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1、實驗 樂高機器人機電一體化創(chuàng)新設計,一、創(chuàng)新設計與實驗的目的 1、培養(yǎng)學生用創(chuàng)造性思維方法，設計、搭建新型的機構或裝置； 2、引導學生運用樂高機器人套件，設計、制作智能機器人，提高學生的觀察分析、動手、創(chuàng)造能力，培養(yǎng)他們的參與、競爭、實踐與協(xié)作意識； 3、加強學生對機電一體化的實踐認識，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識及綜合設計能力，并通過設計樂高機器人實現(xiàn)計算機和機器人控制的快速入門。,二、原 理 樂高“課堂機器人”是一種優(yōu)秀的科技教育產(chǎn)品，這一獨創(chuàng)性的教育工具是由美國麻省理工大學(MIT)、美國TUFTS大學、樂高公司和美國國家儀器公司(NI)共同開發(fā)研究的，它將模型搭建和計算機編程有效地結合在一起

2、，使學生能夠設計自己的機器人，在計算機上編寫程序，然后通過與計算機相連的紅外發(fā)射器將程序下載到機器人的大腦RCX微型電腦中，啟動RCX的開關，機器人就可以完全脫離計算機，按下載程序的指令獨立運動起來。例如通過使用光電傳感器，學生可以讓機器人沿著一定的路線前進、或繞某一物體轉(zhuǎn)動、或是藏在暗處等。,二、原 理 樂高機器人由機械結構件、控制器、電機、傳感器等多個模塊組成，采用搭積木方式搭建，硬件就是積木，軟件采用圖形化編程語言，不涉及單片機匯編語言與機器碼編程。這就使系統(tǒng)理論教學，擺脫了單片機語言、電路結構、微機接口等分支學科的束縛，可以直接根據(jù)系統(tǒng)要求，組態(tài)并展示系統(tǒng)功能。讓學生主動體現(xiàn)設計思

3、想，理解系統(tǒng)設計原理，更好地關注于創(chuàng)新機構設計以及機電一體化系統(tǒng)集成。,三、儀器與設備,樂高積木有兩千多個各種形狀的積木組件，有足夠的零件讓你完成你的設想，更重要的是，這些積木組件都按同一標準嚴格設計、生產(chǎn)，所有積木都是可兼容的。它依據(jù)的標準就是樂高單位，而且積木有嚴格的質(zhì)量保持，樂高積木模具公差僅為0.000005米。可以巧妙地利用樂高積木的特點梁、塊、板和孔之間的關系完善你的結構，完成你獨一無二的設計。,1. 支承元件,2. 傳動元件,2. 傳動元件,3. 動力元件樂高馬達,內(nèi)置多級減速傳動鏈,馬達 連接RCX的AC輸出端口。可通過軟件編程對馬達進行如下控制：1.正向旋轉(zhuǎn)，停止；2.反向旋

4、轉(zhuǎn)，停止；3.改變旋轉(zhuǎn)方向；4.加速或減速。,4. 傳感器,觸動傳感器,光電傳感器,角度傳感器,目前，樂高機器人提供四種標準傳感器：光電、溫度、角度及觸動傳感器。,觸動傳感器：觸動開關需連接到RCX輸入端或樂高8路輸入和輸出接口中黃色輸入通道()。類型和供電要求:無源數(shù)字傳感器典型應用和說明:實例1：當機器人碰到障礙物時，控制機器人后退、轉(zhuǎn)彎。實例2：在電梯模型中，可以作為樓層的觸動按鈕。,溫度傳感器需連接到RCX輸入端或樂高8路輸入和輸出接口板上的黃色輸入通道（）。測量范圍：-20C+50C類型和供電要求:無源模擬傳感器典型應用和說明:實例1：觀測一杯熱水散熱時溫度的變化。實例2：當溫度達到

