中学校本课程教材《机器人》.docx
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中学校本课程教材《机器人》
一中校本教材电脑机器人
第一节认识机器人
教学目标：
1、使学生了解机器人的概念
2、让学生知道机器人的基本功能及机器人构成的基本条件教学内容：
各国科学家对机器人的定义都有所不同，而且随着时代的变化，机器人的定义也在不断发生变化。
中国的科学家们把机器人定义为：
“机器人是一种自动化的机器，而且其具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能
力、规划能力、动作能力、协同能力等，是一种具有高度灵活性的自动化机器。
”机器人的基本的机能
机器人作为一种具备一定智能的自动化机器，有如下3个基本的机能：
1.对外界产生作用:
人们可以用手拿东西和用脚踢球，我们可称之为动作器官。
2.获取外界信息:
动物可以用耳朵听见声音，蜗牛的触须碰到硬物就会收缩，我们可称之为感应器官。
3.规划作业:
从家里到学校通常都有几条路可以到达，同学们却通过大脑及其思维能力找到最近的一条路，我们可称之为思维器官及其思想。
机器人构成的基本条件
人类是地球上最高级、最聪明的动物，基本条件是因为人类在漫长的进化过程中不但拥有了复杂的、完美的身体结构，而且还拥有了发达的大脑。
那么机器人要发展成为优秀的、高级的机器人也应该具备相应的条件。
（1）条件一——机械部件
正如人类的身体需由骨架和肌肉牵引
才能完成一定的动作一样，机器人的身体和
动作表现也是由特定的机械结构组成的。
在
制作机器人的时候，我们不仅可以使用课堂
上提供的拼装套件，还可以选取身边随手可
得的各种材料作为机器人的加工原料。
例
如：
木板、金属板、塑料板、有机玻璃板，
还有像螺丝、螺帽那样的各种各样的五金紧六自由度机械手的手臂是一种动作器官
固件。
只要我们在日常生活中留心观察身边
的各种机械设备的动作，例如缝纫机、变速自行车、
起重机、挖土机等等，相信一定能受到良好的启发，
从而设计出能满足我们自己功能需求的机械结构。
（2）条件二——感应和动作电子部件
一个真正拥有智能的机器人通常都需要具备
一定的感知能力，具有感知能力的电子器件我们
通常又称之为传感器，顾名思义，这类器件具备
了“传”递“感”应信息到机器人的大脑的功能。
智能机器甲虫的触须是一种感应器官
和人的感觉器官——眼、耳、舌、鼻、皮肤
分别对光线、声音、味道、气味、触碰、气温起感应作用一样，构成机器人的电子传感器也是按功能分类的，例如光源传感器、声音传感器、气体（煤气、烟雾）传感器、压力传感器、温度传感器等等；它们的灵敏度和感应范围甚至超越了人的感知界限，例如电子指南针、红外线传感器等。
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一中校本教材电脑机器人
因此，在我们设计机器人的时候，应该根据设计的要求，选用合适的电子传感器件。
感应器官
（3）条件三——机器人的大脑
机器人的大脑可称之为RCU（robotcontrolunit）,RCU就好象一台微型的家用电脑，
它可以执行程序指令，并向具体动作器官发出相应的动作信息。
机器人的大脑
（4）条件四——机器人的思想
智能机器人尽管具备了以上的感应、动作和大脑器官，但它们只是让智能机器人有了个躯壳，机器人的大脑（RCU）初期是完全空白的，像初生的婴儿一样。
需要我们用学到的编程知识，按照我们的意图编写出特定的程序，灌输给它后才能变成真正具备智能的大脑。
#include"DelayNs\DelayNs.c"
#include
"SetLedState\SetLedState.c"
intmain（void）
{
while
（1）
{
SetLedState（_LED_test_,1）;
DelayNs
（2）;
SetLedState（_LED_test_,0）;
DelayNs
（2）;
}
return1;
机器人对知识的掌握是非常快速的，而当它跟人类一样能够对外界的复杂环境进行观察、思考，然后做出反应的时候，我们的机器人就拥有真正的智能了。
因此，必须学习编写机器人程序的方法，才能让我们的机器人不但拥有漂亮的躯壳，还能拥有真正的灵魂。
思考：
1、机器人具有那些基本的机能？
2、机器人构成的基本条件是什么？
第二节机器人的种类及其发展
教学目标：
1、让学生对机器人的种类有一定的认识
