描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 简装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787302346791
编辑推荐
详细的结构搭建指南、学生机器人活动参考、丰富的案例教学程序、STEM教育推荐教材、创新教育的实践、用于课堂教学的EV3中文教材、将机器人应用于学科教育的探索等。
内容简介
EV3的问世，让机器人教育进入令人激动的时代。作为一个开放的教育产品，乐高EV3与众多教育产品具有兼容性，可以通过这一产品了解世界上先进的编程软件，以及机器人技术的发展。《乐高：实战EV3/青少年科技创新丛书》在总结多年中学机器人教学经验的基础上，向读者展示乐高机器人EV3的神奇魅力。《乐高：实战EV3/青少年科技创新丛书》内容涉及机器人的结构、搭建机器人所需的机械知识及程序设计，并结合EV3提供的实验技术，向中学生展示机器人在科学实验中的应用。《乐高：实战EV3/青少年科技创新丛书》将工程、技术的概念引入教育中，让学生在动手实践中启发灵感，实现创新。
《乐高：实战EV3/青少年科技创新丛书》可作为高中生、大学生机器人以及科技创新活动的参考用书，也可供教师开设相关课程作为教材使用。
《乐高：实战EV3/青少年科技创新丛书》可作为高中生、大学生机器人以及科技创新活动的参考用书，也可供教师开设相关课程作为教材使用。
目 录
第1章乐高机器人的结构
1.1控制器
1.2电源部分
1.3乐高机器人常用传感器
1.3.1光电传感器
1.3.2力传感器
1.3.3声音传感器
1.3.4超声波传感器
1.3.5红外传感器
1.3.6位置和姿态传感器
1.3.7陀螺仪
1.3.8温度传感器
1.3.9EV3按钮
1.4乐高机器人输出设备
1.4.1驱动器
1.4.2LCD显示屏
1.4.3蜂鸣器
1.4.4灯光
1.4.5蓝牙输出
1.5实践与思考
第2章乐高的基本组件
2.1乐高组件的基本尺寸
2.2组件和种类
2.3乐高积木中的几何关系
2.4实践与思考
第3章机械传动方式
3.1齿轮传动
3.2链传动
3.3滑轮和皮带
3.4蜗轮、蜗杆
3.5平面连杆传动
3.6差动机构
3.7实践与思考
第4章机器人的行走方式
4.1四轮驱动装置
4.2万向轮
4.3机器人转向方式
4.4用腿行走
4.5实践与思考
第5章机器人的稳定性
5.1结构
5.2重心
5.3支撑多边形
5.4稳定性
5.5实践与思考
第6章机器人的几种结构设计
6.1平行四边形结构
6.2滑轨
6.3平行四边形交叉升降
6.4触角和传感器的安装
6.4.1简单的触角
6.4.2杠杆型触角
6.4.3夹子和爪
6.5实践与思考
第7章初识EV3
7.1安装EV3及编程环境介绍
7.1.1安装EV3
7.1.2编程环境介绍
7.1.3项目属性窗口
7.2EV3连接方式
7.2.1USB连接
……
第8章程序结构
第9章传感器模块的应用
第10章变量与函数运算
第11章EV3高级应用
第12章EV3实验与测量
附录搭建一个机器人
参考文献
1.1控制器
1.2电源部分
1.3乐高机器人常用传感器
1.3.1光电传感器
1.3.2力传感器
1.3.3声音传感器
1.3.4超声波传感器
1.3.5红外传感器
1.3.6位置和姿态传感器
1.3.7陀螺仪
1.3.8温度传感器
1.3.9EV3按钮
1.4乐高机器人输出设备
1.4.1驱动器
1.4.2LCD显示屏
1.4.3蜂鸣器
1.4.4灯光
1.4.5蓝牙输出
1.5实践与思考
第2章乐高的基本组件
2.1乐高组件的基本尺寸
2.2组件和种类
2.3乐高积木中的几何关系
2.4实践与思考
第3章机械传动方式
3.1齿轮传动
3.2链传动
3.3滑轮和皮带
3.4蜗轮、蜗杆
3.5平面连杆传动
3.6差动机构
3.7实践与思考
第4章机器人的行走方式
