粤教版 通用技术 选修2【高清教材】.pdf

通用技术机器人设计与制作普通高中教科书选择性必修选择性必修22定价：7.36元广东教育出版社广东科技出版社广东教育出版社广东科技出版社批准文号：粤发改价格2017434号 举报电话：12315选择性必修2机器人设计与制作普 通 高 中 教 科 书主 编 刘琼发广东教育出版社广东科技出版社广 州图书在版编目（CIP）数据通用技术选择性必修2：机器人设计与制作刘琼发主编广州：广东教育出版社：广东科技出版社，2021.6（2021.12重印）普通高中教科书ISBN 978-7-5548-4123-5.通.刘.通用技术高中教材.G634.931中国版本图书馆CIP数据核字（2021）第114300号编 写 单 位：广东教育出版社广东科技出版社主 编：刘琼发副主编：李 榕 周卫星 朱美健 席春玲本 册 主 编：李 榕本册副主编：郑永驹 钟清华编 写 人 编：张百睿 李 榕 郑永驹 钟清华周 嘉 龚泽祥 胡智豪出 版 人：朱文清责 任 编 辑：夏 丰责 任 技 编：许伟斌装 帧 设 计：友间文化（广州市环市东路472号12-15楼）邮政编码：510075网址：http：/广东新华发行集团股份有限公司经销广州市彩源印刷有限公司（广州市黄埔区百合3路8号邮政编码：510700）890毫米1240毫米16开本6印张132 000字2021年6月第1版2021年12月第2次印刷 ISBN 978-7-5548-4123-5定价：7.36元批准文号：粤发改价格2017434号举报电话：12315著作权所有请勿擅用本书制作各类出版物违者必究如有印装质量或内容质量问题，请与我社联系调换质量监督电话：020-87613102邮箱：gjs-购书咨询电话：020-87772438TONGYONG JISHU XUANZEXING BIXIU 2 JIQIREN SHEJI YU ZHIZUO通用技术选择性必修2机器人设计与制作广东教育出版社广东科技出版社 出版机器人是20世纪人类的伟大发明，今天，它不仅能够代替人类登陆火星和潜入几千米以下的深海，还可以不知疲倦地工作在各种生产线上，并服务于我们的日常生活。关于机器人，我国科学家认为机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。国际标准化组织认为工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。生活在科技迅猛发展的21世纪，同学们有必要了解一些机器人的知识，因为未来的机器人将对我们的生活和工作产生巨大的影响。自己动手制作机器人是让同学们了解机器人的最好手段。本教材将会引导同学们进入机器人设计与制作的精彩世界。通过学习，同学们可以知道机器人的定义，了解机器人的传动机械、控制器和感知器件的特点及其在机器人中的应用，并初步学会设计与制作机器人。在设计与制作机器人的过程中，同学们将尝试机器人的路径规划和运动控制，编制计算机程序。同时，这个过程也将使我们的视野更加开阔，认识周围世界的能力得到提高，为进一步深造和发展打下一定的基础。本教材有利于发展学生核心素养、培养实践能力、提升创新意识、开阔认知视野；有前 言3利于将自主学习、合作学习、探究学习等多种学习方式渗透进学生的学习和教师的教学当中；有利于现代教育技术和方法的运用。希望本教材能激发同学们的灵感和创造才能，在不断的实践中去设计和制作属于自己的机器人。4第一章 人与机器人01一、什么是机器人 02二、人与机器人的关系 04综合学习活动 05本章回顾与评价 06第二章 机器人的传动机械07第一节 机器人的机械部分 08一、机械部分的组成 08二、传动机械 09第二节 齿轮传动和平面连杆机构 11一、齿轮传动机构 11二、平面连杆机构 16第三节 机器人的机械设计 19一、机器人的移动机构 20二、机器人的手爪机构 23三、机器人机械部分的搭建 24综合学习活动 27本章回顾与评价 28目 录1第三章 机器人的控制器29第一节 单芯片微控制器 30一、什么是微控制器 30二、单片机的特点与应用 31三、单片机的最小系统 32第二节 Arduino控制器平台36一、认识Arduino平台主要硬件 36二、编写Arduino程序 37第三节 一体化控制器 41一、认识一体化控制器硬件 41二、编写控制器程序 42综合学习活动 47本章回顾与评价 48第四章 机器人感知与传感器49第一节 机器人的感知 