內容簡介

本書選用MegaPi Pro機器人以及Makeblock創客空間套裝，通過機器人結構設計介紹機械結構以及相關知識，同時選用目前流行的mBlock軟件介紹常用的電子元件與各種傳感器的應用。本書具有大量實驗案例，可以為學生的創新活動提供啓發與參考。通過學習，學生將具有使用這些設備進行製作與創新的技能。

本書適用於各創客空間教師與學生使用，同時也是各學校、培訓機構開設創客課程的*選教材。

目錄

第1章Makeblock結構的搭建1

1.1工具的使用2

1.2幾種特殊結構的安裝4

1.2.1基礎結構件5

1.2.2電機的安裝6

1.2.3��125mm×24mm橡膠輪的安裝7

1.2.4麥剋納姆輪的安裝8

1.3拓展與提高9

第2章Makeblock機械傳動方式與安裝11

2.1齒輪傳動11

2.2鏈傳動14

2.3同步帶傳動15

2.4螺紋傳動17

2.5平麵連杆傳動17

2.6拓展與提高19

第3章電機20

3.1直流電機20

3.2步進電機21

3.3直流編碼電機21

3.4拓展與提高22

第4章機器人的結構23

4.1機器人的移動方式23

4.2重心25

4.3支撐多邊形25

4.4穩定性26

4.5重心的評估28

4.6機器人的轉嚮方式28

4.7結構對轉嚮的影響30

4.8拓展與提高31

第5章常用物體移動與提升方式33

5.1同步帶傳動提升結構33

5.2齒輪機械臂提升結構34

5.3螺杆提升35

5.4齒條提升結構36

5.5之字架提升結構36

5.6機械臂與同步帶組閤結構37

5.7拓展與提高37

目錄 Makeblock機器人與創客器材的應用〖2〗〖2〗 〖1〗 第6章MegaPi Pro控製闆及其連接40

6.1端口及接插模塊介紹40

6.2將MegaPi Pro與計算機連接43

第7章mBlock編程環境46

7.1第一個機器人程序47

7.2拓展與提高50

第8章變量與運算51

8.1變量51

8.2鏈錶51

8.3函數與運算52

8.4隨機模塊53

第9章程序結構54

9.1順序結構54

9.2循環結構59

9.2.1for語句循環（有限循環）59

9.2.2while語句循環（條件循環）64

9.2.3while語句循環（無限循環）66

9.3選擇結構73

9.4多任務76

9.5自定義指令模塊77

第10章傳感器種類與應用79

10.1人體紅外傳感器79

10.2四按鍵傳感器80

10.3溫度傳感器84

10.4光綫傳感器86

10.5溫濕度傳感器88

10.6巡綫傳感器89

10.7超聲波傳感器95

10.8限位傳感器97

10.9計時器102

10.10電子羅盤104

10.11陀螺儀109

第11章遙控與機器人通信113

11.1遙控與自動程序113

11.2機器人通信117

11.2.1藍牙通信118

11.2.2Wi�睩i模塊的使用125

第12章機器人比賽套裝的應用130

12.1大功率直流編碼電機130

12.2無刷直流電機132

12.3智能舵機133

12.42.4GHz無綫搖控136

參考文獻138

附錄1電子模塊介紹139

附錄2製作一個機器人小車148

附錄3製作機械昆蟲155

附錄4製作一個拾物體的機器人小車165

精彩書摘

第1章Makeblock結構的搭建

Makeblock是一款鋁積木式的結構模塊和電子模塊的組閤，包括基本結構部件、傳動部件、電機本書所提電機均指電動機。、傳感器、控製器等。主要零部件是鋁閤金材質，以Arduino作為控製器。利用此平颱，讓製作機器人或者自動化裝置變得簡單，可以在很短的時間裏實現自己的各種創意想法，並體會其中的樂趣。

Makeblock器材如圖1��1所示。

圖1��1Makeblock器材

要想創作一個能完成某種任務的機器人，根據材料特點進行閤理的結構設計是一項重要的內容。機器人具備完善、閤理的結構是能夠準確、有效工作的基礎。結構的缺陷會限製功能的發揮，即使程序再完美也不能保證會達到人們期望的效果，因此進行機器人的結構設計與搭建是保證機器人完成任務的前提。

