第七章樂(lè)高機(jī)器人機(jī)電一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)(修改)課件

第九章樂(lè)高機(jī)器人機(jī)電一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)1第九章1一、創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)的目的1、培養(yǎng)學(xué)生用創(chuàng)造性思維方法，設(shè)計(jì)、搭建新型的機(jī)構(gòu)或裝置；2、引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用樂(lè)高機(jī)器人套件，設(shè)計(jì)、制作智能機(jī)器人，提高學(xué)生的觀察分析、動(dòng)手、創(chuàng)造能力，培養(yǎng)學(xué)生的參與、競(jìng)爭(zhēng)、實(shí)踐與協(xié)作意識(shí)；3、加強(qiáng)學(xué)生對(duì)機(jī)電一體化的實(shí)踐認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)及綜合設(shè)計(jì)能力，并通過(guò)設(shè)計(jì)樂(lè)高機(jī)器人實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和機(jī)器人控制的快速入門。2一、創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)的目的2二、原理

樂(lè)高“課堂機(jī)器人”是一種優(yōu)秀的科技教育產(chǎn)品，這一獨(dú)創(chuàng)性的教育工具是由美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)、美國(guó)TUFTS大學(xué)、樂(lè)高公司和美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)共同開(kāi)發(fā)研究的，它將模型搭建和計(jì)算機(jī)編程有效地結(jié)合在一起，使學(xué)生能夠設(shè)計(jì)自己的機(jī)器人，在計(jì)算機(jī)上編寫程序，然后通過(guò)與計(jì)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(dòng)RCX的開(kāi)關(guān)，機(jī)器人就可以完全脫離計(jì)算機(jī)，按下載程序的指令獨(dú)立運(yùn)動(dòng)起來(lái)。例如通過(guò)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(dòng)、或是藏在暗處等。

3二、原理3二、原理樂(lè)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(gè)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(yǔ)言，不涉及單片機(jī)匯編語(yǔ)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(yǔ)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(dòng)體現(xiàn)設(shè)計(jì)思想，理解系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，更好地關(guān)注于創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及機(jī)電一體化系統(tǒng)集成。4二、原理4三、儀器與設(shè)備樂(lè)高積木有兩千多個(gè)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(jì)、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(lè)高單位，而且積木有嚴(yán)格的質(zhì)量保持，樂(lè)高積木模具公差僅為0.005mm?？梢郧擅畹乩脴?lè)高積木的特點(diǎn)——梁、塊、板和孔之間的關(guān)系——完善你的結(jié)構(gòu)，完成你獨(dú)一無(wú)二的設(shè)計(jì)。

5三、儀器與設(shè)備樂(lè)高積木有兩千多個(gè)各種形狀1.支承元件61.支承元件62.傳動(dòng)元件72.傳動(dòng)元件72.傳動(dòng)元件82.傳動(dòng)元件83.動(dòng)力元件－樂(lè)高馬達(dá)內(nèi)置多級(jí)減速傳動(dòng)鏈

93.動(dòng)力元件－樂(lè)高馬達(dá)內(nèi)置多級(jí)減速傳動(dòng)鏈91010馬達(dá)連接RCX的A~C輸出端口?？赏ㄟ^(guò)軟件編程對(duì)馬達(dá)進(jìn)行如下控制：

1.正向旋轉(zhuǎn)，停止；

2.反向旋轉(zhuǎn)，停止；

3.改變旋轉(zhuǎn)方向；

4.加速或減速。11馬達(dá)114.傳感器觸動(dòng)傳感器

光電傳感器

角度傳感器

目前，樂(lè)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(dòng)傳感器。124.傳感器觸動(dòng)傳感器光電傳感器角度傳感器觸動(dòng)傳感器：觸動(dòng)開(kāi)關(guān)

需連接到RCX輸入端或樂(lè)高8路輸入和輸出接口中黃色輸入通道(１～４)。

類型和供電要求:無(wú)源數(shù)字傳感器

典型應(yīng)用和說(shuō)明:

