乐高机器人高级编程——传感器与机械臂

乐高EV3机器人是一个可实现多种创意的STEAM教育工具。《乐高机器人高级编程——传感器与机械臂》在EV3教育套装和配件库的基础上，从机器人传感器和机械臂的角度，通过100多个机器人案例，讲述机器人传感器、移动机器人设计、机械结构设计、机械臂设计和程序设计。书中还融入了与机器人有关的科学探究活动，在学习物理知识的同时，理解编程与机器人“真实处境”的关系。由于移动机器人主体设计简易，具有兼容多个传感器、电机和机械臂的特点，避免了在完成不同任务时的重复搭建。本书深度融合物理、数学、计算机等学科知识，旨在激发读者的创造力和想象力，帮助读者在机器人活动和竞赛中设计出性能优越、更具创意的作品。

本书可作为小学生和中学生学习机器人的教材或参考用书，也可作为机器人竞赛的指导用书。由于书中的每一个机器人案例都给出了详细的讲解和参考性方案，也适合科技爱好者在自学时选用。

蔡冬冬，安徽省肥东县青少年活动中心科技工作者（原中学物理教师），中国青少年机器人竞赛国j级裁判员。创立科技创新教育工作室，用于青少年科技创新、机器人、科技模型等科技课程的开发、教研和培训，汇聚培养了一批优秀的科技辅导员和一群热爱科学的青少年。

近年来，辅导学生参加FLL机器人科协赛和教育赛，多次获得省级一等奖；指导老师和学生参加WRO机器人竞赛，获得国内冠、亚军；辅导学生参加青少年航空航天模型竞赛，多次获得省级冠军，累计辅导学生获奖百余次。

焦云逸，安徽省肥东县第二中学信息技术教师，在信息技术教学方面多次获得省市级奖项，兼职科技创新教育工作室的机器人课程开发、教学和竞赛工作。在工作室辅导学生参加省市机器人竞赛、航模竞赛，多次获得一等奖。

