工厂机器人：主要材料；实验目的；要求和过程；机械；程序；图解。

物体分类机（自动分类系统）； 物体分类机（自动分类系统）；药品分配机（自动分配系统）；乒乓球包装机（包装）；   纸张折叠机（定时功能）等等。

第八章    乐高NXT的其他应用：

案例一：酸碱滴定曲线；案例二：比尔定律；案例三：欧姆定律；案例四：玻意耳定律；案例五：发芽种子的热量；案例六：水中的溶解氧；

第九章        机器人竞赛活动

机器人竞赛大会介绍；机器人相扑比赛；机器人搜救比赛；机器人投篮比赛；机器人舞蹈比赛；走迷宫。

附件：2008全国职业院校技能大赛高职学生组机器人项目竞赛规程；

附录一：LEGO教育机器人简介；

附录二：LABVIEW应用；第一部分：LABVIEW介绍；第二部分：Labview ToolKit For NXT入门。

二、内容简介：

机器人是一门发展非常快、综合性非常强的学科,国内外有许多人都想通过一些管道和途径来了解和学习机器人的相关知识，本书在乐高NXT 教育机器人的平台上，通过一个个机器人的使用案例来介绍与机器人有关的知识，涉及的知识面非常宽，从机械结构、驱动装置、传感器知识到目前普遍使用的互连网及蓝牙技术等，用通俗语言介绍的这些理论知识和各种专业的技术问题，可以极大的扩展读者的知识面。一个问题多种解决方案的学习要求，又使读者的创新能力在学习过程得到了极大的提高。

本书使用大量的照片真实的展现了一个个机器人的组装过程、robolab图形化编程语言编写的程序、比赛机器人的机械结构及labview语言编写的程序，用专门的章节介绍了国内外常见的机器人比赛规则及部分案例。本书适合中小学科技活动课及大中专学生选修课用书，也适用社会非机器人专业人士、参加机器人比赛的选手及一些机器人发烧友阅读。 

三、前言 

目前，我国各类教育都特别重视学生“动手能力”的培养。但“动手能力”不等于“创新能力”，“动手能力”由于受学科的限制具有很强的局限性；多学科的理论基础、很强的实践能力、强烈的创新意识是培养“创新能力”必备条件；但是，机械、电子、计算机、生物等多学科知识，其太强理论性使培养“创新能力”的教学工作难于开展，仅深奥且枯燥的多学科理论知识就足以让人望而怯步了。

笔者一直在探索一种能结合多学科知识，在一种“轻松”甚至是“玩”的气氛中学习的方法与载体。在发现乐高教育系列产品后，笔者利用其教育理念和教学方法，结合国内习惯的教育方法和手段，通过其独特的机器人教学，对不同学科的学生进行创新思维的训练和创新能力的培养，通过多年实践教学的研究，取得了一些体会和经验。

核心竞争力是我们今天常常提到一个词。所谓核心竞争力，是不可仿效的，唯一的。这个时代，没有什么是最好的，只有什么是唯一的。“我的核心竞争力是什么？”、“我究竟有那一点是不可替代的呢？”这类问题可能是今天的孩子，明天需要常常问自己的问题。

今天的教育，有一种可悲的现象，我们的老师、父母等长辈用他们全部的爱，为成长中的孩子规定了太多的规矩。孩子们被要求花大量的时间在练琴、绘画、练打字、写作业等“有用的事情”上；不允许孩子们花时间在和泥巴、玩积木、搭城堡等“无用的事情”。难道世界上的每个人一定要循规蹈矩、按照程序、按照规则去设计自己的人生？有用和无用是可以转化的。今天所做的“无用的事情”也许就是明天最“有用的事情”。

我们以一种常规的思维，束缚了自己的思想和心智。我们常规的生活态度，规定了我们可怜的局限。这种局限是可以打破的，只有打破这种常规思维，我们才有可能获得“创新能力”。对同一问题产生尽可能多的解决方案是培养“创新能力”一种良好的办法。

本书基于创新教育载体——乐高教育机器人，通过一个个项目的解决过程来介绍相关的理论知识，本书提供的解决方案仅仅作为参考。在学生组成的项目研究小组里，针对项目的解决方案，相互间可以讨论、说服、甚至“争吵”，每一位学生都直接参与到学习的过程中，可以按自己的思路去思考。

       以创新项目开始，再将项目所用的相关理论知识加以系统的介绍。这样，在通过乐高载体实现创新意识的同时，有助于深刻理解相关的理论，极大的淡化了专业知识和技能，通过强化项目解决方案的数量和种类，极大的提高学生的创新意识和创新能力。

