第七章乐高机器人机电一体化创新设计

第九章乐高机器人机电一体化创新设计1第一页，共四十九页。一、创新设计与实验的目的1、培养学生用创造性思维方法，设计、搭建新型的机构或装置；2、引导学生运用乐高机器人套件，设计、制作智能机器人，提高学生的观察分析、动手、创造能力，培养学生的参与、竞争、实践与协作意识；3、加强学生对机电一体化的实践认识，培养学生的创新意识及综合设计能力，并通过设计乐高机器人实现计算机和机器人控制的快速入门。2第二页，共四十九页。二、原理

乐高“课堂机器人”是一种优秀的科技教育产品，这一独创性的教育工具是由美国麻省理工学院(MIT)、美国TUFTS大学、乐高公司和美国国家仪器公司(NI)共同开发研究的，它将模型搭建和计算机编程有效地结合在一起，使学生能够设计自己的机器人，在计算机上编写程序，然后通过与计算机相连的红外发射器将程序下载到机器人的大脑——RCX微型电脑中，启动RCX的开关，机器人就可以完全脱离计算机，按下载程序的指令独立运动起来。例如通过使用光电传感器，学生可以让机器人沿着一定的路线前进、或绕某一物体转动、或是藏在暗处等。

3第三页，共四十九页。二、原理乐高机器人由机械结构件、控制器、电机、传感器等多个模块组成，采用搭积木方式搭建，硬件――就是积木，软件――采用图形化编程语言，不涉及单片机汇编语言与机器码编程。这就使系统理论教学，摆脱了单片机语言、电路结构、微机接口等分支学科的束缚，可以直接根据系统要求，组态并展示系统功能。让学生主动体现设计思想，理解系统设计原理，更好地关注于创新机构设计以及机电一体化系统集成。4第四页，共四十九页。三、仪器与设备乐高积木有两千多个各种形状的积木组件，有足够的零件让你完成你的设想，更重要的是，这些积木组件都按同一标准严格设计、生产，所有积木都是可兼容的。它依据的标准就是乐高单位，而且积木有严格的质量保持，乐高积木模具公差仅为0.005mm。可以巧妙地利用乐高积木的特点——梁、块、板和孔之间的关系——完善你的结构，完成你独一无二的设计。

5第五页，共四十九页。1.支承元件6第六页，共四十九页。2.传动元件7第七页，共四十九页。2.传动元件8第八页，共四十九页。3.动力元件－乐高马达内置多级减速传动链

9第九页，共四十九页。10第十页，共四十九页。马达连接RCX的A~C输出端口。可通过软件编程对马达进行如下控制：

1.正向旋转，停止；

2.反向旋转，停止；

3.改变旋转方向；

4.加速或减速。11第十一页，共四十九页。4.传感器触动传感器

光电传感器

角度传感器

目前，乐高机器人提供四种标准传感器：光电、温度、角度及触动传感器。12第十二页，共四十九页。触动传感器：触动开关

需连接到RCX输入端或乐高8路输入和输出接口中黄色输入通道(１～４)。

类型和供电要求:无源数字传感器

典型应用和说明:

实例1：当机器人碰到障碍物时，控制机器人后退、转弯。

实例2：在电梯模型中，可以作为楼层的触动按钮。

13第十三页，共四十九页。温度传感器

需连接到RCX输入端或乐高8路输入和输出接口板上的黄色输入通道（１～４）。测量范围：-20°C~+50°C

类型和供电要求:无源模拟传感器

典型应用和说明:

实例1：观测一杯热水散热时温度的变化。

实例2：当温度达到一定值时，控制马达转动。14第十四页，共四十九页。光电传感器

传感器测试范围0.6Lux(0%)~760Lux(100%)。利用该传感器，你可以：

-通过检测光强变化计数

-通过测试反向光强来辨别颜色

-测量一个光源的光强

类型和供电要求:有源模拟传感器

典型应用和说明:

实例1：沿黑线机器人；实例2：在交通模型中，控制路灯在晚上自动打开；实例3：测量房间光线的分布，考查房间照明是否合理。在竞速赛时，拍摄数字图片。

15第十五页，共四十九页。角度/位置传感器

可连接到RCX输入端或乐高8路输入和输出接口板上的蓝色输入通道（５～８）。利用这个传感器，你可以：

-测试旋转方向

-发送一个运动，测量旋转位置

注意：不要将马达直接联接到位置传感器，否则会大大缩短传感器使用寿命。

类型和供电要求:有源数字传感器

典型应用和说明:

