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

1、第九章樂高機(jī)器人機(jī)電一體化創(chuàng)新設(shè)計1.一、創(chuàng)新設(shè)計與實驗的目的1、培育學(xué)生用發(fā)明性思想方法，設(shè)計、搭建新型的機(jī)構(gòu)或安裝；2、引導(dǎo)學(xué)生運用樂高機(jī)器人套件，設(shè)計、制造智能機(jī)器人，提高學(xué)生的察看分析、動手、發(fā)明才干，培育學(xué)生的參與、競爭、實際與協(xié)作認(rèn)識；3、加強學(xué)生對機(jī)電一體化的實際認(rèn)識，培育學(xué)生的創(chuàng)新認(rèn)識及綜合設(shè)計才干，并經(jīng)過設(shè)計樂高機(jī)器人實現(xiàn)計算機(jī)和機(jī)器人控制的快速入門。2.二、原 理 樂高“課堂機(jī)器人是一種優(yōu)秀的科技教育產(chǎn)品，這一獨創(chuàng)性的教育工具是由美國麻省理工學(xué)院(MIT)、美國TUFTS大學(xué)、樂高公司和美國國家儀器公司(NI)共同開發(fā)研討的，它將模型搭建和計算機(jī)編程有效地結(jié)合在一同，使學(xué)生

2、可以設(shè)計本人的機(jī)器人，在計算機(jī)上編寫程序，然后經(jīng)過與計算機(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RCX的開關(guān)，機(jī)器人就可以完全脫離計算機(jī)，按下載程序的指令獨立運動起來。例如經(jīng)過運用光電傳感器，學(xué)生可以讓機(jī)器人沿著一定的道路前進(jìn)、或繞某一物體轉(zhuǎn)動、或是藏在暗處等。 3.二、原 理 樂高機(jī)器人由機(jī)械構(gòu)造件、控制器、電機(jī)、傳感器等多個模塊組成，采用搭積木方式搭建，硬件就是積木，軟件采用圖形化編程言語，不涉及單片機(jī)匯編言語與機(jī)器碼編程。這就使系統(tǒng)實際教學(xué)，擺脫了單片機(jī)言語、電路構(gòu)造、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)并展現(xiàn)系統(tǒng)功能。讓學(xué)生自動表達(dá)設(shè)計思想，了解

3、系統(tǒng)設(shè)計原理，更好地關(guān)注于創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計以及機(jī)電一體化系統(tǒng)集成。4.三、儀器與設(shè)備 樂高積木有兩千多個各種外形的積木組件，有足夠的零件讓他完成他的想象，更重要的是，這些積木組件都按同一規(guī)范嚴(yán)厲設(shè)計、消費，一切積木都是可兼容的。它根據(jù)的規(guī)范就是樂高單位，而且積木有嚴(yán)厲的質(zhì)量堅持，樂高積木模具公差僅為0. 005mm?？梢郧擅畹乩脴犯叻e木的特點梁、塊、板和孔之間的關(guān)系完善他的構(gòu)造，完成他獨一無二的設(shè)計。 5.1. 支承元件6.2. 傳動元件7.2. 傳動元件8.3. 動力元件樂高馬達(dá)內(nèi)置多級減速傳動鏈 9.屬 性 高速馬達(dá) 低速馬達(dá) 微馬達(dá) 最大電壓 9VDC 9VDC 9VDC 最小電流（無負(fù)載

4、） 100mA 10mA 5mA 最大電流（stall） 450mA 250mA 90mA 最大速度（無負(fù)載） 4000rpm 300rpm 30rpm 在一般負(fù)載下的速度 2500rpm 200rpm 25rpm 10.馬達(dá)銜接RCX的AC輸出端口?？山?jīng)過軟件編程對馬達(dá)進(jìn)展如下控制：1.正向旋轉(zhuǎn)，停頓；2.反向旋轉(zhuǎn)，停頓；3.改動旋轉(zhuǎn)方向；4.加速或減速。11.4. 傳感器觸動傳感器 光電傳感器 角度傳感器 目前，樂高機(jī)器人提供四種規(guī)范傳感器：光電、溫度、角度及觸動傳感器。12.觸動傳感器：觸動開關(guān) 需銜接到RCX輸入端或樂高8路輸入和輸出接口中黃色輸入通道()。 類型和供電要求:無源數(shù)字傳