實(shí)例1：當(dāng)機(jī)器人碰到障礙物時(shí)，控制機(jī)器人后退、轉(zhuǎn)彎。

實(shí)例2：在電梯模型中，可以作為樓層的觸動(dòng)按鈕。

13觸動(dòng)傳感器：觸動(dòng)開(kāi)關(guān)

需連接到RCX輸入端或樂(lè)高溫度傳感器

需連接到RCX輸入端或樂(lè)高8路輸入和輸出接口板上的黃色輸入通道（１～４）。測(cè)量范圍：-20°C~+50°C

類型和供電要求:無(wú)源模擬傳感器

典型應(yīng)用和說(shuō)明:

實(shí)例1：觀測(cè)一杯熱水散熱時(shí)溫度的變化。

實(shí)例2：當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，控制馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)。14溫度傳感器

需連接到RCX輸入端或樂(lè)高8路光電傳感器

傳感器測(cè)試范圍0.6Lux(0%)~760Lux(100%)。利用該傳感器，你可以：

-通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)變化計(jì)數(shù)

-通過(guò)測(cè)試反向光強(qiáng)來(lái)辨別顏色

-測(cè)量一個(gè)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(shuō)明:

實(shí)例1：沿黑線機(jī)器人；實(shí)例2：在交通模型中，控制路燈在晚上自動(dòng)打開(kāi)；實(shí)例3：測(cè)量房間光線的分布，考查房間照明是否合理。在競(jìng)速賽時(shí)，拍攝數(shù)字圖片。

15光電傳感器

傳感器測(cè)試范圍0.6Lux(0%角度/位置傳感器

可連接到RCX輸入端或樂(lè)高8路輸入和輸出接口板上的藍(lán)色輸入通道（５～８）。利用這個(gè)傳感器，你可以：

-測(cè)試旋轉(zhuǎn)方向

-發(fā)送一個(gè)運(yùn)動(dòng)，測(cè)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(huì)大大縮短傳感器使用壽命。

類型和供電要求:有源數(shù)字傳感器

典型應(yīng)用和說(shuō)明:

實(shí)例1：測(cè)量車子走過(guò)的距離；實(shí)例2：獲取機(jī)械手臂的位置；實(shí)例3：獲取電梯到達(dá)的位置。16角度/位置傳感器

可連接到RCX輸入端或樂(lè)高DCP在實(shí)際應(yīng)用中，需要采集不同的物理量以實(shí)現(xiàn)不同的目的，4種傳感器可能不夠。為此，樂(lè)高與DCP公司合作開(kāi)發(fā)了LEGODCP適配器，可將DCP公司的工業(yè)傳感器與RCX連接起來(lái)，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(hào)，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，你還可以根據(jù)需要，開(kāi)發(fā)自己的傳感器，與RCX連接，讓你的機(jī)器人更好地感覺(jué)外部世界。

17DCP17其它傳感器1．電壓傳感器：測(cè)量范圍：電壓±25V，內(nèi)阻抗：410kΩ2．溫度傳感器：可以測(cè)量-30°C~130°C溫度3．濕度傳感器：可以測(cè)量0~100%的相對(duì)濕度（溫度范圍-20度到80度）4．旋轉(zhuǎn)/位移傳感器：360°旋轉(zhuǎn)，可測(cè)340°5．空氣壓力傳感器：0~200KPa（約0-30psi）6．聲音傳感器：測(cè)量范圍為：50dB-100dB（A加權(quán)）7．pH值傳感器適配器：與pH值電極配合使用，25°C時(shí)每pH值的輸出為59.1mV。8．REDOX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：+/-1250mV9．光度傳感器：對(duì)光強(qiáng)度具有較高的分辨，測(cè)量范圍為0~25000Lux.10．DESIGNER傳感器套件：包括數(shù)字、模擬傳感器，測(cè)直流電壓，測(cè)量范圍為：0~2.5V11．線性加速計(jì)傳感器：加速范圍為-50m/s/s~50m/s/s，斜度為-90°~+90°12．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(cè)量-1A~+1A的直流18其它傳感器185.RCX微型電腦RCX微型電腦是樂(lè)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(guò)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(yùn)算后，輸出指令來(lái)控制機(jī)器人的動(dòng)作。RCX是美國(guó)麻省理工學(xué)院多媒體實(shí)驗(yàn)室研究多年的成果，是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，或者說(shuō)是一個(gè)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(tái)，可以用多種高級(jí)編程語(yǔ)言來(lái)控制RCX，而單片機(jī)只能使用匯編語(yǔ)言。

