機(jī)器人設(shè)計(jì)與應(yīng)用專題課件

機(jī)器人設(shè)計(jì)與應(yīng)用專題國立豐原高中郭再興機(jī)器人設(shè)計(jì)與應(yīng)用專題國立豐原高中郭再興學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本原理能瞭解流程圖概念，以及如何應(yīng)用於解決問題。藉由圖控式程式發(fā)展環(huán)境，以及控制機(jī)器人解決循跡問題，了解演算法流程控制的基本輸入、處理步驟、輸出等基本概念學(xué)習(xí)目標(biāo)了解機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本原理學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)迴圈結(jié)構(gòu)以及控制燈泡物件學(xué)習(xí)選擇結(jié)構(gòu)以及按鈕感應(yīng)器物件學(xué)習(xí)邏輯判斷物件(AND、OR、NOT、XOR)練習(xí)分析問題，包括輸入、輸出、資料處理方式。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)迴圈結(jié)構(gòu)以及控制燈泡物件學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)如何使用光感應(yīng)器製作循跡機(jī)器人學(xué)習(xí)使用超音波感應(yīng)器製作巡邏機(jī)器人以解決機(jī)器人克服難關(guān)問題為例，介紹如何解決各種機(jī)器人挑戰(zhàn)關(guān)卡，並從中應(yīng)用解題概念，做為問題解決的基本核心策略。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)如何使用光感應(yīng)器製作循跡機(jī)器人電腦解題教學(xué)工具電腦解題教學(xué)工具可程式化機(jī)器人可程式化機(jī)器人LEGOMindstormsNXTLEGOMindstormsNXT樂高機(jī)器人NXT

9797電機(jī)控制元件控制器伺服馬達(dá)感測器圖控式程式發(fā)展環(huán)境積木元件8樂高機(jī)器人NXT9797電機(jī)控制元件899

電機(jī)控制元件包含NXT控制器、伺服馬達(dá)、感應(yīng)器組成NXT控制器就像人的大腦，伺服馬達(dá)好比人的肌肉，提供動力，感應(yīng)器就像人的五官，偵測外界環(huán)境並轉(zhuǎn)換成數(shù)位資料，再傳送回NXT控制器，驅(qū)動伺服馬達(dá)做出反應(yīng)基本運(yùn)算模式

