智能采摘機(jī)械臂

學(xué)習(xí)背景

在課外實(shí)踐活動(dòng)中，學(xué)生赴果園參與采摘果實(shí)，有學(xué)生看到蘋(píng)果樹(shù)上稍高的位置有幾個(gè)很好的蘋(píng)果，可是由于自己個(gè)子較矮，怎么跳也采不到。回到學(xué)校后，學(xué)生提出了這樣的問(wèn)題：在生活中，我們?cè)撛鯓幽萌〕鲎约菏直坶L(zhǎng)度范圍的東西呢？學(xué)生們帶著這樣的問(wèn)題在課上進(jìn)行了討論：我們是否可以借助機(jī)器來(lái)幫助我們采摘到自己手臂夠不到的果實(shí)呢？經(jīng)過(guò)討論，大家一致認(rèn)為，可以運(yùn)用樂(lè)高中積木的搭建和傳感器的編程來(lái)制作“智能采摘機(jī)械臂”。

學(xué)習(xí)目標(biāo)

知識(shí)與技能

1. 說(shuō)明觸動(dòng)傳感器與電機(jī)結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)智能采摘的原理。

2.使用觸動(dòng)傳感器控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。

過(guò)程與方法

1.通過(guò)小組合作的方式完成觸動(dòng)傳感器的搭建。

2.能通過(guò)微視頻的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)采摘水果的自動(dòng)夾緊。

情感態(tài)度與價(jià)值觀

1.體驗(yàn)探究、創(chuàng)新的樂(lè)趣，養(yǎng)成參與意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作精神，勇于分享并表達(dá)自己的想法和觀點(diǎn)。

2.培養(yǎng)自覺(jué)整理機(jī)器人活動(dòng)器材的良好習(xí)慣。

教學(xué)重難點(diǎn)

重點(diǎn)：傳感器和電機(jī)的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的搭建。

難點(diǎn)：學(xué)會(huì)正確設(shè)置觸動(dòng)傳感器控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。

教學(xué)過(guò)程

創(chuàng)設(shè)情境 教師引導(dǎo)學(xué)生分析：當(dāng)我們要采摘超出我們手臂范圍的果實(shí)時(shí)，我們?cè)撛趺崔k？學(xué)生：需要延長(zhǎng)手臂的長(zhǎng)度。

需求分析 組織學(xué)生討論自動(dòng)采摘果實(shí)的關(guān)鍵要素，理解觸動(dòng)傳感器的原理以及在本作品中的應(yīng)用，并分析自動(dòng)采摘果實(shí)的大致步驟。

構(gòu)思設(shè)計(jì) 組織學(xué)生以小組為單位設(shè)計(jì)自動(dòng)采摘果實(shí)機(jī)械臂的草圖，并使用樂(lè)高積木、觸動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)線等，完成相關(guān)組件的搭建。

探究新知 組織學(xué)生以小組為單位將控制器和電腦相連，利用EV3軟件觀察分析如何設(shè)置觸動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采摘果實(shí)的功能。

編程調(diào)試 在前期討論和觀察分析的基礎(chǔ)上，組織學(xué)生以小組為單位經(jīng)歷觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析原因、嘗試解決等過(guò)程，逐步完善編程，讓學(xué)生設(shè)計(jì)完成符合真實(shí)環(huán)境的自動(dòng)采摘機(jī)械臂。

展示評(píng)價(jià) 組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行作品展示，并向全班同學(xué)介紹本小組作品特色、設(shè)計(jì)思路、遇到的問(wèn)題以及解決的方法，由教師和其他小組一起對(duì)作品進(jìn)行評(píng)價(jià)。

拓展創(chuàng)新 提出拓展要求，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)作品進(jìn)行進(jìn)一步完善和創(chuàng)新。

案例詳解

一、聯(lián)系導(dǎo)入

課外實(shí)踐活動(dòng)中我們?nèi)チ怂麍@采摘蘋(píng)果，有學(xué)生看到蘋(píng)果樹(shù)上稍高的位置有幾個(gè)很好的蘋(píng)果，可是由于自己個(gè)子較矮，怎么跳也采不到蘋(píng)果，你們有沒(méi)有什么好辦法幫幫他呢？

