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1、ISBN 978-7-5499-8706-19 787549 987061定价：7.53元亲临其境、亲自动手、亲身体验是本栏目的宗旨。这里的一系列精彩项目将使我们经历激动人心的操作实践，使我们感受到技术实践的特有乐趣，感悟到技术世界的丰富多彩。工程设计基础 FoundationforEngineeringDesign通用技术选择性必修070Foundation for Engineering Design任务一 认识工程设计方案的评价和决策在工程设计过程中，方案选择是经常遇到的问题，如总体方案选择、结构方案选取、实施方案确定等。方案选择的合适与否常常会对设计结果有很大影响，因此工程设计方案的评
2、价与决策在设计中起到很重要的作用。工程设计方案的评价评价是评价者根据一些表征评价对象各方面特性的指标或评价对象中相互联系的多个指标所构成的具有内在机构的指标体系去分析、比较备选方案的过程。通过对各种因素全面、综合的评价或分析，才能确定每种方案评分或排名，即确定方案的优劣。图书馆改造工程方案评价滨江高级中学收到三家竞标公司提供的学校图书馆改造工程设计方案：方案A 对图书馆进行简单装修，门厅为开放式，阅览区与借阅区、藏书区不分割；着滨江高级中学成立了图书馆改造工程方案评审专家组对竞标公司提供的工程设计方案进行评选。在方案讨论过程中，有的专家认为A方案虽然装修简单，但是为师生提供了借阅的新技术。有的
3、专家认为B方案比较合理，新增的新风系统不仅使得图书馆环境宜人，还有利于书籍的保存，不仅如此，工程造价也较为合理。有的专家认为C方案比较好，图书馆外墙设计和校园环境很协调，还配备了微型图书馆，方便师生在教学楼借还书，增加了书本的流动性专家们的意见不一，最终究竟该如何决策呢？一、工程设计中的评价 与决策每节有 24 个相互联系的任务。我们将在完成一个个任务的过程中，建构积极价值观、必备品格和关键能力，形成核心素养。基于学生生活经验和技术学科基本特点的情境，带领我们走进真实的技术世界，发现复杂而真实的技术问题，进入富有意义建构的学习过程。工程设计基础 FoundationforEngineering
4、Design通用技术选择性必修070Foundation for Engineering Design任务一 认识工程设计方案的评价和决策在工程设计过程中，方案选择是经常遇到的问题，如总体方案选择、结构方案选取、实施方案确定等。方案选择的合适与否常常会对设计结果有很大影响，因此工程设计方案的评价与决策在设计中起到很重要的作用。工程设计方案的评价评价是评价者根据一些表征评价对象各方面特性的指标或评价对象中相互联系的多个指标所构成的具有内在机构的指标体系去分析、比较备选方案的过程。通过对各种因素全面、综合的评价或分析，才能确定每种方案评分或排名，即确定方案的优劣。图书馆改造工程方案评价滨江高级中学
5、收到三家竞标公司提供的学校图书馆改造工程设计方案：方案A 对图书馆进行简单装修，门厅为开放式，阅览区与借阅区、藏书区不分割；着滨江高级中学成立了图书馆改造工程方案评审专家组对竞标公司提供的工程设计方案进行评选。在方案讨论过程中，有的专家认为A方案虽然装修简单，但是为师生提供了借阅的新技术。有的专家认为B方案比较合理，新增的新风系统不仅使得图书馆环境宜人，还有利于书籍的保存，不仅如此，工程造价也较为合理。有的专家认为C方案比较好，图书馆外墙设计和校园环境很协调，还配备了微型图书馆，方便师生在教学楼借还书，增加了书本的流动性专家们的意见不一，最终究竟该如何决策呢？一、工程设计中的评价 与决策学习目
6、标会使我们明确学习的方向，为进入学习过程做好心理准备。随着科学技术突飞猛进的发展，技术日益成为我们生活中几乎无时不在、无处不在、无所不在的客观存在，成为引起社会变化、塑造社会变化和应对社会变化的重要因素，也成为实现中华民族伟大复兴的重要支柱。因此，技术素养是当代青少年的基本素养。通用技术课程是普通高中学生人人必须修学的课程。通用技术是指当代技术体系中较为基础、在日常生活中应用较为广泛、育人价值较为丰富并与专业技术相区别的技术，是学生适应社会生活、高等教育和职业发展所必需的技术。普通高中通用技术课程，以提高学生的学科核心素养为主旨，以设计学习、操作学习为主要特征，是一门立足实践、注重创造、体现科