2
一中校本教材电脑机器人
2、使学生了解机器人的发展史及其未来发展方向
教学内容：
机器人的种类
机器人的种类很多，分类的方法也非常多，如果按机器人的用途分，可以把它们分为工业机器人和特种机器人。
工业机器人有搬运上料机器人、喷漆机器人、焊接与切割机器人、装配机器人、最后工序机器人等。
特种机器人有军用或警用机器人、空间机器人、水下机器人、医用机器人、农业机器人、建筑机器人、服务机器人和娱乐机器人等。
现在许多国家对学校开展早期的机器人学习非常重视，随之相应的教育机器人也出现了。
积木式机器人以其自由拼装，创意无限的特点而深受同学们欢迎。
机器人已成为人类的朋友。
目前世界上已有数百万台机器人工作在各自的岗位上，发挥着巨大的作用。
机器人的发展史
机器人的历史并不算长,1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器
人,机器人的历史才真正开始.英格伯格在大学攻读伺服理论,这是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的理论.德沃尔曾于1946年发明了一种系统,可以"重演"所记
录的机器的运动.1954年,德沃尔又获得可编程机械手专利
这种机械手臂按程序进行工作,
可以根据不同的工作需要编制不同的程序
因此具有通用性和灵活性,
英格伯格和德沃尔
都在研究机器人,认为汽车工业最适于用机器人干活
因为是用重型机器进行工作
生产过
程较为固定.1959年,英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人.
这种机器人外形有点像坦克炮塔
基座上有一个大机械臂
大臂可绕轴在基座上转动,
大臂上又伸出一个小机械臂
它相对大臂可以伸出或缩回
.小臂顶有一个腕子,可绕小臂转
动,进行俯仰和侧摇.腕子前头是手,即操作器.这个机器人的功能和人手臂功能相似
.它成
为世界上第一台真正的实用工业机器人
.此后英格伯格和德沃尔成立了
"尤尼梅逊"公司,
兴办了世界上第一家机器人制造工厂
.第一批工业机器人被称为
"尤尼梅特",意思是"万能
自动".他们因此被称为机器人之父.1962年美国机械与铸造公司也制造出工业机器人
称
为"沃尔萨特兰",意思是"万能搬动"."尤尼梅特"和"沃尔萨特兰"就成为世界上最早的,至今仍在使用的工业机器人.
据说文艺复兴时期,既是杰出画家,又是科学家的达.芬奇,曾设计出了一款机器人.近
百年来发展起来的机器人,大致经历了三个成长阶段,也即三个时代.第一代为简单个体机器人,第二代为群体劳动机器人,第三代为类似人类的智能机器人,它的未来发展方向是有知觉,有思维,能与人对话.
第一代机器人属于示教再现型,第二代则具备了感觉能力,第三代机器人是智能机器
人,它不仅具有感觉能力,而且还具有独立判断和行动的能力.英格伯格和德沃尔制造的工业机器人是第一代机器人,属于示教再现型,即人手把着机械手,把应当完成的任务做一遍,或者人用"示教控制盒"发出指令,让机器人的机械手臂运动,一步步完成它应当完成的各个动作.
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第二代是有感觉的机器人:
它们对外界环境有一定感知能力,并具有听觉,视觉,触觉
等功能.机器人工作时,根据感觉器官（传感器）获得的信息,灵活调整自己的工作状态,保
证在适应环境的情况下完成工作.如:
有触觉的机械手可轻松自如地抓取鸡蛋,具有嗅觉的
机器人能分辨出不同饮料和酒类.
第三代机器人是智能机器人,它不仅具有感觉能力,而且还具有独立判断和行动的能
力,并具有记忆,推理和决策的能力,因而能够完成更加复杂的动作.中央电脑控制手臂和
行走装置,使机器人的手完成作业,脚完成移动,机器人能够用自然语言与人对话.智能机
器人的"智能"特征就在于它具有与外部世界——对象,环境和人相适应,相协调的工作机
能.从控制方式看,智能机器人不同于工业机器人的"示教,再现",不同于遥控机器人的"主—从操纵",而是以一种"认知—适应"的方式自律地进行操作.智能机器人在发生故障时,
通过自我诊断装置能自我诊断出故障部位,并能自我修复.
今天,智能机器人的应用范围大大地扩展了,除工农业生产外,机器人应用到各行各业,
机器人已具备了人类的特点.机器人向着智能化,拟人化方向发展的道路,是没有止境的.
机器人是虽然外表可能不像人,也不以人类的方式操作,但可以代替人力自动工作的机器.