設計搭建一個具有某種功能的機器人，僅僅憑空設想是無法辦到的，模仿是一個不可缺少的過程。在模仿他人機器人作品的基礎上，對其結構設計思路的閤理性進行分析、探討設計中的工藝技巧、瞭解有關機械結構知識，可以讓我們更快地掌握機器人設計和搭建的方法。將所學的力學知識應用於結構設計之中，通過不斷動手實踐與改進，從而獲得閤理和有效的結構設計。對於已完成的機器人要通過在程序運行中進行測試，瞭解機械結構是否穩定、安全。如果達不到要求就要反復地加以改進。在結構設計中有一些典型的結構模式，如齒輪變速、萬嚮輪的結構與安裝方式、差速器等功能組閤，我們在設計機器人的過程中應主動加以應用。

1.1工具的使用

Makeblock提供的工具與應用介紹如下。

第1章Makeblock結構的搭建 Makeblock機器人與創客器材的應用〖2〗〖2〗 〖1〗 (1) 改錐，可以用於安裝和拆卸十字螺釘或六角螺釘,如圖1��2所示。

圖1��2改錐

(2) 扳手，可用於安裝和拆卸無頭螺釘和螺母，如圖1��3所示。

圖1��3扳手

改錐與扳手通常需要配閤使用，如圖1��4和圖1��5所示。

圖1��4改錐與扳手的配閤使用

圖1��5改錐與扳手的配閤使用

扳手也可用於拆卸8齒齒輪，如圖1��6所示。

圖1��6扳手的應用

L形扳手用於安裝無頭螺釘，如圖1��7所示。

圖1��7L形扳手的應用

無頭螺釘需頂在電機軸的D形麵區域，如圖1��8所示。

圖1��8無頭螺釘的安裝

前言/序言

吹響信息科學技術基礎教育改革的號角

（一）

信息科學技術是信息時代的標誌性科學技術。信息科學技術在社會各個活動領域廣泛而深入的應用，就是人們所熟知的信息化。信息化是21世紀最為重要的時代特徵。作為信息時代的必然要求，它的經濟、政治、文化、民生和安全都要接受信息化的洗禮。因此，生活在信息時代的人們應當具備信息科學的基本知識和應用信息技術的基礎能力。

理論和實踐錶明，信息時代是一個優勝劣汰、激烈競爭的時代。誰先掌握瞭信息科學技術，誰就可能在激烈的競爭中贏得製勝的先機。因此，對於一個國傢來說，信息科學技術教育的成敗優劣，就成為關係國傢興衰和民族存亡的根本所在。

同其他學科的教育一樣，信息科學技術的教育也包含基礎教育和高等教育兩個相互聯係、相互作用、相輔相成的階段。少年強則國強，少年智則國智。因此，信息科學技術的基礎教育不僅具有基礎性意義，而且具有全局性意義。

（二）

為瞭搞好信息科學技術的基礎教育，首先需要明確: 什麼是信息科學技術？信息科學技術在整個科學技術體係中處於什麼地位？在此基礎上，明確： 什麼是基礎教育階段應當掌握的信息科學技術？

眾所周知，人類一切活動的目的歸根結底就是要通過認識世界和改造世界，不斷地改善自身的生存環境和發展條件。為瞭認識世界，就必須獲得世界（具體錶現為外部世界存在的各種事物和問題）的信息，並把這些信息通過處理提煉成為相應的知識；為瞭改造世界（錶現為變革各種具體的事物和解決各種具體的問題），就必須根據改善生存環境和發展條件的目的，利用所獲得的信息和知識，製定能夠解決問題的策略並把策略轉換為可以實踐的行為，通過行為解決問題、達到目的。

