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乐高机器人是智能玩具。几年前刚开始听说乐高积木时,我只是片面地认为它是一种儿童拼接的积木玩具而已,特色不过是提供的积木基本组件的样式和颜色比 较丰富罢了。等看到我孩子的几个同学在摆弄乐高智能机器人时,我的看法被颠覆了,原来有这么好玩的智能玩具,它不是积木拼接玩具,更不是没有智能的被动遥控玩具——更准确地说,乐高机器人可以让孩子们根据自己想象组装机器人,再根据自己的意愿进行编程,让乐高机器人具有自身的智能控制能力。让孩子从小学会动手能力和逻辑思维非常重要。我本人是学计算机科学专业背景出来的,也曾经在英特尔( Intel ) 公司工作长达16 年之多,对计算机和各种智能设备的软硬件应用和开发都很熟悉。因为自己从初中二年级就开始接触计算机程序设计,深知从小培养孩子动手能力和严谨的逻辑思维非常重要,越早越好,这种能力会影响人的一生。但是,一直困扰我的一个问题是:如何让孩子在玩乐中就培养动手能力和训练逻辑思维?现在的孩子即便是小学生,使用计算机和智能设备根本不是问题。但是如何让他们更早地学习计算机这类乐高EV3 机器人自造实战|从原理、组装、程序到控制全攻略智能设备的基本概念和培养程序设计的逻辑思维呢?如果按传统的方式学习,他们需要先学习计算机基本理论,接着要了解电子电路、数字逻辑和微处理器,然后学习一种程序设计语言开始编写程序。这些东西对于他们来说不但深难懂,而且枯燥乏味。怎么办?乐高机器人给了我答案。乐高机器人不但是玩具还是智能可编程的机器人,和孩子一起学一起玩。拿到繁体版的这本书准备改编时,我就被本书的内容和结构吸引住了,因为它是一本图文并茂,结构清晰而且叙述简单明了的乐高机器人“宝典”,特别适合于没有任何计算机基础知识的孩子们,年龄可以是从小学生到高中生,甚至适合于童心未泯的大学生,只要你会玩积木而且对智能机器人感兴趣就可以轻松上手。当然一样适合像我这样的家长,因为我一直在想怎么教我的孩子,我可以教大学生计算机课程(以前当过大学老师),但是怎么教我的还是小学生的孩子提高动手能力和通过编程训练逻辑思维呢?现在有答案了:和孩子一起组装乐高机器人、再编程控制和测试它,1后“玩乐其中”。 阅读本书的提示: 1. 本书介绍的是乐高1新的第三代机器人(EV3)。电子电路部分包括 EV3 主机,大中型马达,各种传感器等;机械结构部分包括各种积木,几种规格的齿轮和滑轮,以及各种大小的轮胎和履带等。 2. 本书逻辑上分成三个部分。一部分:第 1 章和第 2 章以图片为主介绍了乐高积木和机械组装及其动力原理。 第二部分:第 3 章和第 4 章介绍了乐高机器人的 EV3 主机开发环境和 EV3-G积木程序开发环境。学习在 EV3-G 中以积木编程的方式来控制 EV3 乐高机器人进行各种动作,以可视直觉的方式让学生掌握编写程序的原理。同时图片在各个章节的介绍中细致到每一个重点。第三部分:第 5 ~ 11 章详细介绍了从简单到复杂,动手组装各种乐高机器人,再编写智能控制程序控制它和测试它们,让它们活灵活现地动起来。这些机器人,从乐高机器人基本车,带触碰传感器的碰碰车,带光线传感器的太阳能车和蟑螂车,声控机器人,用光线传感器来循迹的机器人,走迷宫的机器人,遥控履带型坦克车、遥控乐高赛车以及双马达打陀螺等一系列机器人几乎包罗万象。丰富的高清晰图片把每个步骤无一遗漏地展示给读者。
内容简介
本书图文并茂地介绍了乐高 (Lego) *新的第三代机器人(EV3)的组装、编程控制、测试以及如何操控,是一本结构清晰而且叙述简单明了的乐高机器人“宝典”级教材。 全书共分三大部分。**部分以图片为主介绍了乐高积木和机械组装及其动力原理;第二部分以丰富的插图介绍了乐高机EV3 主机开发环境和 EV3-G 积木程序开发环境;第三部分详细介绍了从简单到复杂,动手组装各种乐高机器人,再编写智能控制程序控制它们和测试它们,让它们活灵活现地动起来。一系列机器人几乎包罗万象,丰富的高清晰图片把每个步骤无一遗漏地展示给读者。 本书特别适合于没有任何计算机基础知识的读者,年龄可以是从小学生到高中生,甚至适合于童心未泯的大学生,只要你会玩积木而且对智能机器人感兴趣就可以轻松上手。
内页插图
目录
01 乐高机器人
1-1 什么是机器人……………………………………………………………………… 2
1-2 机器人的运用…………………………………………………………………… 4
