第四单元简易机器人的设计与制作.docx
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第四单元简易机器人的设计与制作
第四单元简易机器人的设计与制作
经过前面单元的学习，同学们已经掌握了单片机及其控制程序、单片机与控制电路、单片机与机械传动。
本单元通过设计和制作由传感器、单片机、继电器、电动机和传动机械等组成的简易机器人或简单的自动控制系统，完成2～3个规定的动作，这是一个综合性的应用，要求通过软件设计实现对硬件的程序控制。
我们将以“项目”为主线，“任务”为模块，“活动”为技能培训目标，从简到繁、从易到难。
在本单元中，同学们会不断取得学习经验，学到良好的思维方式，学会与人合作、学会与人分享成功的喜悦。
同时会培养同学们分析问题、解决问题与独立思考的能力，激发大家的学习兴趣。
1.了解简易机器人制作的一般步骤
2、了解简易机器人的一般调试过程
3.能根据项目制定设计方案
4.机器人竞走赛的设计与制作
5.能说会走机器人的设计与制作
6.灭火机器人设计与制作
第一节初识机器人
机器人是20世纪人类的伟大发明之一。
一提到机器人，大家可能就会想到电影、电视、科学幻想小说中的机器人，你可能会说：
“机器人和人一样，有鼻子有眼睛，有胳膊有腿，有头脑会思考，能说话，会打仗，跑的比人有还快，力气比人还大。
它的本领比人强得多，一会是人，一会变成了汽车，一会又变成了大炮，真够神的。
”显然这种说法不太准确。
“变形金刚Ⅱ”中的擎天柱、还是铁臂阿童木”这些都是科学幻想中的机器人形象。
现实的机器人和这些机器人相差实在太远了。
当你走进现代化自动工厂，想目睹机器人丰采的话，你一定会大失所望。
现代机器人，特别是工业机器人的尊容实在不敢恭维，不仅没有鼻子、眼睛，甚至也没有胳膊和腿。
它们有的像机器、有的像怪物。
有的脑袋又尖又长，有的肚子上长着脑袋，有的手长在了脚的位置，有的三头六臂。
干活的方式也是千奇百怪，有的躺着做事，有的斜着身子搬运东西，有的是爬着行走携带重物，总之，这些机器人的外形是五花八门。
在世界各国不同的语言中，Robot是机器人的代名词。
各国科学家从不同的角度出发，给出的定义也有所不同。
我国科学家对机器人的定义是：
“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器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、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。
”
关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。
我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两类，即工业机器人和特种机器人。
机器人是由控制器、动力源、传动机械和传感器等组成的有机整体。
通过传感器对外部环境的感知功能，采集信息输入控制器，后者对输入信息进行计算、判断和决策，然后输出指挥行动的命令到传动机械。
控制器中的控制程序是机器人控制的核心，它告诉机器人要做什么事情。
通过编制不同的控制程序，机器人可以执行不同的任务。
例如：
我们在设计灭火机器人时，必须有眼睛（传感器），能看到哪里着火了；必须有脚（传动机械），能快速到达火源所在地；还必须有手，能拿着灭火器具（传动机械）来灭火，而眼、手、脚之间的协调是靠机器人控制器（单片机）来完成的。
第二节机器人竞走赛
1、知道设计和制作简易机器人的一般过程。
2、设计和制作一个能够直立行走的步行机器人模型。
3、会使用传感器完成机器人的启动与终点线的识别。
4、能编写机器人竞走比赛的控制程序。