輸入->處理->輸出圖控式程式發(fā)展環(huán)境

電機(jī)控制元件包含NXT控制器、伺服馬達(dá)、感應(yīng)器組成選擇結(jié)構(gòu):若按下按鈕責(zé)執(zhí)行上半側(cè)的指令，反之則走下半側(cè)迴圈結(jié)構(gòu)開始物件屬性選擇結(jié)構(gòu):若按下按鈕責(zé)執(zhí)行上半側(cè)的指令，反之則走下半側(cè)迴圈程式虛擬碼while(true){ if(touch_sensor_is_pressed){ beep(); show_picture_on_screen() }}感測器若被壓下，則由喇叭播放音效，螢?zāi)灰矔@示笑臉畫面，學(xué)生在此可學(xué)到基本程式撰寫方法，以及三種基本流程程式虛擬碼閃黃燈程式挑戰(zhàn)題目--製作閃黃燈程式展示事先錄製的閃黃燈影片依照建構(gòu)圖，將零件組合完畢閃黃燈程式挑戰(zhàn)題目--製作閃黃燈程式範(fàn)例程式說明範(fàn)例程式說明紅綠燈程式挑戰(zhàn)題目--製作紅綠燈程式展示事先錄製的紅綠燈影片依照建構(gòu)圖，將零件組合完畢紅綠燈程式挑戰(zhàn)題目--製作紅綠燈程式程式說明程式執(zhí)行原理，與之前的閃黃燈程式相同，依序是:點(diǎn)亮連接PortA的綠燈->等3秒鐘->熄滅PortA綠燈點(diǎn)亮連接PortB的黃燈->等1秒鐘->熄滅PortB的黃燈點(diǎn)亮連接PortC的紅燈->等4秒鐘->熄滅PortC的紅燈程式說明程式執(zhí)行原理，與之前的閃黃燈程式相同，依序是:閃黃燈變換紅綠燈使用感測器控制閃黃燈切換紅綠燈展示事先錄製的影片依照建構(gòu)圖，將零件組合完畢閃黃燈變換紅綠燈使用感測器控制閃黃燈切換紅綠燈選擇結(jié)構(gòu)說明選擇結(jié)構(gòu)概念設(shè)定各種感測器條件討論並實(shí)作選擇結(jié)構(gòu)說明選擇結(jié)構(gòu)概念程式說明選擇結(jié)構(gòu)(switch)最簡單的用法，就是判斷感測器輸入的資料是否符合預(yù)期，例如上圖中就是判斷接在Port1的按鈕感測器是否被壓下，若條件成立則程式走上半部，反之則走下半部。程式說明選擇結(jié)構(gòu)(switch)最簡單的用法，就是判斷感測器其他感測器設(shè)定下圖為光感應(yīng)器偵測到光線亮度大於50%時，條件為真下圖為超音波感應(yīng)器偵測到物體距離小於15cm時，條件為真其他感測器設(shè)定下圖為光感應(yīng)器偵測到光線亮度大於50%時，條件下圖為光感應(yīng)器偵測到光線亮度大於50%時，條件為真下圖為光感應(yīng)器偵測到光線亮度大於50%時，條件為真延伸討論程式編輯的技巧(copy-paste、捲動程式)將程式改成超音波感測，這樣有路人站立在路口時，不用按鈕也能自動感應(yīng)，控制燈號進(jìn)入紅綠燈狀態(tài)將條件設(shè)定改成聲控的話，那麼路人站在路口時，就可以用聲音的方式啟動控制也請同學(xué)們想想看還有哪些變化，可以擴(kuò)充控制的方式延伸討論程式編輯的技巧(copy-paste、捲動程式)電子搶答機(jī)引起動機(jī)--益智類型電視節(jié)目搶答問題說明--電子搶答機(jī)依照建構(gòu)圖，將零件組合完畢說明使用邏輯物件控制迴圈下圖程式若按下Port1或Port2所接的按鍵(也就是按下任何一個按鍵)，無窮迴圈就會被中斷電子搶答機(jī)引起動機(jī)--益智類型電視節(jié)目搶答使用邏輯物件控制迴圈迴圈物件，可以設(shè)定為無窮迴圈(forever)，下圖是設(shè)定成當(dāng)邏輯輸入為true時迴圈中止迴圈內(nèi)的前兩個物件，負(fù)責(zé)偵測Port1按鈕、Port2按鈕是否被按下使用邏輯物件控制迴圈迴圈物件，可以設(shè)定為無窮迴圈(forev若按鈕被按下，|則綠色的線會送出true的訊號，由迴圈內(nèi)的第三個物件(邏輯物件)匯整後作出判斷(本例為OR)若按鈕被按下，|則綠色的線會送出true的訊號，由迴圈內(nèi)的第常用的邏輯判斷AND運(yùn)算：只有兩個輸入值都為“真”時結(jié)果才為“真”；其他情況輸出結(jié)果都為“假”O(jiān)R運(yùn)算：兩個輸入值至少一個為“真＂，輸出結(jié)果則為“真＂；否則輸出結(jié)果為“假＂XOR運(yùn)算：兩個輸入值相同則輸出為”假”，兩個輸入值相異則輸出為”真”，可以用簡單口訣幫助記憶”同性相斥、異性相吸”NOT運(yùn)算：取相反值若輸入“真＂，則輸出”假”，若輸入“假＂，則輸出”真”常用的邏輯判斷AND運(yùn)算：OR運(yùn)算：XOR運(yùn)算：NOT程式解說先暫停程式2秒鐘，點(diǎn)亮PortB燈接著進(jìn)入迴圈，若Port1按鈕或Port2按鈕被按下，則迴圈中止緊接著立刻判斷是哪一個按鈕被按下若是Port1按鈕被按下，則點(diǎn)亮PortA燈若是Port1按鈕未被按下，接著再判斷若Port2按鈕被按下，則點(diǎn)亮PortC燈程式解說先暫停程式2秒鐘，點(diǎn)亮PortB燈延伸討論問題1:先判斷Port1按鈕，接著才判斷Port2按鈕，是否不公平?問題2:是否會出現(xiàn)誤判?是否有別的程式寫法?

