第七章乐高机器人机电一体化创新设计(修改)案例.ppt

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1、第九章第九章乐高机器人机电乐高机器人机电一体化创新设计一体化创新设计2 2一、创新设计与实验的目的一、创新设计与实验的目的1、培培养养学学生生用用创创造造性性思思维维方方法法，设设计计、搭搭建建新新型的机构或装置；型的机构或装置；2、引引导导学学生生运运用用乐乐高高机机器器人人套套件件，设设计计、制制作作智智能能机机器器人人，提提高高学学生生的的观观察察分分析析、动动手手、创创造造能能力力，培培养养学学生生的的参参与与、竞竞争争、实实践践与与协协作作意识；意识；3、加加强强学学生生对对机机电电一一体体化化的的实实践践认认识识，培培养养学学生生的的创创新新意意识识及及综综合合设设计计能能力力，并

2、并通通过过设设计计乐乐高机器人实现计算机和机器人控制的快速入门。高机器人实现计算机和机器人控制的快速入门。3 3二、原二、原 理理 乐乐高高“课课堂堂机机器器人人”是是一一种种优优秀秀的的科科技技教教育育产产品品，这这一一独独创创性性的的教教育育工工具具是是由由美美国国麻麻省省理理工工学学院院(MIT)、美美国国TUFTS大大学学、乐乐高高公公司司和和美美国国国国家家仪仪器器公公司司(NI)共共同同开开发发研研究究的的，它它将将模模型型搭搭建建和和计计算算机机编编程程有有效效地地结结合合在在一一起起，使使学学生生能能够够设设计计自自己己的的机机器器人人，在在计计算算机机上上编编写写程程序序，然

3、然后后通通过过与与计计算算机机相相连连的的红红外外发发射射器器将将程程序序下下载载到到机机器器人人的的大大脑脑RCX微微型型电电脑脑中中，启启动动RCX的的开开关关，机机器器人人就就可可以以完完全全脱脱离离计计算算机机，按按下下载载程程序序的的指指令令独独立立运运动动起起来来。例例如如通通过过使使用用光光电电传传感感器器，学学生生可可以以让让机机器器人人沿沿着着一一定定的的路路线前进、或绕某一物体转动、或是藏在暗处等。线前进、或绕某一物体转动、或是藏在暗处等。4 4二、原二、原 理理 乐乐高高机机器器人人由由机机械械结结构构件件、控控制制器器、电电机机、传传感感器器等等多多个个模模块块组组成成

4、，采采用用搭搭积积木木方方式式搭搭建建，硬硬件件就就是是积积木木，软软件件采采用用图图形形化化编编程程语语言言，不不涉涉及及单单片片机机汇汇编编语语言言与与机机器器码码编编程程。这这就就使使系系统统理理论论教教学学，摆摆脱脱了了单单片片机机语语言言、电电路路结结构构、微微机机接接口口等等分分支支学学科科的的束束缚缚，可可以以直直接接根根据据系系统统要要求求，组组态态并并展展示示系系统统功功能能。让让学学生生主主动动体体现现设设计计思思想想，理理解解系系统统设设计计原原理理，更更好好地地关关注注于于创创新新机机构构设设计计以以及及机机电电一一体体化化系系统统集成。集成。5 5三、仪器与设备三、仪

5、器与设备 乐乐高高积积木木有有两两千千多多个个各各种种形形状状的的积积木木组组件件，有有足足够够的的零零件件让让你你完完成成你你的的设设想想，更更重重要要的的是是，这这些些积积木木组组件件都都按按同同一一标标准准严严格格设设计计、生生产产，所所有有积积木木都都是是可可兼兼容容的的。它它依依据据的的标标准准就就是是乐乐高高单单位位，而而且且积积木木有有严严格格的的质质量量保保持持，乐乐高高积积木木模模具具公公差差仅仅为为0.005mm。可可以以巧巧妙妙地地利利用用乐乐高高积积木木的的特特点点梁梁、块块、板板和和孔孔之之间间的的关关系系完完善善你你的的结结构构，完完成成你你独一无二的设计。独一无二