5、通过机器人的比赛，体验学习成功的快乐，养成同学之间相互协作的良好习惯。
竞走起源于英国。
19世纪初，英国出现步行比赛的活动。
19世纪末，部分欧洲国家盛行从一个城市到另一个城市的竞走旅行。
1866年英国业余体育俱乐部举行首次冠军赛，距离为7英里。
竞走分场地竞走和公路竞走两种。
1908年首次进入奥运会，当时的距离是3500米和10英里。
此后几届奥运会距离有所不同，有过3000米、10公里等，从1956年奥运会起定为20公里（1956年列入）、50公里（1932年列入）。
女子竞走于1992年才被列入奥运会，距离为10公里，2000年奥运会将改为20公里。
竞走与跑的根本区别在于走步时两脚必须与地面轮换接触，不能有腾空阶段。
田径比赛规则规定：
每步中，运动员在后脚离地之前，前脚必须着地，脚落地时，该腿必须有一瞬间的伸直。
竞走运动员在比赛途中，如违犯了上述规定，第一次犯规裁判员举白旗给竞走比赛者警告，若再次犯规，裁判员举起红旗，取消其比赛资格。
运动员在最后1圈犯规，可根据具体情况给予警告或直接取消其比赛资格。
本项目是设计和制作一个能够直立行走的步行机器人来进行竞走比赛。
在规定的场地内机器人从起跑区出发，经过规定的线路，在最短的时间内到达终点。
由于是模拟竞走比赛，所以要求机器人必须用脚前进，而不是用轮子前进，机器人在前进时，双脚应相互交替着地。
机器人的启动可使用声、光、磁、电等方式，一旦启动便不允许人为干预必须由程序控制，而非人为控制。
大家准备好了吗？
不用着急，其实在第三章的项目二中已经搭建一个两足步行的机器人模型，这里只要将它们与控制系统组装在一起就可以了。
本项目会使用到2种传感器。
其实，各种传感器的作用都是一样的，它能将非电量的物理信息转换成与之有确定关系的电信号，输送给控制电路进行处理。
不同的是他们敏感的非电量信息不同，有的是光，有的是声，有的是温度，有的是磁……。
例如：
声控传感器是机器人的耳朵，它能将声音信号转变为电信号。
光敏传感器是机器人的眼睛，有强光照射时它就能追光行走，这主要是因为光敏传感器能将光信号转变为电信号。
根据机器人竞走比赛的需要，可以将机器人功能分解为三个模块，即启动模块、行走模块、终点识别模块。
一、启动模块：
使用声控传感器。
声控传感器用于检测声音的大小，反馈的检测值为0～255之间的整数，值越大，声音越响，值越小，声音越弱。
利用声音的相对比较，返回是否有声音的相对信号给控制器。
使用调节器调节给定声控传感器的初始值，声控传感器不断地把外界声音的强度与给定强度比较，超过给定的强度时，向控制器发送“有声音”信号，否则发送“没有声音”的信号。
例：
“声音变量一>50”代表声音检测值大于50，即检测到的声音比50更响（需要持续对机器人说话）的时候，条件判断成功，执行“是”一侧连接的模块；否则条件判断失败，执行“否”一侧连接的模块。
如右图，声音一响，机器人就会动起来。
M注意：
●环境内的声音值是个变量，要取得比较精确的环境声音值，可以在一段时间内连续取几次值，再求它们的平均数。
●检测指定环境声音时，注意不要受其它声源干扰。
二、行走模块：
可参照第三章的项目二步行机器人。
机器人的行走是电机驱动的结果，通过本项目我们能学会驱动机器人电机的方法。
三、终点识别模块：
使用光电传感器。
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。
光电传感器在一般情况下，由三部分构成，它们分为：
发送器、接收器和检测电路。
终点线使用黑色胶带。
光电传感器遇白色背景v1=0，遇黑色背景v1=1。
如果v1=0，则机器人前进，如果v1=1，则机器人延时，然后停止。
一、制定机器人竞走比赛规则
请全班同学一起制定机器人竞走比赛规则，如：