本節(jié)課中我們將學(xué)習(xí)制作智能采摘機(jī)械臂，讓機(jī)械臂自動(dòng)采摘果實(shí)。

問(wèn)題1：如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采摘過(guò)程？

討論結(jié)果：可以利用傳感器實(shí)現(xiàn)（如觸動(dòng)傳感器、超聲波傳感器和顏色傳感器）。經(jīng)過(guò)小組分享結(jié)果和討論后，認(rèn)為觸動(dòng)傳感器最合適。

問(wèn)題2：機(jī)械臂觸動(dòng)到果實(shí)時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)功率設(shè)置為多少合適？

討論結(jié)果：在操作過(guò)程中進(jìn)行測(cè)試記錄，找出最合適的功率，既能抓住果實(shí)，又不會(huì)抓得太緊。

問(wèn)題3：如何實(shí)現(xiàn)從采果實(shí)到放果實(shí)的自動(dòng)采摘全過(guò)程？

討論結(jié)果：采摘和放入籃子的過(guò)程中間可以停頓幾秒，可以用命令等待來(lái)執(zhí)行，并且需要無(wú)限循環(huán)，才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采摘的全過(guò)程。

有了以上的討論過(guò)程，學(xué)生們基本明確了本次任務(wù)的所有情況，并且每組學(xué)生對(duì)如何構(gòu)建也有了自己的想法。

二、構(gòu)建編程

1.認(rèn)識(shí)觸動(dòng)傳感器

觸動(dòng)傳感器是一種模擬傳感器（如圖1），可以通過(guò)檢測(cè)傳感器紅色按鈕對(duì)以下三種狀況作出反應(yīng)：按壓、松開(kāi)、碰撞。

2.搭建裝有觸動(dòng)傳感器的機(jī)械臂

各小組根據(jù)之前的設(shè)想獨(dú)立完成采果器的組裝。（如圖2）

通過(guò)小組展示與交流，可以發(fā)現(xiàn)以下結(jié)構(gòu)的采摘機(jī)械臂是比較合適的。（如圖3、圖4、圖5）

3.認(rèn)識(shí)觸動(dòng)傳感器模塊

觸動(dòng)傳感器模塊從觸動(dòng)傳感器獲取數(shù)據(jù)，可以測(cè)試按壓、松開(kāi)還是碰撞了觸動(dòng)傳感器，并獲取邏輯（“真”或者“偽”）輸出。創(chuàng)建一個(gè)“等待（觸動(dòng)傳感器）”模塊。（如圖6）

4.認(rèn)識(shí)循環(huán)模塊

循環(huán)模塊是可以容納編程模塊序列的容器。它會(huì)使所含的模塊序列重復(fù)執(zhí)行，可以選擇不斷重復(fù)執(zhí)行模塊、重復(fù)特定次數(shù)或是直至傳感器測(cè)試或其他條件為“真”。

只有循環(huán)內(nèi)的模塊會(huì)重復(fù)執(zhí)行。在循環(huán)結(jié)束后，程序會(huì)繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)之后的模塊。（如圖7）

5.編輯自動(dòng)采摘果實(shí)的程序

通過(guò)各小組實(shí)踐操作，確定程序如圖8。

環(huán)節(jié)分析：各小組呈現(xiàn)的程序基本相同，最大的差異是電機(jī)的功率問(wèn)題，分析原因后發(fā)現(xiàn)各組的初始角度有所不同，導(dǎo)致結(jié)果不同。教師可以建議學(xué)生在采果器的夾角為90度時(shí)測(cè)試程序，結(jié)果會(huì)更加精確。

三、展示評(píng)價(jià)

組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行作品展示，并向全班同學(xué)介紹小組作品特色、設(shè)計(jì)思路、問(wèn)題及解決方法，由教師和其他小組一起對(duì)作品進(jìn)行評(píng)價(jià)。

四、拓展創(chuàng)新

測(cè)試比較一下觸動(dòng)傳感器的三個(gè)狀態(tài)——松開(kāi)、按壓、碰撞有什么區(qū)別。

在自動(dòng)采摘程序的基礎(chǔ)上，添加采果實(shí)時(shí)機(jī)械臂和果實(shí)碰撞時(shí)的聲音程序，使采摘更生動(dòng)有趣。