实例1：测量车子走过的距离；实例2：获取机械手臂的位置；实例3：获取电梯到达的位置。16第十六页，共四十九页。DCP在实际应用中，需要采集不同的物理量以实现不同的目的，4种传感器可能不够。为此，乐高与DCP公司合作开发了LEGODCP适配器，可将DCP公司的工业传感器与RCX连接起来，让机器人采集高精度的电压、温度、湿度、pH值、声音、旋转/位移、压力等信号，让您的机器人更好地响应外部环境。除了DCP传感器，如果感兴趣，你还可以根据需要，开发自己的传感器，与RCX连接，让你的机器人更好地感觉外部世界。

17第十七页，共四十九页。其它传感器1．电压传感器：测量范围：电压±25V，内阻抗：410kΩ2．温度传感器：可以测量-30°C~130°C温度3．湿度传感器：可以测量0~100%的相对湿度（温度范围-20度到80度）4．旋转/位移传感器：360°旋转，可测340°5．空气压力传感器：0~200KPa（约0-30psi）6．声音传感器：测量范围为：50dB-100dB（A加权）7．pH值传感器适配器：与pH值电极配合使用，25°C时每pH值的输出为59.1mV。8．REDOX适配器：高阻抗电压适配器，用于连接其他传感器或设备。电压范围为：+/-1250mV9．光度传感器：对光强度具有较高的分辨，测量范围为0~25000Lux.10．DESIGNER传感器套件：包括数字、模拟传感器，测直流电压，测量范围为：0~2.5V11．线性加速计传感器：加速范围为-50m/s/s~50m/s/s，斜度为-90°~+90°12．电流传感器：如图所示，4mm插槽及电缆，可以替换插口、探针及夹子，可测量-1A~+1A的直流18第十八页，共四十九页。5.RCX微型电脑RCX微型电脑是乐高机器人不可缺少的大脑，是它将普通的模型转换成智能机器人。通过不同的传感器，RCX能够接收外界环境的变化，进行处理和运算后，输出指令来控制机器人的动作。RCX是美国麻省理工学院多媒体实验室研究多年的成果，是一个嵌入式系统，或者说是一个小型电脑。RCX与普通的单片机有很大的区别，其最根本的区别是RCX有自己的类似WINDOWS的操作平台，可以用多种高级编程语言来控制RCX，而单片机只能使用汇编语言。

19第十九页，共四十九页。TheRCXRCX带有自己的喇叭，可以播放6种不同的声调。通过红外通信，RCX可以：

·接收电脑上编写的程序。

·将采集在内存的数据上传到电脑进行分析。

·和另一个RCX进行通信，方便制做大型智能系统。

20第二十页，共四十九页。灯连接RCX的A~C输出端口。可通过软件编程对灯进行如下控制：

1.开／关；

2.以用户定义的时间频率闪烁；

3.改变发光强度。21第二十一页，共四十九页。蜂鸣器连接RCX的A~C输出端口。可通过软件编程对蜂鸣器进行如下控制：

1.开／关；

2.发出两种声音。

利用软件控制，需将蜂鸣器转到正确位置，才能使其响应实际声音。22第二十二页，共四十九页。6.IR红外发射仪将电脑程序下载到RCX，是电脑和RCX不可缺少的连接。有2种类型：

·USB接口：必须使用ROBOLAB版本2.5以上

·串口：RS232接口，可以兼容所有ROBOLAB版本。串口发射仪USB发射仪23第二十三页，共四十九页。7.连接导线、轴套类零件与其它辅助元件24第二十四页，共四十九页。8.编程ROBOLAB软件

为乐高机器人编写程序的ROBOLAB软件是一个低起步，高发展，直观易学的图形化编程环境，是以美国国家仪器公司的LabVIEW为基础开发的。1997年诺贝尔物理奖获得者WilliamD.Phillips博士选用LabVIEW作为编程环境,控制他发明的全新原子冷却实验。25第二十五页，共四十九页。LabVIEW采用图形化编程方式，产生的程序是框图的形式，对于使用者来说，编程就像设计流程图一样，在很短的时间内就能够学会。由于LabVIEW明显提高了科研和生产效率,它在航天航空、通信、汽车、半导体和生物医学等众多领域很快得到广泛应用。乐高公司通过和美国国家仪器公司，美国TUFTS大学的友好合作，开发了基于LabVIEW的机器人编程软件ROBOLAB，使机器人更容易进入课堂，使我们的学生在很小的年龄就可以开始编写程序，体会计算机的威力。26第二十六页，共四十九页。ROBOLAB有200多个编程模块,可以完成常见编程语言，如C/C++或VisualBasic等软件的功能。学生在计算机上为机器人编写好程序，程序一旦下载到RCX，机器人就脱离计算机，根据程序指令，按照周围环境的输入信息来行动，完全智能化。当然，如果机器人未按预先设计的行动，即程序编写不够完善时，可以在计算机上修改源程序，再下载，运行机器人进行测试，直到机器人完全按要求工作为止。