7、技与人文相统一的课程。它的学习过程是同学们主动建构知识、不断拓展关键能力、铸造积极价值观和关键品格的过程，是一个富有生机、充满探究、方式多元的活动过程。相信通用技术的学习一定会成为同学们高中时光中夯实基础、练就素养、挑战自我、享受创造与发展乐趣的美好生活的一部分。了解本书章节和任务的构成，能使我们总揽全貌，形成关于课程学习的宏观架构。节章选用学习目标对学习过程和学习结果作一回顾总结和反思，有助于学习目标的真正实现，有助于核心素养的有效形成。将本章所学内容与本学科其他内容、与其他学科知识、与自己已有知识和经验综合起来，可以提高综合能力，领略学习的最高境界。对学习过程和学习结果作一回顾总结和反思，
8、有助于学习目标的真正实现，有助于核心素养的有效形成。生动活泼、形式多样的作业，使我们所学的内容得以巩固，同时也打通了与课外活动结合的通道。在学完一章后，以思维导图形式，对学习内容进行概括和归纳，有助于我们学会学习和自我建构。穿插在课文之中、形式多种多样的活动使我们所学的知识与技能得到及时的巩固、应用和内化，也是我们学会技术学习的有力工具。技 术 试 验 是在技术活动中为了某种目的所进行的尝试、检验、优化等探索性的实践活动，使我们的实践才能和创新能力得到展示。本栏目富有典型意义的范例、素材、话题是学习中对话的平台，使我们享受到由丰富的技术感性走向深刻的技术理性的快乐。这些是我们技术学习中拓宽视野
9、、深化认识、铸造精神、品味技术信息的“美味佳肴”，不要错过哟。基于关键的技术问题，立体化地加以呈现，这是我们思维互联、智慧众筹、头脑风暴的广阔天地。选用选用第一章 走进机器人的世界一 初探机器人的世界任务一 感知机器人与人的关系/002任务二 探析机器人的应用/006任务三 畅想机器人的未来/008二 探析机器人组成与工作过程任务一 感知机器人的基本组成/011任务二 探析简易机器人/013第二章 让机器人动起来一 探析机械传动（一）任务一 认识齿轮传动/018任务二 研究齿轮传动的速度变化/020任务三 探究特殊齿轮传动/022二 探析机械传动（二）任务一 探究带传动与链传动/025任务二
10、探究平面连杆传动/027任务三 设计与制作机械手/031三 探究电子控制系统任务一 探究电子控制系统/036任务二 认识控制大脑单片机/039任务三 设计调试电子控制系统，让机械手动起来/042第三章 让机器人聪明起来一 初探生活中的传感器任务一 认识生活中的传感器/048任务二 领略传感器的本领/050二 探索常见传感器分辨环境的奥秘任务一 探究触碰传感器的原理/052任务二 探究光电传感器的原理/054任务三 探究其他常见传感器的原理/055三 设计与制作自动识别环境机器人任务一 设计程序流程/059任务二 设计循线走机器人/060第四章 设计制作服务机器人一 设计制作分拣搬运机器人任务一
11、 明确设计要求并分析设计任务/066任务二 设计分拣搬运机器人软硬件方案/067任务三 调试分拣搬运机器人整机运行状态/073二 设计制作倒水机器人任务一 明确设计要求并分析设计任务/075任务二 设计倒水机器人机械结构和软硬件方案/078任务三 调试倒水机器人整机运行状态/084主编顾建军 张志胜编写人员（按姓氏音序排列）戴 敏 顾建军 雍春林 张志胜第一章走进机器人的世界一 初探机器人的世界二 探析机器人组成与工作过程早在古代，埃及人就制造出用水驱动的关节活动手指，古希腊人则制成了能够表演的自动木偶，而我国三国时期的诸葛亮也设计出了令人赞叹的“木牛流马”。这些创造反映了人们渴望用一些装置来
12、模拟人的某些功能，从而代替人从事繁重活动的愿望。现代社会，科学技术飞速发展，科技人员用他们的聪明才智和不懈努力，制造出了充分体现人类智慧的产品机器人。机器人的出现与飞速发展不仅解放了人，保护了人，还延伸了人的活动空间。让我们走进机器人世界，领略这一高科技成果的风采。通用技术机器人设计与制作002选择性必修 2从人工采摘到机器采摘再到机器人采摘秋收时节，柑橘挂满枝头，给人们带来无尽的丰收喜悦。每逢这个时候，果农都要忙着采摘、包装、搬运，将柑橘运往各地市场。最初的采摘工作都是由人工完成的。果农们借助梯子等工具将树干高处的柑橘摘下。这样的工作耗费体力多，工作效率也很低。后来，人们发明了一种采摘柑橘的
13、机器，它能够在人的操作下利用管道快速地将柑橘采摘下来。这种机器的使用解决了人工采摘的诸多不便，降低了人的体力消耗，但它不能即时分辨所采摘的果实，往往品质不一的柑橘都混在一起。现在，人们设想并制作了一种采摘柑橘的机器人，它不仅能自动调节位置，迅速地采摘不同高度的柑橘，在认识自然并与自然和谐相处的历程中，人们一直渴望创造出可以模仿人的各种功能的机器来帮助或代替人工作。在不断地尝试与努力下，人类终于在20世纪中叶开始不断接近这一愿望。目前，一个丰富多彩、充满神奇的机器人世界正逐步形成。学习目标1 探索机器人的产生原因和过程、发展历史与应用现状。2 结合机器人应用实例，辨析机器人与人类的关系。3 分析