1-3 EV3 乐高机器人………………………………………………………………… 9
1-4 EV3 乐高机器人套件………………………………………………………… 10
1-5 积木与横杆…………………………………………………………………… 13
1-5-1 方块积木 (Brick) ………………………………………………………… 13
1-5-2 平板积木 (Plate) ………………………………………………………… 14
1-5-3 圆孔平板积木(Technic Plate)………………………………………… 16
1-5-4 凸点横杆(Technic Brick)……………………………………………… 17
1-5-5 横杆 (Technic Beam or Technic Liftarm Thick)………………………… 18
1-5-6 框架 (Frame) ……………………………………………………………… 20
1-6 连接器 (Connector) …………………………………………………………… 21
1-6-1 十字轴 (Technic Axle) …………………………………………………… 21
1-6-2 套环 (Technic Bush) ……………………………………………………… 23
1-6-3 插销 (Bolt,Pin) ………………………………………………………… 23
1-6-4 各种连接器 (Connector) ………………………………………………… 25
02 乐高的动力机械原理与实践
2-1 动力机械的原理……………………………………………………………… 32
2-1-1 正齿轮…………………………………………………………………… 34
2-1-2 冠状齿轮………………………………………………………………… 37
2-1-3 伞(斜)状与双面斜齿轮……………………………………………… 39
2-1-4 蜗轮……………………………………………………………………… 40
2-1-5 齿条……………………………………………………………………… 42
2-2 动力机械传递动力的方式…………………………………………………… 43
2-2-1 利用“传动轴”来传递动力…………………………………………… 43
2-2-2 利用“皮带”来传递动力……………………………………………… 45
2-2-3 利用“链条”来传递动力……………………………………………… 47
2-2-4 利用“履带”来传递动力……………………………………………… 48
2-3 制作“打陀螺”结构………………………………………………………… 50
2-4 制作“前轮驱动车”结构…………………………………………………… 55
2-5 制作“四轮驱动车”结构…………………………………………………… 69
03 EV3 主机的程序开发环境
3-1 EV3 乐高机器人的程序设计流程…………………………………………… 85
3-2 组装一台乐高机器人………………………………………………………… 87
3-2-1 EV3 主机的电池………………………………………………………… 87
3-2-2 EV3 主机的硬件组件和功能菜单……………………………………… 89
3-2-3 EV3 主机加装传感器…………………………………………………… 93
3-2-4 EV3 主机加装伺服马达………………………………………………… 100
3-2-5 在EV3 主机上设置蓝牙连接…………………………………………… 101
3-2-6 在EV3 主机上设置相关参数和管理文件……………………………… 102
3-3 在 EV3 主机中编写简易的控制程序………………………………………… 104
3-3-1 编写第一个 EV3 主机程序……………………………………………… 105
3-3-2 保存/读取 EV3 主机程序……………………………………………… 112
04 EV3-G 积木程序的开发环境
4-1 什么是 EV3-G 积木程序……………………………………………………… 117
4-2 EV3-G 积木编程软件的获得和安装………………………………………… 118
4-2-1 EV3-G 积木编程软件的获得…………………………………………… 118
4-2-2 EV3-G 积木编程软件的安装…………………………………………… 119
