普通高中教科书·通用技术 选择性必修 机器人设计与制作.pdf

机器人设计与制作机器人设计与制作通用技术通用技术TONGYONG JISHUPUTONG GAOZHONG JIAOKESHU普 通 高 中 教 科 书选择性必修绿 色 印 刷 产 品 绿 色 印 刷 产 品 0614 通用技术封面选修2 机器人设计与制作 5毫米 10614 通用技术封面选修2 机器人设计与制作 5毫米 12022/8/2 16:512022/8/2 16:51普通高中教科书通用技术选择性必修机器人设计与制作北京总 主 编：褚君浩副 主 编：朱志勇本册主编：高建军编写人员：金 晶 景乃锋 邵宪一责任编辑：王旭刚美术设计：胡白珂普通高中教科书 通用技术 选择性必修 机器人设计与制作上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写出版发行网（北京市海淀区中关村南大街17号院1号楼 邮编：100081）址 http:/ 版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现内容质量问题，请登录中小学教材意见反馈平台。如发现印、装质量问题，影响阅读，请与本社联系。电话：400-810-5788通用技术是一门联系科学规律和技术应用的课程。人类在生产实践和科学实验的过程中，获得了知识，掌握了规律，形成了技术，进而在工程任务中利用技术，提升生产实践和科学实验的水平。实践认识再实践再认识，这样的过程循环反复，人类的科学技术不断提升，社会生产力不断发展。世界是物质的，物质是运动的。在我们周围充满着物质的多种多样的运动形式，除了常见的机械运动以外，还有光、声、热、电、磁、分子、原子、基本粒子、生命运动等。人们在观察和研究物质的这些运动形式时，发现了规律，运用规律发明了技术，相应产生了机械技术、光技术、声技术、热技术、电技术、磁技术、分子技术、核技术、生物技术等。这些技术分别或者集成起来在多类工程任务中得以应用，涉及机械工程、土木工程、热力工程、电子工程、光学工程、能源工程、环境工程、生物工程、航空航天工程、海洋工程、地质工程等。典型的工程，包括南浦大桥、世博会的中国馆、虹桥枢纽屋顶上的太阳能发电站、C919大飞机、风云四号等大工程，也包括制造服装、烹饪菜肴、室内装修、三维打印零件等小工程。工程任务完成后制造出各类产品，应用于社会方方面面不同领域，为社会创造财富。从事这些工作的勤奋踏实而富有创新精神的劳动者，成为了基础扎实的工程师和精益求精的工匠，他们是我们学习的楷模。我国古代人民的发现和发明造就了中国科学技术的辉煌历史，不仅有指南针、造纸术、印刷术、火药等重要发明，还有以都江堰水利工程、传统木建筑的榫卯结构等为代表的水利、天文、建筑、铸造、纺织、陶瓷、冶金、航海等古代科学技术，这些杰出的技术是中国古代科技文明的精粹，对人类文明发展和社会生产力的进步产生了巨大推动作用和深远影响。技术是人类利用自然规律实现某种功能和目标的一种能力，它的背后是科学规律，它的前面是工程任务。工程任务有明确目标，技术在完成工程任务中实现它的价值。例如，根据牛顿第三定律可以利用作用力的反作用力推进物体，这一原理可以用于火箭工程，再运用万有引力定律，可以发射地球卫星，甚至把嫦娥四号送到月球背面。技术的价值在工程任务中得到充分体现。把技术应用于工程，就要遵循工程的规范。实现技术的应用，完成一项工程任务，首先要明确这项工程的具体目标，提出完整可行并有创新的设计方案。设计方案又涉及工程目标物的结构、工艺流程、组成系统、意图控制等。方案的具体内容要用技术语言和图样表达出来，根据图样来操作加工，最后实现方案，完成工程任务。工程实施过程中的经验和教训，需要同行互相交流；是否完成了预期的目标要求，需要由外部专家和使用者进行评价。工程交付后，还要经受时间和应用的评判。同学们，新时代已经来临！新工业革命正在悄悄向我们走来。