LEGO SPIKE 手势控制三自由度机械臂教案

一、教学目标

1. 知识目标

了解 AI 视觉传感器识别手势的基本原理
理解矩形框中心点 X/Y 坐标的意义
学习 LEGO SPIKE 电机角度控制方法
学习串口通信协议的数据解析方式
初步理解“位置控制”与“PID 控制”的区别

2. 技能目标

能够完成三自由度机械臂的搭建
能够实现手势控制机械臂左右、上下、抓取动作
能够使用 RobotCode App 编写视觉逻辑
能够使用 SPIKE App 编写电机控制程序
能够调试机械臂动作与手势映射关系

3. 思维目标

培养“视觉识别 → 数据协议 → 机械执行”的系统思维
培养 AI + 机器人跨学科综合实践能力
理解人机交互的基本实现方式

二、教学准备

1. 硬件准备

硬件	数量	说明
LEGO SPIKE 主机	1	主控制器
AI视觉传感器	1	接 SPIKE A 口
LEGO 电机	3	分别接 C、D、E
USB数据线	1	下载程序
电脑/平板	1	编程使用

2. 接线说明

设备	接口
AI视觉传感器	A口
左右旋转电机	C口
上下控制电机	D口
机械爪电机	E口

3. 软件准备

软件	作用
LEGO SPIKE App	电机控制程序
RobotCode App	AI视觉识别与协议处理

三、教学流程

第一阶段：课程导入

教师演示

教师演示：

手向左移动 → 机械臂向左
手向右移动 → 机械臂向右
手抬高 → 机械臂抬起
五指并拢 → 机械爪抓取

引导学生思考：

“机械臂为什么能理解我们的手势？”

第二阶段：机械臂搭建

搭建要求

机械臂需要具备：

左右旋转自由度（C电机）
上下抬升自由度（D电机）
机械抓取自由度（E电机）

alt text 简单抓取结构参考官方的搭建版本，也可以自行构建

第三阶段：初级编程（位置控制）

教学重点

本阶段：

不使用 PID 算法
直接根据位置控制角度
重点理解：
- 坐标判断
- 数据协议
- 电机动作映射

RobotCode App 逻辑

摄像头分辨率

设置为：

800 宽度分辨率

左右控制逻辑（C电机）

X坐标范围	C电机角度
X < 300	320°（左）
300 ~ 500	0°（中间）
X > 500	40°（右）

上下控制逻辑（D电机）

Y坐标	D电机角度
Y < 200	45°（向上）
Y ≥ 200	0°（向下）

抓取判断逻辑（E电机）

判断：

大拇指指尖与食指指尖的 Y 方向距离。

当：

距离 ≤ 50

认为“五指并拢”。

机械爪执行抓取动作。

数据协议设计

协议结构

采用：

百位 + 十位 + 个位

协议含义

位数	含义
百位	是否抓取
十位	D电机状态
个位	C电机状态

协议示例

101

表示：

抓取
D电机处于下方
C电机处于左边

Senrayvar APP 程序逻辑

alt text

SPIKE App 程序逻辑

电机控制逻辑

C电机

状态	角度
0	0°
1	320°
2	40°

D电机

状态	角度
0	0°
1	45°

E电机

状态	动作
0	松开
1	抓取

代码示例

alt text

第四阶段：高级编程（P-Control 控制）

高级协议设计

RobotCode App 返回：

x = 矩形框中心点X / 10
y = 矩形框中心点Y / 50
catch = 0 或 1

协议格式

catch * 1000 + y * 100 + x

示例

1642

表示：

抓取
y = 6
x = 42

senrayvar scratch 代码

alt text

SPIKE Python 核心代码

import distance_sensor
import motor
import runloop
from hub import port
# from app import display

# --- 核心配置参数 ---
GRAB_DEGREE = 350
RELEASE_DEGREE = 25
MOTOR_SPEED = 200

X_CENTER = 40 # 映射后的中点
Y_CENTER = 6 # 映射后Y轴的中点, 不需要向下

X_MULTIPLIER = 2
Y_MULTIPLIER = 5

# --- 丝滑控制参数 (P-Control) ---
GAIN = 6        # 速度增益(灵敏度)。如果电机跟手太慢就调大(如8)，如果到位后容易来回晃就调小(如4)
MAX_SPEED = 400 # 限制最高转速，防止动作太猛烈
DEADZONE_C = 2    # 死区（度）：误差在这个范围内认为已到达，电机刹车，防止微小数值跳动引发的嗡嗡响
DEADZONE_D = 2

def get_shortest_error(target, current):
    """计算最短路径的角度差 (-180 到 180)"""
    error = target - current
    if error > 180:
        error -= 360
    elif error < -180:
        error += 360
    return error

async def main():
    while True:
        dist_mm = distance_sensor.distance(port.A)

        if dist_mm <= 0:
            # 丢失目标时，让电机失去动力平滑溜车停止，而不是急刹车
            motor.stop(port.C, stop=motor.COAST)
            motor.stop(port.D, stop=motor.HOLD)
            await runloop.sleep_ms(20)
            continue

        dist_cm = dist_mm // 10

        # 解析数据
        x_val = dist_cm % 100
        y_val = (dist_cm // 100) % 10
        action_code = dist_cm // 1000

        # 计算新的理论目标位置 (0-359 范围内)
        target_c = int((x_val - X_CENTER) * X_MULTIPLIER) % 360
        target_d = int(-(y_val - Y_CENTER) * Y_MULTIPLIER)

