学生要弄明白,到底是什么让一样东西成为机器人,而不只是一台机器。他们会知道,机器人先感知世界,再决定要做什么,然后行动,这就是「输入、处理、输出」的循环;而正是程序让它能自己一遍遍地把活儿干下去。他们还要考察身边真实的设备,把其中一件当作机器人系统画出来,并设计一台自己的实用机器人。
这一周结束时,你将能够
- 说清楚什么样的东西算机器人,而不只是一台简单的机器
- 描述某个真实设备中「输入、处理、输出」的循环
- 说明控制器作为机器人「大脑」的作用
- 找出一台机器人身上的传感器和执行器
- 分清自主系统和遥控系统
- 为一项有用的任务设计一套机器人系统
- 画出一台实用机器人,并标注它的输入、处理和输出
学习
机器人到底是什么
人们把各种各样的东西都叫机器人,但真正的机器人有三项本事:能感知世界、能决定要做什么、能行动,而且能按照程序自己完成这一切。
你推着走的玩具车不是机器人。而一辆能发现前方有墙、自己停下来的车就接近机器人了,因为它会感知,也会决定。
例如:扫地机器人; 会扫描商品的自助结账机; 能感应到有人走近的自动门
机器与机器人的区别
每台机器人都是机器,但不是每台机器都是机器人。订书机和自行车都是机器:它们能干活,但每个决定都是人做的。
分界线在于会不会感知和决定。如果一件设备能接收信息,并因此改变自己的做法,它就是在像机器人那样工作。
例如:自行车 = 机器; 扫地机器人 = 机器人; 没有传感器的烤面包机 = 机器; 能感知面包烤好了的烤面包机 = 接近机器人
输入、处理和输出
机器人是循环工作的:先输入,再处理,然后输出。传感器先给出一个输入(比如「墙很近了」)。控制器接着做处理(它判断「我该停下来」)。最后执行器产生输出(轮子停转)。
这个循环每秒重复许多次,一刻不停,机器人正是靠它不断对变化的世界作出反应。
三大主要部件:控制器、传感器、执行器
一台机器人有一个控制器(它的大脑)、一个或多个传感器(用来感知)以及一个或多个执行器(用来行动)。
控制器负责运行程序。传感器把输入送给它。执行器把它的输出变成动作。拿掉传感器,它就感知不了;拿掉控制器,它就决定不了。
例如:控制器:那块小小的电路板; 传感器:距离、光线、触碰、颜色; 执行器:电机、轮子、机械爪、蜂鸣器、灯
有了程序才能反复照做
程序就是控制器要遵循的那份指令清单。正因为机器人照着程序做,它才能一遍遍地完成同一件活儿,不用人一步步在旁边指挥。
换一个程序,哪怕机身和传感器都不变,机器人的表现也会不一样。所以说,机器人这门学问既关乎怎么搭,也同样关乎怎么写指令。
自主与遥控
自主系统运行自己的程序,靠传感器作决定,没有人在操控。遥控系统则是人说一句、它做一下,完全照着人的指令走。
用遥控器飞的无人机属于遥控。自己把房间打扫干净的扫地机器人属于自主。很多真实的机器人在不同场合两种方式都能用。
例如:自主:扫地机器人,按预定路线行驶的火星车; 遥控:遥控汽车,用摇杆操控的无人机
身边的机器人和机器
拿「感知、决定、行动」这套标准去检验你每天见到的东西。有些是真正的机器人,有些只是机器,还有些介于两者之间。
自动感应的推拉门察觉到你就打开,它做了决定。火星车、编好程序的机械臂、语音控制的音箱都会感知、决定和行动,所以都是机器人。遥控汽车只做人让它做的事。普通烤面包机和上发条的玩具则完全不会感知,也不会决定。洗衣机介于两者之间:它能感知水位、也按程序运行,但只是重复固定的流程而已。