4.1四轮驱动装置
4.2万向轮
4.3机器人转向方式
4.4用腿行走
4.5实践与思考
第5章机器人的稳定性
5.1结构
5.2重心
5.3支撑多边形
5.4稳定性
5.5实践与思考
第6章机器人的几种结构设计
6.1平行四边形结构
6.2滑轨
6.3平行四边形交叉升降
6.4触角和传感器的安装
6.4.1简单的触角
6.4.2杠杆型触角
6.4.3夹子和爪
6.5实践与思考
第7章初识EV3
7.1安装EV3及编程环境介绍
7.1.1安装EV3
7.1.2编程环境介绍
7.1.3项目属性窗口
7.2EV3连接方式
7.2.1USB连接
……
第8章程序结构
第9章传感器模块的应用
第10章变量与函数运算
第11章EV3高级应用
第12章EV3实验与测量
附录搭建一个机器人
参考文献
前 言
有些教师、家长常会问我： “在中学时期学习机器人有什么用？”、“如果没有了中国式比赛所带来的一些功利性的内容，机器人能带给我们哪些收获呢？”
回忆20年前，我们对计算机刚刚出现时的困惑，就可以理解家长和教师的想法。可以将计算机与机器人作一个比较，因为机器人是计算机的延续。如果注意到计算机在人们生活中的作用，就知道机器人将会是未来生活中不可或缺的，甚至在不久的将来，它会替代家用计算机的大部分功能。
机器人是一个工具，与计算机是一样的。当计算机刚出现时，我们认为它只是专家才会使用的工具；现在，它已经进入千家万户，大多数人现在离不开计算机，借助它上网聊天、浏览新闻、办公或展示创意作品。
机器人是计算机的扩展和延续，它会替代家用计算机的大部分功能，如网络功能、通信功能、多媒体功能等；同时，它具有更多的输入、输出方式，不仅可以接收键盘的指令，而且会听、会看、有触觉，可以感受温度的变化和周围的物体，可以记录环境的变化，与计算机相比，其交互性能大大提高。因此对于机器人，我们可以按照个人的要求来设置，这样更有利于进一步的开发，我们在计算机上完成的任务可以让机器人更方便地执行。
在教学中，我曾开设“ROBOTC与机器人程序设计”、“LabVIEW与机器人科技创新活动”、“JAVA和乐高机器人”等选修课程，让学生借助机器人学习程序设计。通过机器人，让学生见到自己编写的程序的运行结果。以往学习程序设计是很枯燥的过程，现在通过机器人项目，使这一过程变得很有趣味。在玩的过程中，学生掌握了编程的方法，通过自学就可以完成大部分课程，无须他人监督与考核。
机器人实验室是开放型的，我们可以设计各种实验来验证各学科的知识，使学生在动手活动中开展学习，增强知识的直观性和学生的感性认识。以往的实验都是由教师设计，学生效仿，这只能验证原理的正确性；而为什么这样做，学生无法体会。如果将工程、技术的概念引入教学，学生将明白： “要实现某一任务，应该如何设计？”、“应该考虑哪些因素的影响？”使他们的视野更全面，学会决策与选择。
正如计算机教学并不一定要培养学生学习这一专业，在中学开设机器人课程也不是专业教育，不是精英教育，而是要将这一优质教学资源分享给广大的学生；它不是以培养专业为目的，而是面向未来的教育。这是每一个学生玩过之后都会对科学产生兴趣的过程。
即使有人不喜欢计算机，但在工作、生活中离不开计算机。在未来，机器人会同样存在于我们的生活中。机器人活动让学生们更好地交流，开阔了视野，特别是一些国际性比赛项目的引进，让中国学生更多地了解到合作、交流、分享、创新的理念。
每年的科技创新作品很多都与机器人相关。离开了机器人（自动控制）技术，就很难有新的产品。
机器人活动是让学生站在了巨人的肩上，如果不将机器人活动局限于比赛，我们会更多地了解机器人，发掘学生潜力。从小学到大学，在不同阶段，都可以使用乐高机器人进行比赛、学习和研究。使用这一工具，学生可以避开一些专业上的困难，体验到成功的快乐。因为简单，学生不会操作失误，不会损坏设备，而且安全、可靠，其教学内容的拓展性极为广泛，对学生的潜能可以有深度地开发，适合各年龄段学生使用。