14、机器人对个人生活，对经济、社会和伦理道德方面的影响。一、初探机器人的世界 任务一 感知机器人与人的关系 任务二 探析机器人的应用 任务三 畅想机器人的未来罗博的爷爷奶奶年纪大了，腿脚有些不便，每到周末或节假日，罗博都会去爷爷奶奶家帮着做家务，帮他们端茶倒水。罗博想到平时自己不在家的时候，能不能用机器人来为爷爷奶奶服务呢？机器人又能给人带来哪些便利呢？任务一 感知机器人与人的关系图1-1 人工采摘图1-2 机器采摘第一章 走进机器人的世界003而且能辨认水果的成熟度，从而有选择地采摘。此外，它还能在采摘的过程中感知出柑橘的大小和质量，从而对柑橘进行初步的分级、包装。讨论：人工采摘柑橘、机器采摘柑
15、橘与机器人采摘柑橘这三种方式的工作效果有什么不同？该案例对你有什么启示？机器人在人的需求和相应技术的支持下产生并得以发展。机器人具有一些类似于人的某些器官的功能，能代替人完成一定的工作；它不同于一般的自动化机器，能更灵活、更自主地适应环境，完成复杂、多样化的工作。机器人最初用于代替人从事单一的、繁重的体力劳动。随着人类需求的不断提高，机器人技术不断发展，它的功能更全面、性能更高，能从事更多、更复杂的工作。机器人不仅解放了人，保护了人，还延伸了人们的活动空间，提高了人们的工作及生活能力，并为人们提供了挑战自我、发展自我的机会。机器人解放了人机器人的出现进一步解放了人。在生产、生活中，有很多单调、
16、重复、劳动强度大的工作。机器人能代替人完成这些工作，将人从体力劳动中解放出来，并且能提高劳动效率和产品质量。机器人保护了人机器人的出现更好地保护了人。机器人能在有毒（污染）、易燃易爆、灾害等危险与恶劣的环境中代替人或辅助人完成作业、任务，极大地改善了人的劳动条件，降低了伤亡事故发生的概率。例如，在充满太阳辐射、温差大、超真空的宇宙空间，机器人能代替宇航员完成舱外的工作；在核电站，机器人能代替人进入核辐图1-3 机器人采摘移栽机器人花卉种子播种到插盘以后，长出籽苗，待到籽苗生长到一定时期后，往往需要移栽到盆中。移栽过程虽然很简单，但是需要大量的劳动力，而且很费时间。人工移栽的平均速度是80010
17、00棵/小时，且连续工作会使人疲劳，很难长时间保持高效率。移栽机器人可以代替人进行移栽，移栽速度可达6000棵/小时。讨论：你还知道哪些有关机器人解放人的体力劳动，并且提高劳动效率和工作质量的事例？通用技术机器人设计与制作004选择性必修 2射区域完成维修和检测工作；在军事对抗、高压线路检修、水下作业、消防灭火等危险环境中，机器人也发挥了极大的作用。星球探测机器人人们对于其他星球是否适合居住、是否具有可利用的资源、是否存在生命等问题充满了想象。要真正了解其他星球的情况，必须登上这些星球进行探测。宇宙空间环境充满辐射，会对人体造成伤害，而且有的星球离地球十分遥远，为此，需要设计和制造对这些星球进
18、行各种探测的机器人，去揭开这些星球的秘密。2013年12月15日4时35分，我国首辆月球车“玉兔号”顺利抵达月球表面，随后进行了旋转拍照，并传回照片。“玉兔号”月球车设计质量140kg，能源为太阳能，能够耐受月球表面真空、强辐射、-180150极限温度等极端环境。月球车配备了全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达、粒子激发X射线谱仪等科学探测仪器，具备20爬坡、20cm越障能力。“玉兔号”月球车是中国第一辆成功抵达月球表面的月球车，具有深远的意义。地雷探测机器人地雷探测作业是一项非常危险的工作。日本的科研人员研制出一种蜘蛛形状的机器人，可以用于地雷探测。它可远程操纵，用六条坚固的金属腿行走，用装有
19、探测仪的两个操纵器进行搜索，一旦发现地雷，就在该处画上记号，便于排雷时识别。这种地雷探测机器人一天的探测面积能达450m2。讨论：你还知道哪些利用机器人保护人的事例？图1-4“玉兔号”月球车图1-5 地雷探测机器人机器人延伸了人的活动空间机器人还延伸了人工作和活动的空间。有了机器人，人的工作空间可以上到浩瀚太空，下至数千米深的海底；可以从人能到达的空间，延伸到人无法到达的空间，如狭小的管道、人的血管内部等。有了机器人，人们能够完成高精度、高难度、超清洁度的作业。此外，机器人还能为一些残疾或失去自理能力的人提供帮助。第一章 走进机器人的世界005手术机器人脑部神经手术对手术精确度的要求非常高，有