195.RCX微型電腦RCX微型電腦是樂(lè)高機(jī)器人TheRCXRCX帶有自己的喇叭，可以播放6種不同的聲調(diào)。通過(guò)紅外通信，RCX可以：

·接收電腦上編寫的程序。

·將采集在內(nèi)存的數(shù)據(jù)上傳到電腦進(jìn)行分析。

·和另一個(gè)RCX進(jìn)行通信，方便制做大型智能系統(tǒng)。

20TheRCX20燈連接RCX的A~C輸出端口?？赏ㄟ^(guò)軟件編程對(duì)燈進(jìn)行如下控制：

1.開(kāi)／關(guān)；

2.以用戶定義的時(shí)間頻率閃爍；

3.改變發(fā)光強(qiáng)度。21燈21蜂鳴器連接RCX的A~C輸出端口?？赏ㄟ^(guò)軟件編程對(duì)蜂鳴器進(jìn)行如下控制：

1.開(kāi)／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(shí)際聲音。22蜂鳴器226.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236.IR紅外發(fā)射儀將電腦程序下載到RCX，是7.連接導(dǎo)線、軸套類零件與其它輔助元件247.連接導(dǎo)線、軸套類零件與其它輔助元件248.編程ROBOLAB軟件

為樂(lè)高機(jī)器人編寫程序的ROBOLAB軟件是一個(gè)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(guó)國(guó)家儀器公司的LabVIEW為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的。1997年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者WilliamD.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(shí)驗(yàn)。258.編程ROBOLAB軟件為樂(lè)高機(jī)器人編寫LabVIEW采用圖形化編程方式，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，編程就像設(shè)計(jì)流程圖一樣，在很短的時(shí)間內(nèi)就能夠?qū)W會(huì)。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(lè)高公司通過(guò)和美國(guó)國(guó)家儀器公司，美國(guó)TUFTS大學(xué)的友好合作，開(kāi)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(kāi)始編寫程序，體會(huì)計(jì)算機(jī)的威力。26LabVIEW采用圖形化編程方式，產(chǎn)生的程序ROBOLAB有200多個(gè)編程模塊,可以完成常見(jiàn)編程語(yǔ)言，如C/C++或VisualBasic等軟件的功能。學(xué)生在計(jì)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(jì)算機(jī)，根據(jù)程序指令，按照周圍環(huán)境的輸入信息來(lái)行動(dòng)，完全智能化。當(dāng)然，如果機(jī)器人未按預(yù)先設(shè)計(jì)的行動(dòng)，即程序編寫不夠完善時(shí)，可以在計(jì)算機(jī)上修改源程序，再下載，運(yùn)行機(jī)器人進(jìn)行測(cè)試，直到機(jī)器人完全按要求工作為止。

27ROBOLAB有200多個(gè)編程模塊,可以完成ROBOLAB軟件分為編程者(Programmer)和研究者(Investigator)兩部分,可以在ROBOLAB開(kāi)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(shí)驗(yàn)。ROBOLAB最突出的優(yōu)點(diǎn)是提供不同的編程級(jí)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(jí)別提供的編程環(huán)境和例子較為簡(jiǎn)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(diǎn)擊圖標(biāo)模塊并在下拉圖標(biāo)模塊中選取所需圖標(biāo)來(lái)完成。發(fā)明家級(jí)別則提供全部的控制能力。這兩個(gè)級(jí)別均包含四個(gè)等級(jí)，從淺到深。

