中小学教育资源及组卷应用平台
九年级下册信息技术教学设计
课题 第1节《城市建设机器人》 单元 二单元 学科 信息技术 年级 九年级
学习目标 知识与技能：1.了解机械臂的控制原理，能够构建一个简单的机械臂模型；2.理解舵机的工作原理，能使用多个舵机协调地完成一组动作；3.掌握信号输入器件控制机械臂的方法。过程与方法：通过讲解，了解机械臂的控制原理，理解舵机的工作原理；通过探索实践，能够构建一个简单的机械臂模型，使用多个舵机协调地完成一组动作；通过小组合作，掌握信号输入器件控制机械臂的方法。情感、态度与价值观：拓展学生知识面，提高学生生活实践应用能力和信息素养，使学生乐于使用信息技术解决生活中的问题。培养学生的计算机思维和自主探究、小组合作能力。培养孩子们的动手操作能力。提高观察能力和思考能力，进一步加深对机器人和开源硬件基础应用的知识。
重点 了解机械臂的控制原理，能够构建一个简单的机械臂模型；理解舵机的工作原理，能使用多个舵机协调地完成一组动作。
难点 掌握信号输入器件控制机械臂的方法。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
教学设计教学设计教学设计 一、单元导入在前一单元的学习中，我们已经认识了机器人，知道了机器人的强大能力。机器人具备智能、高效的特性，能更好地建设城市，服务人类，是未来城市的组成部分。本单元我们将以案例的形式进一步探索机器人在未来城市多场景下的应用，从而更深入地理解它。欢欢和同学对“末来城市” 主题厅进行了深入探索，主题厅里展示了各式各样的机器人，这些机器人建设着城市，保护着城市，关爱着城市里的每个人。二、新课导入欢欢和组员们在展厅里看到机器人正在不知疲倦地工作着：有的在生生产流水线上进行标淮装配，有的在与游客进行互动，还有的像人类手臂一样做着精细操作。对它们的工作，欢欢和组员们展开了研究。思考：自动化是指机器或装置在无人千预的情况下，按预定的程序或指令自动进行操作或控制的过程。在生产和生活中，你见过哪些机械自动化的案例？三、新知学习（一）、项目分析，方案确定1.需求分析通过对未来城市建设机器人的深人了解、分析，欢欢组也想制作一个机械臂，以实现简单搬运物品的功能，即将机械臂右侧的物体夹持后，移动到机械臂的左侧，如图2-1-3所示。2.技术选型（1）机械臂结构机械臂根据结构形式的不同分为多关节机械臂、直角坐标系机械臂、极坐标机械臂、柱坐标机械臂等。图2-1-4为常见的机械臂结构示意图。（2）驱动机构舵机可以作为机械臂的驱动机构，是一种位置（角度）伺服的驱动器，用于需要角度不断变化并保持相应位置（角度）的控制系统。在飞机模型、潜艇模型、遥控机器人等模型中应用普遍。舵机主要是由外壳、电路板、马达、齿轮与位置检测器构成，转动的角度是通过调节PWM（脉冲宽度调制）信号控制的，其转角范围为10 ~1800。因为要使用PWM信息控制转动角度，所以在接线时舵机的引脚只能接Arduino 上带“~”标志的3、5、69 10、11号端口。思考：在你见到的机械臂中，除了使用舵机驱动外还有其他驱动结构吗？说说它们的使用场合。3.方案确定在了解机械臂的相关知识后，按设计目标制作一个简易的三自由度机械臂，确定的方案如下。小提示：机械臂自由度是指机械臂所具有的独立坐标轴运动的数目，般不包括机械爪的开合白由度。（二）、系统搭建，功能实现1.结构构建机械臂的结构可以选用亚克力板为材料，借助CAD设计图和激光切割机制作实现。三自由度机械臂主要由机械爪、前摆臂、后摆臂和底部转盘构成，由四个舵机控制。夹持舵机控制机械爪的开合；左侧舵机控制前摆臂的摆动，主要影响机械爪的前后移动；右侧舵机控制后摆臂的摆动，主要影响机械爪的上下移动：底盘舵机控制底部转盘的转动，影响机械爪水平方向的转动。