目?录

第1章?机器人的运动

1.1?机器人编程基础 2

1.1.1?认识机器人 2

1.1.2?基础编程模块 5

1.1.3?程序编程 10

1.2?电机与角度传感器 13

1.2.1?机器人电机 13

1.2.2?电机编程 13

1.2.3?密码锁 19

1.2.4?射击的枪 21

1.2.5?振动与共振 22

1.2.6?测量物体的直径 25

1.3?让机器人动起来 27

1.3.1?机器人设计 28

1.3.2?机器人移动模块 29

1.3.3?机器人行走正方形 30

1.3.4?循环模块 31

1.3.5?机器人感知自己的处境 32

1.4?机器人加速 33

1.4.1?变量与常量模块 33

1.4.2?机器人加速 34

1.5?机器人定位 39

1.5.1?逻辑运算模块 39

1.5.2?智能单开门 40

1.5.3?智能对开门 41

1.5.4?机器人垂直定位 42

1.5.5?机器人沿墙壁定位 44

1.5.6?机器人移动指定距离 45

1.5.7?机器人运送物体 46

第2章?机器人的触觉

2.1?触动传感器 49

2.1.1?触动传感器 49

2.1.2?程序块按钮模块 50

2.1.3?查看传感器数据 51

2.1.4?电风扇 52

2.1.5?反应时间的测量 54

2.2?遥控机器人 55

2.2.1?切换模块 56

2.2.2?触动传感器遥控机器人 58

2.3?机器人避障 61

2.3.1?随机模块 61

2.3.2?机器人避障 62

2.3.3?机器人前后避障 64

2.3.4?机器人仿生—蚂蚁 66

第3章?机器人的听觉

3.1?超声波传感器 70

3.1.1?超声波传感器 70

3.1.2?身高的测量 72

3.1.3?智能道闸 74

3.1.4?攻击的鸭子 75

3.2?机器人跟随 77

3.2.1?跟机器人打个招呼 77

3.2.2?机器人探测悬崖 80

3.2.3?超声波避障机器人 81

3.2.4?机器人跟随 82

3.3?机器人寻障 83

3.3.1?循环中断模块 84

3.3.2?比较模块 85

3.3.3?机器人寻找出口 86

3.3.4?机器人搜寻障碍物 87

3.3.5?机器人探测障碍物的高度 89

3.3.6?机器人探测墙壁的距离 91

3.4?机器人绕障 93

3.4.1?机器人绕过杯子 93

3.4.2?机器人绕过墙壁 95

第4章?机器人的视觉

4.1?颜色传感器 100

4.1.1?颜色传感器 100

4.1.2?测量电机旋转的圈数 103

4.1.3?机器人往返跑 106

4.1.4?分拣机器人 107

4.1.5?探测小车运动的快慢 111

4.1.6?阵列运算与颜色检测 112

4.2?机器人漫步悬崖边 115

4.2.1?机器人停步悬崖边 116

4.2.2?机器人漫步悬崖边 117

4.2.3?沿黑线行走的机器人 118

4.2.4?机器人寻线 120

4.3?机器人巡线 122

4.3.1?机器人巡线 122

4.3.2?巡线机器人避障 128

4.3.3?“T”形路径巡线 129

4.4?机器人巡线思想与应用 131

4.4.1?范围模块 131

4.4.2?机器人巡线思想 131

4.4.3?同步移动的机器人 132

4.4.4?起重机 135

4.4.5?指南针 136

第5章?机器人的姿态

5.1?陀螺仪传感器 140

5.1.1?陀螺仪传感器 140

5.1.2?机器人转弯角度的测量 141

5.1.3?机器人自转速率的测量 142

5.1.4?陀螺仪 143

5.1.5?巡线机器人转弯角度的测量 147

5.1.6?机器人的黑匣子 149

5.2?识方向的机器人 152

5.2.1?姿态恢复的机器人 152

5.2.2?机器人走正方形 154

5.3?越障机器人 156

5.3.1?履带机器人 156

5.3.2?机器人爬坡 158

5.3.3?机器人下坡 159

5.3.4?机器人越障 160

5.4?机器人行走迷宫 162

5.4.1?机器人单弯道行走 162

5.4.2?机器人行走迷宫 165

5.5?机器人测速 170

5.5.1?测量电机的转速 170

5.5.2?测量机器人自转的转速 171

5.5.3?测量机器人移动的速度 172

5.5.4?超声波传感器测速 173

第6章?机器人与蓝牙通信

6.1?给机器人发消息 176

6.1.1?蓝牙连接 176

6.1.2?消息传递模块 177

6.1.3?蓝牙遥控机器人加速 179

6.1.4?离心现象与机器人 181

6.2?无线遥控机器人 184

6.2.1?多序列切换模块 185

6.2.2?程序块按钮遥控机器人 187

6.2.3?触动传感器遥控机器人 189

6.2.4?电机旋转遥控机器人 191

6.3?超视距遥控机器人 194

6.3.1?遥控避障机器人 194

6.3.2?超视距遥控机器人返航 197

第7章?机器人与机械臂

7.1?机械手 201

7.1.1?机械手设计 201

7.1.2?凶猛的鳄鱼 208

7.1.3?机械手取物 210

7.1.4?机械手为用户倒水 211

7.2?机械臂 214

7.2.1?机械臂设计 214

7.2.2?机械臂编程 219

7.3?扫地机器人 222

7.3.1?设计扫地机器人 223

7.3.2?清障机器人 227

7.4?投篮机器人 229

7.4.1?机器人投篮 229

7.4.2?机器人多距离随机投篮 232

7.4.3?机器人多角度抛射投篮 233

7.5?搬运机器人 234

7.5.1?搬运机器人设计 235

7.5.2?机器人搬运货物 236

7.5.3?遥控机器人搬运货物 239

7.5.4?机器人堆高货物 243

7.6?捡球机器人 244

7.6.1?机器人巡线捡球 244

7.6.2?机器人捡球入筐 247

7.7?排爆机器人 250

7.7.1?机器人转移危险物品 250

7.7.2?自动避障的排爆机器人 254

前?言

机器人是多学科综合发展的成果，融合了机械、传感、计算机及人工智能等技术，而教育机器人的诞生更是促进了青少年机器人教育的发展。青少年机器人教育是一项融合了数学、物理、计算机等学科知识的科技活动，通过计算机编程、工程设计、动手制作与搭建，提高青少年的综合素质，锻炼其思维，发展其创造力。

本书是作者在多年的机器人教学和竞赛的基础上，以乐高EV3机器人为载体，结合STEAM教育理念和现有的教学资源编写而成的。本书从机器人运动、触觉、听觉、视觉、姿态、通信和机械臂的角度阐述机器人传感器功能、移动机器人设计、机械结构设计、机械臂设计等方面的内容，通过100多个机器人案例深入讲解机器人程序设计的方法，并提供了精心设计的练习题，便于初学者的巩固和提升。书中还融入了与机器人有关的科学探究活动，在学习物理知识的同时，帮助读者理解编程与机器人“真实处境”的关系，这样机器人就可以和使用者以及自然界融洽地做朋友了。由于移动机器人主体设计简易，且具有兼容多个传感器、电机和机械臂的特点，避免了在完成不同任务时的重复搭建，给读者更多的时间去创造。

本书的机器人设计是基于乐高EV3机器人教育套装和配件库提供的零件型号和数量来搭建的。使用不同颜色的零件进行机器人搭建是为了使读者在学习时能够清晰分辨图中机器人搭建的结构，同时也给读者呈现较好的视觉效果。书中提供的机器人设计方案只作为参考性方案，并不是必须选择的方案。大家可根据自己的想法和理解，形成有自己创意的设计方案。

例如这样一个机器人案例，设计一个机器人在水平桌面上以最短的时间直线行走1米。这个任务看上去很简单，但仔细分析就会发现其中有很多问题需要解决。首先要考虑的是如何让机器人走得直。是调整机器人重心？采用导向轮靠墙？还是在程序中添加算法？其次机器人对距离进行精确定位应该使用什么样的传感器。由于机器人运动得越快，在制动时就越难以精确地停在1米的位置，这就需要精心设计机器人的结构和减速程序，或许还要考虑轮胎打滑对机器人定位的影响。而需要给机器人设计什么样的程序才能用时最短？这些都需要通过不断地试验才能找到答案。所以在机器人设计和编程时，需要充分了解机器人电机和传感器的能力以及机器人所处的环境。希望通过这个案例的分析能够给读者在机器人学习时带来一些启发。

学习机器人的过程是有趣的、积极的、丰富的、灵活多样的，处处充满着创造和挑战。希望本书能够成为大家学习机器人的好帮手，陪伴着大家一起走进人工智能。

感谢领导周新龙、吴友邦、王怀宁、李仁梅、王朝升和各位同事，在你们的帮助下成立了科技创新教育工作室，给我们提供了研究、教学和交流的环境。同时特别感谢朋友和家人一直以来对我们的帮助和支持，才能够使我们顺利完成本书的写作。

由于作者水平有限，书中不免有疏漏和错误之处，恳请各位读者不吝指正。

让我们一起在指尖上创造奇迹，在创造中点燃智慧！

蔡冬冬?焦云逸

2020年5月18日