延伸討論問題1:先判斷Port1按鈕，接著才判斷Port2三輪自走車三輪自走車自走車組合基本車身前進(jìn)後退控制馬達(dá)前近一小段距離控制馬達(dá)後退一小段距離無窮迴圈自走車組合基本車身控制馬達(dá)前近一小段距離控制馬達(dá)後退一小段距單光感循跡挑戰(zhàn)問題:如何讓機(jī)器人使用一個光感應(yīng)器，控制兩個馬達(dá)，依循地上黑線前進(jìn)?單光感循跡挑戰(zhàn)問題:如何讓機(jī)器人使用一個光感應(yīng)器，控制兩單光感循跡演算法演算法說明 step1光感應(yīng)偵測地面亮度 step2若偵測到亮-左馬達(dá)出力 step3若偵測到暗-右馬達(dá)出力

不斷重複上面步驟，即可循跡前進(jìn)單光感循跡演算法演算法說明參考程式光感測到亮，則走上半側(cè)路徑控制馬達(dá)左轉(zhuǎn)；反之則走下半側(cè)控制馬達(dá)右轉(zhuǎn)右馬達(dá)停止左馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)無窮迴圈參考程式光感測到亮，則走上半側(cè)路徑控制馬達(dá)左轉(zhuǎn)；反之則走下半虛擬碼while(true){ if(LightSensor_detect_white){ motorB_stop(); motorC_run(); }else{ motorC_stop(); motorB_run(); }}討論單光感循跡演算法的特性，優(yōu)缺點(diǎn)分析演算法的特性--有限性、明確性準(zhǔn)備難度較高的圖形再試試看，並且討論失敗的原因，歸納出演算法的缺點(diǎn)虛擬碼while(true){討論單光感循跡演算法的特性，進(jìn)階挑戰(zhàn)地圖

進(jìn)階挑戰(zhàn)地圖 雙光感循跡控制機(jī)器人以雙光感測器循跡前進(jìn)，且行經(jīng)到底線時能自動停止請同學(xué)思考如何利用二個光感應(yīng)器來循跡，同時還能判斷是否到達(dá)底線雙光感循跡控制機(jī)器人以雙光感測器循跡前進(jìn)，且行經(jīng)到底線時能自範(fàn)例程式左光感遇亮控制左馬達(dá)前進(jìn)遇暗則停止右光感遇亮控制右馬達(dá)前進(jìn)遇暗則停止無窮迴圈範(fàn)例程式左光感遇亮控制左馬達(dá)前進(jìn)遇暗則停止右光感遇亮控制右馬虛擬碼while(true){ if(left_LightSensor_detect_white) motorC_run(); else motorC_stop();

if(right_LightSensor_detect_white) motorB_run(); else motorB_stop()}自走車大致讓黑線在兩個光感中間車身前進(jìn)若不小心靠左偏離路線，在右光感感應(yīng)到黑線時，就會造成右馬達(dá)停止，讓車子偏右修正回正常路線若是車子不小心靠右偏離路線，也能修正回來兩個光感都感應(yīng)到黑線時，兩個馬達(dá)就會靜止，達(dá)到停車的效果虛擬碼機(jī)器人學(xué)習(xí)套件機(jī)器人學(xué)習(xí)套件機(jī)器人設(shè)計(jì)與應(yīng)用專題國立豐原高中郭再興機(jī)器人設(shè)計(jì)與應(yīng)用專題國立豐原高中郭再興學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本原理能瞭解流程圖概念，以及如何應(yīng)用於解決問題。藉由圖控式程式發(fā)展環(huán)境，以及控制機(jī)器人解決循跡問題，了解演算法流程控制的基本輸入、處理步驟、輸出等基本概念學(xué)習(xí)目標(biāo)了解機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本原理學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)迴圈結(jié)構(gòu)以及控制燈泡物件學(xué)習(xí)選擇結(jié)構(gòu)以及按鈕感應(yīng)器物件學(xué)習(xí)邏輯判斷物件(AND、OR、NOT、XOR)練習(xí)分析問題，包括輸入、輸出、資料處理方式。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)迴圈結(jié)構(gòu)以及控制燈泡物件學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)如何使用光感應(yīng)器製作循跡機(jī)器人學(xué)習(xí)使用超音波感應(yīng)器製作巡邏機(jī)器人以解決機(jī)器人克服難關(guān)問題為例，介紹如何解決各種機(jī)器人挑戰(zhàn)關(guān)卡，並從中應(yīng)用解題概念，做為問題解決的基本核心策略。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)如何使用光感應(yīng)器製作循跡機(jī)器人電腦解題教學(xué)工具電腦解題教學(xué)工具可程式化機(jī)器人可程式化機(jī)器人LEGOMindstormsNXTLEGOMindstormsNXT樂高機(jī)器人NXT