4-3 EV3-G 积木编程软件的开发环境…………………………………………… 120
4-3-1 EV3 的常用工具栏……………………………………………………… 122
4-3-2 积木编程模块组件库…………………………………………………… 127
4-3-3 积木程序设计区………………………………………………………… 143
4-3-4 主机控制区……………………………………………………………… 144
4-4 编写第一个 EV3-G 积木程序………………………………………………… 148
05 基本车与碰碰车机器人
5-1 触碰传感器的认识…………………………………………………………… 153
5-2 双马达驱动机器人(基本车)………………………………………………… 156
5-2-1“组装”基本车…………………………………………………………… 157
5-2-2“编写程序”让基本车动起来…………………………………………… 163
5-3 碰碰车机器人 ( 触碰传感器) ………………………………………………… 172
5-3-1 “组装”碰碰车机器人…………………………………………………… 173
5-3-2“编写程序”来玩碰碰车………………………………………………… 175
5-4 高级版的碰碰车机器人……………………………………………………… 180
5-4-1“组装”高级版的碰碰车………………………………………………… 180
5-4-2 “编写程序”来玩高级版的碰碰车……………………………………… 186
06 太阳能与蟑螂车以及声控车机器人
6-1 认识颜色传感器……………………………………………………………… 190
6-2 太阳能与蟑螂车机器人……………………………………………………… 194
6-2-1“组装”太阳能车机器人………………………………………………… 194
6-2-2 “编写程序”来玩太阳能车……………………………………………… 197
6-2-3 “编写程序”来玩蟑螂车………………………………………………… 199
6-3 认识声音传感器……………………………………………………………… 201
6-4 声控车机器人(声音传感器)………………………………………………… 204
6-4-1“组装”声控车机器人…………………………………………………… 204
6-4-2“编写程序”来玩声控车………………………………………………… 206
07 轨迹车机器人
7-1 循迹机器人的应用…………………………………………………………… 211
7-2 循迹机器人的控制方法……………………………………………………… 212
7-2-1 Z 字形循迹法…………………………………………………………… 213
7-2-2 三段循迹法……………………………………………………………… 214
7-2-3 比例控制法……………………………………………………………… 215
7-3 制作“单光感”循迹机器人………………………………………………… 216
7-3-1“组装”单光循迹机器人………………………………………………… 217
7-3-2“编写程序”来玩“单光感”轨迹机器人……………………………… 220
7-4 制作“双光感”循迹机器人………………………………………………… 223
7-4-1 组装单光感循迹机器人………………………………………………… 225
7-4-2 编写程序来玩“双光感”循迹车机器人 ……………………………… 229
08 走迷宫的机器人(超声波传感器)
8-1 认识超声波传感器 …………………………………………………………… 231
8-2 制作走迷宫的机器人 ………………………………………………………… 234
8-2-1 组装走迷宫的机器人 …………………………………………………… 234
8-2-2 编写程序来玩“走迷宫机器人” ………………………………………… 237
09 单马达驱动机器人
9-1 单马达驱动机器人介绍 ………………………………………………………… 240
9-2 组装单马达驱动机器人 ……………………………………………………… 240
9-3 “编写程序”来驱动“单马达”机器人 ……………………………………… 246
10 遥控履带型坦克车
10-1 履带型坦克车 ( 基本车 ) ……………………………………………………… 249
10-1-1 “ 组装”履带型坦克车(基本车) ……………………………………… 249