后来美国著名科普作家艾萨克.阿西莫夫为机器人提出了三条原则,即"机器人三定律":
第一定律——机器人不得伤害人,或任人受到伤害而无所作为;
第二定律——机器人应服从人的一切命令,但命令与第一定律相抵触时例外;
第三定律——机器人必须保护自身的安全,但不得与第一,第二定律相抵触.
这些"定律"构成了支配机器人行为的道德标准,机器人必须按人的指令行事,为人类
生产和生活服务.
机器人的未来:
1.机器人会越来越小
目前各国的研究现状而言,表明微型机器人大多还处于实验室或原型开发阶段,但可
以预见,将来微型机器人将广泛出现.
由德国工程师莱纳尔·格茨恩发明的微型机器人,可直接由针头注射进入人体血管,
尿道,胆囊或肾脏.它依靠微型磁铁驱动器前进,由医生通过遥控器指挥,既可用于疾病诊
断,也可用于如动脉硬化,胆结石等管腔阻塞类疾病治疗.还能听从医生指挥,将药物直接
送达到需要医治的患病器官,以取得更好的治疗效果.当这种微型机器人工作完成后,医生
便可以像抽血那样用针头将它抽出来.
未来,将会有可以进入人体血液循环系统的功能齐全的医用微型机器人,能进入工业
上的小管道甚或裂缝,进行检测与维护的工业用微型机器人,以及各种微型传感器,微型机
电产品,如掌上电视等.在军事上,将有小如昆虫的飞行器,用于侦察敌情;装有自动驾驶系统,能在海底航行数年的微型潜艇
2.机器人会越来越聪明
现在的智能机器人,它的智力最高也只相当于两三岁幼儿的智力水平.在将来,高智能
的机器人将越来越多,其智力水平也一定会不断提高,慢慢地达到七八岁,十几岁少年甚至青年人的智力水平.
20世纪90年代后期,为促进智能机器人的发展,日本,韩国等国家相继发起举行机器人
足球世界杯赛,并成立了相应的协会.机器人足球赛涉及多机器人的动作协调,系统控制等前
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沿的课题.可以说,每一场机器人足球赛实际上都是世界各国机器人发展水平的一场较量.
也许在将来的某一天,就如同1996年世界国际象棋冠军卡斯帕罗夫输给了计算机"深蓝"一
样,我们会看到世界顶尖级的球员组成的"超级联队"也对付不了的机器人球队。
第三节机器人的硬件组成
教学目标：
让学生清楚积木机器人的硬件组成
教学内容：
在机器人大家族中有一种积木式机器人是我们最亲密的朋友。
顾名思义，它的外形是用积木搭成的，所以它没有固定的外形和功能，它的一举一动是由我们的创意和设计决定的。
积木式机器人是完全开放式的，它给了我们无限的创意空间。
在整个机器人制作过程
中，不但能学习到制作机器人的知识，而且还能形成了合理的思维方式和良好的动手能力。
在种类繁多的机器人当中，最让人感兴趣的就是仿人机器人了，因为人类是最高级的
动物，能让机器人各项机能达到人类的高度是每一个从事此工作的科学家不断追求的梦想。
人体外形各项器官基本可划分为动作器官、感觉器官、思维器官三部分，积木式机器人套件里的模块也是按这三部分划分。
动作器官包括：
发音模块、红外发射模块、发光模
块、伺服马达模块、马达模块、超级马达模块、风扇模块等。
感觉器官包括：
黑标检测模块、红外检测模块、火焰测量模块、环境光测量模块、红外测距模块、触碰检测模块、触须检测模块、模拟黑标测量模块、差值黑标测量模块、程序选择器模块等。
思维器官叫作RCU，它是机器人的主控制板。
现在我们清楚了机器人的硬件组成，但是具体每个硬件具有什么功能却不太清楚，可能有些比较容易理解，但有些却是陌生的。
所以对积木式机器人套件里的模块做一个系统的了解是很有必要的。
思考:
1、你从所收集到的资料中知道机器人能够帮助人类完成什么工作？
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2、你会设计一个什么样的机器人来帮你完成某项工作？
第四节主控板及动作器官
教学目标：
了解主控板的构造
让学生认识机器人各个动作模块的含义
掌握创建机器人程序的步骤
掌握参数的设定
教学内容：
一、主控板
主控板能承受5伏到9伏的电压，并且配有多达数十个电子接口，所有的电子接口均可由同学们自由定义。
多种传感器和电子配件在电子接口上可任意搭配，以下是构造图：
先从左往右看：
第一个是RESET按钮，功能像电脑的重新启动按钮。
下载完一个程序后，要使用该程序时，必须按下此按钮。
