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第354期 总第5652期 2018年09月21日 星期五
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智能采摘机械臂
来源:本站原创 作者:主讲人:方洪森 发布日期:2018-09-21 14:32:06

方洪森 上海市普陀区桃浦中心小学信息科技教师,曾被评为宝山区2013年度教育信息化工作先进个人,普陀区教师专业能力评优活动信息科技学科一等奖,并多次带领学生参加市、区级机器人比赛。曾带领学生团队获2016年美国创意建模StoryGames中美交流赛小学组冠军,2016年上海市第八届“海博杯”模型设计制作竞赛活动机电模型小学组一等奖,2017年上海市科技体育嘉年华机电模型竞赛活动小学组一等奖。

 

学习背景
 

在课外实践活动中,学生赴果园参与采摘果实,有学生看到苹果树上稍高的位置有几个很好的苹果,可是由于自己个子较矮,怎么跳也采不到。回到学校后,学生提出了这样的问题:在生活中,我们该怎样拿取超出自己手臂长度范围的东西呢?学生们带着这样的问题在课上进行了讨论:我们是否可以借助机器来帮助我们采摘到自己手臂够不到的果实呢?经过讨论,大家一致认为,可以运用乐高中积木的搭建和传感器的编程来制作“智能采摘机械臂”。
 

学习目标
 

知识与技能


1.说明触动传感器与电机结合从而实现智能采摘的原理。


2.使用触动传感器控制电机旋转角度。
 

过程与方法
 

1.通过小组合作的方式完成触动传感器的搭建。


2.能通过微视频的学习,实现采摘水果的自动夹紧。


情感态度与价值观
 

1.体验探究、创新的乐趣,养成参与意识和团队合作精神,勇于分享并表达自己的想法和观点。


2.培养自觉整理机器人活动器材的良好习惯。
 

教学重难点
 

重点:传感器和电机的有效结合,实现机械臂的搭建。
 

难点:学会正确设置触动传感器控制电机旋转的角度。
 

教学过程
 

创设情境 教师引导学生分析:当我们要采摘超出我们手臂范围的果实时,我们该怎么办?学生:需要延长手臂的长度。


需求分析 组织学生讨论自动采摘果实的关键要素,理解触动传感器的原理以及在本作品中的应用,并分析自动采摘果实的大致步骤。
 

构思设计 组织学生以小组为单位设计自动采摘果实机械臂的草图,并使用乐高积木、触动传感器、数据线等,完成相关组件的搭建。


探究新知 组织学生以小组为单位将控制器和电脑相连,利用EV3软件观察分析如何设置触动传感器实现自动采摘果实的功能。
 

编程调试 在前期讨论和观察分析的基础上,组织学生以小组为单位经历观察现象、发现问题、分析原因、尝试解决等过程,逐步完善编程,让学生设计完成符合真实环境的自动采摘机械臂。
 

展示评价 组织学生以小组为单位进行作品展示,并向全班同学介绍本小组作品特色、设计思路、遇到的问题以及解决的方法,由教师和其他小组一起对作品进行评价。
 

拓展创新 提出拓展要求,引导学生对作品进行进一步完善和创新。
 

案例详解
 

一、联系导入


课外实践活动中我们去了水果园采摘苹果,有学生看到苹果树上稍高的位置有几个很好的苹果,可是由于自己个子较矮,怎么跳也采不到苹果,你们有没有什么好办法帮帮他呢?
 

本节课中我们将学习制作智能采摘机械臂,让机械臂自动采摘果实。
 

问题1:如何实现自动采摘过程?
 

讨论结果:可以利用传感器实现(如触动传感器、超声波传感器和颜色传感器)。经过小组分享结果和讨论后,认为触动传感器最合适。
 

问题2:机械臂触动到果实时,电机的旋转功率设置为多少合适?
 

讨论结果:在操作过程中进行测试记录,找出最合适的功率,既能抓住果实,又不会抓得太紧。
 

问题3:如何实现从采果实到放果实的自动采摘全过程?
 

讨论结果:采摘和放入篮子的过程中间可以停顿几秒,可以用命令等待来执行,并且需要无限循环,才能实现自动采摘的全过程。
 

有了以上的讨论过程,学生们基本明确了本次任务的所有情况,并且每组学生对如何构建也有了自己的想法。
 

二、构建编程


1.认识触动传感器
 

触动传感器是一种模拟传感器(如图1),可以通过检测传感器红色按钮对以下三种状况作出反应:按压、松开、碰撞。
 

2.搭建装有触动传感器的机械臂
 

各小组根据之前的设想独立完成采果器的组装。(如图2)

 

通过小组展示与交流,可以发现以下结构的采摘机械臂是比较合适的。(如图3、图4、图5)


 

3.认识触动传感器模块
 

触动传感器模块从触动传感器获取数据,可以测试按压、松开还是碰撞了触动传感器,并获取逻辑(“真”或者“伪”)输出。创建一个“等待(触动传感器)”模块。(如图6)

 

4.认识循环模块


循环模块是可以容纳编程模块序列的容器。它会使所含的模块序列重复执行,可以选择不断重复执行模块、重复特定次数或是直至传感器测试或其他条件为“真”。
 

只有循环内的模块会重复执行。在循环结束后,程序会继续执行循环之后的模块。(如图7)

 

5.编辑自动采摘果实的程序
 

通过各小组实践操作,确定程序如图8。


环节分析:各小组呈现的程序基本相同,最大的差异是电机的功率问题,分析原因后发现各组的初始角度有所不同,导致结果不同。教师可以建议学生在采果器的夹角为90度时测试程序,结果会更加精确。
 

三、展示评价
 

组织学生以小组为单位进行作品展示,并向全班同学介绍小组作品特色、设计思路、问题及解决方法,由教师和其他小组一起对作品进行评价。
 

四、拓展创新
 

测试比较一下触动传感器的三个状态——松开、按压、碰撞有什么区别。
 

在自动采摘程序的基础上,添加采果实时机械臂和果实碰撞时的声音程序,使采摘更生动有趣。

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