5、感器 典型運用和闡明:實例1：當(dāng)機(jī)器人碰到妨礙物時，控制機(jī)器人后退、轉(zhuǎn)彎。實例2：在電梯模型中，可以作為樓層的觸動按鈕。13.溫度傳感器 需銜接到RCX輸入端或樂高8路輸入和輸出接口板上的黃色輸入通道。丈量范圍：-20C+50C 類型和供電要求:無源模擬傳感器 典型運用和闡明:實例1：觀測一杯熱水散熱時溫度的變化。實例2：當(dāng)溫度到達(dá)一定值時，控制馬達(dá)轉(zhuǎn)動。14.光電傳感器 傳感器測試范圍0.6Lux(0%) 760Lux(100%)。利用該傳感器，他可以： -經(jīng)過檢測光強變化計數(shù) -經(jīng)過測試反向光強來區(qū)分顏色 -丈量一個光源的光強 類型和供電要求:有源模擬傳感器 典型運用和闡明:實例1：沿黑線

6、機(jī)器人；實例2：在交通模型中，控制路燈在晚上自動翻開；實例3：丈量房間光線的分布，調(diào)查房間照明能否合理。在競速賽時，拍攝數(shù)字圖片。 15.角度/位置傳感器 可銜接到RCX輸入端或樂高8路輸入和輸出接口板上的藍(lán)色輸入通道。利用這個傳感器，他可以： -測試旋轉(zhuǎn)方向 -發(fā)送一個運動，丈量旋轉(zhuǎn)位置 留意：不要將馬達(dá)直接聯(lián)接到位置傳感器，否那么會大大縮短傳感器運用壽命。 類型和供電要求:有源數(shù)字傳感器 典型運用和闡明:實例1：丈量車子走過的間隔；實例2：獲取機(jī)械手臂的位置；實例3：獲取電梯到達(dá)的位置。16.DCP 在實踐運用中，需求采集不同的物理量以實現(xiàn)不同的目的，4種傳感器能夠不夠。為此，樂高與DCP

7、公司協(xié)作開發(fā)了LEGO DCP適配器，可將DCP公司的工業(yè)傳感器與RCX銜接起來，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，讓您的機(jī)器人更好地呼應(yīng)外部環(huán)境。除了DCP傳感器，假設(shè)感興趣，他還可以根據(jù)需求，開發(fā)本人的傳感器，與RCX銜接，讓他的機(jī)器人更好地覺得外部世界。 17.其它傳感器1電壓傳感器：丈量范圍：電壓25V，內(nèi)阻抗：410k 2溫度傳感器：可以丈量-30C 130C溫度3濕度傳感器：可以丈量0100%的相對濕度溫度范圍-20度到80度4旋轉(zhuǎn)/位移傳感器：360旋轉(zhuǎn)，可測3405空氣壓力傳感器：0200KPa約0-30psi6聲音傳感器：丈量范圍為：

8、50dB-100dBA加權(quán)7pH值傳感器適配器：與pH值電極配合運用，25C時每pH值的輸出為59.1mV。8REDOX適配器：高阻抗電壓適配器，用于銜接其他傳感器或設(shè)備。電壓范圍為：+/-1250mV9光度傳感器：對光強度具有較高的分辨，丈量范圍為025000Lux.10DESIGNER傳感器套件：包括數(shù)字、模擬傳感器，測直流電壓，丈量范圍為：02.5V11線性加速計傳感器：加速范圍為-50m/s/s50m/s/s，斜度為-90+9012電流傳感器：如下圖，4mm插槽及電纜，可以交換插口、探針及夾子，可丈量-1A+1A的直流18.5. RCX微型電腦 RCX微型電腦是樂高機(jī)器人不可短少的大腦