2.系统接线根据结构构建，设计出电路连接图，如图2-1-10所示。将舵机与Arduino控制器连接好，并记好器件针脚对应表，如表2-1-2所示。3.程序编写与角度调试在Mixly里面，舵机控制模块有两个控制参数，分别是转动的角度和延时时间。掌握了舵机的使用方法后，对机械臂各个“关节”转动的角度进行调试和校对。图2-1-12以夹持动作闭合为80°、放开为160°作为转角范围举例，设计机械臂的夹持动作函数。任务一：请将机械臂舵机转角的范国调试出来，填写在表2-1-3中。4.功能实现在搭建好机械臂的结构和调试完舵机的转角范围后，根据图2-1-13的任务模型，设计程序，完成搬运任务。任务二：请完善如图2-1-13所示的流程图，编写程序，调试机械臂以完成任务。（三）、功能丰富与改进1.使用电位器控制机械臂欢欢他们用程序完成了抓取物品的任务，伹机械臂只能按既定程序重复执行一个动作。在此基础上，欢欢组进一步研究使用信号输人器件控制机械臂运动。电位器:电位器是阻值随电刷滑动变化的电阻，通常由三个引脚、电阻体和可移动的电刷组成。当电刷沿电阻体移动时，在输出端即获得与电刷的位移量成一定关系的电阻值或电压。电位器的输人值可以作为舵机转动角度的依据，如图2-1-15所示选用一个电位器来控制机械臂底部转盘的运动。机械臂其余部件的控制方法与之类似。Arduino通过模拟端口（A0至A5）读人电位器的模拟数值，读取的模拟数值的取值范围为0~1023。因为电位器输人的数值范围为0~1023，而舵机转动的角度范围为0° ~ 180°，所以用电位器控制能机转动时，需要使用map( )映射两数，将读取的电位器的值映射为舵机转动的角度范围。任务三：请你根据图2-1-17的程序示例，增加3个电位器，以操控机械臂的另外3个舵机。2.使用其他器件控制机械臂任务四：请使用其他控制器件（如双轴按键摇杆）替换电位器，以更加灵活地控制机械臂。四、课堂小结今天你有哪些收获？遇到了哪些困难？是怎么解决的？还有哪些困惑？五、作业布置
预习下一课《安全消防机器人》。 了解了解了解交流讨论学习思考了解交流表达操作练习学习；思考操作实践了解操作实践交流表达预习下一课 创设趣味的学习情境，更能激发学生的兴趣；了解本单元学习任务了解本节课学习任务培养任务分析能力了解技术选型锻炼思维增加知识面培养表达能力与解决问题的能力培养动脑思考能力，培养思维培养动手能力学生利用自主探究、小组合作、实践操作的方法去解决问题；师生直观演示更具说服力，加深印象。培养学生举一反三、学习迁移的能力；鼓励学生尝试完成操作练习培养知识归纳能力培养自主学习能力
板书 第1节 城市建设机器人1、项目分析，方案确定2、系统搭建，功能实现3、功能丰富与改进
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
HYPERLINK "http://www.21cnjy.com/" 21世纪教育网(www.21cnjy.com)(共27张PPT)
城市建设机器人
九年级下
在前一单元的学习中，我们已经认识了机器人，知道了机器人的强大能力。机器人具备智能、高效的特性，能更好地建设城市，服务人类，是未来城市的组成部分。本单元我们将以案例的形式进一步探索机器人在未来城市多场景下的应用，从而更深入地理解它。
欢欢和同学对“末来城市” 主题厅进行了深入探索，主题厅里展示了各式各样的机器人，这些机器人建设着城市，保护着城市，关爱着城市里的每个人。
自动化是指机器或装置在无人千预的情况下，按预定的程序或指令自动进行操作或控制的过程。在生产和生活中，你见过哪些机械自动化的案例？
