信息技術（拓展模塊）-信息終端操作與維護課件 專題8 項目1 簡易機器人組裝調(diào)試VIP

專題8機器人操作信息技術項目1簡易機器人組裝調(diào)試任務1搭建簡易機器人任務2編制機器人程序任務3控制機器人避障任務4實現(xiàn)機器人巡航

項目背景在人工智能及模式識別技術迅猛發(fā)展的今天，各式各樣的機器人應運而生。小小對機器人充滿了好奇，在老師指導下，決定自己組裝調(diào)試一臺簡易機器人。

項目分析組裝調(diào)試簡易機器人，首先要在了解簡易機器人相關知識的基礎上，根據(jù)需求選用控制器、馬達和車輪等部件完成簡易機器人搭建，隨后根據(jù)需求編制控制程序并導入機器人控制器，進而控制簡易機器人實現(xiàn)移動、避障、巡航等功能。項目結構如圖8-1-1所示。

學習目標?了解機器人的相關知識。?熟悉簡易機器人的構成部件。?會設計和組裝簡易機器人。?能通過程序控制機器人的運動。搭建簡易機器人任務描述任務分析任務準備任務實施任務1任務延伸市面上的簡易機器人種類較多，但功能、結構類似，小小需要選取適合的簡易機器人部件，進行手動搭建。任務描述任務1搭建簡易機器人搭建簡易機器人，先要了解簡易機器人相關知識，并熟悉簡易機器人各個組裝部件及功能，其次要掌握簡易機器人的控制方法。任務分析任務1搭建簡易機器人1.簡易機器人簡易機器人是機器人的一種，通常由簡單的機械結構和簡單的電路結構結合構成，其價格低廉，適合初學者使用，可廣泛運用于機器人教學和科研。簡易機器人和商業(yè)機器人的對比如表8-1-1所示。任務準備任務1搭建簡易機器人2.簡易機器人的組成任務準備任務1搭建簡易機器人

簡易機器人主要由傳感器、控制器和機械部件三大部件構成。傳感器由攝像頭和各類感知傳感器件組成，主要負責感知周圍的環(huán)境信息；控制器由智能控制部件及軟件系統(tǒng)組成，用來控制各部件協(xié)調(diào)工作；機械部件由車輪和馬達組成，負責執(zhí)行驅動動作。（1）傳感器

傳感器是機器人的重要組成部件，分為內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊，用于獲取內(nèi)部和外部環(huán)境中有用的信息，常用的有測距傳感器、方向傳感器、聲敏傳感器、顏色傳感器等。傳感器可以提高機器人的認知能力、適應能力和智能化水平。常見簡易機器人傳感器如表8-1-2所示。2.簡易機器人的組成任務準備任務1搭建簡易機器人2.簡易機器人的組成任務準備任務1搭建簡易機器人（2）控制器控制器是一種微型計算機，它相當于機器人的大腦和中樞神經(jīng)，根據(jù)傳感器件反饋回來的信號，按照編制好的程序指揮機器人的驅動部件去完成相應的運動和功能，如圖8-1-2所示。（3）機械部件

機械部件是為機器人提供動力的裝置，包括馬達、車輪等。根據(jù)采用的動力源不同，驅動方式主要有液壓驅動式、氣壓驅動式和電氣驅動式三種。簡易機器人的動力一般采用鋰電池驅動，即為電氣驅動式。任務實施任務1搭建簡易機器人簡易機器人常見結構部件見表8-1-3。選取合適的機器人結構部件，是裝配一臺簡易移動機器人的基礎。選取結構部件1任務實施任務1搭建簡易機器人選取結構部件1任務實施任務1搭建簡易機器人按照圖8-1-3所示選取簡易機器人結構部件進行裝配，并將控制器和驅動馬達以數(shù)據(jù)線連接。組裝簡易機器人2任務實施任務1搭建簡易機器人馬達M1和M2安裝位置是鏡像對稱的，如果同一順向旋轉時，就會出現(xiàn)一個向前、一個向后，為避免這種情況，需要在控制器中修改馬達方向。馬達設置界面如圖8-1-4所示，將馬達方向修改成一正一反。組裝簡易機器人2任務實施任務1搭建簡易機器人搭建出來的簡易機器人應該結構堅固，轉向自如，底盤與地面有一定高度差，機器重心適中，結構件之間的組合無松動現(xiàn)象，如圖8-1-5所示。調(diào)試結構3任務延伸任務1搭建簡易機器人查閱資料了解模塊化機器人相關知識，了解模塊化機器人的應用領域。編制機器人程序任務描述任務分析任務準備任務實施任務2任務延伸簡易機器人裝配好以后還不能移動，這就需要為機器人編制控制程序，讓程序控制機器人移動。任務描述任務2