20、的手术人工根本无法进行。用机器人进行这样的手术时，可以精确控制手术操作的位置和方向，通过末端执行器对病灶点进行放射或切除等操作。这不仅提高了手术的精确度，而且手术效果好，病人康复快。图1-6 手术机器人水下机器人海底世界有着丰富的矿产资源和形形色色的海洋生物，但是几千米深的海底世界也充满了危险，人们根本无法到达。“蛟龙号”载人深潜器是我国首台自主设计、自主集成研制的作业型深海载人潜水器。2012年6月，“蛟龙号”在马里亚纳海沟下潜7062m，创造了世界同类作业型潜水器最大下潜深度纪录。讨论：还有哪些领域可能会出现机器人的身影？图1-7“蛟龙号”载人深潜器机器人技术涉及机械、电子、信息、控制、仿
21、生学等众多领域，为人类提供了很大的研究空间和发展机遇，同时也对人类的发展能力提出了挑战。机器人能代替人完成一些工作，它解放了人，保护了人，延伸了人的工作和活动空间。那么，人类的所有工作都能由机器人完成吗？通用技术机器人设计与制作006选择性必修 2近几十年中，机器人的发展异常迅速，它不仅在工农业生产中发挥着重要作用，而且广泛应用于军事、医疗和生活等多个领域。机器人的世界就像人类的世界一样，它们都有着自己独特的职业和具体的工作，服务于人类世界的各个领域。服务于工业的机器人工业机器人被广泛应用于各种自动化生产线，代替或辅助人们完成焊接、搬运、装配、喷漆、零件加工和包装等工作。机器人在工业方面的应用
22、大大加快了工业的自动化进程。任务二 探析机器人的应用图1-8 工业机器人采用机器人的生产线1958年，意大利菲亚特公司耗费巨资对原来的生产线进行改造，经过几年的努力，逐步建立了采用机器人的汽车生产线。采用机器人后发生了一系列变化：每隔20s就能生产出一台新的发动机；装配线的工人从1000人降至250人；汽车的产量、质量、销量迅速上升；生产的发动机型号更多。讨论：在工厂里有大量的生产流水线，人与机器人在流水线上工作，在工作效率等许多方面存在很大的差别。请结合上面的案例，填写下表。图1-9 采用机器人的汽车生产线人在流水线上工作的缺陷机器人用于流水线上的好处机器人用于流水线上的不足易受伤，医疗费昂
23、贵会疲劳，易出错能不知疲倦、不厌其烦地工作，不会产生心理问题不适合在阴暗、寒冷或炎热、空气不流通、噪音较大的地方工作操作工达到熟练程度需要较长时间不易长时间保持准确的工作正常工作状态下，能始终如一地保持精确度第一章 走进机器人的世界007服务于军事的机器人随着现代军事武器越来越先进，军事活动的危险性也越来越高，而军用机器人的出现则大大减少了军事活动中的人员伤亡。机器人世界的“军人”可以完成地面侦察、排雷和攻击等工作，还可以完成水下探雷、扫雷，空中雷达探查、导弹攻击等任务。军用机器人在军事方面的应用推动了其他军事技术的变革和发展，对现代战争产生了极大的影响。图1-11 战斗机器人服务于农业的机器
24、人机器人在农林业生产中也有着广泛的应用。它能完成耕耘、施肥、除草、喷药、收割、采摘蔬菜水果、修剪林木和分拣果实等工作，大大降低了人力成本，提高了作业效率，使农业乘上了通往现代化的快车。图1-10 农业机器人你见过哪些农业机器人？在你身边还有哪些农业方面的工作可以由机器人完成？战争中，将机器人应用于攻击性武器，可以增大武器的杀伤力。那么，到底该不该在军事战争中使用机器人？服务于科学的机器人探索机器人是机器人世界的“侦察兵”。它们负责探索世界的未知领域，执行特种任务。它们可以潜入海底探测物质成分，执行海上打捞、水下侦查等任务，还可以飞入太空探索宇宙空间、维修航天器和卫星、建立空间站。探索机器人不断
25、拓展机器人应用领域，加快了科学探索的进程。通用技术机器人设计与制作008选择性必修 2服务于生活的机器人随着人们的需求不断发展，机器人应用领域在不断拓宽，服务行业成为机器人应用的又一重大领域。机器人开始走进人们的生活，走进家庭。对于助老助残、清洁打扫、来宾接待和文件打印等工作，服务机器人都可以大显身手。服务于医疗的机器人近年来，机器人在医疗领域的应用发展很快。机器人用于医疗，可以完成一些高精度、高难度的外科手术，如脑神经外科手术、器官移植手术、内窥镜外科手术等，还可以用于无损伤诊断和精确定位、康复与护理等。医疗机器人给医学带来了一系列的革新，运用机器人进行手术、康复等工作将成为医疗领域的发展方
