搬运机器人设计乐高

第1篇：搬运机器人设计乐高

乐高机器人设计

LEGO机器人

设计

组员：

时间：2015年9月14日

项目概述

一、项目背景

乐高机器人是一门涉及工程学、机电、物理、建筑、数字动力、电脑编程为一体的以培养我们综合性，创新性思维为宗旨的综合性多元化实践类学科。它的设立，在于充分弥补我们在课堂学习中，缺乏实践，缺少动手机会的缺点，强有力的锻炼我们的创新思维和动手能力，对团队协作能力也进行重点培养。教师在授课时，应在严格遵守大原则的情况下，灵活讲授各种知识，做到涉猎广，实用性强，趣味性强的教学特色，真正学到有用的知识，培养起举一反三的实践能力!

培养我们的创造性思维方法，设计、搭建新型的机构或装置; 引导我们运用乐高机器人套件，设计、制作智能机器人，提高我们的观察分析、动手、创造能力，培养他们的参与、竞争、实践与协作意识;

加强我们对机电一体化的实践认识，培养我们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。

二、需求分析

1.问题陈述

机器人玩具以其娱乐性、智能性以及易操作性在青少年中已经拥有了广泛的市场。同时，在教育领域，随着“玩中学”理念的深入人心，机器人玩具在信息技术、数学、自然科学等教学领域上得到了广泛的应用。如今，机器人作为中小学教育的载体得到了更多人的重视，其应用也愈发广泛。为适应这一国际发展趋势，世界著名玩具制造商丹麦乐高公司推出了一款比史上任何机器人都“更聪明、更强壮、更人性化”的机器人玩具。

乐高公司将一种名为LEGO language的适合学生学习的简单程序语言与机器人玩具结合在一起，学生只要点选简单的图形就能依照想象随意设计计算机程序。这些产品设计使得机器人能够更快更生动更准确地与玩家进行互动，玩家在体验过程中的兴趣得到不断提升。 2.方法

市场分析

我国现今岁以下儿童有3.6亿左右，占人口的比重约20%。目前我国儿童消费已经占到家庭总支出的30%左右，全国0~12岁的孩子每月消费总额超过35亿元。但我国14岁以下的儿童和青少年人均玩具消费仅20~30元人民币，其中我国城市儿童人均玩具消费为元，农村儿童人均玩具消费不足元，远低于亚洲儿童人均玩具消费美元和全世界儿童人均年玩具消费美元的水平。独生子女在关注孩子成长的花费方面表现出两个特征：一是舍得在孩子身上投入;二是越来越重视儿童的素质教育，这将会带来一个全新的儿童玩具消费时代。

随着人们生活水平的提高，人们消费需求也逐渐随之提高。现如今我国玩具市场上销售的玩具大部分处于中低档次，高档次的玩具还未成为消费主流，可以说高档次玩具市场在我国有着巨大的发展空间。如果中国玩具达到亚洲平均水平，市场规模将突破亿人民币。由此可见，乐高玩具作为一个世界知名的高档次智慧型玩具品牌，在中国的消费空间是极大的。

人群需求分析

现代青少年普遍承担着繁重的学习压力，不仅课堂教学模式枯燥，课后老师 还会布置大量作业，孩子玩乐时间逐渐减少。而现代中国家庭通常只有一个孩子， 家长将所有希望寄托在孩子身上，无形巾又增加了孩子的压力，如何让教学目标 得以轻松有趣的展现是现代教育需要重视的问题。乐髙机器人的学习过程完美的实现了这一特点，其本身就是一个有趣的形象的探索性的快乐体验过程，摆脱了枯燥的书本学习模式，让学习者得以亲身体验，动手实践，且没有刻板的框架约束。所有玩家都可以自由发挥想象力、创造力，在互动中体验成就感，自我满足感，让玩家在不知不觉中既获得了知识，又激发了学习热情。同时，乐高机器人也具备书本所无法提供的知识，充分整合了物理，运动，人体等各个方面，满足青少年多样的求知欲，拓宽了知识领域。玩家既可以独自体验，也可以和其他人共同协作，在合作中学习交流，结交朋友，增进友谊，培养独生子女的团队协作能力与领导服从能力。乐高机器人一年一度的FLL和WRO比赛，还让玩家充分体验体育竞技精神，在成功与失败的体验中变得坚强和自信。