50一、机器感知与传感器 50二、感知原理与方法 51第二节 机器人的传感器 54一、常用传感器 54二、传感器与接口电路 56三、机器人传感器的安装与调试 57第三节 带感知机器人的设计与制作 61一、传感器的选择与应用 61二、带外界感知的轮式机器人的制作与编程 63综合学习活动 71本章回顾与评价 72第五章 机器人的控制与制作73第一节 机器人的路径规划和运动控制 74第二节 机器人的控制与制作活动 76一、自动循迹机器人的制作 76二、自动返回机器人的制作 80三、避障机器人的制作 87综合学习活动 89本章回顾与评价 902机器人是一种能够按照预先设计程序而自动执行工作的机械装置。当前机器人已经大规模地走进工业生产、军事、政府管理、商业应用等领域，它们可以帮助或代替人类完成不同的工作，在各个方面影响着人类的生活。通过本章的学习，让我们来初步了解和认识机器人吧。人与机器人第一章002通用技术机器人设计与制作选 择 性 必 修 一、什么是机器人（一）机器人发展历史机器人（Robot）一词最早是在捷克剧作家卡雷尔卡佩克的科幻剧本罗萨姆的万 能机器人中出现的。关于机器人（图1-1），目前世界上还没有一个统一的、严格的、准确的定义。日本科学家对机器人的定义是：机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性7个特征的柔性机器。国际标准化组织对工业机器人的定义是：工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。我国科学家对机器人的定义是：机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。不管哪种定义，其基本点还是相同的，那就是：机器人是一种由人设计、制造出来的机器，这种机器具有一些与人或某些生物相似的智能能力。如能够深潜海底探测搜救的机器鱼、像蛇一样爬行进行搜索探险的机器蛇等都属于机器人的范畴。世界上第一台机器人诞生于20世纪50年代，从那以后，机器人经历了高速的发展，图1-2简要列出了机器人的发展历程。图1-1不同领域的机器人弧焊机器人消防机器人玉兔二号月球巡视机器人军用排雷机器人装配机器人擦窗机器人003第一章人与机器人1（二）机器人的组成和自由度机器人一般由机械部分和电子控制部分组成。机械部分主要由连接支撑装置、动力装置、传动装置和执行装置等组成。电子控制部分主要由传感器及其电路、控制器及其软件和驱动电路等组成（图1-3）。图1-2机器人发展历程004通用技术机器人设计与制作选 择 性 必 修 和人体一样，机器人机构各部件之间的连接也称为关节，通过关节将各部件连成一体，彼此又可以做相对运动。其中，以转动方式相连的关节称为转动关节，以移动方式相连的关节称为移动关节。机器人机构能独立运动的关节的数目，就称为机器人机构的运动自由度。它是机器人的一个重要指标，并直接影响到该机器人的机动性。如图1-4所示，机械臂与底座之间是一个转动关节，加上肩关节、肘关节共3个自由度。二、人与机器人的关系1950年，美国科幻小说家阿西莫夫在他的科幻小说我，机器人中首次提出了机器人三定律：1机器人不得伤害人类，也不能眼见人类受到伤害而袖手旁观。2在不违反第一定律的前提下，机器人必须绝对服从人类给予的任何命令。3在不违反第一定律和第二定律的前提下，机器人必须尽力保护自己。图1-3机器人的组成电子控制部分机械部分机器人传感器及其电路控制器及其软件动力装置传动装置执行装置驱动电路连接支撑装置图1-4机械臂的自由度肘弯曲上臂前臂肩弯曲水平回转底座005第一章人与机器人1此后，随着科学技术的发展和人们对机器人智能化本质认识的加深，对以人为本的人机关系研究不断突破，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们设计制造了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的机器人，如水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空间机器人、娱乐机器人等。机器人（图1-5）代替人们完成了很多人类难以实现的工作，如火星探测机器人、深海作业机器人等；帮助人们完成了很多高危险性的工作，如排雷机器人、侦察机器人等。胶囊微型机器人仓库机器人机器狗水下机器人“好奇号”火星探测机器人侦察机器人图1-5不同任务的机器人综合学习活动1请大家举一些自己熟知的机器人例子，说说机器人在哪些方面应用广泛，并加以讨论。