（一）、项目分析，方案确定
1.需求分析
通过对未来城市建设机器人的深人了解、分析，欢欢组也想制作一个机械臂，以实现简单搬运物品的功能，即将机械臂右侧的物体夹持后，移动到机械臂的左侧，如图2-1-3所示。
（1）机械臂结构
机械臂根据结构形式的不同分为多关节机械臂、直角坐标系机械臂、极坐标机械臂、柱坐标机械臂等。图2-1-4为常见的机械臂结构示意图。
2.技术选型
（2）驱动机构
舵机可以作为机械臂的驱动机构，是一种位置（角度）伺服的驱动器，用于需要角度不断变化并保持相应位置（角度）的控制系统。在飞机模型、潜艇模型、遥控机器人等模型中应用普遍。
2.技术选型
舵机主要是由外壳、电路板、马达、齿轮与位置检测器构成，转动的角度是通过调节PWM（脉冲宽度调制）信号控制的，其转角范围为10 ~1800。因为要使用PWM信息控制转动角度，所以在接线时舵机的引脚只能接Arduino 上带“~”标志的3、5、69 10、11号端口。
在你见到的机械臂中，除了使用舵机驱动外还有其他驱动结构吗？说说它们的使用场合。
3.方案确定
在了解机械臂的相关知识后，按设计目标制作一个简易的三自由度机械臂，确定的方案如下。
（二）、系统搭建，功能实现
1.结构构建
机械臂的结构可以选用亚克力板为材料，借助CAD设计图和激光切割机制作实现。
三自由度机械臂主要由机械爪、前摆臂、后摆臂和底部转盘构成，由四个舵机控制。夹持舵机控制机械爪的开合；左侧舵机控制前摆臂的摆动，主要影响机械爪的前后移动；右侧舵机控制后摆臂的摆动，主要影响机械爪的上下移动：底盘舵机控制底部转盘的转动，影响机械爪水平方向的转动。
2.系统接线
根据结构构建，设计出电路连接图，如图2-1-10所示。将舵机与Arduino控制器连接好，并记好器件针脚对应表，如表2-1-2所示。
3.程序编写与角度调试
在Mixly里面，舵机控制模块有两个控制参数，分别是转动的角度和延时时间。
掌握了舵机的使用方法后，对机械臂各个“关节”转动的角度进行调试和校对。图2-1-12以夹持动作闭合为80°、放开为160°作为转角范围举例，设计机械臂的夹持动作函数。
任务一
请将机械臂舵机转角的范国调试出来，填写在表2-1-13中。
4.功能实现
在搭建好机械臂的结构和调试完舵机的转角范围后，根据图2-1-13的任务模型，设计程序，完成搬运任务。
任务二
请完善如图2-1-13所示的流程图，编写程序，调试机械臂以完成任务。
（三）、功能丰富与改进
1.使用电位器控制机械臂
电位器是阻值随电刷滑动变化的电阻，通常由三个引脚、电阻体和可移动的电刷组成。当电刷沿电阻体移动时，在输出端即获得与电刷的位移量成一定关系的电阻值或电压。
欢欢他们用程序完成了抓取物品的任务，伹机械臂只能按既定程序重复执行一个动作。在此基础上，欢欢组进一步研究使用信号输人器件控制机械臂运动。
电位器的输人值可以作为舵机转动角度的依据，如图2-1-15所示选用一个电位器来控制机械臂底部转盘的运动。机械臂其余部件的控制方法与之类似。
Arduino通过模拟端口（A0至A5）读人电位器的模拟数值，读取的模拟数值的取值范围为0~1023。
因为电位器输人的数值范围为0~1023，而舵机转动的角度范围为0° ~ 180°，所以用电位器控制能机转动时，需要使用map( )映射两数，将读取的电位器的值映射为舵机转动的角度范围。
任务三
请你根据图2-1-17的程序示例，增加3个电位器，以操控机械臂的另外3个舵机。
2.使用其他器件控制机械臂
任务三
请使用其他控制器件（如双轴按键摇杆）替换电位器，以更加灵活地控制机械臂。
下课啦！