机器人的启动方式、比赛的距离长度、机器人过终点线方式等等，并记录：
1、机器人的启动方式：
_________________________________________________
2、比赛距离：
_________________________________________________________
3、终点线设置：
_______________________________________________________
4、其它：
_____________________________________________________________
5、比赛场地绘制：
二、建立学习小组
职务
姓名
承担任务
组长
成员
三、机器人外观设计
四、制定竞走机器人设计方案
功能
考虑细节
具体方案
启动机器人
双脚交替运动
识别终点
五、搭建机器人：
（参考步骤）
六、机器人编程并调试（详见附录）
任务1、启动机器人
任务2、机器人行走
任务3、识别终点线
七、比赛记录
机器人完成比赛时间：
_____________________
机器人名次：
_____________________________
一、你的机器人能走台阶吗？
二、如果让机器人走台阶，需要在什么地方进行改进？
第三节能说会走的机器人
1、理解循线机器人的控制思想。
2、会正确使用传感器，掌握传感器的调试方法。
3、通过控制程序的编写与调试，培养创新能力。
4、通过小组的合作共同完成项目，培养合作意识和团队精神。
通常我们把沿着一定路线运动的机器人，叫做循线机器人。
一、机器人走四边形编程思想：
机器人走四边形，就是让机器人完成“前进→转弯→前进→转弯→前进→转弯→前进→转弯”的动作，也就是说机器人需要完成四个“前进→转弯”动作。
而要让机器人完成一个“前进→转弯”，需要启动电机，使机器人以一定的速度向前运行一段路程，然后停下，旋转90°，再停下。
这样就走完了四边形的一边。
要让机器人走四个边，有一个简便的方法，这就是循环。
上述步骤循环4次，机器人就能够走出一个四边形了。
如图所示
二、循线机器人的控制思想：
1、光电传感器的工作原理：
现在我们要增加一点难度，让机器人在白色地板上自动沿着黑色轨迹走，这时就要用到光电传感器的感光作用了。
光电传感器一般是由光电对管组成，一个发射，一个接收。
我们在物理课中学过，颜色越深的物体，吸收光线的能力就越强；颜色越浅的物体，发射光线的能力就越强。
当光电对管通过深颜色物体时，由于发射光被吸收很多，能反射出来的光线就小，能被接收管收到的光线就更少；反之，当光电对管通过浅颜色物体时，由于发射光被吸收较少，能反射出来的光线就多，能被接收管接收到的光线也随之增多。
而光电接收管会随着接收光线的多少而发生电压或电流变化，我们根据这些电参数变化就可以知道传感器碰到的是深颜色物体还是浅颜色物体。
赛道之所以要做成黑底白线，或白底黑线，就是为了让电参数变化差异增大，更便于我们判断。
我们这里设定，遇到黑色，传感器输出“1”高电平；遇到白线，传感器输出“0”低电平。
2、循线机器人走直线：
如果在循线机器人上安装了左右2个光电传感器，引导黑线位于2个传感器中间，见右图。
光电传感器遇白色背景检测值是0，遇黑色背景检测值是1。
这时，就有4种状态组合（0，0）（0，1）（1，0）（1，1）。
●（0，0），2个传感器都没有检测到路径，循线机器人一直向前。
●（0，1）或（1，0），有1个传感器检测到路径，说明循线机器人偏离了行走路径，需要调整前进方向。
即检测值为1一侧的电机反转，另一电机转动方向不变，这样就可以改变机器人的循线方向。
●（1，1），2个传感器都检测到路径，遇到终点，所以机器人停止。
因此在编制程序时只需设计与这4种状态对应的电机控制，便可以让机器人沿着设定好的路线行走，偏离黑线时自动找回黑线位置。