2实地参观或观看机器人应用视频，了解机器人的工作过程，利用已学过的知识，试分析机器人与人类及环境的关系。006通用技术机器人设计与制作选 择 性 必 修 本章回顾与评价一、学习内容梳理二、学习评价评价内容评价方式自评互评师评了解机器人的发展历程了解机器人的组成了解人与机器人的关系说明：A优秀，B良好，C合格，D待改进通过本章的学习，你的核心素养得到了哪些发展？说明：TA技术意识，ET工程思维人与机器人2 人与机器人的关系1 什么是机器人TA ETTA机器人的传动机械第二章机械部分是机器人重要的组成部分，它能通过传动装置，将动力装置产生的运动和力传递到执行装置的移动机构和手爪机构，实现行走和抓取。机器人中的传动装置是机械传动。在各种高新技术飞速发展的今天，我们的日常生活和工农业生产都离不开机械传动。让我们通过本章的学习来了解和初步掌握机械传动的知识和应用吧。008通用技术机器人设计与制作选 择 性 必 修 第 一 节 机器人的机械部分学习目标 了解机器人的机械部分。了解传动机械。当大家看到前面一页那只灵巧的机械手抓住鸡蛋的时候，是否会思考，机械手是如何完成这个动作的呢？其实，这是在控制电路的控制下，以直流电机提供动力，通过带传动和齿轮传动，用特制的手指来实现抓住鸡蛋的动作。这里所涉及的直流电机、带传动和齿轮传动、特制的手指及起支撑作用的两块特定形状板就是机械手的机械部分。一、机械部分的组成从系统的角度来看，机器人的机械部分主要由动力装置、传动装置、执行装置和连接支撑装置组成。图2-1中的写字机器人的动力装置是电机，传动装置是齿轮、皮带和舵机，执行装置是笔，连接支撑装置是“整个机体”。图2-1写字机器人情景任务观察写字机器人（图2-1）机械部分的组成，讨论写字机器人是如何完成写字动作的。009第二章机器人的传动机械2立即行动机器人小车如图2-2所示，请分析它移动的过程，了解其机械结构各部分的作用。要求：1指出机器人小车中动力装置、传动装置、执行装置和连接支撑装置具体对应哪一部分？2根据机器人小车的移动工作过程，分析4个装置的作用。二、传动机械机器人中的传动装置是机械传动，它将动力装置产生的运动和力传递给执行装置。在图2-2所示的机器人小车中，就是用齿轮传动将电机输出的运动和力传递给车轮。图2-2机器人小车图2-3是轮式机器人常用的传动装置，它使用的动力装置是直流电机。电机产生的转速可达到5000r/min以上，但转矩小，不适合车轮转动（执行装置）的要求。因此，通过由带传动和齿轮传动组成的系统将直流电机产生的旋转运动和力传递给车轮，使转速降低，转矩增大，这样车轮就能按照设计要求转动。案例图2-3轮式机器人的传动装置电机010通用技术机器人设计与制作选 择 性 必 修 机械传动不但可以传递运动和力，而且还可以改变运动的速度、方向和运动的形式，如使旋转运动变为直线运动等。实践观察自行车的传动装置。把你观察和分析的情况填写到表2-1中。将自行车的车座、车把朝下倒置过来，用布垫在车座和车把的下面，以免自行车受损。1转动踏板，仔细观察自行车的传动结构，了解自行车有哪些传动机械类型。2分析自行车传动机械的零部件组成及其功能。表2-1自行车传动装置组成零部件及功能分析自行车的传动类型组成零部件功能分析交流观察普通自行车和变速自行车（图2-4）的区别，观察变速自行车变速时后齿轮的变化情况，并与同学进行交流分享。习题1扳手是我们生活中常用的安装与拆卸工具，下图是一个活动扳手，请结合所学的知识，分析扳手上的螺纹螺栓的作用是什么？2请大家举一些能改变运动的速度、运动的方向或运动的形式的例子，并加以讨论。图2-4变速自行车第题图011第二章机器人的传动机械2第 二 节 齿轮传动和平面连杆机构学习目标 了解齿轮和齿轮系传动，能计算简单的齿轮传动比，按照装配图样安装和调试简单的 齿轮装置。正确分析常见连杆传动装置的结构及其应用，并根据需求设计和制作简单的连杆装置。齿轮传动是现代机械中使用广、类型多的传动方式之一。在机器人中主要用到的有直齿圆柱齿轮传动、齿条与齿轮传动、圆锥齿轮传动和蜗杆蜗轮传动等。一、齿轮传动机构（一）直齿圆柱齿轮传动直齿圆柱齿轮传动是由两个齿轮在同一平面上相互啮合组成（图2-8）。它是最简图2-5汽车变速箱齿轮图2-6机械表的齿轮传动图2-7手摇削笔器中的齿轮情景在生产和生活的各类产品中，齿轮传动应用广泛。如图2-5所示是汽车变速箱齿轮。