26、向之一。图 1-12 康复机器人手术机器人可以完全取代医生吗？图1-13 机器人陪伴老人图1-14 机器人打扫卫生机器人可以照看小孩吗？它有可能成为一个称职的保姆吗？随着人们需求的不断发展和科学技术的不断进步，机器人技术的发展势头越来越迅猛。机器人的种类将更加丰富，功能将更加全面，性能将更加稳定，智能化水平将不断提高，应用领域将不断拓展，对人类、社会的影响也会越来越大。任务三 畅想机器人的未来第一章 走进机器人的世界009“太空农民”宇航员每次进入太空只能携带有限的食物，要靠货运飞船往返输送食物和水。科学家们正在考虑如何让宇航员的食物能自给自足，计划将来在太空飞船或月球、火星基地上种植一些庄稼
27、和蔬菜。但宇航员在太空中任务繁忙，没有时间照看这些作物，这就需要一种特殊的设备代为操劳。现在，人们已经研制出很多农业机器人。将这些机器人带上太空，帮助宇航员管理农作物，这已成为人们正在努力的又一目标。讨论：未来的机器人还可以有哪些独特的功能？可以应用于哪些独特的领域？未来的机器人能不能自己制造机器人？作为人创造的产物、人的模仿者，无论未来机器人的“智慧”发展到何等程度，它们的“能力”如何强于人类，活跃的领域如何广阔，归根结底，它们是人类制造的机器。机器人始终只会是人类的帮手，是人类的工具。随着机器人技术的迅速发展，人们开始担心机器人与人之间的关系是否将带来争端与危险。阿西莫夫机器人三定律艾萨克
28、阿西莫夫，是当代美国最著名的科幻大师、世界顶尖级科幻小说作家，他于1941年第一次明确提出了著名的“阿西莫夫机器人三定律”。第一定律：机器人不得伤害人类个体，或者目睹人类个体将遭受危险而袖手不管。第二定律：机器人必须服从人给予它的命令，当该命令与第一定律冲突时例外。第三定律：机器人在不违反第一、第二定律的情况下要尽可能保护自己的生存。后来又出现了补充的“机器人第零定律”：机器人必须保护人类的整体利益不受伤害，其他三条定律都是在这一前提下才能成立。讨论：1.为什么要提出“机器人三定律”？2.为什么后来要补充“机器人第零定律”？随着科学技术的发展，未来的家庭中可能会出现怎样的机器人为人们提供服务？
29、它们分别怎样工作？通用技术机器人设计与制作010选择性必修 21.现在市场上出现了很多“机器猫”“机器狗”，收集有关资料，分析它们是不是机器人，为什么？2.机器人形态万千，有蛇形的救援机器人，有蜘蛛形的排雷机器人，也有仿人形的服务机器人。收集资料，调查各种机器人，分析它们的外形是根据什么设计的。3.全班组织一次讨论活动，讨论机器人对社会的发展和进步有什么作用。4.收集相关资料，分析家用机器人未来的发展将给我们的生活带来怎样的影响。第一章 走进机器人的世界011学习目标1 探究机器人的基本组成。2 对比人类的活动，分析机器人的工作过程。3 认识简易机器人各组成部分。二、探析机器人组成 与工作过程
30、任务一感知机器人的基本组成任务二探析简易机器人周末，罗博一家人来到餐馆吃饭，伴随着一声清脆的“欢迎光临”，罗博被大厅里可爱的机器人吸引住了。原来，餐馆已经引进了智能上菜机器人，可以替代服务员将菜肴送到客人餐桌前。罗博对此很感兴趣，特别想一探究竟，这个聪明的机器人到底是怎么工作的呢？能否通过对它们的研究，自己制作一个机器人来给爷爷奶奶端茶倒水呢？任务一 感知机器人的基本组成餐馆里的“上菜机器人”随着机器人技术的发展，能够自动上菜的机器人已经开始在各大餐馆流行起来，它们手持托盘，有秩序地将各种菜肴快速、准确、平稳地送到每一桌。上菜机器人不仅在外形上和人类极为相似，而且还十分聪明，能够与顾客进行对话
31、等互动。上菜机器人接收到传菜指令后，会沿着地面上的黑色胶带前进，遇到障碍物时能够主动停下，并用语音提醒避让。当顾客取完菜肴后，只需轻轻摸一下机器人，它就会自动返回候菜区。机器人的头部、身上安装了各种各样的传感器，这些传感器用于检测机器人与周围环境之间的一些状态变量，如距离、接近程度和接触情况等，用于引导机器人，为机器人的行走和避障提供保障。这是机器人的感知系统。机器人的身体里有一个控制器，它根据机器人的作业指令程序及从传感器反馈回来的信号控制机器人的执行机构，使其完成规定的运动和功能。这是机器人的控制系统。图1-15 上菜机器人在候餐区等待通用技术机器人设计与制作012选择性必修 2机器人身体
32、内置的电池提供能量，驱动电机转动。这是它的驱动系统。机器人的肢体可以托举升降，头会转动，嘴巴能够语音对话。这是它的执行系统。人们在计算机上根据机器人需要完成的任务编好程序，存储到机器人的控制系统中；控制系统执行程序，输出控制信号，通过控制电机驱动执行系统运动，实现机器人的移动和各关节的活动，从而完成了上菜动作。讨论：上菜机器人和普通服务员相比，各有哪些优点和缺点？适用于什么样的餐馆？机器人各式各样，形态迥异，但它们都像上菜机器人一样由控制系统、感知系统、驱动系统和执行系统四个主要部分组成。控制系统：控制系统的作用相当于人以大脑为核心的神经系统，控制着机器人的各种行为。当机器人接收到指令后，首先