如下图所示。
3、循线机器人走迷宫
现在我们再增加难度，让机器人走规定线路——迷宫。
如右图所示，迷宫存在一些直道、弯道、丁字路口、十字路口、死胡同等多种情况。
在“左手法则”下，如何合理的处理每种道路情况，以让机器人能以最快时间或最短路程从起点走到终点，是我们探讨的主要内容。
为了达到上述目的，就需要增加传感器的数量。
传感器数量多于3个时，就可以做迷宫式循线。
数量越多越便于机器人对线路做出预判。
1）循线机器人走直线
当机器人沿着直线走时，处于不同情形时，传感器会有不同的显示。
这里列出了5种常见情形：
10000=机器人严重向右偏离赛道
01000=机器人轻微向右偏离赛道
00100=机器人正处在赛道上
00010=机器人轻微向左偏离赛道
00001=机器人严重向左偏离赛道
通过传感器对不同情形的反馈，就可以确保机器人准确的沿着赛道前进。
2）机器人遇到岔路情况：
现在我们的机器人可以沿着直线走了，但这个时候它还不会判断岔路口，对于迷宫式的线迷宫，机器人如何准确的判断赛道岔路类型，是技术难点。
在这类线迷宫中，赛道岔道一般可以分为左转路口、右转路口、丁字路口、十字路口、前进或左转路口、前进或右转路口、死胡同、赛道终点等八种类型。
如下图所示。
3）机器人走迷宫策略：
a）左手法则
机器人执行左转的优先级高于直行或右转；
机器人执行直行的优先级高于右转；
即机器人在线迷宫中，如果遇到“十字路口”（即有左转、直行和右转），机器人会左转；如果遇到“直行或右转路口”，机器人会直行；只有遇到“右转路口”，机器人才右转。
一句话就是，执行左手法则的机器人永远是沿着左侧走。
如果线迷宫不存在封闭赛道，都可以顺利的从起点走到终点。
b）右手法则
机器人执行右转的优先级高于直行或左转；
机器人执行直行的优先级高于左转；
即机器人在线迷宫中，遇到右转路口，一定右转。
如果遇到“十字路口”（即有左转、直行和右转），机器人会右转；如果遇到“直行或左转路口”，机器人会直行；只有遇到“左转路口”，机器人才左转。
一句话就是，执行右手法则的机器人永远是沿着右侧走。
无论是左手法则还是右手法则都可以让你的机器人顺利的从起点走到终点，完成迷宫穿越。
选用哪种方法纯粹是个人爱好问题。
4）机器人走迷宫过程分析
a）机器人沿着当前赛道前进；前进同时检测前方是否有岔路口。
b）一旦检测到岔路口，机器人要判断岔路口的类型；
c）确定岔路口类型后，在一定的控制法则下完成转弯。
5）机器人转弯
a）“右转路口”和“右转或直行路口”识别和处理
当机器人遇到这两种路口时，传感器输出模式都是“00111”。
这时让机器人再前进一点。
当传感器越过赛道后，如果寻线传感器显示数值为“00000”，那么这个路口就一定是“右转路口”；如果寻线传感器显示数值为“00100”，那么这个路口就一定是“右转或直行路口”。
如果机器人使用的是“左手法则”，在“右转路口”只能有一种选择——右转；在“右转或直行路口”，机器人就要执行“直行”的动作。
如果机器人使用的是“右手法则”，在“右转路口”显然要——右转；在“右转或直行路口”，机器人就要执行“右转”的动作。
b）“左转路口”和“左转或直行路口”识别和处理
当机器人遇到这两种路口时，传感器输出模式都是“11100”。
这时让机器人再前进一点。
当传感器越过赛道后，如果寻线传感器显示数值为“00000”，那么这个路口就一定是“左转路口”；如果寻线传感器显示数值为“00100”，那么这个路口就一定是“左转或直行路口”。
如果机器人使用的是“左手法则”，在“左转路口”显然要——左转；在“左转或直行路口”，机器人就要执行“左转”的动作。
如果机器人使用的是“右手法则”，在“左转路口”只能——左转；在“左转或直行路口”，机器人就要执行“直行”的动作；
