《機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)》教學(xué)課件

機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)目標(biāo)：初步了解學(xué)生機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，進(jìn)一步了解創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法。學(xué)習(xí)感悟：創(chuàng)新是科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的源動(dòng)力。學(xué)習(xí)資源：光盤（各種視頻資源）。實(shí)踐創(chuàng)作：制作實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)書。1.機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法創(chuàng)新來源于創(chuàng)新實(shí)踐。一般，創(chuàng)新的方法有組合法、焦點(diǎn)法、輻射法、反演法、十二動(dòng)詞法等。運(yùn)用這些方法對(duì)機(jī)器人的機(jī)械擴(kuò)展、電子擴(kuò)展、軟件擴(kuò)展以及傳感器擴(kuò)展進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，就可以設(shè)計(jì)出新的機(jī)器人。例如，運(yùn)用“組合法”將行走機(jī)器人、避障機(jī)器人與傳統(tǒng)吸塵器組合，設(shè)計(jì)制造出保潔機(jī)器人可以輕松地鉆到桌子、家具、沙發(fā)下面，能沿著墻邊直線清掃在遇到障礙物時(shí)繞行清掃。2.機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)要素在進(jìn)行機(jī)器人作品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，我們要力求做到以下幾點(diǎn)：①突出主體性。②體現(xiàn)一定的完整性，有完整詳實(shí)的研制報(bào)告與數(shù)據(jù)資料。③體現(xiàn)科學(xué)性和創(chuàng)造性，有技術(shù)研究工作量。④體現(xiàn)自主性，主要由自己獨(dú)立完成。⑤注重工藝制作整體的精致性，外觀新穎，如圖為我國(guó)中學(xué)生研制開發(fā)的機(jī)器人，其制作工藝和整體設(shè)計(jì)比較新穎。2.機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)要素⑥要特別注意安全性，設(shè)計(jì)活動(dòng)時(shí)不對(duì)周邊人員構(gòu)成威脅，不對(duì)環(huán)境造成破壞。

在2007年“RoboCup”世界杯青少年組中國(guó)賽區(qū)中，“舞蹈機(jī)器人”很有創(chuàng)意：讓舞蹈機(jī)器人分別扮演孫悟空、唐僧、豬八戒、沙僧等形象，通過預(yù)先設(shè)置的程序，采取連鎖命令的方式，使6個(gè)機(jī)器人分別采取不同的姿勢(shì)翩翩起舞，演出來一場(chǎng)機(jī)器人版皮影戲《孫悟空大鬧天宮》。2012年第十二屆中國(guó)青少年機(jī)器人創(chuàng)意獲獎(jiǎng)項(xiàng)目“乒乓陪練機(jī)器人”，不僅可以陪練球技，發(fā)球機(jī)器人還可以控制發(fā)球的方向、速度、力量、落點(diǎn)等，并將球收起來，一次最多能收5個(gè)球。3.體驗(yàn)學(xué)生機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)3.1“智能家居”設(shè)計(jì)為了讓機(jī)器人走進(jìn)人們的生活，給生活帶來更多的便利，同學(xué)們?cè)谟^察和學(xué)習(xí)已有實(shí)例基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)“智能家居”，如圖所示，它主要由4個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：①光密碼鎖：在大門口安裝了一個(gè)光敏傳感器作為光密碼鎖，又制作了一把特殊頻率的光鑰匙，并編制了相應(yīng)的程序，只有用這把光鑰匙對(duì)準(zhǔn)光密碼鎖，門才會(huì)自動(dòng)打開。②防盜報(bào)警：一旦有人非法入侵，就會(huì)發(fā)聲并報(bào)警。③智能收衣：智能晾衣架能根據(jù)天氣（晴雨、晨昏）情況自動(dòng)晾收衣服。④跟蹤太陽(yáng)：比較光感值，自動(dòng)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能接收器的方向，使其盡量正對(duì)太陽(yáng)，從而能最大化吸收太陽(yáng)能，為家居提供充足的能量?！爸悄芗揖印边\(yùn)用了“輻射法”創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過對(duì)光敏傳感器的研究，采用發(fā)散性思維，將光敏傳感器及技術(shù)分別應(yīng)用在“光密碼鎖”“智能收衣”“跟蹤太陽(yáng)”上。3.體驗(yàn)學(xué)生機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)3.2“懸崖回頭車”設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求：機(jī)器人小車在桌面上行進(jìn)，當(dāng)行進(jìn)到桌邊時(shí)，小車能夠感知自身所處的位置，并自動(dòng)回頭，從而不會(huì)掉下桌面。

因此，機(jī)器人小車必須安裝能感知小車走到桌邊的傳感器。那么，應(yīng)選擇什么傳感器呢？這時(shí)，我們可以采用“焦點(diǎn)法”進(jìn)行分析和選擇。一種方法是利用紅外線傳感器。當(dāng)傳感器下方有反射面時(shí)，反射光被這個(gè)傳感器接收，通過輸入端口，將信號(hào)傳送到單片機(jī)的輸入口；如果下方?jīng)]有反射面時(shí)，就沒有信號(hào)傳送到單片機(jī)的輸入端口。利用這個(gè)原理將一個(gè)紅外線傳感器裝在小車的前方，紅外線傳感器朝下，對(duì)著桌面。當(dāng)小車處在桌面時(shí)，單片機(jī)能不斷地接收到紅外線傳感器的信號(hào)，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)；當(dāng)小車走到桌子邊沿，此時(shí)單片機(jī)不能接收到紅外線傳感器的信號(hào)，單片機(jī)就讓小車后退、轉(zhuǎn)彎，然后再前進(jìn)。3.2“懸崖回頭車”設(shè)計(jì)另一種方法是采用了一個(gè)碰撞傳感器代替紅外線傳感器。這種傳感器實(shí)際就是一個(gè)簡(jiǎn)單的限位開關(guān)，當(dāng)開關(guān)壓下時(shí)，輸入端口有信號(hào)；當(dāng)開關(guān)放松時(shí)，輸入端口就沒有信號(hào)。分析上述兩種傳感器，第一種紅外線傳感器必須要有電路支持，且價(jià)格相對(duì)較高；第二種碰撞傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需電路支持，價(jià)格也比較便宜。

探究學(xué)習(xí)在下列科學(xué)實(shí)踐中，如何使用單片機(jī)、機(jī)器人以及其他設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)呢？選擇其中的一個(gè)問題進(jìn)行研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并制作一份實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)書。（1）環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)：風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)力測(cè)量；空氣、地表溫度測(cè)量和記錄。雨量、水流速度測(cè)量；環(huán)境噪聲超標(biāo)次數(shù)測(cè)量；日升和日落時(shí)間測(cè)量和統(tǒng)計(jì)；應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)境綜合記