 此书最大特点是摆脱了专业及乐高教育机器人的限制，通过对此书的学习和实践训练，可以极大的拓展学生的知识面、提高学生的创新意识和创新能力，提高学生的团队合作能力。在学习过程中，学生可以自己去看书中相关的理论知识，也可由老师在项目结束后概括性的讲授。通过这种方式来组织这本书，目的就是使学生成为学习和研究的主体，老师只是一个辅导者而已。

       本书所用传感器由深圳奥特森科技有限公司提供，该公司负责完成全部的传感器实验，本书的实验由深圳西觅亚科技有限公司的施华平、张礼政策划和设计，深圳职业技术学院机电学院的韩晨光等同学对全书的实验做了许多工作，动画学院的学生杨文威负责全书的照拍摄和处理，第五章及附录二由深圳职业技术学院的张庆平编写，第九章及附录一由深圳西觅亚科技有限公司的施华平编写，在此一并表示感谢！

    全书由仲照东设计并负责统稿。由于该内容在国内是第一次编写，限于水平，错误和不妥之处在所难免，敬请学界同仁和广大读者批评指正。

                                                                                                                   (编者2009年3月　于深圳职业技术学院) 

四、<趣闻机器人入门>一书部分内容展示 

第四章  机器人常用的传感器（部分内容）： 

 传感器是机器人得感觉器官，传感器技术在机器人应用技术中占有非常重要的地位。要对机器人进行某种控制就离不开传感器，配备较好传感器的机器人，如果不能很好得应用传感器，就不能使机器人达到预期的控制效果。随着机器人技术的发展，必定要求机器人能完成高精度、高速度的控制，所以，高性能的传感器及高超的传感器应用技术是必不可少的。本章通过机器人运用多种传感器实现某些特定控制功能的实践活动来说明传感器的工作原理，并对一些相关的传感器技术也作了较为系统的介绍。 

4.21   传感器简介：

传感器是将温度、距离、压力等各种工业量改变为电信号输出的元件。被测的对象可以是固体、液体或气体等，在测量过程中传感器可以接触、也可以不接触被测量对象。传感器是机器人应用技术的重要基础。

一、机器人传感器与人类感觉器官对比：

① 光敏传感器——视觉；

② 声敏传感器——听觉；

③ 气敏传感器——嗅觉；

④ 化学传感器——味觉；

⑤ 压敏、温敏、流体、触碰传感器——触觉。人类通过5大感觉器官来感知外部世界，这些信息经过人脑的分析、判断处理后得出相关结论，再根据这些结论去指挥人作出相应的动作。人的五管是功能非常复杂、灵敏的“传感器”，例如，人的触觉可以感知外界物体的温度、硬度、轻重及外力大小，还可以具有电子设备所不具备的“手感”，例如棉织物的手感，液体的粘稠感等。但是，人的感官大多只能对外界的信息作“定性”感知，不能作定量感知。例如，人能感觉水温的变化，但无法知道变化了几度。人的感官不能用来感知许多外界信息。例如，人的触觉不能用来感知超过几百甚至上千度的温度。人的感官无法感知许多物理量。例如，人感觉不到磁性；人的视觉能感知可见光，无法感觉频域更宽的非可见光谱（红外线和紫外线等）。

借助温度传感器能感知几百度到几千度的温度，能轻易做到1℃的分辨率。借助红外和紫外线传感器，便可感知到这些不可见光。传感器是替代或延伸人类的感觉器官的电子设备，其技术在军事、国防及医疗卫生等领域都有着极其重要的作用。