通过变速箱齿轮改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，并在发动机旋转方向不变的情况下，使汽车能倒退行驶。如图2-6所示是机械表的齿轮传动。机械表通过重锤或弹簧释放的能量作为动力，推动一系列齿轮运转，借擒纵调速器调节齿轮系转速，用指针指示时刻和计量时间。如图2-7所示为手摇削笔器中的齿轮。手摇削笔器是利用齿轮结构来让削笔操作变得更加省时省力。012通用技术机器人设计与制作选 择 性 必 修 单、最基本、应用最广泛的一种齿轮传动方式。在图2-8中，作为主动轮的小齿轮固定在电机的转轴上，与它啮合的大齿轮为从动轮。当小齿轮随电机转动时，由于两个齿轮之间是逐齿啮合，小齿轮转动一周，大齿轮转动半周，形成一个减速传动，这个装置的传动比为2。直齿圆柱齿轮传动的传动比公式：传动比=从动轮的齿数主动轮的齿数在图2-8中，从动轮（大齿轮）的旋转方向与主动轮相反，其转矩增加。如果将电机固定在大齿轮上，那么大齿轮就是主动轮，此时，小齿轮的转速增加，转矩减少，这样的齿轮传动就是增速传动。立即行动图2-9是机器人中的两组齿轮传动。左边的一组中，小齿轮是主动轮；右边的一组中，大齿轮是主动轮。请分析这两组齿轮传动的转速和转矩变化，计算它们的传动比，并填写到表2-2中。表2-2两组齿轮传动的转速和转矩变化及传动比分 析 组 别转速和转矩变化传动比左边一组右边一组图2-8电机驱动的直齿圆柱齿轮传动装置主动轮电机从动轮10齿20齿图2-9机器人中的齿轮传动013第二章机器人的传动机械2（二）齿条与齿轮传动齿条与齿轮传动如图2-10所示。齿条与齿轮的啮合能实现从旋转运动到直线运动的转换，当固定在转轴上的主动轮转动时，能够移动的从动齿条将形成直线运动。其中，从动齿条直线运动的方向如图2-10中箭头所示。图2-11所示为机器人利用齿条与齿轮传动，通过主动轮的转动来改变车轮的方向。由于齿条与齿轮传动是将旋转运动转换为直线运动，所以其传动比就变成主动齿轮的转速与从动齿条的线速度的转换关系。传动比取决于齿轮的转速、齿数和齿条上的齿距等3个因素。图2-10齿条与齿轮传动图2-11机器人中的齿条与齿轮案例图2-12为齿条与齿轮运动转换示意图。假设主动齿轮有20个齿，转速为10r/min，从动齿条的齿距为0.2cm。以X点为基准，主动齿轮旋转1周，齿轮上有20个齿经过X点，此时与齿轮逐齿啮合的从动齿条也移动了20个齿，其移动的距离为4cm，由此可得齿条移动的速度为40cm/min。图2-12 齿条与齿轮运动转换示意20齿4 cmX齿距014通用技术机器人设计与制作选 择 性 必 修 （三）圆锥齿轮传动和蜗杆蜗轮传动当我们需要传递两交叉轴（交叉角一般为直角）之间的运动和动力时，经常会使用到圆锥齿轮传动（图2-13a）和蜗杆蜗轮传动（图2-13b）。通过这两种传动方式，可以轻松地改变动力输出的方向，实现多种巧妙的设计。例如汽车在转弯时，因为左、右两个车轮的转速不同，需要用到圆锥齿轮构成的差速器。同样，在机器人中也会使用到差速器（图2-13c）。（四）齿轮系前面已经讨论了各种齿轮传动，其传动形式都很简单，然而实际的机械传动往往很复杂。在主动轴与从动轴的距离较远、要求较大传动比及多方向变换等情况下，仅用一对齿轮传动或蜗杆蜗轮传动是不够的，必须通过一系列相互啮合的齿轮组成的传动装置将主动轴的运动传递到从动轴。这种由一系列互相啮合的齿轮组成的传动装置称为齿轮系，图2-14所示是齿轮系在机器人中的应用。a b c图2-13机器人中的传动装置图2-14齿轮系在机器人中的应用案例图2-15所示的是由4个直齿圆柱齿轮组成的齿轮系，其中齿轮B和齿轮C固定在同一个轴上，齿轮A为主动轮，齿轮D为末端从动轮。015第二章机器人的传动机械2齿轮系传动比，即齿轮系中首轮与末轮的角速度或转速之比。进行齿轮系传动比计算时，除计算传动比大小以外，一般还要确定首轮、末轮的转向关系。实践图2-16为四驱车模型的齿轮传动装置，按照装配图组装简单的齿轮系统。经历装配和调试的全过程，进一步了解齿轮传动装置。齿轮传动机构的特点是能保证恒定不变的传动比，传动效率高、结构紧凑、工作可靠、使用寿命长。然而也存在制造及安装精度要求高、价格较贵、不宜用于两轴间距离较大的场合等缺点。当齿轮A转动时，与它啮合的齿轮B做减速转动。同时，在同一个轴上的齿轮C与齿轮B转速相同，而与齿轮C啮合的末端从动齿轮D也做减速转动。它的传动比为下面的公式：该齿轮系中齿轮A与齿轮B的转动方向相反，而与齿轮D的转动方向相同。