6、的设计。6 61.支承元件7 72.传动元件8 82.传动元件9 93.动力元件乐高马达内置多级减速传动链 1010属 性 高速马达 低速马达 微马达 最大电压 9VDC 9VDC 9VDC 最小电流（无负载）100mA 10mA 5mA 最大电流（stall）450mA 250mA 90mA 最大速度（无负载）4000rpm 300rpm 30rpm 在一般负载下的速度 2500rpm 200rpm 25rpm 1111马达马达连接连接RCX的的AC输出端口。可通过软件编程对马达进输出端口。可通过软件编程对马达进行如下控制：行如下控制：1.正向旋转，停止；正向旋转，停止；2.反向旋转，停止；

7、反向旋转，停止；3.改变旋转方向；改变旋转方向；4.加速或减速。加速或减速。12124.传感器触动传感器 光电传感器 角度传感器 目目前前，乐乐高高机机器器人人提提供供四四种种标标准准传传感感器器：光光电电、温温度、角度及触动传感器。度、角度及触动传感器。1313触动传感器：触动开关触动传感器：触动开关 需连接到需连接到RCX输入端或乐高输入端或乐高8路输入和输出接口中黄色路输入和输出接口中黄色输入通道输入通道()。类型和供电要求类型和供电要求:无源数字传感器无源数字传感器 典型应用和说明典型应用和说明:实例实例1：当机器人碰到障碍物时，控制机器人后退、转弯。：当机器人碰到障碍物时，控制机器人

8、后退、转弯。实例实例2：在电梯模型中，可以作为楼层的触动按钮。：在电梯模型中，可以作为楼层的触动按钮。1414温度传感器温度传感器 需连接到需连接到RCX输入端或乐高输入端或乐高8路输入和输出接口板上的路输入和输出接口板上的黄色输入通道（）。测量范围：黄色输入通道（）。测量范围：-20C+50C 类型和供电要求类型和供电要求:无源模拟传感器无源模拟传感器 典型应用和说明典型应用和说明:实例实例1：观测一杯热水散热时温度的变化。：观测一杯热水散热时温度的变化。实例实例2：当温度达到一定值时，控制马达转动。：当温度达到一定值时，控制马达转动。1515光电传感器光电传感器 传感器测试范围传感器测试范

9、围0.6Lux(0%)760Lux(100%)。利用该传感器，。利用该传感器，你可以：你可以：-通过检测光强变化计数通过检测光强变化计数 -通过测试反向光强来辨别颜色通过测试反向光强来辨别颜色 -测量一个光源的光强测量一个光源的光强 类型和供电要求类型和供电要求:有源模拟传感器有源模拟传感器 典型应用和说明典型应用和说明:实例实例1：沿黑线机器人；实例：沿黑线机器人；实例2：在交通模型中，控制路灯在晚上自动：在交通模型中，控制路灯在晚上自动打开；实例打开；实例3：测量房间光线的分布，考查房间照明是否合理。在竞速：测量房间光线的分布，考查房间照明是否合理。在竞速赛时，拍摄数字图片。赛时，拍摄数字

10、图片。1616角度角度/位置传感器位置传感器 可连接到可连接到RCX输入端或乐高输入端或乐高8路输入和输出接口板上的蓝色输入通道路输入和输出接口板上的蓝色输入通道（）。利用这个传感器，你可以：（）。利用这个传感器，你可以：-测试旋转方向测试旋转方向 -发送一个运动，测量旋转位置发送一个运动，测量旋转位置 注意：不要将马达直接联接到位置传感器，否则会大大缩短传感器使注意：不要将马达直接联接到位置传感器，否则会大大缩短传感器使用寿命。用寿命。类型和供电要求类型和供电要求:有源数字传感器有源数字传感器 典型应用和说明典型应用和说明:实例实例1：测量车子走过的距离；实例：测量车子走过的距离；实例2：获