編制機器人程序要讓簡易機器人“動起來”，就需要使用編程軟件編制機器人控制程序，這些程序能讓機器人根據(jù)預設進行移動，變得有“思想”。本任務中先使用編程軟件編制控制程序，然后將程序裝入機器人的控制器中，最后根據(jù)程序運行及機器人運行的狀況來不斷調(diào)試程序，讓機器人運動起來。任務分析任務2

編制機器人程序1.機器人編程軟件任務準備任務2

編制機器人程序

機器人編程軟件較多，在專業(yè)應用領域的有RobotMaster、Robcad、RobotExpert等，而簡易機器人使用的編程軟件通常是可視化的，有RoboEXP、慧編程、V-REP等。其中RoboEXP又稱為機器人快車，是由中鳴機器人公司出品的一款機器人編程軟件，軟件界面分為菜單欄、工具欄、模塊庫、編程區(qū)，以及屬性、代碼、變量窗口五大區(qū)域，如圖8-1-6所示。1.機器人編程軟件任務準備任務2

編制機器人程序機器人編程軟件較多，在專業(yè)應用領域的有RobotMaster、Robcad、RobotExpert等，而簡易機器人使用的編程軟件通常是可視化的，有RoboEXP、慧編程、V-REP等。其中RoboEXP又稱為機器人快車，是由中鳴機器人公司出品的一款機器人編程軟件，軟件界面分為菜單欄、工具欄、模塊庫、編程區(qū)，以及屬性、代碼、變量窗口五大區(qū)域，如圖8-1-6所示。2.簡易機器人編程軟件操作方法任務準備任務2

編制機器人程序

簡易機器人編程軟件大多是圖形化的。機器人快車遵循自上向下的編程邏輯思維過程，只需簡單排列拖放各功能模塊圖標，繪制出程序圖，即可自動生成可視化源代碼，讓初學者快速了解機器人工作方式與控制方式，同時培養(yǎng)編程思維。以“連接馬達”編程為例，操作方法如下：（1）調(diào)用模塊

在菜單欄中選擇“文件”的“新建”命令，在彈出的對話框中輸入程序名稱，如圖8-1-7所示，然后選擇“執(zhí)行模塊”庫中的“馬達”模塊并拖動到編程區(qū)，如圖8-1-8所示。2.簡易機器人編程軟件操作方法任務準備任務2

編制機器人程序（2）實現(xiàn)控制

此時馬達圖標為黑灰色，表示沒有控制功能，這就需要將開始（運行）圖標和馬達圖標連接起來才能真正控制馬達。單擊開始（運行）圖標，圖標的右上角變黑之后，再單擊這個邊角后移動鼠標，會出現(xiàn)紅色虛線，然后移動鼠標到另一個圖標左側單擊即可完成連接，如圖8-1-9所示。任務實施任務2

編制機器人程序訪問中鳴機器人官方網(wǎng)站，找到“機器人快車”軟件進行下載，如圖8-1-10所示。下載后根據(jù)提示進行安裝并運行。下載安裝軟件1任務實施任務2