图2-15齿轮系DBCADCBA传动比=B的齿数A的齿数D的齿数C的齿数图2-16四驱车模型的齿轮传动装置016通用技术机器人设计与制作选 择 性 必 修 二、平面连杆机构平面连杆机构是由若干杆构件通过铰链连接，并且所有构件都在同一平面内运动的机构，图2-17所示的拖把就应用了这种机构。图2-18所示的铰链四连杆机构是平面连杆机构的基本形式。一般杆AD是固定的，称为机架。AB、CD两构件与机架相连，AB、CD称为连架杆。杆BC不直接与机架相连，称为连杆。在铰链四连杆机构中，ABCD这4个铰链点都能转动，形成封闭系统。当AB连架杆作为主动件转动时，通过BC连杆带动从动件CD连架杆转动，反之当CD连架杆为主动件时，AB连架杆为从动件。在实际的应用中，还会经常采用在这基础上演化而成的其他四连杆机构。图2-17拖把图2-18铰链四连杆机构连杆连架杆机架连架杆CBAD案例在铰链四连杆机构中，若两个连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆，则此四连杆机构称为曲柄摇杆机构。在这种机构中，当曲柄为主动件，摇杆为从动件时，可将曲柄的连续转动转变成摇杆的往复摆动。此种机构应用广泛，图2-19a所示的汽车前窗刮雨器即为此种机构。它的原理如图2-19b所示，电机带动主动曲柄AB转动时，连杆BC拉动摇杆CD作往复运动，从而实现雨刮的功能。图2-19汽车前窗刮雨器摇杆连杆固定轴D固定轴A主动曲柄B固定轴D连杆摇杆C主动曲柄B固定轴ACab017第二章机器人的传动机械2立即行动观察图2-20所示的挖掘机，找出哪些地方使用了连杆机构，然后分析这些连杆机构是如何工作的，对挖掘机实现功能有什么作用。立即行动1图2-23是家用缝纫机的针头机构，试讨论针头的运动形式及原理。2图2-24是火车的车轮连接示意，请分析这种平行四边形的四连杆机构的运动过程。图2-20挖掘机案例图2-21是由铰链四连杆机构演化成的曲柄滑块机构。它在各种机械中得到广泛应用，当然也应用在机器人中。图2-22所示为曲柄滑块机构的运动原理。在常见的曲柄滑块机构中，主动连架杆是曲柄，而从动连架杆演变成导轨中的滑块，当曲柄整周转动时，通过连杆使滑块在导轨中作往复直线运动。图2-21曲柄滑块机构图2-22曲柄滑块机构运动原理导轨滑块往复运动连杆转动曲柄图2-23缝纫机的针头机构图2-24火车的车轮连接示意曲柄连杆导轨滑杆导轨针头018通用技术机器人设计与制作选 择 性 必 修 在实际中，四连杆机构形式多样，应用广泛，它们都可以认为是由四连杆机构的基本形式演化而来的。从上述案例和讨论中，我们了解到，四连杆机构的各种演化机构外形虽然各不相同，但是它们的运动性质及分析和设计方法却常常是相同或类似的。由于平面连杆机构中两构件之间的铰链为面接触，因而承受的压强小、便于润滑、磨损较轻，可以承受较大的载荷，而且构件形状简单，加工方便，工作可靠。但铰链在面接触时存在间隙，会引起运动误差，不易实现精确的复杂运动。连杆机构不适用于高速场合。实践1图2-25是一个凸轮和平面连杆组成的机构，先分析它的运动原理，然后动手将该机构制作出来。2向同学们展示你所制作的机构，并结合机构说明其运动原理。图2-25 凸轮和平面连杆组成的机构固定轴运动轴019第二章机器人的传动机械2情景第 三 节 机器人的机械设计学习目标 掌握机器人机械结构的初步设计方法。初步学会机器人机械部分的搭建。图2-26是一种由固定支撑体和机械手组成的工业机器人，图2-27是一种由移动的履带、实现操作的机械手和支撑体组成的排障机器人。这些机器人的手爪机构和移动机构是如何设计的呢？本节我们将通过原理学习，了解机器人机械结构的设计方法。学习用的机器人一般有固定形式（图2-28）和拼装形式（图2-29），通过学习，尝试进行机器人机械结构的设计搭建。图2-26工业机器人图2-27排障机器人 图2-28固定形式的机器人图2-29拼装形式的机器人020通用技术机器人设计与制作选 择 性 必 修 一、机器人的移动机构目前，机器人移动机构的主要方式有履带式、轮式和足式等（图2-30）。机器人移动机构的动力一般来源于直流电机。根据对机器人行走功能的要求，可以利用前面我们已经学过的各种机械传动和机构，将直流电机产生的旋转运动转变为移动机构所需要的各种运动形式。实践机器人移动机构的分析和实现（1）分析和讨论采用齿轮传动的四轮机器人是如何行走的。（2）分析和讨论采用平面四连杆机构的足式机器人是如何行走的。