28ROBOLAB軟件分為編程者(Program四、實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作1.按模型組合包設(shè)備清單清點(diǎn)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(cè)；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(dòng)力元器件的裝配、連接方法；包括：電動(dòng)機(jī)、傳感器、變壓器、氣動(dòng)元件、各種開(kāi)關(guān)等；5.熟悉組合包配備的軟件Robolab及接口。29四、實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作1.按模型組合包設(shè)備清單清點(diǎn)模型零件，五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟機(jī)器人的制作是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，首先你需要確立目標(biāo)：你需要一個(gè)什么樣的機(jī)器人？接著需要設(shè)計(jì)和搭建，然后在電腦上使用ROBOLAB為機(jī)器人編寫程序，通過(guò)紅外發(fā)射器將程序下載到RCX上。下載成功后，RCX就可以脫離計(jì)算機(jī)自動(dòng)運(yùn)行。最后是測(cè)試你的機(jī)器人，是否實(shí)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(gè)過(guò)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(shí)，還有充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)合作精神。

30五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟機(jī)器人的制作是一個(gè)循序漸進(jìn)的3131第一步：設(shè)計(jì)與搭建機(jī)器人樂(lè)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(jì)目標(biāo)，制定設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行任務(wù)分工；運(yùn)用樂(lè)高機(jī)器人套件，組裝智能機(jī)器人。

32第一步：設(shè)計(jì)與搭建機(jī)器人32RCX微型電腦是由MIT開(kāi)發(fā)的，是樂(lè)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(yùn)動(dòng)、做動(dòng)作、甚至自己去“想”。為RCX編寫程序，通過(guò)各種輸入（傳感器）與輸出（馬達(dá)與燈等）對(duì)周圍環(huán)境做出響應(yīng)。33RCX微型電腦是由MIT開(kāi)發(fā)的，是樂(lè)高機(jī)器人第二步：在PC機(jī)上為機(jī)器人編寫程序?yàn)镽CX編寫控制程序的ROBOLAB軟件是一個(gè)簡(jiǎn)單、直觀、易學(xué)的編程環(huán)境，是以美國(guó)國(guó)家儀器公司的LabVIEW，流行于測(cè)量和自動(dòng)化領(lǐng)域的圖形化編程軟件為基礎(chǔ)開(kāi)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(jì)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(jì)算機(jī)，根據(jù)程序指令，按照周圍環(huán)境的輸入信息來(lái)做出判斷，決定下一步如何行動(dòng)。完全智能化。34第二步：在PC機(jī)上為機(jī)器人編寫程序34美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司的LABVIEW軟件：1997年，美國(guó)太空總署在監(jiān)測(cè)其飛船著陸、定位、位置、運(yùn)轉(zhuǎn)狀況等時(shí)，使用了LabVIEW軟件。LabVIEW軟件是一功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)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(cè)控領(lǐng)域倍受歡迎的軟件開(kāi)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(gè)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。

35美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司的LABVIEW軟件：第三步：下載程序到RCXRCX通過(guò)IR紅外發(fā)射儀與計(jì)算機(jī)通信。使用ROBOLAB編程軟件在計(jì)算機(jī)上編寫好編程，然后，通過(guò)與計(jì)算機(jī)串口機(jī)相連的IR發(fā)射儀下載到RCX。IR與RCX通過(guò)無(wú)線紅外方式通信。