二、按机器人使用传感器的方式传感器可分为：

① 内部传感器（机器人体内传感器）：

主要测量机器人内部系统，比如温度，电机速度，电机载荷，电池电压等。

② 外部传感器（反应机器人外界信息的传感器）：

主要测量外界环境，比如距离测量，声音，光线。

三、传感器的常用技术指标：

① 动态范围：

指传感器能检测的范围，如果传感器的输入超出了传感器的测量范围，那么传感器就不会显示正确的测量值了。比如超声波传感器对近距离的物体无法测量。

② 分辨率：

指传感器能测量的最小差异。比如电流传感器，它的分辨率可能是5mA，也就是说小于5mA的电流差异，它没法检测出。越高分辨率的传感器价格就越贵。

③  线性度：

一个非常重要的指标，用来衡量传感器输入和输出的关系。

④  频率：

指传感器的采样速度。比如一个超声波传感器的采样速度为20HZ，也就是说每秒钟能扫描20次。 

4.18.1      本章实践活动的目的：

（1）  学习使用LEGO教育机器人所用传感器的硬件知识及系统软件平台。

（2）  通过机械手抓鸡蛋、沿轨迹行走、穿越隧道、障碍检测、语音识别、图象识别、风控（温控、湿控等）智能机器人等实践活动来建立传感器的相关概念及使用方法。 

4.21   能抓鸡蛋的机械手 

4.18.1力传感器 

力传感器是一种能够检测张力、拉力、重量、压力、扭矩等力学量的传感器。

  一、预备知识

① 导体：

容易让电流通过的材料是导体，除金属、石墨等外，象食盐水和稀硫酸那样的电解液也是导体。

② 绝缘体：

不能让电流通过的材料是绝缘体，例如玻璃、橡胶、陶瓷、塑料、油等。

③ 半导体：

    导电性介于导体和绝缘之间的材料是半导体，例如，硅、锗、硒等。当加在半导体材料上的热、光及电压等超过某种限度时，其内部的自由电子数量剧增（电流剧增），人们利用半导体这个特殊的性质制成了温度、光敏传感器、压敏传感器等传感器。

④ 导体的电阻：

实际长度L、均匀截面积为S的金属线电阻R可由下式给出：

L表示导线的长度，S表示导线横截面的面积， L/S是由导体的尺寸决定的量，即导线的长度越长、横截面的面积越小其电阻就越大，ρ是比例常数，为电阻率，不同的材料具有不同值。电阻R的单位是用德国物理学家的名字“欧姆”（符号Ω）来表示。

⑤ 电流和电位差：

根据式（4.1），截面积相同的两根导线，长的导线的电阻大；长度相等的两根导线，截面积小的导线的电阻大。这和水管的情况相同，水管的管子越细越长，则阻力越大，在截面积相同的水管内施加相同“水位差”时，则管子越长流量越小。

可以和电的情况作个比较：“水位差”就相当于电路中的“电位差”，这个电学压力叫电压，电压的单位用最初制作电池的意大利学者的名字“伏特”（符号V）来表示；“水流”就相当于电路中的“电流”，这个反应电子流动的电流的单位是以法国物理学家的名字“安培”（符号A）来表示。电流流动的通路就称为电路或回路。

⑥ 电压、电流、电阻间的关系：欧姆定律

导体中的电流，跟这段导线两端的电压成正比，跟这段导体的电流反比。

二、    力传感器

力传感器最常用的是应变片，应变片是由细金属线构成，金属线受压伸长时引起导线的截面积变细，从而使导线的电阻变大，压力变小金属线缩短，从而使导线的电阻变小。反之，测出电阻的变化便可知道变形量的变化，从而可知道力的变化。实践活动中贴在弹性材料金属架上白色透明胶下的就是检测力的应变片。 

力传感器------受力改变，引起材料变形，金属丝长度改变使导线电阻改变

用应变片测量变化的优点很多，在试验物上的粘贴非常简单、不占用空间、可测定动态应变（可追随每秒数万次的振动、冲击等过程应变）。应变片的应用面很广，大到从货车的称重（100kg~50t）、船舶发动机的压力监视，小到测定血压等。 

4.18.2抓鸡蛋机械手的组装过程及应用程序 

1、        主要器材

电机三个、光电传感器两个、减速箱一个、NXT一个、握力传感器一个。

2、        传感器知识

本案例采用压力传感器，适用于压力测试的。它可以将压力的数值以0~1023的数值进行显示，这个压力传感器的有效测量范围是0~50N（牛顿）。

三、机械结构

本案例使用了三个电机，两个电机为机器人行走提供动力，另一个电机为机械手提供动力，是机械手可以做抓握动作。本教案还使用了两个光电传感器，一个光电传感器用于寻轨迹，便于机器人定位，一个光电传感器用于判断机器人是否到达指定位置，是则停下。压力传感器放在机器手的左边（如图），机器手是在减速箱的帮助下，实现抓握的动作。

 判断机器人是否到达指定位置，没有就继续沿轨迹走，如果到就停止机器人。

四．程序 

等待一秒→开启C电机使机械手开始抓杯子→当压力传感器的数值大于0.05时（此时可以观察采样信号的变化）→机械手停止→等待一秒→运转机器人，五秒钟后将机械手松开，放开杯子。 

4.21  温度控制的排风扇

4.18.1 温度传感器

温度传感器是一种将温度转换成电信号的传感器。在温度传感器中有双金属传感器、热敏电阻、热电偶、金属测温电阻、IC温度传感器、红外线温度传感器等多种类型。

一、              预备知识

① 金属电阻随温度的变化

如果改变被测金属的温度， 实测金属的电阻率ρ可以得知：电阻率ρ和温度t大致是成比例的。设某金属t=0℃时的电阻率为ρ ，电阻为R ，α为电阻温度系数，则金属在温度t时的电阻为：             R= R （1+αt）                         （4.3）