如同18世纪以机械化为特征的第一次工业革命、19世纪以电气化为特征的第二次工业革命、20世纪以信息化为特征的第三次工业革命，21世纪人类将开启以智能化为特征的第四次工业革命。人类致同学们致同学们 I总是先在观察或实践中发现规律，在此基础上发明了技术，进而推动技术的应用与发展。人们发现了质能关系，发明核技术；发现了受激辐射规律，发明激光技术；发现了光纤中光传输规律，发明光通信技术；发现了电磁波规律，发明无线通信技术；发现了半导体光跃迁规律，发明半导体照明技术；等等。先进技术为构建人类绚丽文明打下基础。谁掌握了规律，谁发明了技术，谁就获得了主导权。智能制造是新工业革命的重要特征，而通用技术是智能制造的基础课程之一。同学们，机遇和挑战在等待着我们！通用技术课程必修内容包括“技术与设计1”“技术与设计2”2个模块，它们分别从技术和设计的角度阐述通用技术的一般概念，并通过实践来帮助同学们体验技术与设计的内涵。选择性必修内容包括“技术与生活”“技术与工程”“技术与职业”和“技术与创造”4个系列11个模块。整体框架由图0-1表示。学习这门课程要注重掌握概念和加强实践，尤其要通过动手实践，来培养自己的技术意识、工程思维、创新设计、图样表达和物化能力等核心素养。机器人设计与制作作为选择性必修课程之一，旨在使学生了解机器人的发展和应用现状，理解机器人的概念和工作方式，深化对人机关系的认识，体验机器人技术对人类社会发展产生的深远影响，增强机械技术、电子技术、控制技术和计算机软硬件技术等的综合运用能力，为适应未来社会智能生活和高校专业学习奠定基 础。编 者2019年8月图 0-1 课程内容整体框架生活工程职业创造智能家居应用设计服装及其设计现代家政技术技术与职业探索职业技术基础机器人设计与制作工程设计基础电子控制技术基元技术创造力开发与技术发明产品三维设计与制造科技人文融合创新专题控制的设计系统的设计流程的设计结构的设计技术与设计2交流与评价方案与实现技术的设计技术的性质技术与设计1通用技术力技术电技术磁技术光技术声技术热技术人类科学活动和生产实践II机器人设计与制作第一章 机器人结构与传动机械 1第 1 节 机器人三定律 2第 2 节 机器人的基本构成 16第 3 节 机器人的自由度 21第 4 节 机械传动机构 25课外实践：循迹机器人小车组装基本结构 32第二章 机器人感知与传感器 35第 1 节 机器人感知系统 36第 2 节 传感器的原理和种类 38第 3 节 传感器的任务 44课外实践：循迹机器人小车制作传感器的应用 49第三章 机器人控制器 53第 1 节 控制器基本原理 54第 2 节 控制器使用实例 56第 3 节 控制器编程 60第 4 节 控制器通信接口 64课外实践：循迹机器人小车制作电机驱动 69第四章 机器人控制策略 73第 1 节 路径规划和运动控制的概念和功能 74第 2 节 路径规划和运动控制的设计方法 78第 3 节 机器人控制策略实例 82课外实践：循迹机器人小车制作控制 86目 录第 1 节 机器人三定律第 2 节 机器人的基本构成第 3 节 机器人的自由度第 4 节 机械传动机构和人类具有头脑、四肢和躯干一样，机器人也具有相似的结构。不同的是，机器人的头脑是以中央处理器为核心的控制系统，代替骨架肌肉释放能量的是机械传动装置。随着生产生活中机器人越来越多的使用，人类需要为机器人制定相应的行为规范。在对机器人三定律、机器人的物理结构和相应的传动机械装置学习的过程中，培养学生的技术意识、工程思维与图样表达能力。第一章 机器人结构与传动机械一、什么是机器人机器人是指一切可以模拟人类或其他生物的行为或思想的机械装置，通常由计算机自行控制或者由人类和计算机协同控制。其特征有以下三点：第1节 机器人三定律在我们日常生活和学习中，大家可能都遇到过稻草人、橡皮人、泥人以及玻璃人等，这些都是用不同材质制成的具有人类外观特征且无法自主运动的物体。而机器人可不仅仅指利用机器制成的可运动人形结构，它的外延大得多，可以是各种形态，如类似某种动物的形态，类似某种车辆的形态等都可以称为机器人。