36第三步：下載程序到RCX36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(yǔ)言表達(dá)為一個(gè)個(gè)圖標(biāo)。編程時(shí)我們只需要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(lái)，這樣就可以完成程序編寫，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)。37下載的固件包括了RCX硬件的細(xì)節(jié)和底層的編程指下面，我們用單片機(jī)的匯編語(yǔ)言來(lái)與ROBOLAB做個(gè)比較。同樣是完成RCX賦值，直接對(duì)RCX的微處理器H8編寫程序要復(fù)雜許多，編寫時(shí)不但要注意語(yǔ)句順序，甚至標(biāo)點(diǎn)符號(hào)也不能錯(cuò)。而通過(guò)RCX操作系統(tǒng)使用ROBOLAB，你只需要懂得怎樣使用幾個(gè)圖標(biāo)。圖形化語(yǔ)言ROBOLAB功能強(qiáng)大，設(shè)計(jì)完美，廣泛流行于測(cè)量和自動(dòng)化領(lǐng)域。熟悉使用ROBOLAB無(wú)疑對(duì)我們以后工作有巨大的幫助。

38下面，我們用單片機(jī)的匯編語(yǔ)言來(lái)與ROBOLAB做個(gè)第四步：運(yùn)行程序，測(cè)試機(jī)器人是否按要求工作通過(guò)運(yùn)行程序，馬上知道機(jī)器人是否按設(shè)計(jì)的行動(dòng)。如果機(jī)器人沒(méi)有按要求的做，那么，可通過(guò)檢查機(jī)器人搭建及程序編寫是否正確來(lái)修正錯(cuò)誤。這一過(guò)程不僅鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力；而且培養(yǎng)學(xué)生邏輯分析能力、團(tuán)隊(duì)合作精神與交流能力。

39第四步：運(yùn)行程序，測(cè)試機(jī)器人是否按要求工作39例子40例子40414142424343444445454646視頻47視頻47實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及原理圖二、控制程序三、思考題簡(jiǎn)要說(shuō)明設(shè)計(jì)思路2.試述本設(shè)計(jì)的創(chuàng)意性和實(shí)用性

48實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及原理圖48演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！第九章樂(lè)高機(jī)器人機(jī)電一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)50第九章1一、創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)的目的1、培養(yǎng)學(xué)生用創(chuàng)造性思維方法，設(shè)計(jì)、搭建新型的機(jī)構(gòu)或裝置；2、引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用樂(lè)高機(jī)器人套件，設(shè)計(jì)、制作智能機(jī)器人，提高學(xué)生的觀察分析、動(dòng)手、創(chuàng)造能力，培養(yǎng)學(xué)生的參與、競(jìng)爭(zhēng)、實(shí)踐與協(xié)作意識(shí)；3、加強(qiáng)學(xué)生對(duì)機(jī)電一體化的實(shí)踐認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)及綜合設(shè)計(jì)能力，并通過(guò)設(shè)計(jì)樂(lè)高機(jī)器人實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和機(jī)器人控制的快速入門。51一、創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)的目的2二、原理

樂(lè)高“課堂機(jī)器人”是一種優(yōu)秀的科技教育產(chǎn)品，這一獨(dú)創(chuàng)性的教育工具是由美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)、美國(guó)TUFTS大學(xué)、樂(lè)高公司和美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)共同開(kāi)發(fā)研究的，它將模型搭建和計(jì)算機(jī)編程有效地結(jié)合在一起，使學(xué)生能夠設(shè)計(jì)自己的機(jī)器人，在計(jì)算機(jī)上編寫程序，然后通過(guò)與計(jì)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(dòng)RCX的開(kāi)關(guān)，機(jī)器人就可以完全脫離計(jì)算機(jī)，按下載程序的指令獨(dú)立運(yùn)動(dòng)起來(lái)。例如通過(guò)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(dòng)、或是藏在暗處等。