5、一定值時，控制馬達轉(zhuǎn)動。,光電傳感器傳感器測試范圍0.6Lux(0%) 760Lux(100%)。利用該傳感器，你可以：-通過檢測光強變化計數(shù)-通過測試反向光強來辨別顏色-測量一個光源的光強類型和供電要求:有源模擬傳感器典型應用和說明:實例1：沿黑線機器人；實例2：在交通模型中，控制路燈在晚上自動打開；實例3：測量房間光線的分布，考查房間照明是否合理。在競速賽時，拍攝數(shù)字圖片。,角度/位置傳感器可連接到RCX輸入端或樂高8路輸入和輸出接口板上的藍色輸入通道（）。利用這個傳感器，你可以：-測試旋轉(zhuǎn)方向-發(fā)送一個運動，測量旋轉(zhuǎn)位置注意：不要將馬達直接聯(lián)接到位置傳感器，否則會大大縮短傳感器使用壽命類

6、型和供電要求:有源數(shù)字傳感器典型應用和說明:實例1：測量車子走過的距離；實例2：獲取機械手臂的位置；實例3：獲取電梯到達的位置。,DCP 在實際應用中，需要采集不同的物理量以實現(xiàn)不同的目的， 4種傳感器可能不夠。為此，樂高與DCP公司合作開發(fā)了LEGO DCP適配器，可將DCP公司的工業(yè)傳感器與RCX連接起來，讓機器人采集高精度的電壓、溫度、濕度、pH值、聲音、旋轉(zhuǎn)/位移、壓力等信號，讓您的機器人更好地響應外部環(huán)境。除了DCP傳感器，如果感興趣，您還可以根據(jù)需要，開發(fā)自己的傳感器，與RCX連接，讓您的機器人更好地感覺外部世界。,其它傳感器 A電壓傳感器：測量范圍：電壓25V，內(nèi)阻抗：410k

7、 B溫度傳感器：可以測量-30C 130C溫度 C濕度傳感器：可以測量0100%的相對濕度（溫度范圍-20度到80度） D旋轉(zhuǎn)/位移傳感器：360旋轉(zhuǎn)，可測340 E空氣壓力傳感器：0200KPa（約0-30psi） F聲音傳感器：測量范圍為：50dB-100dB（A加權） GpH值傳感器適配器：與pH值電極配合使用，25C時每pH值的輸出為59.1mV。 HREDOX適配器：高阻抗電壓適配器，用于連接其他傳感器或設備。電壓范圍為：+/-1250mV I光度傳感器：對光強度具有較高的分辨，測量范圍為025000Lux. JDESIGNER傳感器套件：包括數(shù)字、模擬傳感器，測直流電壓，測量范圍為

8、：02.5V K線性加速計傳感器：加速范圍為-50m/s/s50m/s/s，斜度為-90+90 L電流傳感器：如圖所示，4mm插槽及電纜，可以替換插口、探針及夾子，可測量-1A+1A的直流,5. RCX微型電腦,RCX微型電腦是樂高機器人不可缺少的大腦， 是它將普通的模型轉(zhuǎn)換成智能機器人。 通過不同的傳感器，RCX能夠接收外界環(huán)境的變化，進行處理和運算后，輸出指令來控制機器人的動作。 RCX是美國麻省理工大學多媒體實驗室研究多年的成果，是一個嵌入式系統(tǒng)，或者說是一個小型電腦。RCX與普通的單片機有很大的區(qū)別，其最根本的區(qū)別是RCX有自己的類似WINDOWS的操作平臺，可以用多種高級編程語言

9、來控制RCX，而單片機只能使用匯編語言。,The RCX RCX帶有自己的喇叭，可以播放6種不同的聲調(diào)。通過紅外通信，RCX可以：接收電腦上編寫的程序?qū)⒉杉趦?nèi)存的數(shù)據(jù)上傳到電腦進行分析和另一個RCX進行通信，方便制做大型智能系統(tǒng)。,燈 連接RCX的AC輸出端口。可通過軟件編程對燈進行如下控制：1.開關；2.以用戶定義的時間頻率閃爍；3.改變發(fā)光強度。,蜂鳴器 連接RCX的AC輸出端口?？赏ㄟ^軟件編程對蜂鳴器進行如下控制：1.開關；2.發(fā)出兩種聲音。利用軟件控制，需將蜂鳴器轉(zhuǎn)到正確位置，才能使其響應實際聲音。,6. IR紅外發(fā)射儀,將電腦程序下載到RCX，是電腦和RCX不可缺少的連接。有2種類