在开始学习之前请大家记住机器人的英文名字Robot。讨论&交流你知道的身边的机器人有哪些？和稻草人、橡皮人、泥人以及玻璃人等有何区别？1.一种可以利用计算机编程控制的多功能操作机2.可以执行人类布置的任务3.由控制系统、执行模块、驱动和检测模块、复杂传动机械等组成从上面的特征来看，机器人是综合了机械、电子、计算机、传感器、控制技术、人工智能和仿生学等多种学科的复杂智能机械。由于它们可以完成一些对人类来说具有危险或者难以达到的工作，1.了解机器人的概念和发展历史2.理解机器人三定律的内容和含义3.学会分析机器人与人类、环境的关系学习目标2机器人设计与制作因此在化工、机械、农业生产、军事和社会服务等各个领域得到了广泛的应用。我们常常能从文学作品和电影中看到具体的机器人形象，特别是一些科幻作品中，经常会出现类似图1-1等的各类机器人形象。机器人的外观形貌不一定像人，可以是像各种动物形状的仿生机器人，也可以是具有四个轮子的载物汽车，下面介绍一下形状各异的机器人。图1-2是和人类外观相近的机器人，可以明显地看到这个机器人具有类似于人类的头部、躯干与四肢；图1-3是具有鱼类外形的机器人，可用于水下探测与水下救援；图1-4是具有导航功能并且可以实现自由飞翔的空中机器人；图1-5是可以爬行的蛇形机器人，可用于疏通管道；图1-6是用四足爬行的足式机器人，可以在救援人员进行废墟搜救时起到很好的协助作用；图1-7是用于流水线装配的高精度机器人，尽管它的外形看起来既不像人，也不像任何动物，但仍然是机器人的一种。图1-1 影视作品中的机器人卡通形象图1-3 水下机器人机器鱼图1-2 人形机器人图1-4 空中机器人无人驾驶飞行器图1-5 蛇形机器人图1-6 足式机器人图1-7 装配机器人第一章 机器人结构与传动机械 3机器人有由计算机全自动控制的，也有由计算机半自动控制的。全自动控制是指机器人完全由计算机自行控制，而半自动控制则是指机器人接受计算机和人类共同指挥完成指定的任务。图1-8给出了受计算机控制的机器人示意图，机器人接受计算机的有线控制或无线遥控，在获得指令后开始动作，它可以在崎岖的路面上行走，能轻松避开或跳过障碍物，甚至还能爬过满是碎石的台阶，也可以唱歌、跳舞和讲故事，有些机器人还可以和人类对话等。图1-8 受计算机控制的机器人示意图讨论&交流你认为机器人有哪些特征？机器人一定包括头脑、四肢和躯干吗？机器人一定会走动吗？你的玩具中有机器人吗？机器人领域的迅猛发展源于需求牵引，主要原因是机器人可以代替人类在一些危险的环境中开展工作，或者从事对于人类来说复杂而困难的工种。例如：战争结束后的排雷任务，利用机器人可以避免工兵的伤亡；人本身无法飞起来观测地形地貌，而空中机器人可以执行地理勘测任务，甚至可以发现火灾。机器人还可以进行太空探索，图1-9为我国玉兔二号巡视机器人在月面活动的画面。4机器人设计与制作讨论&交流你认为机器人还可以帮助人类完成哪些任务？人类控制机器人有几种方式？图1-9 玉兔二号巡视机器人在月面活动二、机器人概念的产生与发展历史人类经常会面临繁重或危险的工作，因而幻想利用人形物体代替自己工作，这也是机器人能够诞生的原因之一。机器人相关概念的产生可以追溯到3000多年前的西周时代（前1046前771），根据列子汤问记载，一位技巧娴熟的工匠制作了一台歌舞机器人献给当时的周穆王，它能够在宫廷仪式上进行舞蹈表演来博得周穆王的欢心。沈约所撰宋书也记载我国东汉时期（25220）的数学家、科学家张衡制造了指南车（图1-10所示为现代复原的一种指南车），不管轮子朝哪个方向行驶，指南车机器人的手指都指向南方。除此之外，三国时期诸葛亮发明“木牛流马”的故事也体现了人类对机器人的渴望。三国志蜀志诸葛亮传（晋陈寿）中记图1-10 复原的指南车第一章 机器人结构与传动机械 5载：“亮性长于巧思，损益连驽，木牛流马，皆出其意。”而三国演义（明罗贯中）中对“木牛流马”的描述则更加生动：忽一日，长史杨仪入告曰：“即今粮米皆在剑阁，人夫牛马搬运不便，如之奈何？”孔明笑曰：“吾已运谋多时也。前