52二、原理3二、原理樂(lè)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(gè)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(yǔ)言，不涉及單片機(jī)匯編語(yǔ)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(yǔ)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(dòng)體現(xiàn)設(shè)計(jì)思想，理解系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，更好地關(guān)注于創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及機(jī)電一體化系統(tǒng)集成。53二、原理4三、儀器與設(shè)備樂(lè)高積木有兩千多個(gè)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(jì)、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(lè)高單位，而且積木有嚴(yán)格的質(zhì)量保持，樂(lè)高積木模具公差僅為0.005mm?？梢郧擅畹乩脴?lè)高積木的特點(diǎn)——梁、塊、板和孔之間的關(guān)系——完善你的結(jié)構(gòu)，完成你獨(dú)一無(wú)二的設(shè)計(jì)。

54三、儀器與設(shè)備樂(lè)高積木有兩千多個(gè)各種形狀1.支承元件551.支承元件62.傳動(dòng)元件562.傳動(dòng)元件72.傳動(dòng)元件572.傳動(dòng)元件83.動(dòng)力元件－樂(lè)高馬達(dá)內(nèi)置多級(jí)減速傳動(dòng)鏈

583.動(dòng)力元件－樂(lè)高馬達(dá)內(nèi)置多級(jí)減速傳動(dòng)鏈95910馬達(dá)連接RCX的A~C輸出端口。可通過(guò)軟件編程對(duì)馬達(dá)進(jìn)行如下控制：

1.正向旋轉(zhuǎn)，停止；

2.反向旋轉(zhuǎn)，停止；

3.改變旋轉(zhuǎn)方向；

4.加速或減速。60馬達(dá)114.傳感器觸動(dòng)傳感器

光電傳感器

角度傳感器

目前，樂(lè)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(dòng)傳感器。614.傳感器觸動(dòng)傳感器光電傳感器角度傳感器觸動(dòng)傳感器：觸動(dòng)開(kāi)關(guān)

需連接到RCX輸入端或樂(lè)高8路輸入和輸出接口中黃色輸入通道(１～４)。

類型和供電要求:無(wú)源數(shù)字傳感器

典型應(yīng)用和說(shuō)明:

實(shí)例1：當(dāng)機(jī)器人碰到障礙物時(shí)，控制機(jī)器人后退、轉(zhuǎn)彎。

實(shí)例2：在電梯模型中，可以作為樓層的觸動(dòng)按鈕。

62觸動(dòng)傳感器：觸動(dòng)開(kāi)關(guān)

需連接到RCX輸入端或樂(lè)高溫度傳感器

需連接到RCX輸入端或樂(lè)高8路輸入和輸出接口板上的黃色輸入通道（１～４）。測(cè)量范圍：-20°C~+50°C

類型和供電要求:無(wú)源模擬傳感器

典型應(yīng)用和說(shuō)明:

實(shí)例1：觀測(cè)一杯熱水散熱時(shí)溫度的變化。

實(shí)例2：當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，控制馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)。63溫度傳感器

需連接到RCX輸入端或樂(lè)高8路光電傳感器

傳感器測(cè)試范圍0.6Lux(0%)~760Lux(100%)。利用該傳感器，你可以：

-通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)變化計(jì)數(shù)

-通過(guò)測(cè)試反向光強(qiáng)來(lái)辨別顏色

-測(cè)量一個(gè)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(shuō)明:

實(shí)例1：沿黑線機(jī)器人；實(shí)例2：在交通模型中，控制路燈在晚上自動(dòng)打開(kāi)；實(shí)例3：測(cè)量房間光線的分布，考查房間照明是否合理。在競(jìng)速賽時(shí)，拍攝數(shù)字圖片。

64光電傳感器

傳感器測(cè)試范圍0.6Lux(0%角度/位置傳感器

可連接到RCX輸入端或樂(lè)高8路輸入和輸出接口板上的藍(lán)色輸入通道（５～８）。利用這個(gè)傳感器，你可以：

-測(cè)試旋轉(zhuǎn)方向

-發(fā)送一個(gè)運(yùn)動(dòng)，測(cè)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(huì)大大縮短傳感器使用壽命。