9797電機(jī)控制元件控制器伺服馬達(dá)感測器圖控式程式發(fā)展環(huán)境積木元件47樂高機(jī)器人NXT9797電機(jī)控制元件8489

電機(jī)控制元件包含NXT控制器、伺服馬達(dá)、感應(yīng)器組成NXT控制器就像人的大腦，伺服馬達(dá)好比人的肌肉，提供動力，感應(yīng)器就像人的五官，偵測外界環(huán)境並轉(zhuǎn)換成數(shù)位資料，再傳送回NXT控制器，驅(qū)動伺服馬達(dá)做出反應(yīng)基本運(yùn)算模式

輸入->處理->輸出圖控式程式發(fā)展環(huán)境

電機(jī)控制元件包含NXT控制器、伺服馬達(dá)、感應(yīng)器組成選擇結(jié)構(gòu):若按下按鈕責(zé)執(zhí)行上半側(cè)的指令，反之則走下半側(cè)迴圈結(jié)構(gòu)開始物件屬性選擇結(jié)構(gòu):若按下按鈕責(zé)執(zhí)行上半側(cè)的指令，反之則走下半側(cè)迴圈程式虛擬碼while(true){ if(touch_sensor_is_pressed){ beep(); show_picture_on_screen() }}感測器若被壓下，則由喇叭播放音效，螢?zāi)灰矔@示笑臉畫面，學(xué)生在此可學(xué)到基本程式撰寫方法，以及三種基本流程程式虛擬碼閃黃燈程式挑戰(zhàn)題目--製作閃黃燈程式展示事先錄製的閃黃燈影片依照建構(gòu)圖，將零件組合完畢閃黃燈程式挑戰(zhàn)題目--製作閃黃燈程式範(fàn)例程式說明範(fàn)例程式說明紅綠燈程式挑戰(zhàn)題目--製作紅綠燈程式展示事先錄製的紅綠燈影片依照建構(gòu)圖，將零件組合完畢紅綠燈程式挑戰(zhàn)題目--製作紅綠燈程式程式說明程式執(zhí)行原理，與之前的閃黃燈程式相同，依序是:點(diǎn)亮連接PortA的綠燈->等3秒鐘->熄滅PortA綠燈點(diǎn)亮連接PortB的黃燈->等1秒鐘->熄滅PortB的黃燈點(diǎn)亮連接PortC的紅燈->等4秒鐘->熄滅PortC的紅燈程式說明程式執(zhí)行原理，與之前的閃黃燈程式相同，依序是:閃黃燈變換紅綠燈使用感測器控制閃黃燈切換紅綠燈展示事先錄製的影片依照建構(gòu)圖，將零件組合完畢閃黃燈變換紅綠燈使用感測器控制閃黃燈切換紅綠燈選擇結(jié)構(gòu)說明選擇結(jié)構(gòu)概念設(shè)定各種感測器條件討論並實(shí)作選擇結(jié)構(gòu)說明選擇結(jié)構(gòu)概念程式說明選擇結(jié)構(gòu)(switch)最簡單的用法，就是判斷感測器輸入的資料是否符合預(yù)期，例如上圖中就是判斷接在Port1的按鈕感測器是否被壓下，若條件成立則程式走上半部，反之則走下半部。程式說明選擇結(jié)構(gòu)(switch)最簡單的用法，就是判斷感測器其他感測器設(shè)定下圖為光感應(yīng)器偵測到光線亮度大於50%時，條件為真下圖為超音波感應(yīng)器偵測到物體距離小於15cm時，條件為真其他感測器設(shè)定下圖為光感應(yīng)器偵測到光線亮度大於50%時，條件下圖為光感應(yīng)器偵測到光線亮度大於50%時，條件為真下圖為光感應(yīng)器偵測到光線亮度大於50%時，條件為真延伸討論程式編輯的技巧(copy-paste、捲動程式)將程式改成超音波感測，這樣有路人站立在路口時，不用按鈕也能自動感應(yīng)，控制燈號進(jìn)入紅綠燈