可見，在人類認識世界和改造世界的活動中，不斷改善人類生存環境和發展條件這個目的是根本的齣發點與歸宿，獲得信息是實現這個目的的基礎和前提，處理信息、提煉知識和製定策略是實現目的的關鍵與核心，而把策略轉換成行為則是解決問題、實現目的的最終手段。不難明白，認識世界所需要的知識、改造世界所需要的策略以及執行策略的行為是由信息加工分彆提煉齣來的産物。於是，確定目的、獲得信息、處理信息、提煉知識、製定策略、執行策略、解決問題、實現目的，就自然地成為信息科學技術的基本任務。

這樣，信息科學技術的基本內涵就應當包括： ①信息的概念和理論； ②信息的地位和序（1） Makeblock機器人與創客器材的應用〖2〗〖2〗 〖1〗 作用，包括信息資源與物質資源的關係以及信息資源與人類社會的關係； ③信息運動的基本規律與原理，包括獲得信息、傳遞信息、處理信息、提煉知識、製定策略、生成行為、解決問題、實現目的的規律和原理； ④利用上述規律構造認識世界和改造世界所需要的各種信息工具的原理與方法； ⑤信息科學技術特有的方法論。

鑒於信息科學技術在人類認識世界和改造世界活動中所扮演的主導角色，同時鑒於信息資源在人類認識世界和改造世界活動中所處的基礎地位，信息科學技術在整個科學技術體係中顯然應當處於主導與基礎雙重地位。信息科學技術與物質科學技術的關係，可以錶現為信息科學工具與物質科學工具之間的關係： 一方麵，信息科學工具與物質科學工具同樣都是人類認識世界和改造世界的基本工具；另一方麵，信息科學工具又是駕馭物質科學工具的。

參照信息科學技術的基本內涵，信息科學技術基礎教育的內容可以歸結為： ①信息的基本概念； ②信息的基本作用； ③信息運動規律的基本概念和可能的實現方法； ④構造各種簡單信息工具的可能方法； ⑤信息工具在日常活動中的典型應用。

（三）

與信息科學技術基礎教育內容同樣重要甚至更為重要的問題是要研究： 怎樣纔能使中小學生真正喜愛並能夠掌握基礎信息科學技術？其實，這就是如何認識和實踐信息科學技術基礎教育的基本規律的問題。

信息科學技術基礎教育的基本規律有很豐富的內容，其中有兩個重要問題： 一是如何理解中小學生的一般認知規律；二是如何理解信息科學技術知識特有的認知規律和相應能力的形成規律。

在人類（包括中小學生）一般的認知規律中，有兩個普遍的共識： 一是“興趣決定取捨”；二是“方法決定成敗”。前者錶明，一個人如果對某種活動有瞭濃厚的興趣和好奇心，就會主動、積極地探尋奧秘；如果沒有興趣，就會放棄或者消極應付。後者錶明，即使有瞭濃厚的興趣，如果方法不恰當，最終也會導緻失敗。所以，為瞭成功地培育人纔，激發濃厚的興趣和啓示良好的方法都非常重要。

小學教育處於由學前的非正規、非係統教育轉為正規的係統教育的階段，原則上屬於啓濛教育。在這個階段，調動興趣和激發好奇心更加重要。中學教育的基本要求同樣是要不斷調動學生的學習興趣和激發他們的好奇心，但是這一階段越來越重要的任務是要培養他們的科學思維方法。

與物質科學技術學科相比，信息科學技術學科的特點是比較抽象、比較新穎。因此，信息科學技術的基礎教育還要特彆重視人類認識活動的另一個重要規律： 人們的認識過程通常是由個彆上升到一般，由直觀上升到抽象，由簡單上升到復雜。所以，從個彆的、簡單的、直觀的學習內容開始，經過量變到質變的飛躍和升華，纔能掌握一般的、抽象的、復雜的學習內容。其中，親身實踐是實現由直觀到抽象過程的良好途徑。

綜閤以上幾方麵的認知規律，小學的教育應當從個彆的、簡單的、直觀的、實際的、有趣的學習內容開始，循序漸進，由此及彼，由錶及裏，由淺入深，邊做邊學，由低年級到高年級，由小學到中學，由初中到高中，逐步嚮一般的、抽象的、復雜的學習內容過渡。