11、取机械手臂的位置；实例：获取机械手臂的位置；实例3：获取电梯到达的位置。获取电梯到达的位置。1717DCP 在在实实际际应应用用中中，需需要要采采集集不不同同的的物物理理量量以以实实现现不不同同的的目目的的，4种种传传感感器器可可能能不不够够。为为此此，乐乐高高与与DCP公公司司合合作作开开发发了了LEGO DCP适适配配器器，可可将将DCP公公司司的的工工业业传传感感器器与与RCX连连接接起起来来，让让机机器器人人采采集集高高精精度度的的电电压压、温温度度、湿湿度度、pH值值、声声音音、旋旋转转/位位移移、压压力力等等信信号号，让让您您的的机机器器人人更更好好地地响响应应外外部部环环境境。除

12、除了了DCP传传感感器器，如如果果感感兴兴趣趣，你你还还可可以以根根据据需需要要，开开发发自自己己的的传传感感器器，与与RCX连连接接，让让你你的的机机器器人人更更好好地地感感觉外部世界。觉外部世界。1818其它传感器其它传感器1电压传感器：测量范围：电压电压传感器：测量范围：电压25V，内阻抗：，内阻抗：410k 2温度传感器：可以测量温度传感器：可以测量-30C 130C温度温度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度到度到80度）度）4旋转旋转/位移传感器：位移传感器：360旋转，可测旋转，可测3405空气压力传感器：空气压力传感器

13、：0200KPa（约（约0-30psi）6声音传感器：测量范围为：声音传感器：测量范围为：50dB-100dB（A加权）加权）7pH值值传传感感器器适适配配器器：与与pH值值电电极极配配合合使使用用，25C时时每每pH值值的输出为的输出为59.1mV。8REDOX适适配配器器：高高阻阻抗抗电电压压适适配配器器，用用于于连连接接其其他他传传感感器器或或设备。电压范围为：设备。电压范围为：+/-1250mV9光光度度传传感感器器：对对光光强强度度具具有有较较高高的的分分辨辨，测测量量范范围围为为025000Lux.10DESIGNER传传感感器器套套件件：包包括括数数字字、模模拟拟传传感感器器，测

14、测直直流流电电压，测量范围为：压，测量范围为：02.5V11线线性性加加速速计计传传感感器器：加加速速范范围围为为-50m/s/s50m/s/s，斜斜度为度为-90+9012电电流流传传感感器器：如如图图所所示示，4mm插插槽槽及及电电缆缆，可可以以替替换换插插口口、探针及夹子，可测量探针及夹子，可测量-1A+1A的直流的直流19195.RCX微型电脑 RCXRCX微微型型电电脑脑是是乐乐高高机机器器人人不不可可缺缺少少的的大大脑脑，是是它它将将普普通通的的模模型型转转换换成成智智能能机机器器人人。通通过过不不同同的的传传感感器器，RCXRCX能能够够接接收收外外界界环环境境的的变变化化，进进

15、行行处处理理和和运运算算后后，输输出出指指令令来控制机器人的动作。来控制机器人的动作。RCXRCX是是美美国国麻麻省省理理工工学学院院多多媒媒体体实实验验室室研研究究多多年年的的成成果果，是是一一个个嵌嵌入入式式系系统统，或或者者说说是是一一个个小小型型电电脑脑。RCXRCX与与普普通通的的单单片片机机有有很很大大的的区区别别，其其最最根根本本的的区区别别是是RCXRCX有有自自己己的的类类似似WINDOWSWINDOWS的的操操作作平平台台，可可以以用用多多种种高高级级编编程程语语言言来控制来控制RCXRCX，而单片机只能使用汇编语言。，而单片机只能使用汇编语言。2020The RCXThe

16、 RCX RCX RCX带有自己的喇叭，带有自己的喇叭，可以播放可以播放6 6种不同的声调。种不同的声调。通过红外通信，通过红外通信，RCXRCX可以：可以：接收电脑上编写的程序。接收电脑上编写的程序。将采集在内存的数据上将采集在内存的数据上传到电脑进行分析。传到电脑进行分析。和另一个和另一个RCXRCX进行通信，进行通信，方便制做大型智能系统。方便制做大型智能系统。2121灯灯 连接连接RCX的的AC输出端口。可通过软件编程对输出端口。可通过软件编程对灯进行如下控制：灯进行如下控制：1.开关；开关；2.以用户定义的时间频率闪烁；以用户定义的时间频率闪烁；3.改变发光强度。改变发光强度。222