類型和供電要求:有源數(shù)字傳感器

典型應(yīng)用和說(shuō)明:

實(shí)例1：測(cè)量車子走過(guò)的距離；實(shí)例2：獲取機(jī)械手臂的位置；實(shí)例3：獲取電梯到達(dá)的位置。65角度/位置傳感器

可連接到RCX輸入端或樂(lè)高DCP在實(shí)際應(yīng)用中，需要采集不同的物理量以實(shí)現(xiàn)不同的目的，4種傳感器可能不夠。為此，樂(lè)高與DCP公司合作開(kāi)發(fā)了LEGODCP適配器，可將DCP公司的工業(yè)傳感器與RCX連接起來(lái)，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(hào)，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，你還可以根據(jù)需要，開(kāi)發(fā)自己的傳感器，與RCX連接，讓你的機(jī)器人更好地感覺(jué)外部世界。

66DCP17其它傳感器1．電壓傳感器：測(cè)量范圍：電壓±25V，內(nèi)阻抗：410kΩ2．溫度傳感器：可以測(cè)量-30°C~130°C溫度3．濕度傳感器：可以測(cè)量0~100%的相對(duì)濕度（溫度范圍-20度到80度）4．旋轉(zhuǎn)/位移傳感器：360°旋轉(zhuǎn)，可測(cè)340°5．空氣壓力傳感器：0~200KPa（約0-30psi）6．聲音傳感器：測(cè)量范圍為：50dB-100dB（A加權(quán)）7．pH值傳感器適配器：與pH值電極配合使用，25°C時(shí)每pH值的輸出為59.1mV。8．REDOX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：+/-1250mV9．光度傳感器：對(duì)光強(qiáng)度具有較高的分辨，測(cè)量范圍為0~25000Lux.10．DESIGNER傳感器套件：包括數(shù)字、模擬傳感器，測(cè)直流電壓，測(cè)量范圍為：0~2.5V11．線性加速計(jì)傳感器：加速范圍為-50m/s/s~50m/s/s，斜度為-90°~+90°12．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(cè)量-1A~+1A的直流67其它傳感器185.RCX微型電腦RCX微型電腦是樂(lè)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(guò)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(yùn)算后，輸出指令來(lái)控制機(jī)器人的動(dòng)作。RCX是美國(guó)麻省理工學(xué)院多媒體實(shí)驗(yàn)室研究多年的成果，是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，或者說(shuō)是一個(gè)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(tái)，可以用多種高級(jí)編程語(yǔ)言來(lái)控制RCX，而單片機(jī)只能使用匯編語(yǔ)言。

685.RCX微型電腦RCX微型電腦是樂(lè)高機(jī)器人TheRCXRCX帶有自己的喇叭，可以播放6種不同的聲調(diào)。通過(guò)紅外通信，RCX可以：

·接收電腦上編寫的程序。

·將采集在內(nèi)存的數(shù)據(jù)上傳到電腦進(jìn)行分析。

·和另一個(gè)RCX進(jìn)行通信，方便制做大型智能系統(tǒng)。

69TheRCX20燈連接RCX的A~C輸出端口。可通過(guò)軟件編程對(duì)燈進(jìn)行如下控制：

1.開(kāi)／關(guān)；

2.以用戶定義的時(shí)間頻率閃爍；

3.改變發(fā)光強(qiáng)度。70燈21蜂鳴器連接RCX的A~C輸出端口?？赏ㄟ^(guò)軟件編程對(duì)蜂鳴器進(jìn)行如下控制：

1.開(kāi)／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(shí)際聲音。71蜂鳴器226.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726.IR紅外發(fā)射儀將電腦程序下載到RCX，是7.連接導(dǎo)線、軸套類零件與其它輔助元件737.連接導(dǎo)線、軸套類零件與其它輔助元件248.編程ROBOLAB軟件

