门教程,还提供了4个好玩实用的入门程序范例。 传感器模块:目前提供了4种类型,并留有扩展接口,可以自由扩展。 1. 红外巡线传感器2个,也可以当作近距离避障的传感器,本身是采用红外线反射信号来检测黑白线或者物体的。巡线小车方式就是使用的这种传感器。 2. 感光传感器2个,可获取环境光的强度,通过这个传感器,机器人可对光做出反应。 3. 红外遥控器。包括了遥控器和接收器,可以学习各种红外遥控编码,也可以当个遥控玩具放松一下。 4. 超声波测距传感器。先进成熟的设计,能探测面前2-400cm之间的障碍物,提供的代码是自动避障,遇到障碍物就转向。你可以在此基础上写出更复杂的动作。

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