33、通过控制系统解析指令，然后下达命令。控制系统包括以微型计算机为核心的控制器、存放在控制器中的程序等。感知系统：感知系统的作用相当于人的五官和皮肤。感知系统由内部传感器和外部传感器组成，其作用是获取机器人内部和外部环境信息，并把这些信息反馈给控制系统。传感器可使机器人以灵活的方式对它所处的环境做出判断，赋予机器人一定的智能。驱动系统：驱动系统的作用相当于人的肌肉，主要是指驱动执行系统动作的驱动装置。根据驱动源的不同，驱动系统可分为电气、液压和气压三种以及把它们结合起来应用的综合系统。执行系统：执行系统一般指机器人的机械装置，作用相当于人的身体（如脊椎、手、臂和腿等），按指派的任务直接对工作对象或
34、环境作用，完成相关动作。机器人的工作过程与人类似，可用如图1-17所示的框图表示：人在工作时，大脑根据五官和皮肤接收到的信息，通过神经网络控制肌肉带动四肢和躯干完成相关动作。机器人在工作时，控制系统根据存储器预先存储的相应任务程序和感知系统接收到的环境信息，发出控制信号，控制驱动系统工作，再由驱动系统带动执行系统完成预定任务。这四者相互配合，形成一个完整的机器人系统。信息人：神经系统肌肉四肢躯干环境任务机器人：控制系统驱动系统执行系统工作对象图1-17 人和机器人的工作流程框图驱动系统执行系统控制系统图1-16 人体系统第一章 走进机器人的世界013移动机器人要能良好地运动，首先需要有一个具有
35、优异运动性能的移动平台。典型的移动平台有轮式结构、履带式结构、单足或多足式结构。任务二 探析简易机器人制作简易机器人移动平台体验目的：制作简易机器人移动平台，体验机器人结构制作。情境展示：罗博打算模仿上菜机器人的执行系统，制作一个简易的机器人移动平台，为以后自己制作机器人做准备。问题分析：移动平台的种类很多，其中轮式移动平台结构简单，易于设计和制作。活动准备：轮式移动平台、螺丝、螺帽、工具盒、水、水杯。主要过程：1.两人一组，拆卸移动平台的万向轮并观察万向轮与移动平台另外两轮的区别。图1-20 组装万向轮后移动平台的侧面图1-21 移动平台的台面图1-18 移动平台材料图1-19 组装车轮2.
36、再组装好被拆卸的万向轮，一人推动移动平台，一人观察平台的移动情况。通用技术机器人设计与制作014选择性必修 23.将盛有水的水杯放置在平台上，继续推动平台，观察水杯中水的晃动情况。讨论：1.移动平台如何实现向各个方向的移动？2.当移动平台上放置盛有水的水杯后，平台的移动是否受到影响？可以怎样改进此移动平台？图1-22 将水杯放在平台上测试机器人有简单的，也有复杂的。通过上面的体验，相信同学们对机器人世界有了更深刻的了解，也一定很想制作一个属于自己的简易机器人。本书中所举例或者制作的机器人一般结构比较简单，制作比较容易，可以完成一定的任务。例如，夹取机器人能够完成指派的夹取任务；循迹机器人能够自
37、动适应环境，沿着固定的轨迹行驶；倒水机器人能完成复杂的取水或倒水任务。这些简易机器人都有着相同的基本组成部分。控制系统：控制电路主板、传感器和控制软件等。驱动系统：电动机、电源等。执行系统：由传动机械构成的机械手等装置。简易机器人的各个组成部分构成了一个有机整体。有了最基本的控制系统、驱动系统及执行系统，简易机器人就能“动”起来。结合感知系统，简易机器人就能开始自动适应环境。扩展为更复杂的四大系统，简易机器人就能完成指派任务。夹取机器人、循迹机器人和倒水机器人各有哪些组成部分？它们是如何完成任务的？图1-25 倒水机器人图1-24 循迹机器人图1-23 夹取机器人第一章 走进机器人的世界015
38、1.机器人已经问世半个多世纪了，对它的定义有多种解释，请查阅资料并给出自己的定义和描述。2.收集有关机器人的资料，根据所学知识指出某个机器人的各基本组成部分包含哪些部件。3.针对所提供的简易爬行机器人图片，说出其基本组成及各部分具体有哪些部件。简易爬行机器人走进机器人的世界初探机器人的世界探析机器人组成与工作过程感知机器人与人的关系探析机器人的应用畅想机器人的未来人工智能机器人解放了人机器人保护了人机器人延伸了人 的活动空间感知机器人的基本组成探究机器人的工作过程探析简易机器人机器人的应用现状，服务于工业、农业、军事、科学、医疗和生活等控制系统感知系统驱动系统执行系统搭建简易机器人移动平台1.