編制機器人程序編制馬達運動程序2（1）調(diào)用馬達模塊

從機器人快車軟件左側的圖標框中，拖動馬達圖標到編程區(qū)，雙擊馬達圖標彈出馬達屬性窗口，其中端口和速度都可以修改，如圖8-1-11所示。任務實施任務2

編制機器人程序編制馬達運動程序2（2）設置馬達功能

設置馬達M1速度為“100”、M2速度為“100”，機器人就可以全速前進。如果想讓機器人轉彎或轉向，可以將兩個馬達的速度設置為一快一慢，速度差值越大，轉彎速度就越快。如果將其中一個馬達的速度設置為0，機器人就會在原地進行單輪轉向，如圖8-1-12所示。任務實施任務2

編制機器人程序編制馬達運動程序2（3）裝入控制器

單擊工具欄中的“下載”按鈕，或者按快捷鍵F10，將程序傳輸?shù)綑C器人的控制器上。注意：當出現(xiàn)下載的對話框時，再打開控制器的電源按下左側“下載”按鈕，如圖8-1-13所示。任務實施任務2

編制機器人程序編制馬達運動程序2（4）設置馬達持續(xù)運動

由于程序的運行速度非?？?，在編制的程序中，馬達運轉很短的時間就會停止。要讓機器人持續(xù)地運轉，必須要設置循環(huán)結構使程序不斷循環(huán)執(zhí)行。在機器人快車軟件左側的“流程控制”和“內(nèi)置模塊”處分別找到“循環(huán)”圖標和“等待”圖標并拖入到編程區(qū)，并將“循環(huán)”和“等待”圖標連接到程序中，使車體循環(huán)執(zhí)行相應操作。如圖8-1-14所示，表示讓車體循環(huán)執(zhí)行原地轉彎5秒，再原地旋轉5秒。任務實施任務2

編制機器人程序功能調(diào)試3

將程序載入機器人控制器后進行功能調(diào)試，通常分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩方面。硬件調(diào)試包括檢查電池、車輪、馬達等，如果硬件正常，再根據(jù)機器人的運行情況，來檢測軟件的流程及參數(shù)設置。任務延伸任務2

編制機器人程序通過網(wǎng)絡查閱相關資料，了解機器人按軌跡運行的相關知識，并與其他同學分享?？刂茩C器人避障任務描述任務分析任務準備任務實施任務3任務延伸移動機器人行駛在道路上，不可避免地會遇到很多物體，在行駛中能否識別障礙物并做出避讓是關系到行人是否安全的重要環(huán)節(jié)。通過前兩個任務，已經(jīng)完成了簡易移動機器人的裝配，并用程序實現(xiàn)馬達控制簡易機器人移動，接下來需要實現(xiàn)簡易機器人的自動避障功能。任務描述任務3

控制機器人避障傳感器可以使機器人識別周圍的障礙物并計算與障礙物之間的距離，根據(jù)距離和自身的速度判斷是否要進行避讓。在本任務中，首先要了解傳感器的種類及其應用范圍，然后根據(jù)實際情況選擇合適的傳感器，最后實現(xiàn)自動避障功能。任務分析任務3

控制機器人避障1.超聲波傳感器任務準備任務3

控制機器人避障

超聲波傳感器的工作原理和蝙蝠的回聲定位方式是一樣的，它在工作時會發(fā)出人耳聽不見的超聲波，超聲波在接觸到障礙物時反射回來被傳感器接收。超聲波傳感器會記錄發(fā)射和接收的時間間隔，根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度（大約為340m/s），即可根據(jù)公式s=v·（t1-t2）計算出機器人與障礙物的距離。超聲波傳感器如圖8-1-15所示。2.避障程序界限值任務準備任務3

控制機器人避障

在編寫簡易移動機器人的避障程序前，需要明確程序可能涉及的情況。需要給移動機器人設定一個界限值，移動機器人在對前方障礙物進行測距時，當檢測距離大于界限值，判定為無障礙物，移動機器人前行；當檢測距離小于界限值，判定為有障礙物，移動機器人進行避讓，如圖8-1-16所示。1.組裝超聲波傳感器任務實施任務3