EV3的出现让设计更为简洁。它有大量搭建与程序的参考案例，适合学生自学；其简洁的模块设置，可以准确地对机器人进行控制；它提供了项目文档的功能，让教师与学生更好地分享教学中的经验。这一切让学生更容易掌握这一平台，并在此基础上启发灵感，实现创新。
回忆20年前，我们对计算机刚刚出现时的困惑，就可以理解家长和教师的想法。可以将计算机与机器人作一个比较，因为机器人是计算机的延续。如果注意到计算机在人们生活中的作用，就知道机器人将会是未来生活中不可或缺的，甚至在不久的将来，它会替代家用计算机的大部分功能。
机器人是一个工具，与计算机是一样的。当计算机刚出现时，我们认为它只是专家才会使用的工具；现在，它已经进入千家万户，大多数人现在离不开计算机，借助它上网聊天、浏览新闻、办公或展示创意作品。
机器人是计算机的扩展和延续，它会替代家用计算机的大部分功能，如网络功能、通信功能、多媒体功能等；同时，它具有更多的输入、输出方式，不仅可以接收键盘的指令，而且会听、会看、有触觉，可以感受温度的变化和周围的物体，可以记录环境的变化，与计算机相比，其交互性能大大提高。因此对于机器人，我们可以按照个人的要求来设置，这样更有利于进一步的开发，我们在计算机上完成的任务可以让机器人更方便地执行。
在教学中，我曾开设“ROBOTC与机器人程序设计”、“LabVIEW与机器人科技创新活动”、“JAVA和乐高机器人”等选修课程，让学生借助机器人学习程序设计。通过机器人，让学生见到自己编写的程序的运行结果。以往学习程序设计是很枯燥的过程，现在通过机器人项目，使这一过程变得很有趣味。在玩的过程中，学生掌握了编程的方法，通过自学就可以完成大部分课程，无须他人监督与考核。
机器人实验室是开放型的，我们可以设计各种实验来验证各学科的知识，使学生在动手活动中开展学习，增强知识的直观性和学生的感性认识。以往的实验都是由教师设计，学生效仿，这只能验证原理的正确性；而为什么这样做，学生无法体会。如果将工程、技术的概念引入教学，学生将明白： “要实现某一任务，应该如何设计？”、“应该考虑哪些因素的影响？”使他们的视野更全面，学会决策与选择。
正如计算机教学并不一定要培养学生学习这一专业，在中学开设机器人课程也不是专业教育，不是精英教育，而是要将这一优质教学资源分享给广大的学生；它不是以培养专业为目的，而是面向未来的教育。这是每一个学生玩过之后都会对科学产生兴趣的过程。
即使有人不喜欢计算机，但在工作、生活中离不开计算机。在未来，机器人会同样存在于我们的生活中。机器人活动让学生们更好地交流，开阔了视野，特别是一些国际性比赛项目的引进，让中国学生更多地了解到合作、交流、分享、创新的理念。
每年的科技创新作品很多都与机器人相关。离开了机器人（自动控制）技术，就很难有新的产品。
机器人活动是让学生站在了巨人的肩上，如果不将机器人活动局限于比赛，我们会更多地了解机器人，发掘学生潜力。从小学到大学，在不同阶段，都可以使用乐高机器人进行比赛、学习和研究。使用这一工具，学生可以避开一些专业上的困难，体验到成功的快乐。因为简单，学生不会操作失误，不会损坏设备，而且安全、可靠，其教学内容的拓展性极为广泛，对学生的潜能可以有深度地开发，适合各年龄段学生使用。
EV3的出现让设计更为简洁。它有大量搭建与程序的参考案例，适合学生自学；其简洁的模块设置，可以准确地对机器人进行控制；它提供了项目文档的功能，让教师与学生更好地分享教学中的经验。这一切让学生更容易掌握这一平台，并在此基础上启发灵感，实现创新。
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第1章 乐高机器人的结构
虽然人工智能机器人的种类千差万别，但其系统组成是一样的，通常都是由控制器、传感器、能源动力以及反馈系统等部分构成。通过传感器感知环境信息的变化，由中央处理器运算、处理，最后由输出装置完成特定的任务。本书仅以乐高机器人为例，说明各部分的功能。
