機器人結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計

前言

北京市第十二中學(xué)從20世紀(jì)80年代開始開設(shè)理化綜合實驗校本課程以來，校本課程建設(shè)已走過二十余年歷程。這期間，學(xué)校在開設(shè)豐富的選修課程的基礎(chǔ)上，相繼開發(fā)了包括中學(xué)形體、中學(xué)心理、中學(xué)信息技術(shù)在內(nèi)的多門相對成熟的校本課程，出版了相應(yīng)的校本教材。這些教材的出版，推進(jìn)了校本課程的建設(shè)，為對學(xué)生實施素質(zhì)教育提供了有效的載體。2007年，北京市各高中校全面啟動、實施新課程。立足學(xué)校實際，我校將規(guī)范校本課程開發(fā)和建設(shè)確定為實施新課程的重要內(nèi)容和突破口之一。在開發(fā)校本課程的實踐過程中，我們認(rèn)為，首先，校本課程不在于數(shù)量多，關(guān)鍵是要符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，貼近學(xué)生個性化需求。我們這次編印的校本教材，注重從不同深度和廣度上滿足不同興趣愛好和不同發(fā)展層次學(xué)生的個性化發(fā)展需求。其次，在校本課程的主題選擇上，不一味追求新、奇、高、深，而更注重與國家課程各學(xué)科緊密銜接，在內(nèi)容上作適度延伸和拓展。第三，在校本課程教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定上，不在于讓學(xué)生掌握多少具體的知識點，而著重為學(xué)生拓寬學(xué)科視野，擴大知識面，創(chuàng)造條件，培養(yǎng)有興趣和特長的學(xué)生進(jìn)一步研究問題和深入挖掘?qū)W科知識的能力。最后，在使用校本教材的過程中，著力優(yōu)化教與學(xué)的方式和評價方式，尊重和激發(fā)教師創(chuàng)造性的個性勞動，強調(diào)教師與學(xué)生在思維和實踐中進(jìn)行更深入和更廣泛的溝通與互動，從而實現(xiàn)教師的教學(xué)藝術(shù)和學(xué)生的學(xué)習(xí)動力、學(xué)習(xí)效果良性互動，共同發(fā)展。校本教材的編寫是學(xué)校實施校本教研，形成學(xué)科教學(xué)特色的結(jié)晶。我校在經(jīng)過深入調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，篩選出比較成熟的校本課程，組織教師在業(yè)余時間編寫校本教材。每一本校本教材的編寫，都是在長時間開設(shè)選修課的基礎(chǔ)上對課程內(nèi)容進(jìn)行重組、補充和完善，結(jié)集而成；絕大多數(shù)課程形成了較為科學(xué)的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和評價方法；部分教材是在高水平的課題引領(lǐng)下，總結(jié)實際教育教學(xué)的經(jīng)驗，形成了較為規(guī)范的教材。很多校本教材都是從學(xué)生的生活和學(xué)習(xí)興趣出發(fā)，解決生活和學(xué)習(xí)中的實際問題，著力培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和綜合素質(zhì)。一本嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)而規(guī)范的校本教材，一定能更好地促進(jìn)這一校本課程的建設(shè)，惠及更多的學(xué)生。當(dāng)看到這一本本凝聚教師心血和汗水的書稿，我的心中充滿敬佩和感激，敬佩他們的激情、勇氣、毅力和智慧，感激他們?yōu)閷W(xué)生發(fā)展、學(xué)校發(fā)展無私的奉獻(xiàn)和努力，更因為看到教師不斷成長、學(xué)科特色不斷形成、課程文化不斷豐富而欣喜和自豪。

內(nèi)容概要

本書以樂高公司產(chǎn)品及其軟件作為教學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容，介紹了中學(xué)生所用機器人的結(jié)構(gòu)與程序控制的知識。由于樂高產(chǎn)品具有廣泛的適用性和開放性，可以為中學(xué)生的深入學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)?！　】紤]到學(xué)生們在學(xué)習(xí)要求上的差異，本書引入了一些擴展閱讀的知識以及機器人在實驗上應(yīng)用的案例，以使有興趣的學(xué)生能從中得到一些啟發(fā)和收獲?！　”緯m用于高中通用技術(shù)課程(機器人模塊)教學(xué)，也可作為各學(xué)校、校外活動機構(gòu)中開展機器人教學(xué)的參考書籍。