10、型：USB接口：必須使用ROBOLAB版本2.5以上串口： RS232接口，可以兼容所有ROBOLAB版本。,串口發(fā)射儀,USB發(fā)射儀,7. 連接導線、軸套類零件與其它輔助元件,8. 編程ROBOLAB軟件,為樂高機器人編寫程序的ROBOLAB軟件是一個低起步，高發(fā)展，直觀易學的圖形化編程環(huán)境，是以美國國家儀器公司的LabVIEW為基礎開發(fā)的。1997年諾貝爾物理獎獲得者William D. Phillips博士選用LabVIEW作為編程環(huán)境, 控制他發(fā)明的全新原子冷卻實驗。,LabVIEW采用圖形化編程方式，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，對于使用者來說，編程就像設計流程圖一樣，在很短的時間內(nèi)就能夠

11、學會。 由于 LABVIEW明顯提高了科研和生產(chǎn)效率, 它在航天航空、通信、汽車、半導體和生物醫(yī)學等眾多領域很快得到廣泛應用。 樂高公司通過和美國國家儀器公司，美國TUFTS大學的友好合作，開發(fā)了基于LabVIEW的機器人編程軟件ROBOLAB，使機器人更容易進入課堂，使我們的學生在很小的年齡就可以開始編寫程序，體會計算機的威力。,ROBOLAB有200多個編程模塊,可以完成常見編程語言，如C/C++或VisualBasic等軟件的功能。學生在計算機上為機器人編寫好程序，程序一旦下載到RCX，機器人就脫離計算機，根據(jù)程序指令，按照周圍環(huán)境的輸入信息來行動,完全智能化。當然，如果機器人未按預

12、先設計的行動，即程序編寫不夠完善時，可以在計算機上修改源程序，再下載，運行機器人進行測試，直到機器人完全按要求工作為止。,ROBOLAB軟件分為編程者(Programmer)和研究者(Investigator)兩部分, 可以在ROBOLAB開始使用的第一用戶界面選擇. 編程者主要用于控制機器人, 而研究者增加了數(shù)據(jù)采集和分析功能,用于學科實驗。 ROBOLAB最突出的優(yōu)點是提供不同的編程級別, 例如機器人編程者分為 “導航者”和 “發(fā)明家”. “導航者”級別提供的編程環(huán)境和例子較為簡單，適宜初學者；它為初學者提供了固定的編程模塊，你可以在這里用鼠標點擊圖標模塊并在下拉圖標模塊中選取所需圖標

13、來完成。發(fā)明家級別則提供全部的控制能力。這兩個級別均包含四個等級，從淺到深。,四、實驗前的準備工作,按模型組合包設備清單清點模型零件，并按類型分類置放于裝料盤中； 2. 認真閱讀模型組合包操作手冊； 3. 按組裝指導圖搭接模型，掌握組合模型的拼接方法； 4. 熟悉動力元器件的裝配、連接方法； 包括：電動機、傳感器、變壓器、氣動元件、各種開關等； 5. 熟悉組合包配備的軟件Robolab及接口。,五、實驗內(nèi)容與步驟,機器人的制作是一個循序漸進的過程，首先你需要確立目標：你需要一個什么樣的機器人？接著需要設計和搭建，然后在電腦上使用ROBOLAB為機器人編寫程序，通過紅外發(fā)射器將程序下載到RC