c）“丁字路口”、“十字路口”和“终点路口”识别和处理
当机器人遇到这三种路口时，传感器输出模式都是“11111”。
这时让机器人再前进一点距离，这将帮助我们分辨这三种路口：
如果寻线传感器数值是“00000”，那么这个路口就是丁字路口；如果寻线传感器数值是“00100”，那么这个路口就是十字路口；如果寻线传感器数值是“11111”，那么这个路口就是迷宫终点了。
d）死胡同的识别和处理
当寻线传感器数值从“00100”变化为“00000”时，我们就可以认为机器人是遇到了死胡同。
当机器人遇到死胡同时，机器人的动作应该是掉头。
一、任务：
机器人循线流程：
开始→沿着黑色轨迹前进→遇到转角停止→发声→旋转90°→停止→沿着黑色轨迹前进→遇到转角停止→发声→旋转90°→停止→沿着黑色轨迹前进→遇到转角停止→发声→旋转90°→停止→沿着黑色轨迹前进→遇到转角停止→发声→旋转90°→停止→结束
本项目是设计和制作一个循线机器人在无人干预的情况下从起跑区出发，在白色地板上自动沿着黑色轨迹走正方形，当它在转弯时会发出声音“De”。
二、规则：
1.循线机器人的启动可使用声、光、磁、电等方式，一旦启动便不允许人为干预必须由程序控制，而非人为控制。
2.推荐路径：
在白纸上贴黑色胶带，四边形长×宽分别为50×40厘米，作为循线的路径。
3.如果在循线过程中机器人偏离引导黑线，允许取回出发区重新开始。
三、任务分解
根据项目的需要，可以将循线机器人功能分解为三个模块，即启动模块、循线模块、发声模块。
循线模块又可分为直线子模块和转弯子模块。
启动模块：
上一节中我们使用声音启动机器人，这一节中将用光来启动机器人。
为此要使用光敏传感器。
光敏传感器实际上就是光敏电阻，它能根据外界光线的强弱，返回一个0-255的数值，0代表外界光线最强，255代表外界光线最弱。
直线模块：
控制机器人自动沿着黑色轨迹前进。
遇左转路口停止。
转弯模块：
是让机器人原地旋转90°，停止
发声模块：
使用蜂鸣器发出声音。
无论制作哪一种简易机器人，要想让它最终完成任务都要经过一个关键的步骤：
调试。
同学们最初的设计是否合理，到测试运行时便可得出答案。
调试过程是对同学们的智力、毅力、能力、体力的综合考验。
1、机器人转弯的角度不正确，那么就需要修改“转向”模块中的参数，进行反复调试，而且，在调试过程中，不要一次修改两个参数，可以固定一个参数，很快就能让机器人转一个标准的90度了。
2、
一、建立学习小组
职务
姓名
承担任务
组长
成员
二、循线机器人外观设计
三、制定循线机器人设计方案
功能
考虑细节
具体方案
启动机器人
机器人直行
机器人转90°
机器人发声
四、搭建机器人（参考步骤）
五、机器人编程并调试（详见附录）
任务1：
启动机器人
任务2：
机器人循线
任务3：
机器人发声
一、如果想让机器人按下列轨迹行走，应该如何编写程序：
机器人轨迹比赛的场地为一块长2米，宽1.6米的白色的木质板，板面上将贴有一条2—2.5厘米宽的黑色轨迹线。
此条黑色轨迹线由起止线、直线、折线、圆弧组成。
场地中间圆形图形的直径为90厘米，障碍圆柱直径为6-10厘米。
二、了解机器人循线比赛规则：
第四节机器人灭火
1、理解了机器人灭火项目的设计思想设计。
2、能搭建一个灭火机器人模型。
火灾是世界各国人民所面临的一个共同的灾难性问题，它给人类社会造成了不少生命、财产的严重损失。
随着社会生产力的发展，社会财富日益增加，火灾损失上升及火灾危害范围扩大的总趋势是客观事实。
据联合国“世界火灾统计中心”提供的资料介绍，发生火灾的损失，美国不到7年翻一番，日本平均16年翻一番，中国平均12年翻一番。
全世界每天发生火灾1万多起，造成数百人死亡。
