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1、實驗 樂高機(jī)器人機(jī)電一體化創(chuàng)新設(shè)計,一、創(chuàng)新設(shè)計與實驗的目的 1、培養(yǎng)學(xué)生用創(chuàng)造性思維方法，設(shè)計、搭建新型的機(jī)構(gòu)或裝置； 2、引導(dǎo)學(xué)生運用樂高機(jī)器人套件，設(shè)計、制作智能機(jī)器人，提高學(xué)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(qiáng)學(xué)生對機(jī)電一體化的實踐認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識及綜合設(shè)計能力，并通過設(shè)計樂高機(jī)器人實現(xiàn)計算機(jī)和機(jī)器人控制的快速入門。,二、原 理 樂高“課堂機(jī)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(xué)(MIT)、美國TUFTS大學(xué)、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(jī)編程有效地結(jié)合在一起

2、，使學(xué)生能夠設(shè)計自己的機(jī)器人，在計算機(jī)上編寫程序，然后通過與計算機(jī)相連的紅外發(fā)射器將程序下載到機(jī)器人的大腦RCX微型電腦中，啟動RCX的開關(guān)，機(jī)器人就可以完全脫離計算機(jī)，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(xué)生可以讓機(jī)器人沿著一定的路線前進(jìn)、或繞某一物體轉(zhuǎn)動、或是藏在暗處等。,二、原 理 樂高機(jī)器人由機(jī)械結(jié)構(gòu)件、控制器、電機(jī)、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(jī)匯編語言與機(jī)器碼編程。這就使系統(tǒng)理論教學(xué)，擺脫了單片機(jī)語言、電路結(jié)構(gòu)、微機(jī)接口等分支學(xué)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(xué)生主動體現(xiàn)設(shè)計思

3、想，理解系統(tǒng)設(shè)計原理，更好地關(guān)注于創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計以及機(jī)電一體化系統(tǒng)集成。,三、儀器與設(shè)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(shè)想，更重要的是，這些積木組件都按同一標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格設(shè)計、生產(chǎn)，所有積木都是可兼容的。它依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)就是樂高單位，而且積木有嚴(yán)格的質(zhì)量保持，樂高積木模具公差僅為0.000005米?？梢郧擅畹乩脴犯叻e木的特點梁、塊、板和孔之間的關(guān)系完善你的結(jié)構(gòu)，完成你獨一無二的設(shè)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(dá),內(nèi)置多級減速傳動鏈,馬達(dá) 連接RCX的AC輸出端口?？赏ㄟ^軟件編程對馬達(dá)進(jìn)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(jī)器人提供四種標(biāo)準(zhǔn)傳感器：光電、溫度、角度及觸動傳感器。,觸動傳感器：觸動開關(guān)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(yīng)用和說明:實例1：當(dāng)機(jī)器人碰到障礙物時，控制機(jī)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(yīng)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(dāng)溫度達(dá)到

5、一定值時，控制馬達(dá)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(qiáng)變化計數(shù)-通過測試反向光強(qiáng)來辨別顏色-測量一個光源的光強(qiáng)類型和供電要求:有源模擬傳感器典型應(yīng)用和說明:實例1：沿黑線機(jī)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(lán)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(dá)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(yīng)用和說明:實例1：測量車子走過的距離；實例2：獲取機(jī)械手臂的位置；實例3：獲取電梯到達(dá)的位置。,DCP 在實際應(yīng)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(jī)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(jī)器人更好地響應(yīng)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(jī)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(quán)） 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(shè)備。電壓范圍為：+/-1250mV I光度傳感器：對光強(qiáng)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(jī)器人不可缺少的大腦， 是它將普通的模型轉(zhuǎn)換成智能機(jī)器人。 通過不同的傳感器，RCX能夠接收外界環(huán)境的變化，進(jìn)行處理和運算后，輸出指令來控制機(jī)器人的動作。 RCX是美國麻省理工大學(xué)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(jī)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(jī)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(jìn)行分析和另一個RCX進(jìn)行通信，方便制做大型智能系統(tǒng)。,燈 連接RCX的AC輸出端口?？赏ㄟ^軟件編程對燈進(jìn)行如下控制：1.開關(guān)；2.以用戶定義的時間頻率閃爍；3.改變發(fā)光強(qiáng)度。,蜂鳴器 連接RCX的AC輸出端口。可通過軟件編程對蜂鳴器進(jìn)行如下控制：1.開關(guān)；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(yīng)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(dǎo)線、軸套類零件與其它輔助元件,8. 編程ROBOLAB軟件,為樂高機(jī)器人編寫程序的ROBOLAB軟件是一個低起步，高發(fā)展，直觀易學(xué)的圖形化編程環(huán)境，是以美國國家儀器公司的LabVIEW為基礎(chǔ)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(shè)計流程圖一樣，在很短的時間內(nèi)就能夠

