摘 要

本文以武汉理工大学传感器实验室教育机器人实验箱的教学研究为背景，针对实验箱上手难度大，缺乏对应实验案例以及与课程衔接差等问题展开研究，基于教育机器人实验系统现有模块，结合物流相关知识，进行实验平台的设计与开发，开发教育机器人实验系统的功能，设计有关物流学科课程相关的实验，最终能为教育机器人实验教学起到指导作用。针对机械与控制课程，研究设计了与物流本科知识体系相结合的满足机械与控制课程学习的教育机器人实验平台，取得了以下研究成果。

1. 结合工程力学、大学物理与机械设计基础课程教材，学习课程中的近20个知识点，将实验箱能做的机械模型与机械知识点进行归纳，用曲柄摇杆机械手说明了平面连杆机构的知识，并用起重机模型来实验验证知识点。
2. 研究教育机器人的控制部分，围绕万向小车模型，结合C语言，传感器和单片机课程，研究了图形化编程软件，结构化编程思想，三种传感器，拓展学习了PIC单片机知识。
3. 将起重机模型与小车模型联系，实现了机械与控制的结合；用结构化编程思想，使用图形化编程软件，使用编码器传感器实现了对万向小车的自动化控制，以此来验证控制理论。对万向小车的控制做了拓展，提出了遥控万向小车的控制要求，做出了实物模型。
4. 为实验教学编写了教学方案，根据内容分成机械模型部分课程，编程课程，51单片机教学课程，传感器教学课程，控制模型的课程。

教育机器人实验平台的开发与设计对于机械与控制课程学习能起到一定的辅助作用。为教育机器人的实验系统设计出教学方案，为物流工程专业的教学起到指导意义，加强教育机器人与物流专业教学结合的紧密性，拓展其在物流专业学习中的作用。

关键词：教育机器人；机械；控制。

Abstract

This paper takes the teaching and research of the robot robot experiment box in the sensor laboratory of Wuhan University of Technology as the background. It focuses on the difficulties of the experimental box getting started, the lack of corresponding experimental cases and poor convergence with the curriculum, etc. Based on the existing modules of the educational robot experimental system, combined with logistics Relevant knowledge, the design and development of the experimental platform, the development of the function of the educational robotic experiment system, and the design of related experiments on the logistics subject curriculum, can finally play an instructive role in the experimental teaching of the educational robot. For the mechanical and control courses, an educational robot experimental platform that satisfies the learning of mechanical and control courses combined with the logistics undergraduate knowledge system was designed and researched. The following research results were obtained.

(1) Combining the basic courses of engineering mechanics, university physics and mechanical design, learning about 20 knowledge points in the course, summarizing the mechanical models and machine knowledge points that the experiment box can do, and explaining the plane connection using the crank and rocker robots. The knowledge of the rod mechanism and the use of a crane model to experimentally verify knowledge points.

(2) Studying the control part of educational robots, based on the universal car model, combined with C language, sensors and single-chip microcomputer courses, studied graphical programming software, structured programming ideas, three kinds of sensors, and extended the knowledge of PIC microcontrollers.

(3) Link the crane model with the trolley model to realize the combination of the machine and the control; use the structured programming idea, use the graphical programming software, and use the encoder sensor to realize the automatic control of the universal cart to verify the control theory. The control of the universal car was expanded, the control requirements of the remote controlled universal car were proposed, and a physical model was made.

(4) Prepare a teaching plan for experimental teaching, according to the content is divided into mechanical model part of the curriculum, programming courses, 51 single-chip teaching courses, sensor teaching courses, control model courses.

The development and design of the educational robot experimental platform can play a supporting role in the learning of mechanical and control courses. A teaching program is designed for the experimental system of educational robots, which plays a guiding role in the teaching of logistics engineering, and strengthens the closeness of the combination of educational robots and logistics professional teaching, and expands its role in the study of logistics professionals.

Key Words：Educational robots; machinery; control.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 背景与意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 2

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 教育机器人的产生 3

1.2.2 教育机器人应用现状与存在的问题 3

1.2.3 我校教育机器人应用现状 4

1.3 主要研究内容 5

1.3.1 研究内容 5

1.3.2 技术方案 5

1.3.3 可能遇到的问题及措施 6

1.4 本文安排 6

第2章 教育机器人实验系统分析 8

2.1 教育机器人实验箱概述 8

2.1.1 机械部分 8

2.1.2 硬件部分 9

2.1.3 软件部分 9

2.2 教育机器人实验系统总体设计 10

2.2.1 实验系统需求分析 10

2.2.2 实验系统总体设计思想 10

2.2.3 机器人案例设计 10

2.2.4 实验系统功能 11

2.3 本章小结 11

第3章 教育机器人的机械模型 12

3.1 机械模型综述 12

3.2 机械课程知识 13

3.2.1 曲柄摇杆机械手模型 13

3.2.2 教育机器人模型中的机械知识 14

3.3 汽车起重机 22

3.3.1 模型原型 22

3.3.2 模型结构原理 22

3.4 本章小结 23

第4章 教育机器人的控制模型 24

4.1 控制知识综述 24

4.2 硬件部分 24

4.2.1 PIC单片机 24

4.2.2 传感器 26

4.3 软件部分 28

4.3.1 图形化编程 29

4.3.2 结构化编程 31

4.4 模型案例 32

4.4.1 万向小车原型 32

4.4.2 自动万向小车控制要求 33

4.5 本章小结 33

第5章 教育机器人模型的实现 34

5.1 机器人系统的设计过程 34

5.2模型实现 34

5.2.1 机械与控制模型的实现 34

5.2.3 拓展应用 42

5.3 本章小结 42

第6章 总结与展望 44

6.1 全文总结 44

6.2 研究展望 44

第7章 经济性分析与环保性分析 46

7.1 经济性分析 46

7.2 环保性分析 46

参考文献 47

致谢 48

附录 49

1. 绪论

1.1 背景与意义

1.1.1 研究背景

教育机器人实验系统融合了机械、电子、计算机技术、以及人工智能等诸多先进技术，是理想的机械与控制学科教学实验平台。将教育机器人实验平台引入到物流学科本科生教学实验中，可以让学生了解到许多与物流学科相关的课程，如机械设计基础、工程力学、自动控制原理、计算机控制、传感器技术、单片机等物流自动化学科理论知识和其他相关学科知识，通过这些知识的再次学习，可以学生们的知识面，还可以增强学生结合实际的能力与动手能力，进而提高学生的综合能力^[1]。

国家及有关教育部门对于素质教育越来越重视，教育机器人用于中小学的教学相对难度较低，而用于高校学习则存在很多问题。