（3）设计和制作六足机器人。方法指导1齿轮传动四轮形式（图2-31）的机器人齿轮传动四轮形式是机器人行走的常用形式。它的动力一般是直流电机，通过一组齿a.履带式b.轮式c.足式图2-30机器人移动机构的主要方式图2-31齿轮传动的四轮形式ab电机电机021第二章机器人的传动机械2轮系，将电机产生的转动传递给驱动轮，使车行走。讨论（1）电机驱动的是哪两个轮子？（2）齿轮传动是如何将电机的转动传递给车轮的？（3）图2-31a的车能够执行什么运动？（4）将图2-31a中主动轮的轴改为差速齿轮系统（图2-31b），将使车的运动发生什么变化？2平面四连杆机构的足式机器人足式机器人实际上就是模仿生物行走或爬行。当用轮子行走时，轮子一般不会离开地面，而用足行走时却需要离开地面。如何才能实现呢？当一只足离开地面时，其他足必须使机器人保持平衡，这是足式机器人行走时需要解决的关键问题。图2-32是一种足的基本结构，它的运动轨迹是一个椭圆。当这个机器人的足离地后，为保持机器人的平衡，必须采用支撑结构（在图中足的后面）。我们以较复杂的四连杆足为例，进一步进行分析和讨论。图2-33是四连杆足两面图，它是典型的平面四连杆结构，而且两个连架杆相等，构成平行四连杆。利用平行四边形原理，四连杆足可以实现抬起和落下。这里我们应用了平行四边形原理，当主动连架杆转动时，从动连架杆跟随做圆周运动，足（即连杆）的运动轨迹是一个圆。当连杆向最高点运动时，足抬起离开地面，向最低点运动时，足逐渐落到地面。图2-34所示的不等边连杆足也是一种四连杆机构，请同学们讨论：（1）四连杆机构是如何构成的？（2）它如何实现足的行走，其运动轨迹怎样？图2-32一种足的基本结构图2-33四连杆足图2-34不等边连杆足022通用技术机器人设计与制作选 择 性 必 修 3设计和制作六足机器人在六足机器人中，为了在行走的过程中达到平衡，每侧需要三只足。图2-35是六足的单侧图。机器人每行走一步，需要提起3只足，当一侧只有中间的足离开地面时，机器人的另一侧应只有中间的足落地（另外2只足离开地面）。它的每一只足（图2-36）都是利用曲柄连杆机构实现运动的，其运动轨迹是一个椭圆。知识窗履带车机器人的越障能力如果机器人的腿是与坦克相仿的履带形式（图2-37），就能具备一定的逾越台阶障碍的能力，它行走过程如图2-38，其越障的高度与前后履带斜坡部分的高度及角度有关。台阶越高，机器人倾斜越严重，如果倾斜使重心超出履带支承点时，则容易发生整体的倾覆。图2-35六足的单侧面圈2-36六足中的单足图2-37履带车机器人图2-38履带车的越障过程023第二章机器人的传动机械2二、机器人的手爪机构根据机器人功能的不同，其操作装置也不相同。机器人的手爪如图2-39所示。在机器人中，手爪的抓取功能也可以利用我们前面已经学过的各种机械传动和机构来实现，手爪的运动同样是将直流电机产生的旋转运动转变为所需要的各种运动方式。实践手爪机构的分析与制作（1）通过分析和讨论了解手爪实现抓取的方法，掌握已学过的各种机械传动和机构的应用。（2）实现手爪简单的抓取操作，了解实现的过程，学会发现问题和解决问题。方法指导1不同的手爪机构图2-40为一种简单的手爪。它是如何抓取物体的呢？从图2-40中可以看出，它的一个爪被固定，另一个爪、齿轮和连杆形成一个平面四连杆机构。由电机驱动，控制其张开和抓取物体。图2-41是在简单手爪基础上改进的。请大家分析和讨论，它是如何抓取物体的。图2-42是蜗杆蜗轮手爪。它是由什么来驱动，又是如何抓取物体的呢？通过动手制作、试验，分析它与上述两种手爪在抓取方面有何不同。2制作机器人手爪图2-43为某款机器人手爪的拼装过程。图2-39机器人的手爪图2-40一种简单的手爪图2-41简单手爪的改进图2-42蜗杆蜗轮手爪024通用技术机器人设计与制作选 择 性 必 修 三、机器人机械部分的搭建根据本章前面学习的知识，搭建一个类似图2-44所示的机器人手臂，通过控制手臂上的多个关节，实现机械手臂的运动。实践尝试搭建如图2-45所示的机器人手臂，从中理解机器人的基本组成，初步学会如何组装机械人的手臂。要求：采用多关节结构进行构想设计。了解齿轮的传动及舵机的连接。注意机器人手臂结构的稳定性设计。图2-43机器人手爪的拼装过程图2-44机器人手臂 图2-45机器人手臂 025第二章机器人的传动机械2方法指导1搭建底盘（1）找出机器人手臂的连接件、舵机及其他配件，如图2-46检查配件是否齐备。（2）开始搭建出机器人手臂的底座，如图2-47所示的底座平台。