39、以“走进机器人的世界”为题，以小组为单位，分工合作，合办一期小报，并进行交流。2.通过参观自动化生产线或观看录像，了解机器人给工厂带来的变化，评价机器人给工业生产带来的影响。在平台中完成自我测试测试成绩存在的主要问题评价内容达成情况优良合格不合格知道机器人的发展历史与应用现状（TA）能辨析机器人与人类的关系（TA）能说明机器人对个人生活、经济、社会和伦理道德方面的影响（TA）能阐述机器人的基本组成（TA、ET）知道简易机器人的工作原理（TA、ET）说明TA技术意识，ET工程思维，ID创新设计，TD图样表达，CM物化能力第一章第二章让机器人动起来一 探析机械传动（一）二 探析机械传动（二）三 探
40、究电子控制系统“动”是机器人完成任务、实现功能的基础。让机器人动起来，能完成一些简单而又容易实现的基本动作。传动机械是机器人执行机构的重要组成部分，电子控制系统指挥机器人各个部分协调工作。“机”与“电”的结合是让机器人动起来的基础。记里鼓车是中国古代用于计算道路里程的车。有关记道车的文字记载最早见于汉代刘歆的西京杂记：“汉朝舆驾祠甘泉汾阳记道车，驾四，中道。”可见在西汉时期，就已有了这种可以计算道路里程的车。到后来，因为加上了行一里路打一下鼓的装置，故名“记里鼓车”。记里鼓车，这种会自动记载行程的车辆，是中国古代科学家、发明家研制出的自动机械物体，被认为是一种中国古代机器人。通用技术机器人设计
41、与制作018选择性必修 2人的手臂是一个“万能工具”，是一个非常复杂的结构。一只手由许多骨头、关节、肌肉组成，再配合发达的神经系统，各个部分的组织相互配合，就可以产生很多动作。设计出像人手一样灵活的机械结构是人类的梦想。学习目标1 通过案例分析和技术探究活动认识齿轮传动，并能计算简单的齿轮传动比。2 通过技术试验按照装配图样安装和调试简单的齿轮组装置。一、探析机械传动（一）任务一 认识齿轮传动任务二 研究齿轮传动的速度变化任务三 探究特殊齿轮传动罗博希望自己设计的机器人能够更好地照顾好爷爷奶奶，需要机器人能够实现各种动作，这就需要机器人拥有可以灵活运动的关节。任务一 认识齿轮传动图2-1 机械
42、手人们模仿自己手的结构和功能，设计和制造了各种各样的机械手，应用于工农业生产、军事和服务等各个领域。请说出生活中还有哪些机械手，这些机械手是怎么工作的？图2-2 各领域中的机械手电焊机械手挖土机的机械手汽车装配线上的机械手机械手臂要能完成抓取动作，必须设计一个机械结构，将动力传递到手臂的执行机构。第二章 让机器人动起来019齿轮是一种常见的传动机械结构，它是具有齿形的滚轮，齿轮传动是依靠齿轮间的啮合进行的。图2-4 啮合齿轮的简易画法电动机主动轮 A从动轮 B图2-3 齿轮的啮合探究齿轮手臂中齿轮的转动探究目的：通过制作两个齿轮相互啮合的手臂，研究齿轮转动方向。情境展示：人手用拇指和食指抓取物
43、体时，拇指和食指同时相向运动。用齿轮来代替关节，用曲形杆来代替手指，模拟人手的抓取运动。问题分析：齿轮并排啮合，实现齿轮传动的方向改变，从而实现人手指的相向运动。活动准备：40齿齿轮2个、固定杆1个、固定销若干。主要过程：1.将两个齿轮A、B 相互啮合，齿轮的中心分别固定在杆孔中。2.如图2-6所示，转动其中的一个齿轮，观察并分析齿轮A、B 的转动。3.观察齿轮手臂的运动，并尝试用手臂夹取纸杯。结论：两个齿轮转动时，转动的齿数，方向 ，两个手臂施的力 。讨论：相互啮合的齿轮转动的速度与什么有关？若要使主动轮、从动轮的转动方向相同，有什么办法？图2-5 材料AB图2-6 齿轮手臂通用技术机器人设
44、计与制作020选择性必修 2相互啮合的齿轮转动时，相同时间内转过的齿数（即线速度）一定相同。若两个齿轮的直径不同，则两个齿轮转速（即角速度）不一样。齿轮传动中主动轮的角速度（转速）与从动轮的角速度之比叫作传动比。输出轴的角速度取决于主动轮的角速度以及齿轮传动装置的传动比。可用下面的公式计算一对相互啮合的齿轮的传动比i：传动比 i=主动轮的角速度从动轮的角速度从动轮的齿数（ZB）主动轮的齿数（ZA）=例如，图 2-3 中齿轮组的传动比 i 为i=ZBZA201021=任务二 研究齿轮传动的速度变化机械表中的齿轮机械表的时针、分针与秒针输出轴的转速大小要求非常精准。1min的时间，分针轴转动6，时