控制機器人避障

將超聲波傳感器連接并固定在移動機器人的前方，并用連接線接在控制器的P1端口，如圖8-1-17所示。2.分析避障程序結構任務實施任務3

控制機器人避障

移動機器人能夠智能避障，需要根據(jù)超聲波傳感器測定移動機器人與障礙物的距離值，并用距離值與設定的界限值進行對比。沒有達到界限值，機器人將繼續(xù)前進，達到或超過界限值，機器人就轉向或停止移動。

在避障的程序編寫中，要使用到條件分支結構。If-Else是由兩個英文單詞if和else組成的。if的中文意思是“如果”，else的中文意思是“否則”。機器人快車的If-Else圖標具有判斷功能，它被用來實現(xiàn)“如果判斷條件成立，就做某事；否則做其他事”。因此可以使用它來判斷某個條件是否成立，從而決定是否做某件事或做其他事。例如，要判斷車體是否碰撞到墻壁，就要使用這個模塊。根據(jù)程序編寫的語法定義，條件分支語句結束要跟END語句，表明條件分支語句結束。同樣，在圖形化的機器人快車中編制程序，If-Else結束時，要以IF-End圖標表明。任務實施任務3

控制機器人避障

如圖8-1-18所示，首先判斷程序流入到P（判斷條件）時，程序會依據(jù)條件表達式做出一個判斷。當條件成立時，執(zhí)行A部分；當條件不成立時，執(zhí)行B部分。3.編制機器人的避障程序任務實施任務3

控制機器人避障

結合上述分析情況，回到機器人快車軟件中將程序完善，如圖8-1-19所示。任務實施任務3

控制機器人避障

圖標連接完成后，仍需要對圖標進行設置，可在變量窗口新建一個變量var0，用于存放超聲波傳感器返回的數(shù)值。先右擊“超聲測距”圖標調(diào)出屬性窗口，將屬性窗口的mode值設置為“var0”（圖8-1-20）；再右擊If圖標，在判斷條件中輸入“var0>10”，如圖8-1-21所示。任務實施任務3

控制機器人避障將修改后的程序下載到控制器中并觀察效果，如圖8-1-22所示。4.調(diào)試運行任務實施任務3

控制機器人避障

（1）硬件調(diào)試

硬件調(diào)試可以先編制兩個簡單的程序，如左、右輪反方向轉動，在與距離障礙物一定的范圍內(nèi)讓機器人停下來等，查看硬件是否正常。（2）軟件調(diào)試

將編寫好的軟件載入機器人控制器中，根據(jù)機器人運動的情況來調(diào)試程序。機器人的調(diào)試，受環(huán)境影響很大，安裝、場地、環(huán)境光的不同都會影響機器人的運行，這需要開發(fā)者耐心地記錄每次調(diào)試運行的情況，然后根據(jù)實際情況做相應改進。任務延伸任務3

控制機器人避障

使用不同材質(zhì)、不同顏色的物品作為無人車的障礙物，檢驗不同物體對超聲波傳感器的反射有何影響。實現(xiàn)機器人巡航任務任務描述任務分析任務準備任務實施任務4任務延伸任務描述任務4

實現(xiàn)機器人巡航任務

人依靠眼睛可以輕易地識別道路的走向，同時做出反應，但這對于簡易機器人來說卻是一個挑戰(zhàn)，接下來小小將讓簡易機器人完成固定路徑的移動，即實現(xiàn)巡航功能。任務分析任務4

實現(xiàn)機器人巡航任務

路徑規(guī)劃，是指機器人自起點到終點順利、安全運行的路徑。要實現(xiàn)簡易機器人巡航功能，首先需要規(guī)劃路線，然后選擇多個傳感器組合，隨后將編寫的程序載入控制器中，最后進行功能調(diào)試。1.光電傳感器任務準備任務4

