前?言
机器人是多学科综合发展的成果,融合了机械、传感、计算机及人工智能等技术,而教育机器人的诞生更是促进了青少年机器人教育的发展。青少年机器人教育是一项融合了数学、物理、计算机等学科知识的科技活动,通过计算机编程、工程设计、动手制作与搭建,提高青少年的综合素质,锻炼其思维,发展其创造力。
本书是作者在多年的机器人教学和竞赛的基础上,以乐高EV3机器人为载体,结合STEAM教育理念和现有的教学资源编写而成的。本书从机器人运动、触觉、听觉、视觉、姿态、通信和机械臂的角度阐述机器人传感器功能、移动机器人设计、机械结构设计、机械臂设计等方面的内容,通过100多个机器人案例深入讲解机器人程序设计的方法,并提供了精心设计的练习题,便于初学者的巩固和提升。书中还融入了与机器人有关的科学探究活动,在学习物理知识的同时,帮助读者理解编程与机器人“真实处境”的关系,这样机器人就可以和使用者以及自然界融洽地做朋友了。由于移动机器人主体设计简易,且具有兼容多个传感器、电机和机械臂的特点,避免了在完成不同任务时的重复搭建,给读者更多的时间去创造。
本书的机器人设计是基于乐高EV3机器人教育套装和配件库提供的零件型号和数量来搭建的。使用不同颜色的零件进行机器人搭建是为了使读者在学习时能够清晰分辨图中机器人搭建的结构,同时也给读者呈现较好的视觉效果。书中提供的机器人设计方案只作为参考性方案,并不是必须选择的方案。大家可根据自己的想法和理解,形成有自己创意的设计方案。
例如这样一个机器人案例,设计一个机器人在水平桌面上以最短的时间直线行走1米。这个任务看上去很简单,但仔细分析就会发现其中有很多问题需要解决。首先要考虑的是如何让机器人走得直。是调整机器人重心?采用导向轮靠墙?还是在程序中添加算法?其次机器人对距离进行精确定位应该使用什么样的传感器。由于机器人运动得越快,在制动时就越难以精确地停在1米的位置,这就需要精心设计机器人的结构和减速程序,或许还要考虑轮胎打滑对机器人定位的影响。而需要给机器人设计什么样的程序才能用时最短?这些都需要通过不断地试验才能找到答案。所以在机器人设计和编程时,需要充分了解机器人电机和传感器的能力以及机器人所处的环境。希望通过这个案例的分析能够给读者在机器人学习时带来一些启发。
学习机器人的过程是有趣的、积极的、丰富的、灵活多样的,处处充满着创造和挑战。希望本书能够成为大家学习机器人的好帮手,陪伴着大家一起走进人工智能。
感谢领导周新龙、吴友邦、王怀宁、李仁梅、王朝升和各位同事,在你们的帮助下成立了科技创新教育工作室,给我们提供了研究、教学和交流的环境。同时特别感谢朋友和家人一直以来对我们的帮助和支持,才能够使我们顺利完成本书的写作。
由于作者水平有限,书中不免有疏漏和错误之处,恳请各位读者不吝指正。
让我们一起在指尖上创造奇迹,在创造中点燃智慧!
蔡冬冬?焦云逸
2020年5月18日