4.2機(jī)器人的傳感器教學(xué)設(shè)計(jì)-高中通用技術(shù)粵科版選擇性必修2機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作

普通高中教科書《通用技術(shù)》選擇性必修2機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作第四章機(jī)器人感知與傳感器第二節(jié)機(jī)器人的傳感器教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)背景黨的二十大明確指出，“教育、科技、人才是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。必須堅(jiān)持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動(dòng)力，深入實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，開辟發(fā)展新領(lǐng)域新賽道，不斷塑造發(fā)展新動(dòng)能新優(yōu)勢(shì)”。機(jī)器人是20世紀(jì)人類的偉大發(fā)明，今天，它不僅能夠代替人類登陸火星和潛入幾千米以下的深海，還可以不知疲倦地工作在各種生產(chǎn)線上，并服務(wù)于我們的日常生活。關(guān)于機(jī)器人，我國(guó)科學(xué)家認(rèn)為機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)為工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)。教學(xué)目標(biāo)：知識(shí)與技能目標(biāo):1.了解機(jī)器人常用傳感器的種類和特點(diǎn)。2.掌握傳感器與控制器的接口電路和制作方法。教學(xué)內(nèi)容分析:機(jī)器人是一種能夠按照預(yù)先設(shè)計(jì)程序而自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)械裝置。當(dāng)前機(jī)器人已經(jīng)大規(guī)模地走進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)、軍事、政府管理、商業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域，它們可以幫助或代替人類完成不同的工作，在各個(gè)方面影響著人類的生活。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，讓我們來(lái)初步了解和認(rèn)識(shí)機(jī)器人吧。機(jī)器人要準(zhǔn)確地模擬人的動(dòng)作，不但需要類似于人的大腦，還需要各種感覺和靈活的肢體。在機(jī)器人中，它的感覺器官由各種傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，大腦由控制器實(shí)現(xiàn)，肢體則由電機(jī)及機(jī)械裝置等組成。讓我們通過(guò)學(xué)習(xí)機(jī)器人的感知和機(jī)器人的傳感器，經(jīng)歷設(shè)計(jì)和制作機(jī)器人的過(guò)程，領(lǐng)略一下機(jī)器人感知設(shè)計(jì)與制作的無(wú)窮魅力。學(xué)情分析:生活在科技迅猛發(fā)展的21世紀(jì)，同學(xué)們有必要了解一些機(jī)器人的知識(shí)，因?yàn)槲磥?lái)的機(jī)器人將對(duì)我們的生活和工作產(chǎn)生巨大的影響。

自己動(dòng)手制作機(jī)器人是讓同學(xué)們了解機(jī)器人的最好手段。同學(xué)們一起進(jìn)入機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作的精彩世界吧。教學(xué)重難點(diǎn):了解機(jī)器人常用傳感器的種類和特點(diǎn)。掌握傳感器與控制器的接口電路和制作方法。教學(xué)策略:本節(jié)課教學(xué)主要由教師通過(guò)實(shí)物和多媒體手段設(shè)置學(xué)習(xí)情境，并加以引導(dǎo)，讓學(xué)生在過(guò)程中發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)、培養(yǎng)實(shí)踐能力、提升創(chuàng)新意識(shí)、開闊認(rèn)知視野；將自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)等多種學(xué)習(xí)方式滲透進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)和教師的教學(xué)當(dāng)中；不斷嘗試現(xiàn)代教育技術(shù)和方法的運(yùn)用。