27第二十七页，共四十九页。ROBOLAB软件分为编程者(Programmer)和研究者(Investigator)两部分,可以在ROBOLAB开始使用的第一用户界面选择.编程者主要用于控制机器人,而研究者增加了数据采集和分析功能，用于学科实验。ROBOLAB最突出的优点是提供不同的编程级别,例如机器人编程者分为“导航者”和“发明家”.“导航者”级别提供的编程环境和例子较为简单，适宜初学者；它为初学者提供了固定的编程模块，你可以在这里用鼠标点击图标模块并在下拉图标模块中选取所需图标来完成。发明家级别则提供全部的控制能力。这两个级别均包含四个等级，从浅到深。

28第二十八页，共四十九页。四、实验前的准备工作1.按模型组合包设备清单清点模型零件，并按类型分类置放于装料盘中；2.认真阅读模型组合包操作手册；3.按组装指导图搭接模型，掌握组合模型的拼接方法；4.熟悉动力元器件的装配、连接方法；包括：电动机、传感器、变压器、气动元件、各种开关等；5.熟悉组合包配备的软件Robolab及接口。29第二十九页，共四十九页。五、实验内容与步骤机器人的制作是一个循序渐进的过程，首先你需要确立目标：你需要一个什么样的机器人？接着需要设计和搭建，然后在电脑上使用ROBOLAB为机器人编写程序，通过红外发射器将程序下载到RCX上。下载成功后，RCX就可以脱离计算机自动运行。最后是测试你的机器人，是否实现了你的目标？哪些需要改进？回到第一步，改进你的机器人。

在这个过程中，需要学生发挥自己的创作才能，综合利用各种知识，还有充分发挥团队合作精神。

30第三十页，共四十九页。31第三十一页，共四十九页。第一步：设计与搭建机器人乐高机器人套件认知、观察，了解其种类、作用等相关信息；选题，确定设计目标，制定设计方案，进行任务分工；运用乐高机器人套件，组装智能机器人。

32第三十二页，共四十九页。RCX微型电脑是由MIT开发的，是乐高机器人系统的核心部分。使用ROBOLAB软件及RCX，学生们可以创造、搭建、编程真正的机器人，让它运动、做动作、甚至自己去“想”。为RCX编写程序，通过各种输入（传感器）与输出（马达与灯等）对周围环境做出响应。33第三十三页，共四十九页。第二步：在PC机上为机器人编写程序为RCX编写控制程序的ROBOLAB软件是一个简单、直观、易学的编程环境，是以美国国家仪器公司的LabVIEW，流行于测量和自动化领域的图形化编程软件为基础开发的。ROBOLAB软件具有所有通用编程环境，如C/C++或VisualBasic等软件的功能。在计算机上为机器人编写好程序，程序一旦下载到RCX，机器人就脱离计算机，根据程序指令，按照周围环境的输入信息来做出判断，决定下一步如何行动。完全智能化。34第三十四页，共四十九页。美国国家仪器（NI）公司的LABVIEW软件：1997年，美国太空总署在监测其飞船着陆、定位、位置、运转状况等时，使用了LabVIEW软件。LabVIEW软件是一功能强大、设计完美的编程环境，深受大学、和各行各业的工程技术人员及科学家喜欢，并被广泛使用。是测控领域倍受欢迎的软件开发工具，应用于生物医学、航空航天、能源研究等各个领域，用于数据采集与仪器控制、数据分析与处理等。

35第三十五页，共四十九页。第三步：下载程序到RCXRCX通过IR红外发射仪与计算机通信。使用ROBOLAB编程软件在计算机上编写好编程，然后，通过与计算机串口机相连的IR发射仪下载到RCX。IR与RCX通过无线红外方式通信。

36第三十六页，共四十九页。下载的固件包括了RCX硬件的细节和底层的编程指令，ROBOLAB软件也将难懂的汇编语言表达为一个个图标。编程时我们只需要选择所需的功能图标，像画流水线一样有逻辑性地将图标连起来，这样就可以完成程序编写，实现复杂的软件设计。37第三十七页，共四十九页。下面，我们用单片机的汇编语言来与ROBOLAB做个比较。同样是完成RCX赋值，直接对RCX的微处理器H8编写程序要复杂许多，编写时不但要注意语句顺序，甚至标点符号也不能错。而通过RCX操作系统使用ROBOLAB，你只需要懂得怎样使用几个图标。图形化语言ROBOLAB功能强大，设计完美，广泛流行于测量和自动化领域。熟悉使用ROBOLAB无疑对我们以后工作有巨大的帮助。

38第三十八页，共四十九页。第四步：运行