9、，是它將普通的模型轉(zhuǎn)換成智能機(jī)器人。經(jīng)過不同的傳感器，RCX可以接納外界環(huán)境的變化，進(jìn)展處置和運算后，輸出指令來控制機(jī)器人的動作。 RCX是美國麻省理工學(xué)院多媒體實驗室研討多年的成果，是一個嵌入式系統(tǒng)，或者說是一個小型電腦。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有本人的類似WINDOWS的操作平臺，可以用多種高級編程言語來控制RCX，而單片機(jī)只能運用匯編言語。 19.The RCX RCX帶有本人的喇叭，可以播放6種不同的腔調(diào)。經(jīng)過紅外通訊，RCX可以：接納電腦上編寫的程序。將采集在內(nèi)存的數(shù)據(jù)上傳到電腦進(jìn)展分析。和另一個RCX進(jìn)展通訊，方便制做大型智能系統(tǒng)。 20.燈 銜接R

10、CX的AC輸出端口?？山?jīng)過軟件編程對燈進(jìn)展如下控制：1.開關(guān)；2.以用戶定義的時間頻率閃爍；3.改動發(fā)光強度。21.蜂鳴器 銜接RCX的AC輸出端口?？山?jīng)過軟件編程對蜂鳴器進(jìn)展如下控制：1.開關(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，才干使其呼應(yīng)實踐聲音。22.6. IR紅外發(fā)射儀 將電腦程序下載到RCX，是電腦和RCX不可短少的銜接。有2種類型：USB接口：必需運用ROBOLAB版本2.5以上串口： RS232接口，可以兼容一切ROBOLAB版本。 串口發(fā)射儀 USB發(fā)射儀23.7. 銜接導(dǎo)線、軸套類零件與其它輔助元件24.8. 編程ROBOLAB軟件 為樂高機(jī)器人編寫程

11、序的ROBOLAB軟件是一個低起步，高開展，直觀易學(xué)的圖形化編程環(huán)境，是以美國國家儀器公司的LabVIEW為根底開發(fā)的。1997年諾貝爾物理獎獲得者William D. 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驗。25. LabVIEW采用圖形化編程方式，產(chǎn)生的程序是框圖的方式，對于運用者來說，編程就像設(shè)計流程圖一樣，在很短的時間內(nèi)就可以學(xué)會。 由于 LabVIEW明顯提高了科研和消費效率, 它在航天航空、通訊、汽車、半導(dǎo)體和生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域很快得到廣泛運用。 樂高公司經(jīng)過和美國國家儀器公司，美國TUFTS大學(xué)的友好協(xié)作，開發(fā)了基于LabVIEW的機(jī)器

12、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場編寫程序，領(lǐng)會計算機(jī)的威力。26. ROBOLAB有200多個編程模塊,可以完成常見編程言語，如C/C+或VisualBasic等軟件的功能。學(xué)生在計算機(jī)上為機(jī)器人編寫好程序，程序一旦下載到RCX，機(jī)器人就脫離計算機(jī)，根據(jù)程序指令，按照周圍環(huán)境的輸入信息來行動，完全智能化。當(dāng)然，假設(shè)機(jī)器人未按預(yù)先設(shè)計的行動，即程序編寫不夠完善時，可以在計算機(jī)上修正源程序，再下載，運轉(zhuǎn)機(jī)器人進(jìn)展測試，直到機(jī)器人完全按要求任務(wù)為止。 27. ROBOLAB軟件分為編程者(Programmer)和研討者(Investigator)兩

13、部分, 可以在ROBOLAB開場運用的第一用戶界面選擇. 編程者主要用于控制機(jī)器人, 而研討者添加了數(shù)據(jù)采集和分析功能，用于學(xué)科實驗。 ROBOLAB最突出的優(yōu)點是提供不同的編程級別, 例如機(jī)器人編程者分為 “導(dǎo)航者和 “發(fā)明家. “導(dǎo)航者級別提供的編程環(huán)境和例子較為簡單，適宜初學(xué)者；它為初學(xué)者提供了固定的編程模塊，他可以在這里用鼠標(biāo)點擊圖標(biāo)模塊并在下拉圖標(biāo)模塊中選取所需圖標(biāo)來完成。發(fā)明家級別那么提供全部的控制才干。這兩個級別均包含四個等級，從淺到深。 28.四、實驗前的預(yù)備任務(wù) 1.按模型組合包設(shè)備清單清點模型零件，并按類型分類置放于裝料盤中；2.仔細(xì)閱讀模型組合包操作手冊；3.按組裝指點圖