金属--------温度越高，电阻就越增加

② 半导体电阻随温度的变化

和金属不同，半导体基本上是温度越高电阻率越小，把这种现象称为“负温度系数”。

半导体------温度越高，电阻就越减小

③ 热电偶

把不同材料的金属线A、B连接成一闭合回路，保持P点温度t 、Q点温度t ，那么这个金属线回路就有电流产生的现象（赛贝克效应）。闭路电路里有电流，是存在电动势的证据，称它为热电动势。称这个元件为热电偶。

 热电偶-------温度变化，电动势改变

二、两种常见的测温原理

①  金属线和半导体材料的电阻会随温度的变化而变化；

②  加热不同金属线的节点时，会产生电动势；

这两种物理现象使人们得到了制作温度传感器的基本原理：通过测量电阻和电动势来求温度。既：

电阻-------温度

电动势-----温度

三、 常见的温度传感器测温原理

① 测温电阻元件：

测量金属的电阻求温度的温度传感器。最常铂测温电阻元件等。在500℃以下使用。

② 热敏电阻：

由某种半导体金属氧化物粉末烧结而成用于测量温度的半导体电阻。热敏电阻不仅体积小而且灵敏度比铂电阻高10倍，被得到广泛的应用。在350℃以下使用。

③ 热电偶温度传感器：

连接不同材质的金属线的一端，加热节点，则两端间产生电动势（电压）。在1500℃以下使用。

④ IC温度传感器：

二极管的正向偏压阀值及晶体管基极与发射极间的正向偏压阀值都具有温度敏感特性。利用这种特性，可以将二极管或晶体管以及能对其输出电压进行线形补偿的电路集成在一个芯片上制成IC温度传感器。测量温度范围为：-40℃ ～ +100℃

⑤ 红外线温度传感器：

任何物体只要不处于绝对零度，都会向外部发射以红外线为主的热辐射。能捕捉这种能量实现测温的传感器称为红外线温度传感器。这种传感器可以实现传感器与被测物体的非接触测量。

4.18.2      温控风扇的组装过程及软件

一、试验设备与器材：乐高机器人套件、电机一个、乐高积木若干。

二、实验目的：

1、熟练掌握温度传感器的工作原理和使用方法；

2、了解如何编写温度传感器的程序；

3、增强机械的搭建能力。

三、要求和过程：

1、  利用乐高组装出一台电机控制风扇，要求能正常运行，至于外形尽可能发挥自己的想象（例如：图）；

2、  将温度传感器接入RCX；

3、  求出温度传感器的使用数值，调试好程序；

4、  将程序烧入RCX中，连接好控制线；

5、  在常温下风扇不转动，但当温度传感器感应到温度上升到某个预先设定的值时，风扇就会自行转动。

6、  本安装实例只是提供一个参考，各小组决不允许安装同实例一样的动力车。

四、程序：

程序：开始——循环——当温度传感器的温度达到30度时程序继续向下，否则继续等待——电机A右转——当温度传感器的温度低于30度时程序继续向下，否则继续执行前面的命令——电机A停转——进入循环——结束。

五、图解： 

六、实践活动的内容：

将各小组做的温控风扇放在同一张桌上，在同样条件下，观察那组的温控风扇运行效果最好，那组的结构最完备，那组的外形最美观，选出优胜者，并在课堂讨论各自的特点。

七、试验指导：温度传感器知识：

温度传感器的作用是把我们平常感受到的温度进行数字化，并通过显示器能够显示出来。乐高中的温度传感器能通过RCX直接显示出它所查测得的温度，应用起来十分方便。在此你能通过各种方式改变它的温度进行调试（注意：此传感器的量程为-20到50℃）。

4.21  环境检测机器人

4.18.1        风速（流速）传感器

风速的单位为“米/秒”， 风速的大小常用几级风来表示。风的级别是根据风对地面物体的影响程度而确定的。在气象上，目前一般按风力大小划分为十二个等级。 （书中附有风力等级表）

以上风力等级表所表示的是自然风，但是用仪器检测的风速时常会超过最大的自然风速，不同的风速可以选用不同的风速测量设备。通常人们将0至100m/s的流速测量范围可以分为三个区段：低速：0至5m/s；中速：5至40m/s；高速：40至100m/s。针对不同的风速分别采用如下的测量仪器：