（3）找出1个舵机，把舵机与底座进行固定，制作机器人手臂的第一个关节，如图2-48所示。2搭建机械手臂（1）由于这个部分的制作涉及手臂的多个关节，需要把各个传动部分通过连接件和不同的螺丝组装在一起，所以机械手臂的搭建是整个制作过程最复杂的部分。开始时先找出需要使用的连接件和螺丝，制作机械手臂的结构部分，如图2-49所示。（2）找出2个舵机，把机械手臂的结构部分和底座进行连接，如图2-50所示。图2-46机器人手臂配件图2-47组装底座平台图2-48安装舵机图2-49机械手臂的结构部分图2-50手臂结构与底座连接026通用技术机器人设计与制作选 择 性 必 修 （3）安装舵机，完成机械手臂的结构搭建，如图2-51所示。3组建机械手爪（1）找出机械手爪的配件并完成组装，如图2-52。（2）把控制手爪的舵机通过连接件安装到机械手爪上，使舵机能控制机械手爪的开合，如图2-53所示。4整体组装把安装好舵机的机械手爪与其他部分进行连接，完成整个机械手臂的组装，如图2-54所示。思考1如何让机器人的手臂更加稳固？2如何加大机器人手臂的灵活度，让手臂实现更多动作？图2-51机械手臂与底座组装图2-52组装机械手爪图2-53安装手爪控制舵机图2-54完成连接027第二章机器人的传动机械21利用已学过的齿轮传动的知识，讨论和分析右图齿轮系的13号轴的转动方向，及13号轴相对于主动轴是增速或减速。2下图为一个简单的齿轮传动示意。驱动齿轮A有20齿，当A轴转动10圈时，B轴转动了5圈。（1）从动齿轮B的齿数是多少？（2）齿轮系的传动比是多少？（3）假如A轴以60 r/min的转速转动，那么B轴的转速是多少？（4）假如A轴逆时针转动，那么B轴向什么方向转动？3采用带传动的某机车主动轮直径为12.5cm，从动轮直径为25.0cm，其传动比是多少？如果电机的转速为1 450r/min，则从动轮的转速是多少？4下图所示的手动抽水机机构由摇动手柄1、连架杆2、机架3和活塞4组成。利用学过的四连杆机构的知识，分析手动抽水机是如何完成抽水动作的。综合学习活动第2题图驱动齿轮A从动齿轮BA轴B轴第4题图4123第1题图32主动轴1028通用技术机器人设计与制作选 择 性 必 修 本章回顾与评价一、学习内容梳理二、学习评价评价内容评价方式自评互评师评了解机器人的机械部分和传动机械了解齿轮和齿轮系传动，能计算简单的齿轮传动比，按照装配图样安装和调试简单的齿轮装置分析常见连杆传动装置的结构及其应用，并根据需求设计和制作简单的连杆装置学会机器人机械结构的初步设计方法，初步学会机器人机械部分的搭建说明：A优秀，B良好，C合格，D待改进通过本章的学习，你的核心素养得到了哪些发展？说明：TA技术意识，ID创新设计，ET工程思维，TD图样表达，CM物化能力机器人的传动机械2 齿轮传动和平面连杆机构TA ET齿轮传动机构平面连杆机构TA ET机械部分的组成传动机械3 机器人的机械设计TA ID ET TD CM机器人的移动机构机器人的手爪机构机器人机械部分的搭建1 机器人的机械部分机器人的控制器第三章控制器是机器人的大脑，它负责收集机器人周围环境及其工作对象的各种有用信息，在程序控制下进行分析判断并做出反应，控制相应执行机构完成相应动作。一般机器人的控制器都是由计算机系统组成，而简易机器人的控制器则主要由称为单片机的微型计算机系统组成。030通用技术机器人设计与制作选 择 性 必 修 第 一 节 单芯片微控制器 学习目标 了解微控制器的基本结构及应用特点。掌握微控制器的使用方法及最小应用系统的设计方法。一、什么是微控制器观察通过观察实物或相关的图片，了解计算机主机有哪些主要部件（图3-2）。通过观察，我们知道组成一台计算机主机的主要部件有CPU（central processing unit，中文叫中央处理器）、内存储器、输入/输出接口等。情景图3-1是一个足球机器人，在进入比赛场并打开电源开关后，它可以自动寻找足球并判断对方球门的位置，然后设法携带足球绕过对方球员和守门员的拦截，将足球推入对方球门。是什么让机器人具有了“智能”呢？图3-1足球机器人单片机图3-2计算机主机CPU内存储器输入/输出接口031第三章机器人的控制器3计算机的发明给我们带来了一场新的技术革命，现在计算机技术的应用已经渗透到社会的各个领域。随着技术的发展和应用的需要，人们设计和生产了一种微型的计算机芯片，这种芯片内部集成了计算机的主要部件（CPU、存储器、I/O接口等），可以装嵌在许多电子控制设备中实现自动控制。