第二个是外置电源的接口。
第三个是接电池的电源接口。
我们在电子接口处，可以清晰地看到四个字母。
G，V，X，Y
G指的是地线。
V指的是电源。
X，Y都是信号线。
二、动作模块
1、动作模块含义：
动作器官也可以称为动作模块，动作模块使机器人能够模仿人类或动物的某些动作，并且以模仿的对象为机器人命名，如人形机器人、机器狗、蛇形机器人等等。
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2、常用的动作模块
模块名称图标硬件表名称模块功能创意小贴士
_SPEAKER_具有发音功能，音频可调节。
发音模块
_IRSEND_具有发射红外光功能。
红外发射模
块
_LED_具有发光功能，可亮可灭。
发光模块
_SERVO_在0度和180度之间任意选择
角度定位。
伺服马达模
块
_MOTOR_
可以带动物体转动，有前转或
马达模块
后转选择，从静止到最高速的
运动过程中有0—6节速度可
调节。
_MOTOR_
功能跟马达模块相同，不同的
超级马达模
是静止到最高速的运动过程
块
中有0—100节速度可调节，
但二者的最高速是相等的。
_FAN_
具有吹风功能，可选择正向转
风扇模块
动、反向转动或静止不转。
3、注意点
想让你的创意更有声有色？
添加它吧。
利用光的直线传播和反射原理，我们用它来实现关于方向指示的功能也是很不错的！
用来装饰和做指示灯都是很不错的。
一个随意角度都能摆动的小玩意，绝对让你的创意增加更多的动感！
多个连接能增加更多的变化！
带动车轮、带动坦克的履带。
用不同的速度带来不同的变化。
比普通马达增加了更多的速度调节级别。
想要模拟自然的风或是风扇？
就用它吧！
当使用到马达模块、超级马达模块、伺服马达模块的任何一种时对发音模块会有不同程度的干扰，有可能导致发音频率不准确，出现几种声音。
发音的频率越高，影响越大。
发音频率的建议值：
50到1800要停止发音，频率值应设为0
思考
（1）简述发光模块和发音模块各有什么功能？
（2）讲一讲马达模块和超级马达模块有什么区别？
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第五节感觉器官和延时模块
教学目标
让学生了解各个传感器的用法
延迟模块具体用途
教学内容
1、感觉器官主要模块
模块名称图标硬件表名称模块功能
_SCABLE_具有寻找黑色并且
黑标检测模块跟踪黑色的功能。
_IRRECEIVE_
可以将红外光发射
红外检测模块
到物体后反射回来
的光吸收，以此判断
出物体所在位置。
_REMOTEIR_
可以测量火焰值，并
火焰测量模块
且判断火焰的所在
位置。
_PHOTOSENSITIVE_
可以识别并测量环
环境光测量模
境光值，可以判断有
块
无光线。
_IRDISTANCE_可以测量障碍物的
红外测距模块距离。
_TOUCH_可以检测触碰情况，
触碰检测模块察觉是否碰到物体。
_TENTACLE_可以检测触碰情况，
触须检测模块察觉是否碰到物体。
_SCABLEAD_可以测量颜色值。
模拟黑标测量
模块
创意小帖士
最简单的黑白颜色分辨工具！
用了它，绝对是黑白分明！
能够接收特定的红外光，甚至是遥控器的红外线。
设计火焰检测等相关创意时的必备器件！
制作智能路灯，检测光线亮度，让路灯自行打开、熄灭的好帮手。
要识别障碍物或是要测量距离，绝对是不能缺少它啦！
它绝对是检测平面的碰撞的好工具！
甚至你可以用它作为一个开关呢！
障碍物很尖锐无法靠近？
就用它吧！
把它运用到检测颜色变化的创意上有较好的效果。
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一中校本教材
电脑机器人
_SCABLEDIFF_
可以测量颜色值。
阳光下测量颜色值是不
差值黑标测量
是很无奈？
用它吧！
模块
_SELECTOR_
读取拨码开关的内
创意比赛环境多变，还是
程序选择器模
容，程序选择器具有
准备多个程序比较好。
用
块
从0－10的数值变
了它，胜算就大多了。
化功能。
串口模块
接受串口送过来
接收字符的数据。
通过串口发送的
发送字符数据。
想通过电脑控制机器人
或是送点信息给机器人？
接上它吧。
机器人的内部信息可以通过它不断的送到电脑上哦！
2、延迟模块