為樂(lè)高機(jī)器人編寫程序的ROBOLAB軟件是一個(gè)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(guó)國(guó)家儀器公司的LabVIEW為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的。1997年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者WilliamD.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(shí)驗(yàn)。748.編程ROBOLAB軟件為樂(lè)高機(jī)器人編寫LabVIEW采用圖形化編程方式，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，編程就像設(shè)計(jì)流程圖一樣，在很短的時(shí)間內(nèi)就能夠?qū)W會(huì)。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(lè)高公司通過(guò)和美國(guó)國(guó)家儀器公司，美國(guó)TUFTS大學(xué)的友好合作，開(kāi)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(kāi)始編寫程序，體會(huì)計(jì)算機(jī)的威力。75LabVIEW采用圖形化編程方式，產(chǎn)生的程序ROBOLAB有200多個(gè)編程模塊,可以完成常見(jiàn)編程語(yǔ)言，如C/C++或VisualBasic等軟件的功能。學(xué)生在計(jì)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(jì)算機(jī)，根據(jù)程序指令，按照周圍環(huán)境的輸入信息來(lái)行動(dòng)，完全智能化。當(dāng)然，如果機(jī)器人未按預(yù)先設(shè)計(jì)的行動(dòng)，即程序編寫不夠完善時(shí)，可以在計(jì)算機(jī)上修改源程序，再下載，運(yùn)行機(jī)器人進(jìn)行測(cè)試，直到機(jī)器人完全按要求工作為止。

76ROBOLAB有200多個(gè)編程模塊,可以完成ROBOLAB軟件分為編程者(Programmer)和研究者(Investigator)兩部分,可以在ROBOLAB開(kāi)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(shí)驗(yàn)。ROBOLAB最突出的優(yōu)點(diǎn)是提供不同的編程級(jí)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(jí)別提供的編程環(huán)境和例子較為簡(jiǎn)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(diǎn)擊圖標(biāo)模塊并在下拉圖標(biāo)模塊中選取所需圖標(biāo)來(lái)完成。發(fā)明家級(jí)別則提供全部的控制能力。這兩個(gè)級(jí)別均包含四個(gè)等級(jí)，從淺到深。

77ROBOLAB軟件分為編程者(Program四、實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作1.按模型組合包設(shè)備清單清點(diǎn)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(cè)；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(dòng)力元器件的裝配、連接方法；包括：電動(dòng)機(jī)、傳感器、變壓器、氣動(dòng)元件、各種開(kāi)關(guān)等；5.熟悉組合包配備的軟件Robolab及接口。78四、實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作1.按模型組合包設(shè)備清單清點(diǎn)模型零件，五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟機(jī)器人的制作是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，首先你需要確立目標(biāo)：你需要一個(gè)什么樣的機(jī)器人？接著需要設(shè)計(jì)和搭建，然后在電腦上使用ROBOLAB為機(jī)器人編寫程序，通過(guò)紅外發(fā)射器將程序下載到RCX上。下載成功后，RCX就可以脫離計(jì)算機(jī)自動(dòng)運(yùn)行。最后是測(cè)試你的機(jī)器人，是否實(shí)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(gè)過(guò)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(shí)，還有充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)合作精神。

79五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟機(jī)器人的制作是一個(gè)循序漸進(jìn)的8031第一步：設(shè)計(jì)與搭建機(jī)器人樂(lè)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(jì)目標(biāo)，制定設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行任務(wù)分工；運(yùn)用樂(lè)高機(jī)器人套件，組裝智能機(jī)器人。

81第一步：設(shè)計(jì)與搭建機(jī)器人32RCX微型電腦是由MIT開(kāi)發(fā)的，是樂(lè)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(yùn)動(dòng)、做動(dòng)作、甚至自己去“想”。為RCX編寫程序，通過(guò)各種輸入（傳感器）與輸出（馬達(dá)與燈等）對(duì)周圍環(huán)境做出響應(yīng)。82RCX微型電腦是由