書籍目錄

第一章　機器人簡介 　第一節(jié)　什么是機器人 　第二節(jié)　機器人的發(fā)展 　第三節(jié)　機器人的結(jié)構(gòu) 　　一、控制器 　　二、傳感器 　　三、電源 　　四、反饋系統(tǒng) 　　五、實踐與思考 第二章　樂高機器人組件和常用編程工具 　第一節(jié)　樂高組件的基本尺寸 　第二節(jié)　組件和種類 　第三節(jié)　樂高機器人使用的編程軟件 　　一、bricx command center 　　二、robolab 2．9 　　三、robot c 　　四、lego mindstorms education nxt programming 　　五、實踐與思考 第三章　搭建技巧與常見的機械傳動方式 　第一節(jié)　樂高機器人搭建 　　一、結(jié)構(gòu)與功能模塊設(shè)計 　　二、結(jié)構(gòu)與載重 　第二節(jié)　機械傳動方式 　　一、齒輪傳動 　　二、鏈傳動 　　三、滑輪和皮帶傳動 　　四、蝸輪蝸桿傳動 　　五、平面連桿傳動 　　六、差動機構(gòu) 　　七、實踐與思考 　第三節(jié)　機器人的行走方式 　　一、四輪驅(qū)動裝置 　　二、萬向輪 　　三、機器人轉(zhuǎn)向方式 　　四、用腿行走 　　五、實踐與思考 　第四節(jié)　觸角和傳感器的安裝 　　一、簡單的觸角 　　二、杠桿型觸角 　　三、夾子和爪 　　四、實踐與思考 第四章　樂高機器人常用傳感器和輸出設(shè)備 　第一節(jié)　樂高機器人常用傳感器 　　一、光傳感器 　　二、觸動傳感器 　　三、聲音傳感器 　　四、超聲波傳感器 　　五、內(nèi)置角度傳感器 　　六、溫度傳感器 　第二節(jié)　樂高機器人輸出設(shè)備 　　一、驅(qū)動器 　　二、lcd顯示屏 　　三、蜂鳴器 　　四、燈光 　　五、實踐與思考 第五章　為機器人編寫程序 　第一節(jié)　軟件編程環(huán)境 　　一、軟件菜單 　　二、軟件面板介紹 　　三、數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)線 　　四、藍(lán)牙通信的設(shè)置 　　五、下載與運行程序 　第二節(jié)　輸出模塊 　　一、馬達(dá)模塊 　　二、行走模塊 　　三、聲音模塊 　　四、顯示模塊 　　五、發(fā)送信息模塊 　　六、燈光顯示模塊 　　七、實踐與思考 　第三節(jié)　結(jié)構(gòu)模塊 　　一、等待模塊 　　二、循環(huán)模塊 　　三、分支模塊 　　四、終止模塊 　　五、實踐與思考 　第四節(jié)　傳感器模塊 　　一、觸動傳感器模塊 　　二、聲音傳感器模塊 　　三、光傳感器模塊 　　四、超聲波傳感器模塊 　　五、按鈕模塊 　　六、內(nèi)置角度傳感器模塊 　　七、計時器模塊 　　八、藍(lán)牙接收模塊 　　九、溫度傳感器模塊 　　十、第三方傳感器 　　十一、實踐與思考 　第五節(jié)　數(shù)據(jù)模塊 　　一、比較模塊 　　二、邏輯模塊 　　三、運算模塊 　　四、隨機模塊 　　五、范圍模塊 　　六、變量模塊 　　七、子程序模塊 　　八、實踐與思考 　第六節(jié)　高級模塊 　　一、數(shù)字文本轉(zhuǎn)換模塊 　　二、文本模塊 　　三、文件存取模塊 　　四、校準(zhǔn)模塊 　　五、實踐與思考 第六章　機器人在實驗中的應(yīng)用 　第一節(jié)　數(shù)據(jù)采集的方法 　第二節(jié)　數(shù)據(jù)采集在實驗中的應(yīng)用 　　一、利用藍(lán)牙和超聲波傳感器測量距離 　　二、測量物體運動的速度 　　三、利用nxt驗證牛頓第二定律測量 　　四、利用nxt進(jìn)行聲音速度測量 　　五、利用nxt測量重力加速度 　　六、利用nxt制作測。量儀測量 附錄　機器人構(gòu)建圖示 參考文獻(xiàn)及參考網(wǎng)站

章節(jié)摘錄

插圖：機器人是20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一。機器人已在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且正以驚人的速度向軍事、醫(yī)療、服務(wù)、娛樂等非工業(yè)領(lǐng)域擴展。在計算機技術(shù)和人工智能科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了“智能機器人”的概念。智能機器人是具有感知、思維和行動功能的機器，是機構(gòu)學(xué)、自動控制、計算機、人工智能、微電子學(xué)、光學(xué)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)、仿生學(xué)等多種學(xué)科和技術(shù)的綜合成果。智能機器人可獲取、處理和識別多種信息，自主地完成較為復(fù)雜的操作任務(wù)，比一般的工業(yè)機器人具有更大的靈活性、機動性和更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。在核工業(yè)、水下、空間、農(nóng)業(yè)、工程機械（地上和地下）、建筑、醫(yī)用、救災(zāi)、排險、軍事、服務(wù)、娛樂等方面，可代替人完成各種工作。同時，智能機器人作為自動化、信息化的裝置與設(shè)備，完全可以進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)世界，發(fā)揮更多、更大的作用。近幾年機器人的發(fā)展有以下趨勢。①工業(yè)機器人的性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從1991年的10.3 萬美元降至1997年的6.5 萬美元。②機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問世。③工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件采用模塊化結(jié)構(gòu)，集成度高，提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。④機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。⑤虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。⑥當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室，進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。⑦機器人化機械開始興起。從1994年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，各國紛紛探索、開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。

編輯推薦

《機器人結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計》是教育部“技術(shù)教育創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃”項目組推薦教材之一。

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