1.1控制器
控制器是机器人的核心部分，它通过连接各种传感器获得信息，然后分析、处理，再发出指令，控制机器人的各种运动行为。新一代的乐高机器人控制器——EV3的按钮可以发光,根据光的颜色可判断EV3的状态；它有更高分辨率的黑白显示器,内置扬声器、USB端口；还有一个迷你SD读卡器、四个输入端口和四个输出端口。它支持USB 2.0,有蓝牙和WiFi与计算机通信；还有一个编程接口，用于编程和数据日志上传、下载。它兼容移动设备。乐高EV3机器人控制器及其内部结构如图11和图12所示。
图11 乐高EV3机器人控制器
图12 EV3内部结构
1.2电 源 部 分
电源部分是机器人的能量来源，主要由电池盒与锂电池组成。在学生科技创新活动中，可以采用太阳能电池作为机器人能源。乐高太阳能电池与EV3充电电池如图13所示。
图13 两种电池
1.3乐高机器人常用传感器
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。在研究自然现象和规律以及生产活动中，人们单靠自身的感觉器官是远远不够的。为此，需要传感器。可以说，传感器是人类五官的扩展，也是机器人和现实世界之间联系的纽带。传感器是机器人接收环境信息的感觉器官，在接收了外界信息的基础上，才能通过中心处理器处理信息，借助不同的传感器，机器人感觉到环境中力、热、声、光等信息的变化，为人工智能化处理提供可靠保障。根据不同的工作特征，传感器分为光学传感器、红外传感器、声音传感器、力传感器和位置传感器等。
对于乐高机器人来说，不仅可以使用乐高专用传感器，而且可以使用很多第三方传感器，使得学生应用这一平台开展的科技开发和创新活动更加方便、灵活。
传感器作为机器人感官系统，通过“看”、“听”、“触”、“嗅”等采集各种信息。常用的有光电传感器、角度传感器、超声波传感器、触碰传感器、声音传感器、温度传感器等。
1.3.1光电传感器
光电传感器的范围很广，有最简单的光敏电阻，即光强度的大小改变电阻的阻值，实现对光强度的感知；也有目前最复杂的摄像头(Camera)。传感器将接收到的光值返回给机器人，通过光电传感器提供的信息，进行颜色、距离等条件的估算。光电传感器是机器人在运动过程中必不可少的传感器，通过它，可以获得机器人在移动过程中与障碍物之间的距离。EV3颜色传感器测量光的反射值（就像光电传感器那样），也可以检测颜色。EV3兼容NXT光电传感器。EV3颜色传感器和NXT光电传感器如图14所示。
图14两种传感器
1.3.2力传感器
力传感器是用来检测触碰或者接触信号的，比如机械手的应用。当你将一个东西放到机械手中的时候，机械手自动抓住它，这时需要力传感器检测东西抓得紧不紧。典型的力传感器是微动开关和压敏传感器。微动开关其实就是一个小开关，通过调节开关上的杠杆长短来调节触碰开关力的大小。用来做触碰检测，这是最好不过的了。但是使用这种传感器时，必须事先确定好力的阈值，也就是说，只能实现硬件控制。压敏传感器能根据受力大小，自动调节输出电压或者电流，实现软件控制。乐高中用到的力传感器只能检测到触碰与没触碰两种状态，并不能检测力的大小。EV3兼容NXT触碰传感器。EV3触碰传感器与NXT触碰传感器如图15所示。
图15两种触碰传感器
图16NXT声音传感器
1.3.3声音传感器
目前使用最多的声音传感器就是麦克风。对于处理声音信号，目前有一些比较好的解决方案，可以实现对中文语音的识别。人们可以通过对机器人发出语音指令，来控制机器人。EV3没有提供新的声音传感器，但兼容NXT声音传感器。NXT声音传感器如图16所示。
1.3.4超声波传感器
超声波传感器和红外接近传感器很像，都属于距离探测传感器，但是它能提供比红外传感器更远的探测范围，还能提供一个范围的探测，而不是一条线的探测。超声波传感器是目前使用最多的距离传感器之一。