教學(xué)準(zhǔn)備:展示用的圖片、其他技術(shù)產(chǎn)品、多媒體課件。教學(xué)過(guò)程:情景倒入:老師：本節(jié)課我們學(xué)習(xí)《通用技術(shù)》選擇性必修2第四章機(jī)器人感知與傳感器第二節(jié)機(jī)器人的傳感器。情景購(gòu)書中心使用了機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)購(gòu)，創(chuàng)新活動(dòng)小組的同學(xué)都很好奇，星期天相約去購(gòu)書中心體驗(yàn)一下。機(jī)器人“小慧”是位漂亮的小姑娘，每當(dāng)有人靠近“小慧”，她都會(huì)熱情地上來(lái)打招呼。小輝同學(xué)問(wèn)“小慧”：“請(qǐng)問(wèn)，在哪里有計(jì)算機(jī)類圖書？”“小慧”眨了下大眼睛，用清脆的聲音回答：“計(jì)算機(jī)類圖書在2樓3區(qū)第2排，謝謝！”同學(xué)們都贊嘆“小慧”的“聰明”，“小慧”安裝了什么傳感器呢？一、常用傳感器常用的傳感器有光敏傳感器、熱敏傳感器、聲敏傳感器、濕度傳感器、氣敏傳感器、磁敏傳感器等，它們采用了不同的材料和結(jié)構(gòu)，接收的信息也不相同。表43中列出了常用傳感器的外形圖及符號(hào)。表43常用傳感器的外形圖及符號(hào)思考生活、學(xué)習(xí)中許多方面都可以應(yīng)用人工智能技術(shù)，你想在哪方面做些嘗試？你認(rèn)為可能用到哪些種類的傳感器？機(jī)器人的傳感器根據(jù)需要選用和配置，如：光敏傳感器能幫助機(jī)器人完成“看”的任務(wù)。常見的光敏傳感器有CCD圖像傳感器、光敏電阻和光電傳感器等（圖48）（參見教材P55）。機(jī)器人安裝觸覺傳感器的目的是檢測(cè)某些部位與外界物體是否接觸，以便手爪能牢固地抓住物體，或腿能平穩(wěn)地踩在地面上等。檢測(cè)碰撞或者接觸信號(hào)可以采用壓力傳感器，比如機(jī)械手可以自動(dòng)抓取物體，它需要壓力傳感器檢測(cè)抓取的松緊程度。檢測(cè)是否接觸時(shí)，可用微動(dòng)開關(guān)（圖49）（參見教材P55）。給機(jī)器人安上“耳朵”，可以使其具有聽覺功能。機(jī)器人的“耳朵”就是我們很熟悉的話筒（或稱為聲音傳感器），如圖410（參見教材P55）所示，它能夠采集和檢測(cè)聲音，并把聲音轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，傳送給微控制器處理。知識(shí)窗超聲波傳感器超聲波傳感器（圖411）（參見教材P56）利用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射與接收。簡(jiǎn)易機(jī)器人中常常應(yīng)用超聲波傳感器來(lái)檢測(cè)前方物體，其原理是模仿蝙蝠的回聲定位法。發(fā)送器發(fā)射超聲波，根據(jù)接收器檢測(cè)到的回波狀況來(lái)判斷前方是否有物體，其原理示意可見圖412（參見教材P56）。超聲波傳感器不但可以檢測(cè)物體的存在，還可以通過(guò)檢測(cè)超聲波的往返時(shí)間來(lái)計(jì)算距離。二、傳感器與接口電路思考傳感器將外界的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其中有些是數(shù)字信號(hào)，有些是模擬信號(hào)。如果是模擬信號(hào)，應(yīng)該怎樣處理？數(shù)字信號(hào)能夠直接傳送到微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；模擬信號(hào)則需要先轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后再傳送到微處理器進(jìn)行處理。能夠?qū)⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的器件叫?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器）。開關(guān)直接輸出數(shù)字信號(hào)，它與微控制器的接口電路如圖413（參見教材P57）所示。開關(guān)的兩個(gè)引腳分別接信號(hào)線和地線，開關(guān)斷開時(shí)，數(shù)字端口2接口得到高電平（邏輯1）；開關(guān)閉合時(shí)，數(shù)字端口2得到低電平（邏輯0）。圖414（參見教材P57）為光敏電阻與微控制器的典型接口電路。