3.解决方案

乐高的教育理念以支持学习过程的四个阶段为目的,将教育解决方案设计成一个富于成效的过程。乐高将学习过程分为联系、建构、思考和继续四个阶段,其英文表达为CONNECT、CONSTRUCT、CONTIUE和CONTEMPLATE,简称为4C。四个阶段循序渐进,循环往复,形成螺旋式的发展过程。

“造型之美”与“生命之美”在机器人玩具身上汇聚，当我们赋予了机器人玩具以生命，玩具从此不再只是没有互动的摆设，互动使玩具与玩家之间建立了一种超越传统关系——人机交互。从此，机器人玩具成为了我们的“朋友”，成为我们生活中的一部分。

三、概要设计 在实现那些说过的功能的基础上，还要考虑用户属性“孩子”所以在外观，结构上都要体现出出于对孩子的照顾，比如加入圆角处理，或者在外表形态上做出改变，例如虽然还是机器人，但套上毛绒熊的外套就会不杨了，这样产品也就可以同样适用于女孩了。

四、详细设计

乐高机器人的核心部件，是控制中心。实现语言动作的传输。所有的语言程序都读入里面。来实现操作。完成各式各样的动作和功能。

1、结构设计：

(1)模块化：被控对象模块化结构，可组成不同的机械结构和机电系统 ，为创新实践实验提供方便;

(2)系统化：提供全面的教学资料、利于培养小孩子的动手能力。

2、功能设计：

(1)实现行走的功能;

(2)实现跳舞、唱歌的功能;

(3)实现语音控制功能;

第2篇：设计乐高机器人的四个步骤

第一步：使用乐高RCX微型电脑设计机器人

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。有多种传感器可供选择，如触动传感器、光电传感器、温度传感器、角度传感器等。

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。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原程序，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。

美国国家仪器(NI)公司的LABVIEW软件： ROBOLAB是以美国国家仪器公司(美国德州)开发的LabVIEW编程环境为基础编写的。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。

第三步：下载程序到RCX

RCX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。

第四步：运行程序，测试机器人是否按要求工作

学生可以通过运行程序，马上知道机器人是否按设计的行动。如果机器人没有按要求的做，那么，可通过检查机器人搭建及程序编写是否正确来修正错误。这一过程不仅锻炼学生分析问题、解决问题的能力;而且培养学生逻辑分析能力、团队合作精神与交流能力。

第3篇：乐高机器人与乐高积木的区别？

乐高机器人的课程不同于乐高积木，乐高的大颗粒以及小颗粒都是静态搭建，到乐高NXT才涉及到搭建结构原理、齿轮咬牙、轨道滑动、平衡等知识，后期会有电池和马达，这时候才进入到动态搭建。而乐高EV3机器人是乐高第三代最新机器人，其功能与NXT相比更强大也更多变，这个时候的动态搭建才涉及到考验孩子逻辑思维的编程。EV3拥有强大的存储空间，可编程智能砖可以实现机器人与电脑、PAD、手机的无缝对接是操作更方便也更多样。另外EV3的模块化编程贴合儿童思维从具象到抽象的发展规律，相对来说更易掌握。可以说，EV3机器人是乐高的塔尖课程，是很高端的课程了。

但是在机器人课程体系中，乐高EV3机器人是智能机器人课程的入门教育阶段。孩子在学习乐高EV3机器人之后，还可以进阶学习VEX IQ智能机器人、VEX金属机器人，参加国际认可度很高且含金量很高的国内外机器人大赛。

关于家长是否选择让孩子学机器人机，最后还是要看孩子的兴趣。另外，由于机器人课程更加考验孩子的动手以及逻辑思维，所以对孩子的年龄也有要求，比如乐高EV3机器人适合的年龄是6到12周岁，相对于这个年龄段的孩子来说，EV3机器人不会太简单也不至于过难，不会让孩子们因为过于简单或者过于难而产生不想学的心理。至于VEX IQ以及VEX机器人，则分别适合7—14岁、9—16岁的孩子学习，关于孩子具体学习哪种机器人课程还需要根据孩子的兴趣以及孩子自身的实际情况综合考虑，或者咨询专业老师的建议。