10-1-2 “ 编写程序”让履带型坦克车动起来 ………………………………… 262
10-2 履带型坦克车 ( 加触碰传感器 ) …………………………………………… 266
10-3 履带型坦克车 ( 加颜色传感器 ) …………………………………………… 269
10-4 履带型坦克车(加超声波传感器) ………………………………………… 272
10-5 履带型坦克车 ( 完整版 ) …………………………………………………… 276
10-6 遥控履带型坦克车 …………………………………………………………… 277
10-6-1 认识红外线传感器 ……………………………………………………… 278
10-6-2 组装“红外线传感器” ………………………………………………… 279
10-6-3 编写“遥控履带型坦克车”程序 ……………………………………… 280
11 遥控乐高赛车
11-1 组装乐高赛车 ………………………………………………………………… 282
11-2 组装红外线传感器 …………………………………………………………… 309
11-3 编写“遥控乐高赛车”程序 ………………………………………………… 312
12 双马达打陀螺机
12-1 双马达打陀螺机介绍 ………………………………………………………… 316
12-2 组装双马达打陀螺机 ………………………………………………………… 317
12-3 “编写程序”来自动打陀螺 ………………………………………………… 329
前言/序言
乐高EV3机器人自造实战:开启你的创造之旅 在这个充满无限可能的时代,科技不再是遥不可及的象牙塔,而是触手可及的创造工具。乐高EV3机器人,便是开启这场创造之旅的钥匙,它集科学、技术、工程、艺术和数学(STEAM)于一体,让每一个年龄段的爱好者都能在玩乐中学习,在实践中成长。本书《乐高EV3机器人自造实战:从原理、组装、程序到控制全攻略》正是为每一个渴望亲手打造属于自己独特机器人的你量身打造的终极指南。 不仅仅是拼搭:深入理解EV3的核心奥秘 本书并非仅仅停留在机械拼搭的层面,我们更注重带你深入理解乐高EV3的核心运作原理。从EV3智能砖块的强大处理能力、传感器捕捉的丰富信息,到执行器执行的精确指令,我们将一层层剥开EV3的神秘面纱。 智能砖块的智慧: 我们将详细解析EV3智能砖块的硬件构成,包括处理器、内存、通信模块(蓝牙、Wi-Fi)以及供电系统。你将了解到它是如何作为机器人的“大脑”,接收传感器数据,运行程序,并最终控制机器人的行为。我们将深入浅出地介绍其内部的操作系统,以及如何通过不同的接口连接各种模块。 感官世界的奥秘: 机器人与世界的互动离不开传感器。本书将详尽介绍EV3提供的各类传感器,包括: 颜色传感器: 不仅能识别颜色,更能探测光线强度。我们将讲解其工作原理,以及如何利用它实现循迹、避障、识别颜色标记等功能。 超声波传感器: 测量距离,是实现避障、测量物体距离的利器。我们将揭示其声波探测原理,并展示如何通过它构建一个能够自主导航的机器人。 陀螺仪传感器: 测量角度和旋转速度,是实现平衡、转向、精准定位的关键。你将学习如何利用它实现复杂的运动控制。 触摸传感器: 简单的碰撞检测,却能实现复杂的交互。我们将演示如何用它来触发事件,实现人机互动。 红外线传感器: 配合红外线遥控器,实现远程控制。 通过对这些传感器的深入理解,你将能为你的机器人赋予“感知”世界的能力,让它能够对周围环境做出智能响应。 力量的传递:执行器的工作原理: 机器人之所以能够行动,离不开执行器。本书将详细介绍EV3中的各类马达: 大型马达: 提供强大的扭矩,适合驱动车轮、手臂等需要较大力量的部件。我们将讲解其内部齿轮传动结构,以及如何精确控制其转速和方向。 中型马达: 更加灵活,适合实现精细的动作,如抓取、升降等。 伺服马达(部分套装): 允许进行角度控制,实现更精准的定位。 你将学习到如何优化马达的安装角度、齿轮比,以达到最佳的运动效果,让你的机器人行动自如。 从蓝图到实体:精妙的组装技巧 本书不仅仅停留在理论层面,更将带领你一步步完成机器人的组装。我们提供多种经典的机器人模型,从基础的循迹小车,到更复杂的机械臂,再到能够参与各种挑战赛的机器人。 模块化设计理念: 乐高EV3的核心优势在于其模块化设计。我们将详细讲解各种连接件、齿轮、梁、轴等基本组件的特性和用途,以及它们如何巧妙地组合在一起,形成稳固而灵活的结构。 