45、针轴转动0.5，秒针转动360，秒针输出的转速必须是1r/min。机械表的这种高精度的传动必须用变速齿轮传动机构来实现。讨论：齿轮在传动过程中，齿轮转动的角速度与线速度有什么关系？图2-7 机械手表中的齿轮在下面两个齿轮组中，在每组中间都各有一个齿数不同的惰轮。若主动轮的转速都为120r/min，请计算从动轮输出的转速分别是多少，并分析图中惰轮的作用。图2-8 惰轮齿数不同的齿轮组14 齿38 齿32 齿14 齿32 齿惰轮惰轮从动轮从动轮主动轮主动轮第二章 让机器人动起来021齿轮的传动可以改变转动的方向，也可以改变转动的速度。惰 轮惰轮是指在两个不互相接触的传动齿轮中间起传递作用的齿轮，它
46、同时跟这两个齿轮啮合，用来改变从动轮的转动方向，使之与主动轮转动方向相同。它的作用只是改变转向，并不能改变传动比。探究齿轮箱中齿轮的转动探究目的：通过简单齿轮箱的安装调试，了解齿轮箱的结构，探究转速和转动力矩的关系。情境展示：正如人手施力的大小可以通过肌肉来调节，机械手施力的大小也可以调节。问题分析：电动机通过齿轮箱变速，可以实现机械手握力大小的改变。活动准备：材料：模型齿轮箱散件一套、模型电动机一只、6V电池一组。工具：小型十字形螺丝刀一把。主要过程：1.按照图纸清点和检查器材。2.给模型电动机装上电源，观察电动机转动的快慢，并用手触捏电动机主轴，感觉主轴转动的力矩。3.根据下列图示要求组装
47、一个由两对齿轮啮合的齿轮箱。图2-9 齿轮箱的安装分解图图2-10 两对齿轮组成的齿轮箱4.启动电动机，调试运转正常后，观察齿轮箱输出轴转速，并用手触捏齿轮箱的输出轴，感觉输出轴转动力矩的大小与步骤2中的电动机输出轴转速和力矩相比有什么变化。通用技术机器人设计与制作022选择性必修 25.改变输入电动机的电源正、负极接线，观察齿轮箱输出轴转动方向发生的变化。讨论：1.电动机经过齿轮箱的变速，齿轮箱输出轴的转速和输出轴的转动力矩有什么变化？2.可以采用什么方法使电动机反转？任务三 探究特殊齿轮传动活动扳手中的蜗轮蜗杆活动扳手可以在一定范围内松紧不同规格的螺母和螺栓。转动中间的蜗轮可以调节扳手张口
48、大小以适应螺母和螺栓的大小。蜗轮不转动时，扳手开口大小可固定，在松紧螺母和螺栓的过程中所施加的力也不会让开口大小变化。活动扳手的主要结构是蜗轮蜗杆。蜗杆传动装置具有两个主要特点：一是能自锁，即不论蜗轮受到多大的转动力矩，都无法推动蜗杆回转，可以用来防止倒转；二是传动比大，即蜗杆转一圈，蜗轮只转过一个齿。所以，蜗杆传动装置广泛应用于牵引、起重等机械设备中。讨论：请举出生活中蜗轮蜗杆的例子，并说出例子中蜗轮蜗杆的作用。图2-11 活动扳手常见的齿轮传动形式为了改变传动的方向和力矩，齿轮传动的形式非常多，常见的有圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动、齿轮齿条传动、蜗杆传动。常见形式圆柱齿轮传动圆锥齿轮传动齿轮
49、齿条传动蜗杆传动示意图特点改变转速与转动方向改变转轴朝向将旋转运动转换成直线运动传动比大，传动平稳，能自锁请你说出各种齿轮传动形式的应用实例，并与同学进行交流。第二章 让机器人动起来023探究蜗轮蜗杆传动的特点探究目的：通过安装蜗轮蜗杆的机械爪，感受蜗轮蜗杆传动的特点。情境展示：机器人要为人服务，首先得模仿人手的功能，人手最主要的功能是握紧和放松。问题分析：通过蜗轮蜗杆，可以实现让机械手握紧和放松的功能。活动准备：蜗轮蜗杆一组、零部件一套。主要过程：1.如图2-12所示，根据机械爪的安装步骤，装配机械爪。图2-12 机械爪的安装步骤2.转动中间的蜗杆，观察机械爪的开合。3.停止转动机械爪，尝试
50、用手扳动机械爪看是否能够使其开合。讨论：蜗轮蜗杆机械爪与第19页“技术探究”中用两个齿轮搭建的机械手臂比较，有什么优点？在机械手的设计过程中，如何灵活使用不同的齿轮实现不同的设计要求？通用技术机器人设计与制作024选择性必修 2在安装两对齿轮啮合变速箱的基础上，安装由多对齿轮啮合的齿轮变速箱模型，并装上电动机进行调试。测试与评价：（1）观察齿轮的转动方向。（2）观察电动机输出轴的转动速度和齿轮箱输出轴的转动速度，说出齿轮箱的作用。（3）计算电动机输出轴与齿轮箱输出轴的传动比。完成安装的电动机齿轮箱齿轮箱安装分解图齿轮箱散件图圆柱齿轮和冠状齿轮第二章 让机器人动起来025学习目标1 通过技术体验