實現(xiàn)機器人巡航任務

光電傳感器有2個探頭，分別是反射探頭和接收探頭。在工作時，反射探頭會發(fā)出強光，遇到物體會被反射；接收探頭接收到反射光線的強度越弱，證明物體的顏色越深；反之越淺。從而實現(xiàn)讓光電傳感器“看見”不同深淺的環(huán)境光線。光電傳感器的原理是基于光從不同顏色的物體反射回來時，強弱是不一樣的，其中黑色的反射光最弱，白色的反射光最強，機器人將光的反射強弱用0~4096數(shù)值來表示。數(shù)值越大，反射光越強，說明光電傳感器“看見”的顏色越亮；數(shù)值越小，說明光電傳感器“看見”的顏色越暗。光電傳感器如圖8-1-23所示。2.巡航程序流程分析任務準備任務4

實現(xiàn)機器人巡航任務

在編寫機器人的巡航程序前，首先明確程序可能涉及的情況。安裝2個光電傳感器位于車體的左右兩側，機器人在運行時會出現(xiàn)3種情況：當機器人中心位置處于黑線上時，車體直行；當機器人中心位置處于黑線左側時，車體右轉以矯正位置；當機器人中心位置處于黑線右側時，車體左轉以矯正位置，如圖8-1-24所示。2.巡航程序流程分析任務準備任務4

實現(xiàn)機器人巡航任務

在程序編制時，還需要判斷2個或2個以上的條件是否成立，這就要求使用邏輯判斷?！芭c”“或”和“非”是程序在判斷時常用的邏輯用語。2個條件同時成立的情況，在程序邏輯上稱為“與”；兩個條件只要有一個條件成立就可行，在邏輯判斷上稱為“或”。在If-Else圖標屬性窗口中，除了基本的大于、小于和等于，下方還有“邏輯選擇框”，其包含邏輯“與”符號（表示為“&&”）、邏輯“或”符號（表示為“||”）這兩個選項。邏輯應用分析如圖8-1-25所示。1.組裝光電傳感器任務實施任務4

實現(xiàn)機器人巡航任務

將P1和P2兩個光電傳感器固定在車體的前方，并用連接線接在控制器的兩個傳感器連接端口，如圖8-1-26（a）所示。由俯視圖觀察可知，當光電傳感器P1與P2均無檢測到黑線時，說明機器人是正的，車體前進；當P1端口光電傳感器檢測到黑線時，說明機器人向右傾斜，馬達M2需要增大速度使其左轉；當P2端口光電傳感器檢測到黑線時，說明機器人向左傾斜，馬達M1需要增大速度使其右轉，如圖8-1-26（b）所示。2.編制巡航程序任務實施任務4

實現(xiàn)機器人巡航任務

編制巡航程序的參考步驟如下。步驟1：在機器人快車軟件左側光電傳感器模塊庫中找到“光電檢測（數(shù)字）”圖標，拖動至編程區(qū)中。步驟2：新建變量“l(fā)eft”和“right”用于存儲光電傳感器P1和P2返回的數(shù)據(jù)。步驟3：編寫光電傳感器均未檢測到黑線時的程序，判斷條件為“right==0&&left==0”，即變量“l(fā)eft”和“right”均不成立，如圖8-1-27所示。2.編制巡航程序任務實施任務4

實現(xiàn)機器人巡航任務

步驟4：程序增加剩余2種情況的判斷，如圖8-1-28所示。3.調(diào)試運行任務實施任務4

實現(xiàn)機器人巡航任務

將程序載入控制器后，測試功能，然后根據(jù)需求進行軟硬件調(diào)試。請自主編程，完成十字交叉路口轉彎的巡航控制，并畫出控制流程圖。

項目分享方案2由學生代表與指導教師組成項目評審組，各工作團隊制作匯報材料并進行答辯。方案1各工作團隊展示交流項目，談談自己的心得體會，并選派代表分享交流。

項目評價根據(jù)項目完成情況填涂表類

別內(nèi)

容評

分項目質(zhì)量1.各個任務的評價匯總2.項目完成質(zhì)量☆☆☆團隊協(xié)作1.團隊分工、協(xié)作機制及合作效果2.協(xié)作創(chuàng)新情況☆☆☆職業(yè)規(guī)范1.項目管理、實施環(huán)境規(guī)范2.項目實施過程、相關文檔的規(guī)范☆