例如我们身边的许多家用电器中就嵌入了这种芯片，实现了自动或半自动控制方式，这种芯片被称为单片机（图3-3）。单片机全称是单片微型计算机（single chip microcomputer），也称微控制器（microcontroller），国外称MCU（micro control unit），它是一个大规模的集成电路芯片。在这个芯片里集成了计算机的一些基本部件，包括中央处理器（CPU）、存储器（RAM和ROM）、定时振荡器（时钟）和输入/输出接口（I/O接口）等。我们只要将编写好的程序固化到单片机内，它就能按程序执行，实现各种控制的功能。二、单片机的特点与应用在上例中，1号机器人的硬件结构并没有改变，只要修改原来的程序就可以获得不同的效果。这是单片机的特点之一，可以通过修改程序来实现不同的控制策略。单片机的程序可反复修改，应用灵活。单片机的另一个特点是体积小，它可装嵌在各种设备、仪器仪表、家用电器和玩具当中，并通过程序的控制，大大简化硬件电路，使产品的体积更小、成本更低、性能更优。除此之外，单片机还具有价格便宜、功耗低、抗干扰能力强等特点。立即行动随着科学技术的发展，目前，各式各样的高性能的单片机如雨后春笋般不断涌现，以满足不同行业的不同需求。把你了解的一些单片机的应用例子填写到表3-1中。图3-3单片机案例在某中学的足球机器人比赛活动中，高二（1）班的1号机器人和高二（2）班的2号机器人进行了两局对抗赛。第一局2号机器人赢了。中间休息时，高二（1）班的同学针对2号机器人在场上的表现对1号机器人的程序进行修改。第二局一开始，1号机器人的表现与第一局相比判若两人，很快就占据主动，获得胜利。032通用技术机器人设计与制作选 择 性 必 修 表3-1单片机的应用例子应用的行业例 子三、单片机的最小系统一片单片机芯片就是一台微控制器，只要在外围加上一些电子元器件就能构成一个微控制系统。案例如图3-4所示是应用一片AT89C2051单片机控制8个发光二极管的硬件接线图。8个发光二极管的阳极通过限流电阻后接在+5V电源上，其阴极分别接在P1.0P1.7上，单片机只要控制P1接口的输出电平就能控制相应发光二极管的亮（输出低电平）或灭（输出高电平）。图3-4用AT89C2051单片机最小系统控制8个发光二极管的接线单片机最小系统外设发光二极管组033第三章机器人的控制器3例如我们想要第一个发光二极管（接在P1.0引脚上）发亮，只要控制单片机在P1.0引脚上输出低电平信号就可以实现，要它熄灭则输出高电平信号。实践设计并制作一个单片机最小系统，它可控制8个发光二极管实现分组交替闪烁。要求:通过制作一个单片机最小应用系统，理解单片机各引脚的功能和应用方法。通过亲历汇编源程序的输入、编译成目标程序并写入单片机的全过程，初步了解有关汇编语言和机器语言的含义。掌握一种单片机的程序固化方法。方法指导1准备材料AT89C2051单片机1片、20脚双列直插（DIP）1个，集成电路（IC）插座1个、6MHz石英晶体振荡器1 个、发光二极管8个、300电阻8个、10k电阻 1 个、10F电容1个、30pF电容2个、万能印刷电路板1块、连接导线若干（图3-5）。2焊接线路板参照图3-4的接线图，先将IC插座（不插单片机）插入印刷电路板的适当位置并进行焊接固定后，再将其他元件插入适当位置（注意发光二极管的极性不要插反）并进行连线焊接（图3-6）。3检查调试第一步：检查已焊好的电路板焊接是否有错，可用万用表的电阻挡检查是否有短路或断路的地方，如电源引脚是否与地线短接等。第二步：将已焊好的电路板（先不要插上单片机）的电源和接地引线与+5V的直流电源正负极相接，并将万用电表调到直流电压10V档，测量单片机插座上20号引脚是否为+5V，10号引脚是否可靠接地（0V）。第三步：用1条导线一端接地，另一端去碰触单片机插座的12号引脚，对应的发光二极管应该发亮，否则检查相应的发光二极管的电路连接状况直到可控制其亮或灭，并依次检查其他发光二极管，图3-5 准备材料图3-6 连接示意034通用技术机器人设计与制作选 择 性 必 修 直到8个发光二极管都正常工作。4在计算机输入程序，编译程序在实验室的计算机上打开MCS51汇编程序（或仿真系统），输入下列汇编源程序：输入程序后，可利用仿真系统的编译功能或MCS51汇编器的编译功能将汇编源程序编译为目标程序后存入磁盘（图3-7）。ORG 0000H ;从0地址开始START：MOV P1,#55H ;将0101010