狀態(tài)將條件設(shè)定改成聲控的話，那麼路人站在路口時，就可以用聲音的方式啟動控制也請同學(xué)們想想看還有哪些變化，可以擴(kuò)充控制的方式延伸討論程式編輯的技巧(copy-paste、捲動程式)電子搶答機(jī)引起動機(jī)--益智類型電視節(jié)目搶答問題說明--電子搶答機(jī)依照建構(gòu)圖，將零件組合完畢說明使用邏輯物件控制迴圈下圖程式若按下Port1或Port2所接的按鍵(也就是按下任何一個按鍵)，無窮迴圈就會被中斷電子搶答機(jī)引起動機(jī)--益智類型電視節(jié)目搶答使用邏輯物件控制迴圈迴圈物件，可以設(shè)定為無窮迴圈(forever)，下圖是設(shè)定成當(dāng)邏輯輸入為true時迴圈中止迴圈內(nèi)的前兩個物件，負(fù)責(zé)偵測Port1按鈕、Port2按鈕是否被按下使用邏輯物件控制迴圈迴圈物件，可以設(shè)定為無窮迴圈(forev若按鈕被按下，|則綠色的線會送出true的訊號，由迴圈內(nèi)的第三個物件(邏輯物件)匯整後作出判斷(本例為OR)若按鈕被按下，|則綠色的線會送出true的訊號，由迴圈內(nèi)的第常用的邏輯判斷AND運(yùn)算：只有兩個輸入值都為“真”時結(jié)果才為“真”；其他情況輸出結(jié)果都為“假”O(jiān)R運(yùn)算：兩個輸入值至少一個為“真＂，輸出結(jié)果則為“真＂；否則輸出結(jié)果為“假＂XOR運(yùn)算：兩個輸入值相同則輸出為”假”，兩個輸入值相異則輸出為”真”，可以用簡單口訣幫助記憶”同性相斥、異性相吸”NOT運(yùn)算：取相反值若輸入“真＂，則輸出”假”，若輸入“假＂，則輸出”真”常用的邏輯判斷AND運(yùn)算：OR運(yùn)算：XOR運(yùn)算：NOT程式解說先暫停程式2秒鐘，點(diǎn)亮PortB燈接著進(jìn)入迴圈，若Port1按鈕或Port2按鈕被按下，則迴圈中止緊接著立刻判斷是哪一個按鈕被按下若是Port1按鈕被按下，則點(diǎn)亮PortA燈若是Port1按鈕未被按下，接著再判斷若Port2按鈕被按下，則點(diǎn)亮PortC燈程式解說先暫停程式2秒鐘，點(diǎn)亮PortB燈延伸討論問題1:先判斷Port1按鈕，接著才判斷Port2按鈕，是否不公平?問題2:是否會出現(xiàn)誤判?是否有別的程式寫法?

延伸討論問題1:先判斷Port1按鈕，接著才判斷Port2三輪自走車三輪自走車自走車組合基本車身前進(jìn)後退控制馬達(dá)前近一小段距離控制馬達(dá)後退一小段距離無窮迴圈自走車組合基本車身控制馬達(dá)前近一小段距離控制馬達(dá)後退一小段距單光感循跡挑戰(zhàn)問題:如何讓機(jī)器人使用一個光感應(yīng)器，控制兩個馬達(dá)，依循地上黑線前進(jìn)?單光感循跡挑戰(zhàn)問題:如何讓機(jī)器人使用一個光感應(yīng)器，控制兩單光感循跡演算法演算法說明 step1光感應(yīng)偵測地面亮度 step2若偵測到亮-左馬達(dá)出力 step3若偵測到暗-右馬達(dá)出力

不斷重複上面步驟，即可循跡前進(jìn)單光感循跡演算法演算法說明參考程式光感測到亮，則走上半側(cè)路徑控制馬達(dá)左轉(zhuǎn)；反之則走下半側(cè)控制馬達(dá)右轉(zhuǎn)右馬達(dá)停止左馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)無窮迴圈參考程式光感