① 低风速（0至5m/s）的风速测量：热敏式风速仪

热敏式风速仪的工作原理：基于冷冲击气流带走热元件上的热量，借助一个调节开关，保持温度恒定，则调节电流和流速成正比关系，不同的风速会对应的温度值。

② 中风速（5至40m/s）的风速测量：转轮式风速仪 

转轮式风速仪的工作原理：基于把转动转换成电信号，先经过一个临近感应开头，对转轮的转动进行“计数”并产生一个脉冲系列，再经检测仪转换处理，即可得到转速值。

     ③ 高风速（40至100m/s）的风速测量：皮托管风速仪

皮托管风速仪的工作原理：通过测量管道内流体压力，应用速度公式，求出管道内流体的速度。

热敏式风速（流速）测量：风速（流速）-------温度--------电信号

转轮式风速（流速）测量：风速（流速）-------转速--------脉冲速-------电信号

皮托管风速（流速）测量：风速（流速）------压力--------电信号 

4.18.2  土壤湿度传感器

土壤湿度传感器一般是采集土壤水分含量大小的传感器，它把土壤水分含量的大小转化为标准的0～5Ｖ电压信号或4-20mA 电流信号。

测量土壤湿度的方法有：①负压计土壤湿度监测、②中子土壤湿度监测、③ 透射土壤湿度监测、④时域反射土壤湿度监测、⑤电阻／电容式土壤湿度监测等，但最常用的是：

电阻／电容式土壤湿度监测：电阻式土壤湿度传感器和电容式土壤湿度传感器为基础。

①  电阻式土壤湿度传感器：

用石膏、陶瓷、尼龙丝绕块、不锈钢导体等感湿材料做成传感器埋在土壤中，同土壤紧密接触，以便感湿元件的水分与土壤水分达到平衡，由于感湿元件的电阻值与其含水量具有一定关系，所以，测量感湿元件的电阻值就可以得到感湿元件的湿度，从而间接求得土壤湿度。

②  电容式土壤湿度传感器：

土壤介电常数随土壤湿度变化而变化。它同电阻法相比，受土壤盐分的影响较小。 

4.18.3  环境检测机器人的组装过程及软件

一、试验设备与器材：乐高机器人套件、电机2个、超声波传感器1个、风速传感器1个、流速传感器1个、土壤湿度传感器1个、乐高积木若干。

二、实验目的：

1、熟练掌握土壤湿度、风速、流速传感器的工作原理和使用方法；

2、了解如何编写土壤湿度、风速、流速传感器传感器的程序；

3、增强机械的搭建能力；

三、要求和过程：

1．利用一个NXT（1号）乐高组装出一辆可前进、后退、左转和右转的电动车（如图）；

2．将土壤湿度、风速、流速传感器传感器接入另一个NXT（2号）；

3．再将编写完整的程序分别烧入NXT（1号）和NXT（2号）中；

4．做到NXT（2号）采集数据，并通过蓝牙传送到NXT（1号）机器人，当其中一个测量值超过设定值时，机器人亮灯、报警和原地转圈。

  四、现场照片：

说明：图1为测量设备NXT（2号）、风速、流速、土壤湿度传感器；图2为土壤湿度测量；图3为风速测量；图4为流速测量；图5为NXT（1号）探测机器人；图6为测量现场。 

五、程序

相关程序请到深圳奥特森科技有限公司www.autosentech.com下载查阅。 

4.21     实践活动总结

操作训练题1: 根据任务要求搭建机器人模型。

任务：利用LEGO套件组装出用一个能检测当地水污染的机器人。

成绩评定方法：

    (1)机器人不能检测水污染---------------------------------------------------------------     不及格

    (2)机器人能检测水污染，但不能做出任何反应-----------------------------------   及格

    (3)机器人能检测水污染，能做出反应但不能引起人的注意--------------------  中等

    (4)机器人能检测水污染，做出的动作令人重视------------------------------------  良好

   (5)机器人的外形美观、色彩艳丽、加有独特的运动控制方式-----------------   优秀 

操作训练题2：根据任务要求搭建机器人模型。

任务：利用LEGO套件设计一个能检测当地空气污染的机器人。

成绩评定方法：

    (1)机器人不能检测空气污染------------------------------------------------------------  不及格

    (2)机器人能检测空气污染，但不能做出任何反应-------------------------------  及格

    (3)机器人能检测空气污染，能做出反应但不能引起人的注意---------------- 中等

    (4)机器人能检测空气污染，做出的动作令人重视-------------------------------  良好

(5)机器人的外形美观、色彩艳丽、加有独特的运动控制方式-------------------  优秀