（四）

我們欣喜地看到，在信息化需求的推動下，信息科學技術的基礎教育已在我國眾多的中小學校試行多年。感謝全國各中小學校的領導和教師的重視，特彆感謝廣大一綫教師們堅持不懈的努力，剋服瞭各種睏難，展開瞭積極的探索，使我國信息科學技術的基礎教育在摸索中不斷前進，取得瞭不少可喜的成績。

由於信息科學技術本身還在迅速發展，人們對它的認識還在不斷深化。由於受“重書本”“重灌輸”等傳統教育思想和教學方法的影響，學生學習的主動性、積極性尚未得到充分發揮，加上部分學校的教學師資、教學設施和條件還不夠充足，教學效果尚不能令人滿意。總之，我國信息科學技術基礎教育存在不少問題，亟須研究和解決。

針對這種情況，在教育部基礎司的領導下，我國從事信息科學技術基礎教育與研究的廣大教育工作者正在積極探索解決這些問題的有效途徑。與此同時，北京、上海、廣東、浙江等省市的部分教師也在自下而上地聯閤起來，共同交流和梳理信息科學技術基礎教育的知識體係與知識要點，編寫新的教材。所有這些努力，都取得瞭積極的進展。

“青少年科技創新叢書”是這些努力的一個組成部分，也是這些努力的一個代錶性成果。叢書的作者們是一批來自國內外大中學校的教師和教育産品創作者，他們懷著“讓學生獲得最好教育”的美好理想，本著“實踐齣興趣，實踐齣真知，實踐齣纔乾”的清晰信念，利用國內外最新的信息科技資源和工具，精心編撰瞭這套重在培養學生動手能力與創新技能的叢書，希望為我國信息科學技術基礎教育提供可資選用的教材和參考書，同時也為學生的科技活動提供可用的資源、工具和方法，以期激勵學生學習信息科學技術的興趣，啓發他們創新的靈感。這套叢書突齣體現瞭讓學生動手和“做中學”的教學特點，而且大部分內容都是作者們所在學校開發的課程，經過瞭教學實踐的檢驗，具有良好的效果。其中，也有引進的國外優秀課程，可以讓學生直接接觸世界先進的教育資源。

筆者看到，這套叢書給我國信息科學技術基礎教育吹進瞭一股清風，開創瞭新的思路和風格。但願這套叢書的齣版成為一個號角，希望在它的鼓動下，有更多的仁人誌士關注我國的信息科學技術基礎教育的改革，提供更多優秀的作品和教學參考書，開創百花齊放、異彩紛呈的局麵，為提高我國的信息科學技術基礎教育水平做齣更多、更好的貢獻。

鍾義信2013年鼕於北京

探索的動力來自對所學內容的興趣，這是古今中外之共識。正如愛因斯坦所說： 一頭貪婪的獅子，如果被人們強迫不斷進食，也會失去對食物貪婪的本性。學習本應源於天性，而不是強迫地灌輸。但是，當我們環顧目前教育的現狀，卻深感沮喪與悲哀： 學生太纍，壓力太大，以至於使他們失去瞭對周圍探索的興趣。在很多學生的眼中，已經看不到對學習的渴望，他們無法享受學習帶來的樂趣。

在傳統的教育方式下，通常由教師設計各種實驗讓學生進行驗證，這種方式與科學發現的過程相違背。那種從概念、公式、定理以及脫離實際的抽象符號中學習的過程，極易導緻學生機械地記憶科學知識，不利於培養學生的科學興趣、科學精神、科學技能，以及運用科學知識解決實際問題的能力，不能滿足學生自身發展的需要和社會發展對創新人纔的需求。

美國教育傢杜威指齣： 成年人的認知成果是兒童學習的終點。兒童學習的起點是經驗，“學與做相結閤的教育將會取代傳授他人學問的被動的教育”。如何開發學生潛在的創造力，使他們對世界充滿好奇心，充滿探索的欲望，是每一位教師都應該思考的問題，也是教育能否獲得成功的關鍵。令人感到欣慰的是，新技術的發展使這一切成為可能。如今，我們正處在科技日新月異的時代，新産品、新技術不僅改變我們的生活，而且讓我們的視野與前人迥然不同。我們可以有更多的途徑接觸新的信息、新的材料，同時在工作中也易於獲得新的工具和方法，這正是當今時代有彆於其他時代的特徵。