光敏電阻是一個(gè)可變電阻，它與一個(gè)阻值為10kΩ的電阻串聯(lián)，形成一個(gè)分壓電路。當(dāng)光敏電阻被強(qiáng)光照射時(shí)，阻值變小，輸出電壓接近于0V；當(dāng)光敏電阻在黑暗環(huán)境時(shí)，阻值變大，輸出電壓接近于5V。輸出電壓就在0～5V兩個(gè)極限值之間變化。這是一個(gè)模擬信號(hào)，必須通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送至微控制器進(jìn)行相應(yīng)的處理。很多微控制器都在內(nèi)部配備有A/D轉(zhuǎn)換器，此時(shí)只要將待測(cè)信號(hào)接入模擬端口即可。思考光敏電阻具有被強(qiáng)光照射時(shí)阻值變小，在黑暗環(huán)境下阻值變大的特點(diǎn)。請(qǐng)大家討論能否將其用作開關(guān)傳感器？三、機(jī)器人傳感器的安裝與調(diào)試根據(jù)機(jī)器人的需要，選擇了合適的傳感器，還需要安裝和調(diào)試，我們以常用的觸碰傳感器和反射式光電傳感器進(jìn)行安裝和調(diào)試體驗(yàn)。（一）觸碰傳感器普通自鎖開關(guān)可以用作觸碰傳感器。利用開關(guān)的兩種狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不同的命令或選擇。實(shí)踐嘗試進(jìn)行觸碰傳感器的安裝、調(diào)試。方法指導(dǎo)（1）觸碰傳感器的安裝?？梢詫㈤_關(guān)觸碰傳感器封裝，并配置規(guī)范的接線口和積木接口，以便于安裝和連線（圖415）（參見教材P58）。其與帶外殼控制器模塊的安裝示意如圖416（參見教材P58）所示。（2）用觸碰傳感器識(shí)別開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)觸碰傳感器接微控制器數(shù)字接口，并且為松開狀態(tài)時(shí)（圖417）（參見教材P58），微控制器采集顯示數(shù)字接口的值為0，無(wú)觸碰顯示，控制蜂鳴器不發(fā)音。當(dāng)觸碰傳感器接微控制器數(shù)字接口，并且為按下狀態(tài)時(shí)（圖418）（參見教材P58），微控制器采集顯示數(shù)字接口的值為1，有觸碰顯示，同時(shí)控制蜂鳴器發(fā)音。（二）反射式光電傳感器將發(fā)光二極管和光接收器結(jié)合起來(lái)可實(shí)現(xiàn)反射式光電傳感器。反射式光電傳感器是機(jī)器人常用的傳感器，機(jī)器人可以通過(guò)它來(lái)識(shí)別地面標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)沿著黑線行走或路徑選擇。反射式光電傳感器的外形和工作原理見圖419（參見教材P59），發(fā)光二極管發(fā)出光線，光線在地面被反射回來(lái)，光接收器接收到被反射回來(lái)的光線后，發(fā)出電信號(hào)給機(jī)器人的“大腦”，判斷地面是否有黑線存在。實(shí)踐安裝和測(cè)試光電傳感器，并填寫測(cè)試結(jié)果。被測(cè)區(qū)域顏色越亮，反射光線＿＿＿＿，數(shù)值＿＿＿＿。被測(cè)區(qū)域顏色越暗，反射光線＿＿＿＿，數(shù)值＿＿＿＿。方法指導(dǎo)（1）構(gòu)成應(yīng)用的光電傳感器需要加入驅(qū)動(dòng)電路，將驅(qū)動(dòng)電路和傳感器安裝在一塊電路板上，有時(shí)還將它封裝并配置為規(guī)范的接線口和積木接口，以便于安裝和連線（圖420）（參見教材P59）。反射式光電傳感器應(yīng)用模塊與控制器模塊的連接示意見圖421（參見教材P60）。（2）將光電傳感器接上控制器模塊的模擬接口，光電傳感器對(duì)準(zhǔn)白色區(qū)域（圖422）（參見教材P60），模擬接口采集數(shù)值就是光電傳感器檢測(cè)到的白色區(qū)域反射光強(qiáng)數(shù)值。將光電傳感器接上控制器模塊的模擬接口，光電傳感器對(duì)準(zhǔn)黑色區(qū)域（圖423），模擬接口采集數(shù)值就是光電傳感器檢測(cè)到的黑色區(qū)域反射光強(qiáng)數(shù)值。（3）要很好地區(qū)分黑白區(qū)域，應(yīng)根據(jù)光電傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)尋求邊界界限，也就是閾值。當(dāng)檢測(cè)到反射光線強(qiáng)度小于閾值時(shí)，則認(rèn)為檢測(cè)到黑色區(qū)域；當(dāng)檢測(cè)到反射光線強(qiáng)度大于或等于閾值時(shí)，則認(rèn)為檢測(cè)到白色區(qū)域。板書設(shè)計(jì)第二節(jié)機(jī)器人的傳感器