14、X上。下載成功后，RCX就可以脫離計算機自動運行。最后是測試你的機器人，是否實現(xiàn)了你的目標？哪些需要改進？回到第一步，改進你的機器人。 在這個過程中，需要學生發(fā)揮自己的創(chuàng)作才能，綜合利用各種知識，還有充分發(fā)揮團隊合作精神。,第一步：設計與搭建機器人 樂高機器人套件認知、觀察，了解其種類、作用等相關信息； 選題，確定設計目標，制定設計方案，進行任務分工； 運用樂高機器人套件，組裝智能機器人。,RCX微型電腦是由MIT開發(fā)的，是樂高機器人系統(tǒng)的核心部分。使用ROBOLAB軟件及RCX，學生們可以創(chuàng)造、搭建、編程真正的機器人，讓它運動、做動作、甚至自己去“想”。 為RCX編寫程序，通過各種輸入（

15、傳感器）與輸出（馬達與燈等）對周圍環(huán)境做出響應。,第二步：在PC機上為機器人編寫程序 為RCX編寫控制程序的ROBOLAB軟件是一個簡單、直觀、易學的編程環(huán)境，是以美國國家儀器公司的LabVIEW，流行于測量和自動化領域的圖形化編程軟件為基礎開發(fā)的。ROBOLAB軟件具有所有通用編程環(huán)境，如C/C++或VisualBasic等軟件的功能。在計算機上為機器人編寫好程序，程序一旦下載到RCX，機器人就脫離計算機，根據(jù)程序指令，按照周圍環(huán)境的輸入信息來做出判斷，決定下一步如何行動。完全智能化。,美國國家儀器（NI）公司的LABVIEW軟件： 1997年，美國太空總署在監(jiān)測其飛船著陸、定位、位置、運

16、轉(zhuǎn)狀況等時，使用了LabVIEW軟件。LabVIEW軟件是一功能強大、設計完美的編程環(huán)境，深受大學、和各行各業(yè)的工程技術人員及科學家喜歡，并被廣泛使用。是測控領域倍受歡迎的軟件開發(fā)工具，應用于生物醫(yī)學、航空航天、能源研究等各個領域，用于數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析與處理等。,第三步：下載程序到RCX RCX通過IR紅外發(fā)射儀與計算機通信。使用ROBOLAB編程軟件在計算機上編寫好編程，然后，通過與計算機串口機相連的IR發(fā)射儀下載到RCX。IR與RCX通過無線紅外方式通信。,下載的固件包括了RCX硬件的細節(jié)和底層的編程指令，ROBOLAB軟件也將難懂的匯編語言表達為一個個圖標。編程時我們只需要

17、選擇所需的功能圖標，像畫流水線一樣有邏輯性地將圖標連起來，這樣就可以完成程序編寫，實現(xiàn)復雜的軟件設計。,下面，我們用單片機的匯編語言來與ROBOLAB做個比較。同樣是完成RCX賦值，直接對RCX的微處理器H8編寫程序要復雜許多，編寫時不但要注意語句順序，甚至標點符號也不能錯。而通過RCX操作系統(tǒng)使用ROBOLAB，你只需要懂得怎樣使用幾個圖標。 圖形化語言ROBOLAB功能強大，設計完美，廣泛流行于測量和自動化領域 。 熟悉使用ROBOLAB無疑對我們以后工作有巨大的幫助。,第四步：運行程序，測試機器人是否按要求工作 通過運行程序，馬上知道機器人是否按設計的行動。如果機器人沒有按要求的做，那么，可通過檢查機器人搭建及程序編寫是否正確來修正錯誤。這一過程不僅鍛煉學生分析問題、解決問題的能力；而且培養(yǎng)學生邏輯分析能力、團隊合作精神與交流能力。,例子,視頻,實驗報告,一、機構結構簡圖及原理圖 二、控制程序 三、思考題 簡要說明設計思路 2. 試述本設計的創(chuàng)意性和實用性,評分標準 創(chuàng)新性 40分 工作原理 30分 外觀造型 10分 動作控制 20分,