机器人上楼梯乐高教案

乐高机器人上楼梯是一项结合机械结构、编程逻辑和物理原理的综合性STEM教育项目。以下是详细的教案设计，适用于初中及以上年龄段学生。

一、教学目标

1. 知识目标：理解机器人上楼梯的机械原理，包括重心控制、动力传递和传感器应用。

2. 能力目标：培养搭建复杂机械结构的能力和编程控制逻辑思维。

3. 情感目标：激发对机器人技术的兴趣，培养团队协作精神。

二、教学重点与难点

重点：

机器人爬升机构的稳定性设计

动力系统的齿轮比配置

传感器反馈与控制程序编写

难点：

机器人重心在爬升过程中的动态调整

不同台阶高度的适应性设计

防滑与防倾倒机制

三、教学准备

1. 硬件：乐高EV3或SPIKE Prime套装(含马达、传感器)、额外履带零件、配重块

2. 软件：乐高编程环境(如EV3 Classroom或SPIKE App)

3. 教具：不同高度的模拟楼梯(建议3-9厘米梯度)

四、教学过程

1. 理论导入(20分钟)

通过展示爬楼梯机器人视频，引导学生观察：

履带式与轮式机器人的爬升差异

重心位置对稳定性的影响

动力传递方式(齿轮比9:1可提供更大扭矩)

2. 结构搭建(60分钟)

基础结构：

使用两点连接固定主框架梁

应用三角刚性结构增强稳定性

履带系统搭建(注意履带松紧度)

进阶优化：

增加可调节配重装置

安装陀螺仪传感器监测倾斜角度

设计可伸缩的辅助支撑臂

3. 编程控制(40分钟)

基础程序：

```ev3

开始

循环无限次：

如果 陀螺仪角度>15度：

马达功率增加20%

否则：

保持恒定速度

结束

```

高级功能：

通过超声波传感器检测台阶高度

根据台阶高度自动调整速度

跌倒自动复位功能

4. 测试与优化(30分钟)

分阶段测试：

1. 3厘米低台阶(基础测试)

2. 5厘米台阶加泡沫障碍(防滑测试)

3. 7厘米高台阶加粘液(动力测试)

4. 9厘米极限高度(结构强度测试)

优化方向：

增加履带抓地齿

调整重心位置(电池安装高度)

改进齿轮传动效率

五、教学评估

1. 成果展示：各组演示机器人爬升不同高度楼梯的表现

2. 问题分析：记录并讨论爬升失败的原因及解决方案

3. 创意评分：对独特设计思路给予额外加分

六、延伸应用

引导学生思考技术迁移：

救援机器人地形适应能力

仓储物流自动爬升设备

家庭服务机器人楼梯导航

通过本课程，学生不仅能掌握乐高机器人的搭建与编程技巧，更能深入理解机械结构与控制系统的协同工作原理，为未来工程学习奠定基础。