17、2蜂鸣器蜂鸣器 连接连接RCX的的AC输出端口。可通过软件编程对输出端口。可通过软件编程对蜂鸣器进行如下控制：蜂鸣器进行如下控制：1.开关；开关；2.发出两种声音。发出两种声音。利用软件控制，需将蜂鸣器转到正确位置，才利用软件控制，需将蜂鸣器转到正确位置，才能使其响应实际声音。能使其响应实际声音。23236.IR红外发射仪 将电脑程序下载到将电脑程序下载到RCX，是电脑和，是电脑和RCX不可缺少不可缺少的连接。有的连接。有2种类型：种类型：USB接口：必须使用接口：必须使用ROBOLAB版本版本2.5以上以上串口：串口：RS232接口，可以兼容所有接口，可以兼容所有ROBOLAB版本。版本。串

18、口发射仪 USB发射仪24247.连接导线、轴套类零件与其它辅助元件25258.编程ROBOLAB软件 为为乐乐高高机机器器人人编编写写程程序序的的ROBOLAB软软件件是是一一个个低低起起步步，高高发发展展，直直观观易易学学的的图图形形化化编编程程环环境境，是是以以美美国国国国家家仪仪器器公公司司的的LabVIEW为为基基础础开开发发的的。1997年年诺诺贝贝尔尔物物理理奖奖获获得得者者William D.Phillips博博士士选选用用LabVIEW作作为为编编程程环环境境,控控制制他他发发明明的的全全新新原原子子冷冷却却实验。实验。2626 LabVIEW采采用用图图形形化化编编程程方方

19、式式，产产生生的的程程序序是是框框图图的的形形式式，对对于于使使用用者者来来说说，编编程程就就像像设设计计流流程程图图一一样样，在在很很短短的的时时间间内内就就能能够够学学会会。由由于于 LabVIEW明明显显提提高高了了科科研研和和生生产产效效率率,它它在在航航天天航航空空、通通信信、汽汽车车、半导体和生物医学等众多领域很快得到广泛应用。半导体和生物医学等众多领域很快得到广泛应用。乐乐高高公公司司通通过过和和美美国国国国家家仪仪器器公公司司，美美国国TUFTS大大学学的的友友好好合合作作，开开发发了了基基于于LabVIEW的的机机器器人人编编程程软软件件ROBOLAB，使使机机器器人人更更容

20、容易易进进入入课课堂堂，使使我我们们的的学学生生在在很很小小的的年年龄龄就就可可以以开开始始编编写写程程序序，体体会会计计算算机的威力。机的威力。2727 ROBOLAB有有200多多个个编编程程模模块块,可可以以完完成成常常见见编编程程语语言言，如如C/C+或或VisualBasic等等软软件件的的功功能能。学学生生在在计计算算机机上上为为机机器器人人编编写写好好程程序序，程程序序一一旦旦下下载载到到RCX，机机器器人人就就脱脱离离计计算算机机，根根据据程程序序指指令令，按按照照周周围围环环境境的的输输入入信信息息来来行行动动，完完全全智智能能化化。当当然然，如如果果机机器器人人未未按按预预

21、先先设设计计的的行行动动，即即程程序序编编写写不不够够完完善善时时，可可以以在在计计算算机机上上修修改改源源程程序序，再再下下载载，运运行行机机器器人人进进行行测试，直到机器人完全按要求工作为止。测试，直到机器人完全按要求工作为止。2828 ROBOLAB软软件件分分为为编编程程者者(Programmer)和和研研究究者者(Investigator)两两部部分分,可可以以在在ROBOLAB开开始始使使用用的的第第一一用用户户界界面面选选择择.编编程程者者主主要要用用于于控控制制机机器器人人,而而研究者增加了数据采集和分析功能，用于学科实验。研究者增加了数据采集和分析功能，用于学科实验。ROBO