模块名
图标
硬件表名称
模块功能
创意小帖士
称
1/100
DELAYCENT
定时1/100
要想看清连续的动作就要加入延时
LS
秒
模块，数清楚地上的黑线更离不开延
时模块。
1/10
DELAYTENTH
定时1/10秒
SDELAYNS定时秒数
系统时SYSTEMTIME设置或获取不但可以让某个动作持续还可以在这
钟系统时钟一过程中处理突发事件。
3、注意点
系统时钟就相当于一个手表，可以调整当前的时间，查看当前的时间。
延时模块与系统时钟的功能比较：
延时模块：
在延时的过程中不可以做其他事情；
系统时钟：
不但可以实现延时功能，而且在延时的过程中可以处理其他事情。
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思考：
1、讲一讲触碰检测模块和触须检测模块在应用上有什么区别？
2、讲一讲黑标检测模块，红外测距和火焰测量模块各有什么功能？
3、延时模块和系统时钟有什么区别？
第六节传输思想的工具（RoboEXP）
教学目标
1、认识机器人编程软件，让学生把想法通过RoboEXP软件表现出来
2、初步认识RoboEXP的界面及其主要功能模块
教学内容
1、RoboEXP又叫机器人快车，RoboEXP就好比学校里的老师，在课堂上老师会把正确的思想品德、丰富的自然科学传授给学生，而RoboEXP则把思考方式灌输给机器人，
让它在遇到各种情况时自主思考、自行判断、自己做出动作。
2、主窗体界面
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每一个界面的用途如下：
2、应用程序编辑界面
拖放图标是机器人快车可视化编程的基础，我们的编程思想就是通过流程图来表现。
而流程图主要表现为图标、图标间的连线和参数设置。
我们可以从模块库中拖动各类图标到编程区，然后用线把编程区里的图标按照一定的逻辑顺序连起来，以此实现自己的编程
思想。
代码区将显示与编程区中已连线图标对应的C语言代码。
3、机器人快车工具栏说明
机器人快车的工具栏共包含11个快捷按键，其说明如下表：
快捷键图标说明
新建与菜单栏中“文件”主菜单下的“新建”子菜单的功能一致。
打开与菜单栏中“文件”主菜单下的“打开”子菜单的功能一致。
保存与菜单栏中“文件”主菜单下的“保存”子菜单的功能一致。
复制与菜单栏中“编辑”主菜单下的“复制”子菜单的功能一致。
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一中校本教材
电脑机器人
粘贴
与菜单栏中“编辑”主菜单下的“粘贴”子菜单的功能一致。
删除
与菜单栏中“编辑”主菜单下的“删除”子菜单的功能一致。
添加线
与菜单栏中“编辑”主菜单下的“添加线”子菜单的功能一致。
定义变量
与菜单栏中“编辑”主菜单下的“定义变量”子菜单的功能一致。
编辑模块
与菜单栏中“工具”主菜单下的“编辑模块”子菜单的功能一致。
编译
与菜单栏中“工具”主菜单下的“编译”子菜单的功能一致。
下载
与菜单栏中“工具”主菜单下的“下载”子菜单的功能一致。
思考：
1、流程控制中IF,WHILE,FOR等语句与信息技术学的VB语言相通否？
第七节编程的基本流程
教学目标：
让学生掌握如何给机器人思想。
教学内容：
1、应用程序的建立。
2、如何定义硬件信息。
3、如何编写机器人程序。
4、机器人程序的编译、下载。
5、如何调试与运行程序。
机器人原来是没有思想的，它需要我们人类给它思想。
我们编写程序，然后把程序送到机器人的大脑中，这样机器人就具有自己的思维。
我们无论做什么事情都必须要具有一定的思路、方法。
我们给机器人编程的基本流程
是：
新建应用程序
定义硬件信息
编写程序12
调
试
失编译、下载
一中校本教材电脑机器人
下面我们按照上面所讲解的方法一步一步练习编写机器人的思想！
1、新建应用程序：
一般我们把每一个要实现的目标作为一个应用程序。
下面就介绍一下如何新建一个应用程序的步骤。
打开RoboEXP机器人快车软件，选择“文件”菜单下的“新建”，弹出如下对话框，然后选择“application”（用户程序），然后为我们自己新建的程序起个名字（如下图的
“test”）。
按“确定”按钮后，这样就新建了应用程序。
2、定义硬件信息：
新建
升级会员 