11、學(xué)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(dǎo)體和生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域很快得到廣泛應(yīng)用。 樂高公司通過和美國國家儀器公司，美國TUFTS大學(xué)的友好合作，開發(fā)了基于LabVIEW的機(jī)器人編程軟件ROBOLAB，使機(jī)器人更容易進(jìn)入課堂，使我們的學(xué)生在很小的年齡就可以開始編寫程序，體會計算機(jī)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(xué)生在計算機(jī)上為機(jī)器人編寫好程序，程序一旦下載到RCX，機(jī)器人就脫離計算機(jī)，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(dāng)然，如果機(jī)器人未按預(yù)

12、先設(shè)計的行動，即程序編寫不夠完善時，可以在計算機(jī)上修改源程序，再下載，運行機(jī)器人進(jìn)行測試，直到機(jī)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(jī)器人, 而研究者增加了數(shù)據(jù)采集和分析功能,用于學(xué)科實驗。 ROBOLAB最突出的優(yōu)點是提供不同的編程級別, 例如機(jī)器人編程者分為 “導(dǎo)航者”和 “發(fā)明家”. “導(dǎo)航者”級別提供的編程環(huán)境和例子較為簡單，適宜初學(xué)者；它為初學(xué)者提供了固定的編程模塊，你可以在這里用鼠標(biāo)點擊圖標(biāo)模塊并在下拉圖標(biāo)模塊中選取所需圖標(biāo)

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(zhǔn)備工作,按模型組合包設(shè)備清單清點模型零件，并按類型分類置放于裝料盤中； 2. 認(rèn)真閱讀模型組合包操作手冊； 3. 按組裝指導(dǎo)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(jī)、傳感器、變壓器、氣動元件、各種開關(guān)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(jī)器人的制作是一個循序漸進(jìn)的過程，首先你需要確立目標(biāo)：你需要一個什么樣的機(jī)器人？接著需要設(shè)計和搭建，然后在電腦上使用ROBOLAB為機(jī)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(jī)自動運行。最后是測試你的機(jī)器人，是否實現(xiàn)了你的目標(biāo)？哪些需要改進(jìn)？回到第一步，改進(jìn)你的機(jī)器人。 在這個過程中，需要學(xué)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(tuán)隊合作精神。,第一步：設(shè)計與搭建機(jī)器人 樂高機(jī)器人套件認(rèn)知、觀察，了解其種類、作用等相關(guān)信息； 選題，確定設(shè)計目標(biāo)，制定設(shè)計方案，進(jìn)行任務(wù)分工； 運用樂高機(jī)器人套件，組裝智能機(jī)器人。,RCX微型電腦是由MIT開發(fā)的，是樂高機(jī)器人系統(tǒng)的核心部分。使用ROBOLAB軟件及RCX，學(xué)生們可以創(chuàng)造、搭建、編程真正的機(jī)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(dá)與燈等）對周圍環(huán)境做出響應(yīng)。,第二步：在PC機(jī)上為機(jī)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(xué)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(lǐng)域的圖形化編程軟件為基礎(chǔ)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(jī)上為機(jī)器人編寫好程序，程序一旦下載到RCX，機(jī)器人就脫離計算機(jī)，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(qiáng)大、設(shè)計完美的編程環(huán)境，深受大學(xué)、和各行各業(yè)的工程技術(shù)人員及科學(xué)家喜歡，并被廣泛使用。是測控領(lǐng)域倍受歡迎的軟件開發(fā)工具，應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、航空航天、能源研究等各個領(lǐng)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(jī)通信。使用ROBOLAB編程軟件在計算機(jī)上編寫好編程，然后，通過與計算機(jī)串口機(jī)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(xì)節(jié)和底層的編程指令，ROBOLAB軟件也將難懂的匯編語言表達(dá)為一個個圖標(biāo)。編程時我們只需要

17、選擇所需的功能圖標(biāo)，像畫流水線一樣有邏輯性地將圖標(biāo)連起來，這樣就可以完成程序編寫，實現(xiàn)復(fù)雜的軟件設(shè)計。,下面，我們用單片機(jī)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(fù)雜許多，編寫時不但要注意語句順序，甚至標(biāo)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(biāo)。 圖形化語言ROBOLAB功能強(qiáng)大，設(shè)計完美，廣泛流行于測量和自動化領(lǐng)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(jī)器人是否按要求工作 通過運行程序，馬上知道機(jī)器人是否按設(shè)計的行動。如果機(jī)器人沒有按要求的做，那么，可通過檢查機(jī)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(xué)生分析問題、解決問題的能力；而且培養(yǎng)學(xué)生邏輯分析能力、團(tuán)隊合作精神與交流能力。,例子,視頻,實驗報告,一、機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖及原理圖 二、控制程序 三、思考題 簡要說明設(shè)計思路 2. 試述本設(shè)計的創(chuàng)意性和實用性,評分標(biāo)準(zhǔn) 創(chuàng)新性 40分 工作原理 30分 外觀造型 10分 動作控制 20分,