结构力学与稳定性: 机器人能否稳定运行,很大程度上取决于其结构。本书将为你提供关于如何加固连接、优化重心、设计传动系统等方面的实用建议,确保你的机器人能够承受各种环境下的挑战。 循序渐进的搭建流程: 针对不同的机器人模型,我们将提供清晰、图文并茂的搭建步骤。无论你是初学者还是有一定经验的玩家,都能轻松跟随。我们将强调在搭建过程中注意细节,理解每个连接和结构所起到的作用。 创意无限的变形与升级: 在掌握了基础模型的搭建后,本书将鼓励你发挥创意,对现有模型进行改造和升级。你将学习如何根据自己的需求,调整机器人结构,增加功能,例如: 改进车轮系统: 尝试不同的车轮组合,以应对不同的地形。 设计更灵活的机械臂: 增加更多的自由度,实现更复杂的抓取动作。 集成更多传感器: 让机器人拥有更全面的感知能力。 优化重心和稳定性: 提升机器人在高速运动或崎岖路面上的表现。 代码的魔法:程序设计与逻辑构建 硬件的强大需要软件的支撑。本书将带你走进EV3的编程世界,从零开始掌握机器人的程序设计。 图形化编程的魅力: 对于初学者,我们将重点介绍EV3配套的图形化编程软件。这种拖拽式的编程方式,将复杂的代码指令转化为直观的图标,让编程变得轻松有趣。你将学习到如何使用: 动作模块: 控制马达的启动、停止、转向、速度等。 流程控制模块: 实现顺序执行、循环、条件判断等逻辑。 传感器模块: 读取传感器数据,并根据数据做出响应。 数据操作模块: 存储、处理和显示数据。 通信模块: 实现与其他设备的通信。 通过这些模块的组合,你将能够为你的机器人编写出各式各样的行为程序。 进阶编程技巧: 随着你对编程的深入,本书还将介绍更高级的编程概念,帮助你编写出更智能、更复杂的程序。例如: 变量与函数: 提高代码的复用性和可读性。 状态机: 构建更复杂的机器人行为模式。 PID控制: 实现更精确的运动控制,例如精准的循迹和平衡。 多线程编程(如果软件支持): 实现同时执行多个任务。 项目驱动的学习: 我们将提供一系列具有挑战性的编程项目,让你在实践中掌握编程技巧。例如: 自动寻宝机器人: 利用传感器找到隐藏的“宝藏”。 迷宫探索者: 让机器人自主找到走出迷宫的路径。 遥控赛车: 通过蓝牙或Wi-Fi远程控制机器人。 智能分类机器人: 根据颜色或大小对物品进行分类。 调试与优化: 编写程序并非一蹴而就,调试和优化是必不可少的环节。本书将为你提供实用的调试技巧,帮助你快速定位和解决程序中的错误,并不断优化程序的效率和性能。 控制的艺术:人机交互与远程操控 本书将不仅仅满足于让机器人自主运行,更将引导你探索机器人与人类的互动,以及实现远程控制的乐趣。 用户界面的设计: 学习如何利用EV3软件的屏幕和按键,为你的机器人设计直观的用户界面,让使用者能够方便地进行设置和操作。 蓝牙与Wi-Fi通信: 掌握如何利用EV3的通信模块,实现与电脑、平板电脑、手机等设备的无线连接。你将学会编写程序,通过这些设备发送指令,接收传感器数据,实现真正的远程操控。 定制遥控器: 探索如何使用第三方应用或自行编写程序,为你的机器人创建一个专属的遥控器,实现更个性化的控制体验。 语音控制与图像识别(如果硬件支持或配合外部设备): 展望更高级的控制方式,例如尝试通过语音指令控制机器人,或者利用摄像头进行简单的图像识别,实现更智能的交互。 超越比赛:创新与应用 本书的最终目标是激发你的创新潜能,让你将所学知识应用于更广泛的领域。 解决实际问题: 思考如何利用EV3机器人来解决生活中的实际问题,例如设计一个自动浇花机器人,或者一个简单的分拣装置。 参与机器人挑战赛: 为你提供参加各类机器人比赛的思路和准备建议,让你有机会与其他爱好者交流学习,体验竞技的乐趣。 STEAM教育的实践: 如果你是一名教育工作者或家长,本书将为你提供丰富的教学资源和方法,帮助你在STEAM教育领域开展相关的教学活动。 未来的展望: 探讨机器人技术未来的发展趋势,以及EV3作为STEAM教育工具的重要意义,鼓励你保持学习的热情,不断探索。 《乐高EV3机器人自造实战:从原理、组装、程序到控制全攻略》是一本集知识性、实践性和趣味性于一体的综合性指南。它将带你穿越机械的严谨、代码的逻辑、以及控制的艺术,最终点燃你内心的创造火花。无论你是初入机器人世界的学生,还是渴望拓展技能的爱好者,亦或是寻求创新教育方式的教师,这本书都将是你不可或缺的伙伴。准备好,让我们一起,用乐高EV3,建造属于你的未来!