22、LAB最最突突出出的的优优点点是是提提供供不不同同的的编编程程级级别别,例例如如机机器器人人编编程程者者分分为为“导导航航者者”和和“发发明明家家”.“导导航航者者”级级别别提提供供的的编编程程环环境境和和例例子子较较为为简简单单，适适宜宜初初学学者者；它它为为初初学学者者提提供供了了固固定定的的编编程程模模块块，你你可可以以在在这这里里用用鼠鼠标标点点击击图图标标模模块块并并在在下下拉拉图图标标模模块块中中选选取取所所需需图图标标来来完完成成。发发明明家家级级别别则则提提供供全全部部的的控控制制能能力力。这两个级别均包含四个等级，从浅到深。这两个级别均包含四个等级，从浅到深。2929四、实验

23、前的准备工作四、实验前的准备工作 1.按按模模型型组组合合包包设设备备清清单单清清点点模模型型零零件件，并并按按类型分类置放于装料盘中；类型分类置放于装料盘中；2.认真阅读模型组合包操作手册；认真阅读模型组合包操作手册；3.按按组组装装指指导导图图搭搭接接模模型型，掌掌握握组组合合模模型型的的拼拼接方法；接方法；4.熟悉动力元器件的装配、连接方法；熟悉动力元器件的装配、连接方法；包包括括：电电动动机机、传传感感器器、变变压压器器、气气动动元元件件、各种开关等；各种开关等；5.熟悉组合包配备的软件熟悉组合包配备的软件Robolab及接口。及接口。3030五、实验内容与步骤五、实验内容与步骤 机机

24、器器人人的的制制作作是是一一个个循循序序渐渐进进的的过过程程，首首先先你你需需要要确确立立目目标标：你你需需要要一一个个什什么么样样的的机机器器人人？接接着着需需要要设设计计和和搭搭建建，然然后后在在电电脑脑上上使使用用ROBOLAB为为机机器器人人编编写写程程序序，通通过过红红外外发发射射器器将将程程序序下下载载到到RCX上上。下下载载成成功功后后，RCX就就可可以以脱脱离离计计算算机机自自动动运运行行。最最后后是是测测试试你你的的机机器器人人，是是否否实实现现了了你你的的目目标标？哪哪些些需需要要改改进进？回到第一步，改进你的机器人。？回到第一步，改进你的机器人。在在这这个个过过程程中中，

25、需需要要学学生生发发挥挥自自己己的的创创作作才才能能，综综合利用各种知识，还有充分发挥合利用各种知识，还有充分发挥团队合作精神团队合作精神。31313232第一步：设计与搭建机器人第一步：设计与搭建机器人乐乐高高机机器器人人套套件件认认知知、观观察察，了了解解其其种种类类、作作用等相关信息；用等相关信息；选选题题，确确定定设设计计目目标标，制制定定设设计计方方案案，进进行行任任务分工；务分工；运用乐高机器人套件，组装智能机器人。运用乐高机器人套件，组装智能机器人。3333 RCX微微型型电电脑脑是是由由MIT开开发发的的，是是乐乐高高机机器器人人系系统统的的核核心心部部分分。使使用用ROBOL

26、AB软软件件及及RCX，学学生生们们可可以以创创造造、搭搭建建、编编程程真真正正的的机机器器人人，让让它它运运动动、做做动作、甚至自己去动作、甚至自己去“想想”。为为RCX编编写写程程序序，通通过过各各种种输输入入（传传感感器器）与与输输出出（马达与灯等）对周围环境做出响应。（马达与灯等）对周围环境做出响应。3434第二步：在第二步：在PC机上为机器人编写程序机上为机器人编写程序 为为RCX编编写写控控制制程程序序的的ROBOLAB软软件件是是一一个个简简单单、直直观观、易易学学的的编编程程环环境境，是是以以美美国国国国家家仪仪器器公公司司的的LabVIEW，流流行行于于测测量量和和自自动动化