EV3提供了标配的超声波传感器，同时兼容NXT超声波传感器，它通过间断地发射超声波并检测反射回来的超声波，获知前方物体的距离，测距范围3～250cm，测量精度1cm。EV3超声波传感器与NXT超声波传感器如图17所示。
图17两种超声波传感器
1.3.5红外传感器
红外传感器是一种数字传感器，用于检测从固体物体反射回来的红外光，也可以检测从远程红外信标发送来的红外光信号。该红外传感器可用于三种模式： 近程模式、信标模式和远程模式。红外传感器和远程红外信标如表11所示。表11红外传感器和远程红外信标
红外传感器远程红外信标续表
远程模式信标模式1. 近程模式
在近程模式下，红外传感器利用物体表面反射回来的光波来估计该物体与传感器之间的距离。它使用0（很近）～100（很远）之间的数值来报告距离，而不是具体的厘米数或英寸数。传感器可以检测出远至70cm的物体，测量精度取决于物体的尺寸和形状。
2. 信标模式
从红色频道选择器中远程红外信标的四个频道里选择一个频道。红外传感器会检测出与程序里指定的频道相匹配的信标信号，在其面对的方向，最远距离可达200cm。一旦检测到信标信号，传感器就可以估计大致方向（标头）及与信标的距离（近程）。据此，可以对机器人编程来玩“捉迷藏”的游戏，使用远程红外信标作为搜索目标。标头值在-25～25之间，0表示信标在红外传感器正前方，近程值在0～100之间。
远程红外信标是一个独立设备，可以手持或拼砌到另一个 LEGO模型里。需要两节7号电池。开启远程红外信标，需要按压设备顶部的“信标模式”大按钮。绿色 LED 指示器将打开，指示设备在运行，并连续传输。再按一下“信标模式”按钮，信标将关闭(静止1小时后，信标自动关闭)。远程红外信标的按键组合共11种，如表12所示。表12远程红外信标的按键组合
虽然人工智能机器人的种类千差万别，但其系统组成是一样的，通常都是由控制器、传感器、能源动力以及反馈系统等部分构成。通过传感器感知环境信息的变化，由中央处理器运算、处理，最后由输出装置完成特定的任务。本书仅以乐高机器人为例，说明各部分的功能。
1.1控制器
控制器是机器人的核心部分，它通过连接各种传感器获得信息，然后分析、处理，再发出指令，控制机器人的各种运动行为。新一代的乐高机器人控制器——EV3的按钮可以发光,根据光的颜色可判断EV3的状态；它有更高分辨率的黑白显示器,内置扬声器、USB端口；还有一个迷你SD读卡器、四个输入端口和四个输出端口。它支持USB 2.0,有蓝牙和WiFi与计算机通信；还有一个编程接口，用于编程和数据日志上传、下载。它兼容移动设备。乐高EV3机器人控制器及其内部结构如图11和图12所示。
图11 乐高EV3机器人控制器
图12 EV3内部结构
1.2电 源 部 分
电源部分是机器人的能量来源，主要由电池盒与锂电池组成。在学生科技创新活动中，可以采用太阳能电池作为机器人能源。乐高太阳能电池与EV3充电电池如图13所示。
图13 两种电池
1.3乐高机器人常用传感器
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。在研究自然现象和规律以及生产活动中，人们单靠自身的感觉器官是远远不够的。为此，需要传感器。可以说，传感器是人类五官的扩展，也是机器人和现实世界之间联系的纽带。传感器是机器人接收环境信息的感觉器官，在接收了外界信息的基础上，才能通过中心处理器处理信息，借助不同的传感器，机器人感觉到环境中力、热、声、光等信息的变化，为人工智能化处理提供可靠保障。根据不同的工作特征，传感器分为光学传感器、红外传感器、声音传感器、力传感器和位置传感器等。
对于乐高机器人来说，不仅可以使用乐高专用传感器，而且可以使用很多第三方传感器，使得学生应用这一平台开展的科技开发和创新活动更加方便、灵活。
传感器作为机器人感官系统，通过“看”、“听”、“触”、“嗅”等采集各种信息。常用的有光电传感器、角度传感器、超声波传感器、触碰传感器、声音传感器、温度传感器等。