當今時代，學生獲得新知識的來源已經不再局限於書本，他們每天麵對大量的信息，這些信息可以來自網絡，也可以來自生活的各個方麵，如手機、iPad、智能玩具等。新材料、新工具和新技術已經滲透到學生的生活中，這也為教育提供瞭新的機遇與挑戰。

將新的材料、工具和方法介紹給學生，不僅可以改變傳統的教育內容與教育方式，而且將為學生提供一個實現創新夢想的舞颱，教師在教學中可以更好地觀察和瞭解學生的愛好、個性特點，更好地引導他們，更深入地挖掘他們的潛力，使他們具有更為廣闊的視野、能力和責任。

本套叢書的作者大多是來自知名大學、知名中學的教師和教育産品的科研人員，他們在多年的實踐中積纍瞭豐富的經驗，並在教學中形成瞭相關的課程，共同的理想讓我們走到瞭一起，“讓學生獲得最好的教育”是我們共同的願望。本套叢書可以作為各校選修課程或必修課程的教材，同時也希望藉此為學生提供一些科技創新的材料、工具和方法，讓學生通過本套叢書獲得對科技的興趣，産生創新與發明的動力。

叢書編委會2013年10月8日序 Makeblock機器人與創客器材的應用〖2〗〖2〗 〖1〗

創客活動目前正在學校和培訓機構迅速開展，但是我們也經常聽到教師會提齣這樣一個問題，開展創客活動，我們教什麼、如何教？這個問題也是所有學校、培訓機構正在考慮的問題。經過初期的發展，我們認識到，簡單的興趣活動並不能持續地吸引學生，隻有閤理的課程纔能使創客活動持續發展。同時傢長也會提齣，我們的孩子參加這些活動會有哪些收獲。

我多年來一直從事機器人與創客的教學工作，深感課程對學生活動具有重要影響，所以多年來一直緻力於課程與教材的建設。我感到目前我們學生所熟悉的各種機器人品牌對於創客活動的開展都具有一些局限性，在這樣一些機器人平颱上進行創新，以及與學科知識相結閤會有很大的難度。經朋友介紹我接觸並研究瞭Makeblock器材，這一器材有彆於其他現有的機器人品牌，定位在學習者探索與創新的嘗試，以及興趣的培養。MegaPi Pro闆是一款基於 ATmega2560 芯片的主控闆。通過對驅動接口的封裝，它可以方便地驅動編碼電機、直流電機、步進電機。同時支持 Arduino IDE 和圖形化編程，並可以與樹莓派完美結閤。由於對接口的改進，避免學生在連接時發生錯誤，使得這一器材得到瞭更廣泛的普及。

Makeblock創客空間套裝為創新活動提供瞭豐富的器材支持，它不僅具有豐富的結構件，而且有眾多的電子元器件可供設計中進行選擇，使得設計的作品多樣，更具有智能化。

筆者認為，智能化是創客活動的一個發展方嚮，而機器人在這一活動中具有重要的作用。這也是我們將MegaPi Pro作為本書智能控製內容的依據。本書的大量案例來自Makeblock愛好者多年智慧與創新的積纍，希望讀者在瞭解智能控製的基礎上可以通過本書所提供的大量案例獲得啓發，從而有更多創新的作品。

最後我要感謝本書的閤作者鄭夢玉同學，她從小學開始就在北京豐颱第一小學於嘯老師的指導下參加機器人活動，並曾榮獲教育部全國中小學生計算機作品比賽北京市機器人足球一等奬，北京市中小學生科技創新一等奬，機器人活動不僅讓鄭夢玉同學對知識充滿興趣，而且培養瞭她獨立思考的精神，本書部分章節，以及書中所用模型及程序都由鄭夢玉提供，她的卓越貢獻，讓我有深刻的印象。

馬誌強2018年1月