例如:机器人:自动推拉门、火星车、机械臂、语音控制音箱; 只是机器:遥控汽车、普通烤面包机、上发条的玩具; 介于两者之间:洗衣机
要认识的词
- 机器人:
- 一种能感知周围环境、决定要做什么,并按照程序自己行动的机器。
- 机器:
- 能干活的工具,比如自行车或订书机。一台机器只有能自己感知、自己决定,才算得上机器人。
- 输入:
- 机器人从外界获取的信息,通常是通过传感器得到的。
- 处理:
- 「思考」的那一步:控制器根据输入决定接下来要做什么。
- 输出:
- 机器人做出的动作,比如转动一个轮子或点亮一盏灯。
- 控制器:
- 机器人的「大脑」:那台运行程序、做出决定的小型计算机。
- 传感器:
- 用来测量外界某种情况的部件,比如距离、光线或触碰。
- 执行器:
- 让某样东西动起来或让某件事发生的部件,比如电机、轮子或蜂鸣器。
- 程序:
- 控制器要遵循的一组指令,让它每次都用同样的方式把一件活儿干好。
- 自主:
- 靠传感器和程序自己行动,不需要人来操控。
- 遥控:
- 由人实时操控,比如用摇杆或手机应用来控制。
注意安全
这一周动手搭建或运行机器人之前,先把这些读一遍。
- Caution:让手指、头发和宽松的衣服远离套件机器人上转动的轮子和齿轮。
- Caution:不要打开或拆解真的家用电器;通过观察它们怎么工作来研究。
- Note:使用模拟器时如果眼睛累了,就短暂地离开屏幕休息一下。
动手做
选择你的路线
这门课你可以用机器人套件、浏览器模拟器,或者不插电、只用家里的材料来上。挑一条就行,随时可以换,你的成果不会丢。
「是不是机器人」考察
机器人套件把真实设备分成机器人、机器或介于两者之间,并用「感知、决定、行动」这套标准为每一个判断辩护。
- 看着每件设备问三个问题:它能感知什么吗?它能自己作决定吗?它能行动吗?真正的机器人这三件事都能自己做到。
- 把每件设备放到一条从「只是机器」到「完整机器人」的线上,并写一条理由说明你为什么放在那里。
考察你的套件机器人和另外三件设备
你需要:一套可编程机器人套件, 三件日常设备
步骤
- 1打开套件机器人,让它跑一段自带的简单行为。看看它感知到什么、又做了什么。
- 2把它和手电筒、上发条的玩具、手机作比较。每一件都判断能不能感知、决定、行动:是或否。
- 3把四件设备都放到从机器到机器人的那条线上,并为每一个说出理由。
做成了是什么样:套件机器人会落在靠近「机器人」的一端,因为它会感知、决定和行动;手电筒和上发条的玩具则落在靠近「机器」的一端。
- 每件设备都给出了能否感知、决定、行动的答案
- 每一个位置都写了理由
安全:机器人运转时,手指不要靠近转动的轮子和齿轮。
如果不管用
- 机器人只会直着往前开,从来不作反应
- - 载入一个会用到传感器的行为(比如遇墙停车),让学生看到它作决定的样子。
再往前一步:在家里找一件难以归类的设备,并解释它为什么处在中间地带。
对于每一件设备,判断它是机器人、处于中间地带,还是只是一台机器。然后勾出它真正拥有的部件:它会感知(输入)、会决定(处理)、会行动(输出)吗?这些部件才是你的证据,别只看外表。
1. 自动推拉门
你的判断
它有哪些部件?
2. 遥控汽车
你的判断
它有哪些部件?
3. 普通烤面包机
你的判断
它有哪些部件?
4. 火星车
你的判断
它有哪些部件?
5. 洗衣机
你的判断
它有哪些部件?
6. 机械臂(已编程)
你的判断
它有哪些部件?
7. 上发条的玩具
你的判断
它有哪些部件?
8. 语音控制音箱
你的判断
它有哪些部件?