27、化领领域域的的图图形形化化编编程程软软件件为为基基础础开开发发的的。ROBOLAB软软件件具具有有所所有有通通用用编编程程环环境境，如如C/C+或或VisualBasic等等软软件件的的功功能能。在在计计算算机机上上为为机机器器人人编编写写好好程程序序，程程序序一一旦旦下下载载到到RCX，机机器器人人就就脱脱离离计计算算机机，根根据据程程序序指指令令，按按照照周周围围环环境境的的输输入入信信息息来来做做出出判判断断，决决定定下下一一步步如如何何行行动动。完完全全智能化。智能化。3535 美美国国国国家家仪仪器器（NI）公公司司的的LABVIEW软软件件：1997年年，美美国国太太空空总总署署在

28、在监监测测其其飞飞船船着着陆陆、定定位位、位位置置、运运 转转 状状 况况 等等 时时，使使 用用 了了 LabVIEW软软 件件。LabVIEW软软件件是是一一功功能能强强大大、设设计计完完美美的的编编程程环环境境，深深受受大大学学、和和各各行行各各业业的的工工程程技技术术人人员员及及科科学学家家喜喜欢欢，并并被被广广泛泛使使用用。是是测测控控领领域域倍倍受受欢欢迎迎的的软软件件开开发发工工具具，应应用用于于生生物物医医学学、航航空空航航天天、能能源源研研究究等等各各个个领领域域，用于数据采集与仪器控制、数据分析与处理等。用于数据采集与仪器控制、数据分析与处理等。3636第三步：下载程序到第

29、三步：下载程序到RCX RCX通通过过IR红红外外发发射射仪仪与与计计算算机机通通信信。使使用用ROBOLAB编编程程软软件件在在计计算算机机上上编编写写好好编编程程，然然后后，通通过过与与计计算算机机串串口口机机相相连连的的IR发发射射仪仪下下载载到到RCX。IR与与RCX通过无线红外方式通信。通过无线红外方式通信。3737 下下载载的的固固件件包包括括了了RCX硬硬件件的的细细节节和和底底层层的的编编程程指指令令，ROBOLAB软软件件也也将将难难懂懂的的汇汇编编语语言言表表达达为为一一个个个个图图标标。编编程程时时我我们们只只需需要要选选择择所所需需的的功功能能图图标标，像像画画流流水水

30、线线一一样样有有逻逻辑辑性性地地将将图图标标连连起起来来，这这样样就就可可以以完成程序编写，实现复杂的软件设计。完成程序编写，实现复杂的软件设计。3838 下下面面，我我们们用用单单片片机机的的汇汇编编语语言言来来与与ROBOLAB做做个个比比较较。同同样样是是完完成成RCX赋赋值值，直直接接对对RCX的的微微处处理理器器H8编编写写程程序序要要复复杂杂许许多多，编编写写时时不不但但要要注注意意语语句句顺顺序序，甚甚至至标标 点点 符符 号号 也也 不不 能能 错错。而而 通通 过过 RCX操操 作作 系系 统统 使使 用用ROBOLAB，你只需要懂得怎样使用几个图标。，你只需要懂得怎样使用几

31、个图标。图图形形化化语语言言ROBOLAB功功能能强强大大，设设计计完完美美，广广泛泛流流行行于于测测量量和和自自动动化化领领域域。熟熟悉悉使使用用ROBOLAB无无疑疑对对我我们以后工作有巨大的帮助。们以后工作有巨大的帮助。3939第四步：运行程序，测试机器人是否按要求工作第四步：运行程序，测试机器人是否按要求工作 通通过过运运行行程程序序，马马上上知知道道机机器器人人是是否否按按设设计计的的行行动动。如如果果机机器器人人没没有有按按要要求求的的做做，那那么么，可可通通过过检检查查机机器器人人搭搭建建及及程程序序编编写写是是否否正正确确来来修修正正错错误误。这这一一过过程程不不仅仅锻锻炼炼学

32、学生生分分析析问问题题、解解决决问问题题的的能能力力；而而且且培培养学生逻辑分析能力、团队合作精神与交流能力。养学生逻辑分析能力、团队合作精神与交流能力。4040例子4141424243434444454546464747视频4848实验报告实验报告一、机构结构简图及原理图一、机构结构简图及原理图二、控制程序二、控制程序 三、思考题三、思考题1.简要说明设计思路简要说明设计思路2.试述本设计的创意性和实用性试述本设计的创意性和实用性 人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。