第9课 机器人机械手
一、教材分析
本课将舵机原理内容加入到教学中，拓展了学生机器人的应用范围，帮助学生了解学生机器人的“拓展积木”和“辅助设备”。流程图的设计对学生的学习能起到重要作用，学生能根据流程图选用合适的拓展模块来搭建需要的机器人结构，并进行必要的调试和整合。
二、学情分析
舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。本课首次把舵机运用到机器人机械手的搭建中，学生不了解舵机的作用，在教学时教师要把舵机的特点和作用讲解清楚，学生要能知道如何运营舵机。
三、教学目标与要求
了解机器人机械手活动以及舵机和红外传感器的工作原理，学会检测学生机器人机械手抓取、搬运、推动等活动，能够编写学生机器人机械手检测物体、处理物体的程序。体验学生机器人机械手程序实验过程，感受机器人模块的互动特点。
四、教学重点与难点
1. 重点：
（1）机器人机械手程序的搭建。
（2）舵机的组合方式。
2. 难点：
（1）学会设置舵机参数。
（2）设置学生机器人机械手抓取、搬运、推动的程序。
五、教学方法与手段
实验法、自主探究法、任务驱动法。
六、课时安排
安排2课时。
七、教学准备
舵机、部分拓展积木。
八、教学过程
第1课时
（一）导入
出示：车间里搬运车抓取物品、运送物品的视频（生观看视频）
教师：同学们，刚才你们观察到搬运车是怎样抓取物品、运送物品的？
学生：搬运车运动到物品前，张开手臂，将物品夹住，然后转向，将物品运送到指定地点，遇到远一点的，还将手臂伸长，再抓住物品，进行运送。
教师：观察得真仔细，今天我们也可以搭建这样一个有手臂的小车，来运送物品，它就是机器人机械手。（出示课题）
【设计意图】机器人机械手是机器人教学单元中运用拓展模块（舵机）进行搭建的内容之一，从观看视频出发，引出机械手的概念，起到帮助学生了解机械手的作用。
（二）认识舵机
教师：在刚才同学们观看的视频中，机器人实行的动作是搬运车，搬运车在日常生活中很常见，你们见过吗？
学生：汽车生产车间、啤酒厂装配酒瓶盖等。（学生举例说明）
教师：学生机器人可以增加舵机和模块控件来完成搬运车的基本动作。这项实验是利用搬运车前端的红外传感器和舵机来完成的。
介绍舵机。舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。舵机可以控制角度变化的速度，位置精度非常准确，可完成机器人的某些动作。
舵机有两种类型：一种是往复柱塞式舵机，其原理是通过高低压油的转换而做功产生直线运动，并通过舵柄转换成旋转运动。另一种是转叶式舵机，其原理是高低压油直接作用于转子，体积小而高效，但成本较高。
【设计意图】舵机相对直流电机而言，具有一些特别的属性。从实际生活经验入手，让学生掌握舵机的使用方式。
（三）设置舵机
教师：讲解舵机的定义。（操作演示）
选中“执行控件”，选择舵机，可以对舵机进行设置。
【设计意图】理解舵机的控件模块，领略设置方式。
（四）认识机械手
教师：机器人搬运货物的运动主要通过机械手来完成，机械手主要是使用两个舵机控制机械手臂，从而完成搬运、推动等动作。
学生根据要求，动手搭建机械手拓展结构模块。（教师巡视辅导）
【设计意图】搭建机械手拓展结构模块是本课教学的重点，需要教师和学生共同认真、仔细地完成。
（五）本课小结
这节课我们主要了解的机器人机械手的工作原理及所需模块，也尝试动手搭建了机械手拓展结构模块，同时学习了舵机的简单设置，下节课我们将对搭建好的机械手进行程序编写。
第2课时
（六）编写机器人机械手流程图
教师：搭建一个简单搬运夹，再利用机器人前端的红外传感器来检测前方是否有物体，如果有物体就将其搬走，如果没有物体则继续前进。（学生自行搭建）
教师：机械手由3个舵机、若干个结构模块、2～3个舵机链接等组成。
【设计意图】通过流程图的设计，让学生理解机器人机械手运动的基本过程，为后面的学习打下基础。
（七）机器人机械手程序编写
1. 新建一个程序。
2. 设置第一个舵机。
加入一个重复执行语句，在“机器人”模块中，选择“设置舵机接口1红色5V橘色信号 棕色GND 输出角度为90°”控件，加入重复语句中，设置舵机接口1的输出角度为45°，等待1秒后，设置舵机接口1的输出角度为0°，再等待1秒。
3. 设置第二个舵机。
继续设置第二个舵机的输出角度，设置舵机接口4的输出角度为135°，等待1秒后，设置舵机接口4的输出角度为45°，再等待1.5秒。
4. 设置第三个舵机。
继续设置第三个舵机的输出角度，设置舵机接口5的输出角度为30°，此时，机械手夹具打开，等待1.5秒后，设置舵机接口5的输出角度为105°。此时，机械手夹具闭合，再等待1.5秒。
5. 设置机械手抓取的动作程序
继续加入“设置舵机接口1红色5V橘色信号 棕色GND 输出角度为90°”控块，分别设置舵机接口为4的输出角度为45°。等待1.5秒后，再设置舵机接口4的输出角度为135°。等待1.5秒后，设置舵机接口1的输出角度为45°，等待1秒后，设置舵机接口1的输出角度为90°，再等待1秒。此时，机械手完成先回收再旋转90°的动作。
6. 设置机械手搬运动作的程序
设置舵机接口4的输出角度为45°，等待1.5秒后，再设置舵机接口5的输出角度为30°。等待1.5秒后，设置舵机接口5的输出角度为105°，等待1.5秒。
设置舵机接口4的输出角度为90°，等待1.5秒后，设置舵机接口4的输出角度为135°，再等待1.5秒。此时，机械手完成先向前伸，再将夹具打开，再闭合夹具，回收机械手的动作。
7. 上传程序
保存完整程序，上传Arduino程序至Arduino主板上，下载到机器人机身上，进行活动实验。
【设计意图】教师将程序的详细过程编写出来，并且及时上传Arduino程序至Arduino主板上，下载到机器人机身上进行实践活动，让学生感受程序由文字变为机械手的实际运动。
（八）学生机器人机械手实验
学生根据教师的指导，修改机械手的结构，编写机械手的程序，尝试实验。
（学生动手操作，教师巡视辅导。）
【设计意图】给予学生充分的练习时间和实验机会，让学生感受机械手的乐趣。
（九）总结与展示
学生按组轮流展示实验情况，并进行小组间评价，再进行修改展示。
教师及时总结，鼓励创新。
【设计意图】总结实验情况，查漏补缺，为参加机器人比赛奠定基础。
九、教学反思
本课通过教学，让学生了解到机械手搭建中舵机的运用与直流电机的区别和特殊的功能，学生在设置舵机参数和设计学生机器人机械手抓取、搬运、推动的程序时感到难度较大，但是由于提前准备了流程图，让学生在程序编写时有条不紊，体现出流程图的重要性。