第4篇：乐高机器人编程

项目：乐高机器人编程 主讲教师： 上课时间： 学时数：1课时 教学目标：

(1) 知识与能力：

1.使学生初步了解机器人编程环境

2.使学生学会安装机器人编程环境，会下载一些简单的程序。

(2)过程与方法：

通过讲授、演示的方法介绍编程环境 (3)情感态度与价值观：

激发学生热爱科学、探究科学的兴趣。 重点难点：

1.机器人编程环境(pilot级别简单介绍) 2.下载工具的使用

教学步骤：

1. 导入 2. 概念讲解

3.学生活动(马达的使用)

组织形式：

小组为单位活动

教学内容：

乐高机器人编程环境介绍

(一)

一、导入(5分钟)

教师：展示机器人编程界面，介绍一些概念

二、概念讲解

1、 机器人防火墙的用途

教师：防火墙对于机器人的意义

防火墙是乐高机器人承载程序的界面，如果没有防火墙，乐高机器人无法完成程序传输，所以在使用乐高机器人的过程中，一定要注意先下载防火墙，安装完毕后，就可以发出一个声音，确认防火墙已经下载好。 ☆ 学生：下载乐高机器人防火墙

☆ 教师：如何检测防火墙下载成功

学生：

连好通信设备，给机器人下载防火墙，检测通信。

2、机器人防火墙下载过程遇到问题

教师：用幻灯片展示自己的总结

1、电脑中是否使用USB口传输数据

2、是否把机器人RCX的传输口对准与电脑相连的传输口

3、机器人电池是否充足。

3、机器人简单程序的搭建

教师：讲解马达、等机器人的输出部件。

机器人的输出口分别为A,B,C。每个输出口只能连接一个输出传感器，如：马达、触碰、灯泡等。

三、学生活动

在上节课拼插好机器人的基础上，为机器人编制马达转动的程序。如前进、转弯等。

乐高机器人编程起始状态为绿灯标志，结束状态为红灯。中间使用粉色线相连，如果连接过程中出现灰色，程序无法完成下载。

本课小结：

通过本节课的学习，学生对智能机器人马达部件有深刻地了解。熟悉程序界面模块的使用。

第5篇：乐高机器人课程

Lego Mindstorms(乐高机器人)是集合了可编程Lego砖块、电动马达、传感器、Lego Technic部分(齿轮、轮轴、横梁)的统称。Mindstorms起源于益智玩具中可编程传感器模具(programmable sensor blocks)。第一个Lego Mindstorms的零售版本在1998年上市，当时叫做Robotics Invention System (RIS)。最近的版本是2006年上市的Lego Mindstorms NXT。

乐高机器人套件的核心是一个称为RCX或NXT的可程序化积木。它具有六个输出输入口：三个用来连接感应器等输入设备，另外三个用于连结马达等输出设备。乐高机器人套件最吸引人之处，就像传统的乐高积木一样，玩家可以自由发挥创意，拼凑各种模型，而且可以让它真的动起来。

机器人是一门涉及机械学、电子学、工程学、自动控制、计算机、人工智能等方面的综合性学科，以培养学生的科学素养和技术素养为宗旨，以综合规划、设计制作、调试应用为主要学习特征的实践性课程。在拓宽学生的知识面，促进学生全面而富有个性的发展上起着不可替代的作用。

随着科学技术的发展，特别是人工智能与机器人的结合，机器人不再局限于工业应用和研究所内，它已经进入教育领域。国内外教育专家指出，利用机器人来开展实践学习，不仅有利于学生理解科学、工程学和技术等领域的抽象概念，更有利于培养学生的创新能力、综合设计能力和动手实践能力。机器人教育在基础教育越来越受到人们的关注。

我国自2001年举办首届全国青少年机器人竞赛以来，在竞赛的带动与促进下，全国各地展开了校本课程、课外科技小组、选修课等丰富多彩的机器人教育活动。近年来，由于对机器人教育认识上的不足，机器人竞赛活动目标不明确等原因，我国机器人教育的发展受到一定程度的制约。

在课程改革的背景下，乐高从全国基础教育发展现状出发，构建科学、合理、切实可行的中小学乐高机器人教程体系，规范机器人教育，对我国今后机器人教育的蓬勃发展起着非常重要的作用，势在必行。

科学和技术素养是当今社会每个公民必备的基本素养。乐高机器人课程在培养学生的科学与技术素养方面有其独特的优势，机器人教育作为一门基础课程，要面向全体学生。

乐高机器人课程要为学生营造动手动脑、进行设计活动的环境，提供必要的设备和工具，倡导学生积极主动、勇于探索的学习精神，组织学生进行探索式学习，让学生充分动手实践，积极合作，主动探究。