1.3.1光电传感器
光电传感器的范围很广，有最简单的光敏电阻，即光强度的大小改变电阻的阻值，实现对光强度的感知；也有目前最复杂的摄像头(Camera)。传感器将接收到的光值返回给机器人，通过光电传感器提供的信息，进行颜色、距离等条件的估算。光电传感器是机器人在运动过程中必不可少的传感器，通过它，可以获得机器人在移动过程中与障碍物之间的距离。EV3颜色传感器测量光的反射值（就像光电传感器那样），也可以检测颜色。EV3兼容NXT光电传感器。EV3颜色传感器和NXT光电传感器如图14所示。
图14两种传感器
1.3.2力传感器
力传感器是用来检测触碰或者接触信号的，比如机械手的应用。当你将一个东西放到机械手中的时候，机械手自动抓住它，这时需要力传感器检测东西抓得紧不紧。典型的力传感器是微动开关和压敏传感器。微动开关其实就是一个小开关，通过调节开关上的杠杆长短来调节触碰开关力的大小。用来做触碰检测，这是最好不过的了。但是使用这种传感器时，必须事先确定好力的阈值，也就是说，只能实现硬件控制。压敏传感器能根据受力大小，自动调节输出电压或者电流，实现软件控制。乐高中用到的力传感器只能检测到触碰与没触碰两种状态，并不能检测力的大小。EV3兼容NXT触碰传感器。EV3触碰传感器与NXT触碰传感器如图15所示。
图15两种触碰传感器
图16NXT声音传感器
1.3.3声音传感器
目前使用最多的声音传感器就是麦克风。对于处理声音信号，目前有一些比较好的解决方案，可以实现对中文语音的识别。人们可以通过对机器人发出语音指令，来控制机器人。EV3没有提供新的声音传感器，但兼容NXT声音传感器。NXT声音传感器如图16所示。
1.3.4超声波传感器
超声波传感器和红外接近传感器很像，都属于距离探测传感器，但是它能提供比红外传感器更远的探测范围，还能提供一个范围的探测，而不是一条线的探测。超声波传感器是目前使用最多的距离传感器之一。
EV3提供了标配的超声波传感器，同时兼容NXT超声波传感器，它通过间断地发射超声波并检测反射回来的超声波，获知前方物体的距离，测距范围3～250cm，测量精度1cm。EV3超声波传感器与NXT超声波传感器如图17所示。
图17两种超声波传感器
1.3.5红外传感器
红外传感器是一种数字传感器，用于检测从固体物体反射回来的红外光，也可以检测从远程红外信标发送来的红外光信号。该红外传感器可用于三种模式： 近程模式、信标模式和远程模式。红外传感器和远程红外信标如表11所示。表11红外传感器和远程红外信标
红外传感器远程红外信标续表
远程模式信标模式1. 近程模式
在近程模式下，红外传感器利用物体表面反射回来的光波来估计该物体与传感器之间的距离。它使用0（很近）～100（很远）之间的数值来报告距离，而不是具体的厘米数或英寸数。传感器可以检测出远至70cm的物体，测量精度取决于物体的尺寸和形状。
2. 信标模式
从红色频道选择器中远程红外信标的四个频道里选择一个频道。红外传感器会检测出与程序里指定的频道相匹配的信标信号，在其面对的方向，最远距离可达200cm。一旦检测到信标信号，传感器就可以估计大致方向（标头）及与信标的距离（近程）。据此，可以对机器人编程来玩“捉迷藏”的游戏，使用远程红外信标作为搜索目标。标头值在-25～25之间，0表示信标在红外传感器正前方，近程值在0～100之间。
远程红外信标是一个独立设备，可以手持或拼砌到另一个 LEGO模型里。需要两节7号电池。开启远程红外信标，需要按压设备顶部的“信标模式”大按钮。绿色 LED 指示器将打开，指示设备在运行，并连续传输。再按一下“信标模式”按钮，信标将关闭(静止1小时后，信标自动关闭)。远程红外信标的按键组合共11种，如表12所示。表12远程红外信标的按键组合
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