        # 获取电机当前真实的绝对角度
        current_c = motor.absolute_position(port.C) % 360

        # 计算应该向哪个方向转、转多少度 (最短路径)
        error_c = get_shortest_error(target_c, current_c)

        # display.text(str(target_c) + " " +str(target_d) + " " + str(action_code))

        # ----------------------------------------------------
        # 核心修改：使用比例速度控制替代位置控制
        # ----------------------------------------------------

        # 控制 C 电机 (X轴)
        if abs(error_c) > DEADZONE_C:
            # 距离越远，算出来的速度越大；快到了，速度自动变小
            speed_c = int(error_c * GAIN)
            # 限制速度在 MAX_SPEED 内
            speed_c = max(min(speed_c, MAX_SPEED), -MAX_SPEED)
            # 使用 motor.run 发送持续的速度指令
            motor.run(port.C, speed_c)
        else:
            motor.stop(port.C, stop=motor.COAST)

        # 控制 D 电机 (Y轴)
        if target_d > 5:
            motor.run_to_absolute_position(port.D, 45, MOTOR_SPEED, direction=motor.SHORTEST_PATH)
        else:
            motor.run_to_absolute_position(port.D, 0, MOTOR_SPEED, direction=motor.SHORTEST_PATH)

        # 4. 控制机械爪电机 E (抓和放属于定点动作，依然可以用位置控制)
        if action_code == 1:
            motor.run_to_absolute_position(port.E, GRAB_DEGREE, 1000, direction=motor.SHORTEST_PATH)
        elif action_code == 0:
            motor.run_to_absolute_position(port.E, RELEASE_DEGREE, 1000, direction=motor.SHORTEST_PATH)

        # 刷新频率改为 20ms。5ms 对物理电机响应来说太快了，容易积压指令。20ms(约50fps) 足够视觉上的丝滑了。
        await runloop.sleep_ms(10)


runloop.run(main())

四、演示与测试

测试内容

1. 左右跟随测试

移动手掌：机械臂是否正确左右旋转。

2. 上下控制测试

抬高手掌：机械臂是否抬起。

3. 抓取测试

五指并拢：机械爪是否抓取。

4. 综合测试

连续完成：

左右移动
上下移动
抓取动作

观察机械臂是否稳定。

五、拓展思考

问题1

如果想让机械臂更加丝滑，除了 P-Control，还能加入什么算法？

提示：

PID算法。

问题2

如果加入 AI 模型，机械臂还能识别哪些手势？

例如：

OK
点赞
握拳
数字手势

六、教学总结

本节课学习了：

AI视觉识别
手势坐标获取
数据协议设计
SPIKE 电机控制
三自由度机械臂控制

同学们体验了：

“用自己的手控制机器人”。

七、课堂展示

展示内容

每组同学完成：

手势控制机械臂
完成抓取任务
展示自己的扩展创意

LEGO SPIKE 手势控制三自由度机械臂教案 ​

一、教学目标 ​

1. 知识目标 ​

2. 技能目标 ​

3. 思维目标 ​

二、教学准备 ​

1. 硬件准备 ​

2. 接线说明 ​

3. 软件准备 ​

三、教学流程 ​

第一阶段：课程导入 ​

教师演示 ​

第二阶段：机械臂搭建 ​

搭建要求 ​

第三阶段：初级编程（位置控制） ​

教学重点 ​

RobotCode App 逻辑 ​

摄像头分辨率 ​

左右控制逻辑（C电机） ​

上下控制逻辑（D电机） ​

抓取判断逻辑（E电机） ​

数据协议设计 ​

协议结构 ​

协议含义 ​

协议示例 ​

101 ​

Senrayvar APP 程序逻辑 ​

SPIKE App 程序逻辑 ​

电机控制逻辑 ​

C电机 ​

D电机 ​

E电机 ​

代码示例 ​

第四阶段：高级编程（P-Control 控制） ​

高级协议设计 ​

协议格式 ​

示例 ​

1642 ​

senrayvar scratch 代码 ​

SPIKE Python 核心代码 ​

四、演示与测试 ​

测试内容 ​

1. 左右跟随测试 ​

2. 上下控制测试 ​

3. 抓取测试 ​

4. 综合测试 ​

五、拓展思考 ​

问题1 ​

问题2 ​

六、教学总结 ​

七、课堂展示 ​

展示内容 ​

LEGO SPIKE 手势控制三自由度机械臂教案

一、教学目标

1. 知识目标

2. 技能目标

3. 思维目标

二、教学准备

1. 硬件准备

2. 接线说明

3. 软件准备

三、教学流程

第一阶段：课程导入

教师演示

第二阶段：机械臂搭建

搭建要求

第三阶段：初级编程（位置控制）

教学重点

RobotCode App 逻辑

摄像头分辨率

左右控制逻辑（C电机）

上下控制逻辑（D电机）

抓取判断逻辑（E电机）

数据协议设计

协议结构

协议含义

协议示例

101

Senrayvar APP 程序逻辑

SPIKE App 程序逻辑

电机控制逻辑

C电机

D电机

E电机

代码示例

第四阶段：高级编程（P-Control 控制）

高级协议设计

协议格式

示例

1642

senrayvar scratch 代码

SPIKE Python 核心代码

四、演示与测试

测试内容

1. 左右跟随测试

2. 上下控制测试

3. 抓取测试

4. 综合测试

五、拓展思考

问题1

问题2

六、教学总结

七、课堂展示

展示内容