乐高机器人更多信息可登入网站棒棒贝贝科技中心了解更多。 地 址：上海市浦东新区杜鹃路68号。

第6篇：乐高机器人巡线原理

一、前言

在机器人竞赛中，“巡线”特指让机器人沿着场地中一条固定线路(通常是黑线)行进的任务。作为一项搭建和编程的基本功，巡线既可以是独立的常规赛比赛项目，也能成为其他比赛项目的重要技术支撑，在机器人比赛中具有重要地位。

二、光感中心与小车转向中心

以常见的双光感巡线为例，光感的感应中心是两个光感连线的中点，也就是黑线的中间位置。而小车的转向，是以其车轮连线的中心为圆心进行的。很明显，除非将光感放置于小车转向中心，否则机器人在巡线转弯的过程中，探测线路与做出反应之间将存在一定差距。而若将光感的探测中心与转向中心重合，将大幅提升搭建难度并降低车辆灵活性。因此，两个中心的不统一是实际存在的，车辆的转向带动光感的转动，同时又相互影响，造成机器人在巡线时对黑线的反应过快或者过慢，很多巡线失误由此产生。

所以在实际操作中，一般通过程序与结构的配合，在程序中加入一定的微调动作来弥补其中的误差。而精准的微调，需要根据比赛场地的实际情况进行反复调试。

三、车辆结构

巡线任务的核心是让机器人小车按照场地中画出的路线行进，因此，根据任务需要选择合适搭建方式是完成巡线任务的第一步。

1、前轮驱动

前轮驱动的小车一般由两个动力轮和一个万向轮构成，动力轮位于车头，通过左右轮胎反转或其中一个轮胎停转来实现转向，前者的转向中心位于两轮胎连线中点，后者转向中心位于停止不动的轮胎上。由于转向中心距离光感探测中心较近，可以实现快速转向，但由于机器人反应时间的限制，转向精度有限。

2、后轮驱动

后轮驱动的小车结构和转向中心与前轮驱动小车类似，由于转向中心靠后，相对于前轮驱动的小车而言，位于车尾的动力轮需要转动较大的幅度，才能使车头的光感转动同样角度。因此，后轮驱动的小车虽转向速度较慢，但精度高于前轮驱动小车。对于速度要求不高的比赛而言，一般采用后轮驱动的搭建方式。

3、菱形轮胎分布

菱形轮胎分布是指小车的两个动力轮位于小车中部，前后各有一个万向轮作为支撑。这样的结构在一定程度上可以视为前轮驱动和后轮驱动的结合产物，转向速度和精度都介于两者之间。这种结构的优势在于转向中心位于车身中部，转弯半径很小，甚至能以自身几何中心为圆心进行原地转向，适合适用于转90°弯或数格子行进等一些比较特殊的巡线线路。 这种结构最初应用于RCX机器人足球上，居中的动力源可以让参赛选手为机器人安装更多的固定和防护装置，以适应比赛中激烈的撞击，具有很好的稳定性。而对于NXT机器人而言，由于伺服电机的形状狭长不规律，将动力轮位于车身中部的做法将大幅提升搭建难度，并使车身重心偏高，降低转弯灵活性。

4、四轮驱动

四轮驱动的小车四个轮胎都有动力，能较好地满足一些比赛中爬坡任务的需要。小车的转向中心靠近小车的几何中心，因此能进行原地转弯运动，具有较好的灵活性，特别适用于转90°弯或数格子行进等任务一些比较特殊的巡线线路。虽然与后轮驱动小车相比，转向中心比较靠前，转向精度较小，但四轮驱动小车没有万向轮，转弯需要靠四个轮胎同时与地面摩擦，加大转弯的阻力，因而转弯精度应介于菱形轮胎分布的小车和后轮驱动小车之间。 四轮驱动的小车最大优势在于具有普遍适应性，熟练掌握此结构的参赛选手能在参加FLL工程挑战赛、WRO世界机器人奥林匹克等一些比较复杂的比赛中占据一定优势。