14、搭接模型，掌握組合模型的拼接方法；4.熟習(xí)動力元器件的裝配、銜接方法；包括：電動機(jī)、傳感器、變壓器、氣動元件、各種開關(guān)等； 5. 熟習(xí)組合包配備的軟件Robolab及接口。29.五、實驗內(nèi)容與步驟 機(jī)器人的制造是一個循序漸進(jìn)的過程，首先他需求確立目的：他需求一個什么樣的機(jī)器人？接著需求設(shè)計和搭建，然后在電腦上運用ROBOLAB為機(jī)器人編寫程序，經(jīng)過紅外發(fā)射器將程序下載到RCX上。下載勝利后，RCX就可以脫離計算機(jī)自動運轉(zhuǎn)。最后是測試他的機(jī)器人，能否實現(xiàn)了他的目的？哪些需求改良？回到第一步，改良他的機(jī)器人。 在這個過程中，需求學(xué)生發(fā)揚本人的創(chuàng)作才干，綜合利用各種知識，還有充分發(fā)揚團(tuán)隊協(xié)作精神。

15、30.31.第一步：設(shè)計與搭建機(jī)器人樂高機(jī)器人套件認(rèn)知、察看，了解其種類、作用等相關(guān)信息； 選題，確定設(shè)計目的，制定設(shè)計方案，進(jìn)展義務(wù)分工；運用樂高機(jī)器人套件，組裝智能機(jī)器人。 32. RCX微型電腦是由MIT開發(fā)的，是樂高機(jī)器人系統(tǒng)的中心部分。運用ROBOLAB軟件及RCX，學(xué)生們可以發(fā)明、搭建、編程真正的機(jī)器人，讓它運動、做動作、甚至本人去“想。 為RCX編寫程序，經(jīng)過各種輸入傳感器與輸出馬達(dá)與燈等對周圍環(huán)境做出呼應(yīng)。33.第二步：在PC機(jī)上為機(jī)器人編寫程序 為RCX編寫控制程序的ROBOLAB軟件是一個簡單、直觀、易學(xué)的編程環(huán)境，是以美國國家儀器公司的LabVIEW，流行于丈量和自動化領(lǐng)

16、域的圖形化編程軟件為根底開發(fā)的。ROBOLAB軟件具有一切通用編程環(huán)境，如C/C+或VisualBasic等軟件的功能。在計算機(jī)上為機(jī)器人編寫好程序，程序一旦下載到RCX，機(jī)器人就脫離計算機(jī)，根據(jù)程序指令，按照周圍環(huán)境的輸入信息來做出判別，決議下一步如何行動。完全智能化。34. 美國國家儀器NI公司的LABVIEW軟件： 1997年，美國太空總署在監(jiān)測其飛船著陸、定位、位置、運轉(zhuǎn)情況等時，運用了LabVIEW軟件。LabVIEW軟件是一功能強大、設(shè)計完美的編程環(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，并被廣泛運用。是測控領(lǐng)域倍受歡迎的軟件開發(fā)工具，運用于生物醫(yī)學(xué)、航空航天、能源研討

17、等各個領(lǐng)域，用于數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析與處置等。 35.第三步：下載程序到RCX RCX經(jīng)過IR紅外發(fā)射儀與計算機(jī)通訊。運用ROBOLAB編程軟件在計算機(jī)上編寫好編程，然后，經(jīng)過與計算機(jī)串口機(jī)相連的IR發(fā)射儀下載到RCX。IR與RCX經(jīng)過無線紅外方式通訊。 36. 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言語表達(dá)為一個個圖標(biāo)。編程時我們只需求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，這樣就可以完成程序編寫，實現(xiàn)復(fù)雜的軟件設(shè)計。37. 下面，我們用單片機(jī)的匯編言語來與ROBOLAB做個比較。同樣是完成RCX賦值，直接對RCX的微處置器H8編寫程序要復(fù)雜許多，編寫時不但要留意語句順序，甚至標(biāo)點符號也不能錯。而經(jīng)過RCX操作系統(tǒng)運用ROBOLAB，他只需求懂得怎樣運用幾個圖標(biāo)。 圖形化言語ROBOLAB功能強大，設(shè)