近几年来，我国每年发生火灾约4万起，死亡2000多人，伤残3000~4000人，每年火灾造成的直接财产损失10多亿元，尤其是造成几十人、几百人死亡的特大恶性火灾时有发生，给国家和人民群众的生命财产造成了巨大的损失。
并且，火灾对消防员的生命也会构成威胁。
例如：
●20XX年11月3日衡阳特大火灾，遇难消防官兵20人，为建国后死伤消防员最多的一次火灾。
●20XX年7月奉贤一周内连发两起大火损失严重，7月17日大火造成消防队员3死9伤。
●20XX年2月9日晚起火的中央电视台新大楼北配楼火灾现场目前已清理完毕。
据了解，这次火灾造成1名消防队员死亡、7人受伤，
一、任务：
本项目设计并制作灭火机器人，在一间模拟平面结构的房间里运动，找到一根燃烧的蜡烛并尽快将它扑灭。
机器人灭火模拟了现实家庭中机器人处理火警的过程。
那根蜡烛代表房间里燃起的火灾，机器人必须尽快找到并扑灭火源。
二、规则：
1.机器人的启动可使用声、光、磁、电等方式，一旦启动便不允许人为干预必须由程序控制，而非人为控制。
2.地面为黑色，灭火圈为2.5cm宽的白色线带。
3.机器人在灭火过程中自动搜寻火源，尽量不碰墙，找到火源并进入规定的灭火圈后（不碰撞火源），用风扇将火源吹灭。
三、任务分解：
机器人灭火的基本思路是：
机器人一边走迷宫，（走迷宫可以遵循左手法则或右手法则，可参阅上一节内容，）一边检测火焰，发现火源后，立即调整机器人的方向，使正前方逐步对准火源并向火源靠拢，同时用地面灰度检测并判断机器人是否已进入灭火圈（白线带），如果进入灭火圈了，则立即停止移动并启动风扇，吹灭火源。
根据任务需要，可将机器人的功能分为三个模块，即启动模块、灭火模块和寻火源模块，而寻火源模块又包含寻火源、左转避障、右转避障以及后退避障四个子模块。
启动模块：
寻火源避障模块：
主要功能是寻找火源的具体位置并趋近火源，在此过程中，无论是在机器人初始运动时，还是在执行寻火源模块动作的过程中，都应首先检测红外测障传感器的状态，如发现周围存在障碍则采取相应的策略绕开障碍，而后再趋近火源。
最终到达火源禁区线。
寻火源子程序：
要识别周围光线的强弱，感知光源的位置，就必须启用光敏传感器。
光敏传感器实际上就是光敏电阻，根据环境的光线明暗，返回一个0-255的数值，0代表外界光线最强，255代表外界光线最弱。
控制机器人在前进过程中不断检测左右两个光敏传感器检测值的差及平均值，若平均值为255，则说明机器人未发现光源，可继续按左手法则或右手法则搜索前进；若平均值不为255，说明机器人已发现光源，再根据两个传感器检检测值的差，决定机器人应向哪个方向追光，若左检测值<右检测值，则说明光源偏左，机器人应向左转一点，否则说明光源偏右，机器人应向右转一点。
机器人一边矫正一边前进，只有当正前方两个光敏传感器的检测值均大于预设值时，同时用地面灰度检测并判断进入灭火圈（白线带），机器人停止前进。
避障子模块：
如果想让机器人活动自如，则必须为机器人增加视觉功能。
可在机器人的前端装红外传感器。
红外传感器由两个红外发射器和一个红外接收器组成，两只红外发射器轮流发出红外信号，当发射的红外信号遇到前方物体阻挡而返回时，会被红外接收器接收；而当前方无障碍时，红外接收器就收不到返回的红外信号。
根据红外接收器是否收到返回的红外信号，以及收到的是从哪边的红外发射器发射的信号，就可识别机器人正前方、左前方或右前方有无障碍。
现设定有障碍物检测值为0，无障碍物检测值为1。
红外传感器检测值
障碍位置
避障策略
右红外传感器
左红外传感器
0
0
前方有障碍
后退避障
0
1
右方有障碍
左转避障
1
0
左方有障碍
右转避障
1
1
无障碍
保持运动状态
灭火模块：
机器人灭火比赛对灭火方方式没有一定之规，但不能使用任何危险的或可能破坏比赛场地的方法或物质来灭火（如通过燃放爆竹产生冲击来使蜡烛熄灭），也不能通过碰倒蜡烛的方式来灭火。
它
升级会员 