四、编程方案

1、单光感巡线 单光感巡线是巡线任务中最基础的方式，在行进过程中，光感在黑线与白色背景间来回晃动，因此，这种巡线只能用两侧电机交替运动的方式前进，行进路线呈“之”字形。这种巡线方式结构简单易于掌握，但由于只有一个光感，对无法在完成较为复杂的巡线任务(如遇黑线停车、识别线路交叉口等)，且速度较慢。

基本思路：光感放置于黑线的左侧，判黑则左轮不动右轮前进，判白则右轮不动左轮前进，如此交替循环。参考程序如下图：

2、单光感巡线+独立光感数线

在很多比赛中，机器人需要做的不仅仅是沿着黑线行进，还需要完成一些其他任务，如在循迹路线上增加垂直黑线要求停车、放置障碍物要求躲避等内容。此时，单光感巡线已不能满足要求。下面以要求定点停车为例，简要介绍单光感巡线+独立光感数线的编程模式。

基本思路：在此任务中要求在垂直黑线处停车，则需要跳出单光感巡线的循环程序体系，可以通过设置循环程序的条件实现这一功能。由于程序的设定，负责巡线的3号光感在行进时始终位于黑线的左侧，不会移动到黑线右侧的白色区域，因此在黑线右侧设置一个光感(4号)专门负责监视行进过程中黑线右侧的区域，当此光感判黑时，即可判断出小车行进到垂直黑线处，于是终止单光感巡线的循环程序，执行规定的停车任务，然后向前行进一小段距离驶过垂直黑线，继续单光感巡线任务。参考程序如下图：

上述程序只适用于停车一次的需要，在实际比赛中需以定点停车、蔽障任务为基点，将巡线赛道划分为若干个小段依次设定程序，或采用两重循环的程序，重复执行巡线→→定点停车任务：

3、双光感巡线

双光感巡线是机器人竞赛中最常见的巡线模式，两个光感分别位于黑线两侧，以夹住黑线的方式行进。根据两个光感读取的数值不同，可以将光感的探测结果分为左白右黑、左黑右白、双白和双黑四种情况，根据这四种探测结果，分别执行右转、左转、直行和停车四种动作的程序命令。由于这种方法能让两个电机同时工作，机器人运动的速度较快，同时采取两个光敏监测黑线，精度也有所提高。

基本思路：使用两重光感分支程序叠加，为四种探测结果设定与之对应的程序反应，形成循环程序结构，参考程序如下图：

、双光感巡线+独立光感数线

一般而言，一个以巡线为基础的比赛，会在巡线的基础上增加定点停车、识别交叉口、绕开障碍等多项任务，想要准确识别并完成这些任务，需要在掌握上述双光感巡线技术的基础上，以定点停车、蔽障任务为基点，将巡线赛道划分为若干个小段，使用传感器、逻辑判断等方式跳出双光感巡线的循环程序，执行与完成任务相对应的程序，然后重新进行巡线任务。

以双光感巡线+独立光感数线的模式为例，在双光感巡线的基础上，在其中一个光感的外侧再放置一个光感。由于使用双光感巡线，标记行进路线的黑线将始终位于前两个光感之间，因而第三个光感探测到黑线只会是两种情况——抵达停车地点或巡线路线交叉处，于是以第三个光感探测到黑线作为结束循环的条件进行编程，参考程序如下：

注：由于光感放置位置的原因，使得第三个光感判黑的时候，前两个光感探头必然同时处于黑线上或十分接近，完全能以第三个光感判黑代替前两个光感同时判黑的情况，因此在巡线循环部分将双光感判黑的一个分支跳过不予编程。

五、延展

上述内容为巡线任务的基础知识，仅根据光感的探测做出反应，简单地将光感探测中心与小车转向中心重合(将小车视为一个仅有重量没有体积的质点)，可完成一些线路有弧度的平滑路线，对于较难的巡线弯道，如直角弯、“V”字形弯道等特殊线路，则必须考虑转向中心和探测中心的区别，需要特殊对待。 一般而言，在探测到此类弯道之后，需要先精确控制小车运行时间，将小车的转向中心移动到弯道的中心(如“V”字形弯道的定点)，此时光感全部脱离黑线，再原地转动车身，当负责夹住黑线行进的光感重新探测到黑线时，则小车已完成转弯任务并回到循迹路线，然后继续执行巡线任务。 以上内容仅为本人的一些经验粗略总结，如有不当之处，敬请大家指正，希望能起到抛砖引玉的作用。