已分类 0 / 8 件设备。
机器人系统图
机器人套件把一件真实设备当作机器人系统画出来:标注它的输入、处理、输出、控制器、传感器和执行器。
- 挑一件会感知、会决定的设备。在系统图纸上,用箭头画出输入、处理、输出的循环。
- 然后标出三大部件:哪一块是控制器,哪些是传感器,哪些是执行器。
给你的套件机器人画系统图
你需要:套件机器人, 「机器人系统图」活动纸
步骤
- 1在套件机器人上找到控制器(主板)、传感器和执行器(电机)。
- 2挑一个行为,比如「到墙前停下」,把输入、处理、输出的循环填完整。
- 3在你的图上标注每一个真实部件。
做成了是什么样:一张画完的系统图,显示输入(传感器读数)-> 处理(控制器决定)-> 输出(电机动作),并标注了真实部件。
- 输入、处理和输出都填好了
- 控制器、传感器和执行器都标注了
安全:轻拿轻放机器人;不要拉扯线缆。
如果不管用
- 分不清传感器和执行器
- - 传感器负责测量,执行器负责动作。问一问:哪个部件让东西动起来?
每台机器人都做三件事:接收信息(输入)、对信息进行思考(处理),然后做出动作(输出)。把下面每个部件按它承担的职责分类,再检查一下你的答案。
- 触碰传感器
- 距离传感器
- 颜色传感器
- 控制器
- 电机
- 扬声器
- 灯
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「实用机器人」设计挑战
机器人套件想出一台能干一件实事的机器人,把它画出来,并标注输入、处理和输出。
- 想一想家里或学校里有什么真实的小问题,是机器人可以帮上忙的。
- 把你的机器人画出来,至少标注一个传感器(输入)、它作出的判断(处理),以及至少一个执行器(输出)。
从你的套件里找灵感,设计一个帮手
你需要:作参考用的套件机器人, 铅笔和纸
步骤
- 1看看你的套件里传感器和电机都能做什么,从中找灵感。
- 2画一台实用机器人,并标注它的输入、处理和输出。
- 3用一句话写清楚它干什么活儿、帮的是谁。
做成了是什么样:一张标注清楚的草图,画的是一台说得通的帮手机器人,任务明确。
- 至少标注了一个传感器和一个执行器
- 处理环节的判断写下来了
- 写明了它干什么活儿、帮的是谁
安全:本周不需要动手搭建;这只是一份设计草图。
如果不管用
- 这台机器人没有传感器
- - 问一句:它怎么知道该动手了?传感器就该放在那个位置。
再往前一步:列一列你套件里哪些真实的传感器适合用在你的设计上。
「实用机器人」设计挑战
设计一台能帮到真实的人的机器人。把你的想法拆成三块:它感知什么、作出什么判断、又做了什么。先在纸上画出来,再在这里描述它。
例如:搬书、分拣可回收物、找丢失的东西、给植物浇水,或者去不安全的区域查看情况。
在纸上把机器人画出来并标注各个部件,然后在这里描述这张草图,好让它和你的设计一起保存下来。
预测
Commit to a guess before you test - then see how close you were. Your predictions save automatically.
怎样验证:用「感知、决定、行动」检验过之后,看看全班把它放在了从机器到机器人那条线的哪个位置,再和你的猜测对照一下。
知识检测
回答这几题,检验一下你能否分清机器人和机器,并说出它们的各个部件。
1. 判断这是哪一类系统。
一辆玩具车,你按下手柄上的按钮它就往前开,你拨动操纵杆它就转弯。它从来不会自己改变做法。
2. 下面哪些是执行器?把符合的都选出来。
把符合的都选出来。
3. 什么样的东西才算机器人,而不只是机器?
4. 在输入、处理、输出的循环里,「处理」指的是哪一步?
5. 机器人身上哪个部件是执行器?
6. 一台扫地机器人没人操控就把房间打扫干净了。这属于哪一类系统:
7. 机器人为什么需要程序?
已答 0 / 7
反思
你的反思会自动保存。
下周预告
下周我们不再光是谈机器人,而要真正动手搭一台能跑起来的。
- 如果你走的是不插电路线,攒下几个结实的纸箱和一些瓶盖。
- 给你的套件充好电,或者把模拟器加入收藏夹。
- 想一想:一个装了轮子的东西,什么情况下会翻倒,什么情况下能稳稳当当。
完成第 1 周
完成以下内容,即可结束本周并解锁下一周:
- 为一件设备完成机器人系统图 (not done yet)
- 画出并标注一台实用机器人 (not done yet)
- 知识检测至少答对 5 题中的 4 题 (not done yet)
- 写下你的反思 (not done yet)