早在1997年，我们就开始对自动控制器件进行研究。从对自动控制装置（含机器人）的剖析，我们发现它通常由传感器、控制器和执行器三个模块构成（图3—4—4）。
图3—4—4 自动控制装置（机器人）
陈开云等老师根据上述思路自制的“模块组合教具”（图3—4—5），参加2000年第五届全国自制教具评选获得一等奖。该教具由传感器、控制器、执行器三部分组成，各部分又分为若干个子模块。学生只需了解各子模块的功能，通过各种模块的不同组合，即可搭配成多种不同功能的自动装置。如果有5种传感器模块，5种不同的控制程序和5种不同的执行方式，从理论上讲，可组成125种自动控制装置。
图3—4—5 自制的“模块组合教具”
根据教材设计要求，教材组要求研发中心以“模块组合教具”作为雏形，开发“模块机器人”作为学习包的平台。模块机器人作为物理教材，有别于市场上各种类别的机器人。由于要在有限的教学时间内完成特定的教学任务，因此模块机器人没有众多的“构件”，也不需要高深的编程技巧，更不是少数学生的实验项目。作为教学要求，它要求每一个学生都要参与其中。通过实验了解传感器，了解自动控制的组成部分，并通过实际操作，学会如何确定研究课题，利用有限的器材，进行组装，按照课题要求完成课题所制定的目标，这里有引导也有创意，是“学习包”希望得到的效果。
“模块机器人”根据模块电路组合的思路设计而成，它由传感器、控制器和执行器三类模块组成（图3—4—6）。
图3—4—6 模块机器人
1.传感器模块
传感器是机器人的“感觉器官”，利用敏感元件将外界各种信息转换成电信号。模块机器人主要有光、声、红外、温度、光电等传感模块。
机器人的类型、构成和外观千差万别，但经过笔者的抽象，发现所有的机器人基本上都由三大类功能组件构成，即传感器、控制器和执行器。笔者随即将这三类组件定义为模块。在工程实践中，同一类别的模块应该具备相同的外观、接口和控制方式，这种“毗邻一致”既是逻辑和识别的需要，也是工程实践中成本效益最大化的体现。同时也能够给学生以足够的提示：首先可以认清机器人及所有自动控制系统的构成要素，不被其纷繁芜杂的外表所影响；其次可以根据模块的类别进行平行扩展，以丰富机器人的功能。而对于中学阶段STEM教育来说，其主要目标也就是这两个方面的内容了。
2.控制器模块
控制器是模块机器人的“大脑”，其核心是微控制器。
图3—4—7为控制器“A、B、C、D”四个按键和插口的分布图。其中，A为“电源”键，是控制器的电源开关；B为“选择”键，用于选择控制方式；C为“运行”键，用于根据所选定的控制方式开始运行程序；D为“复位”键，用于终止程序运行。
图3—4—7 控制器“A、B、C、D”四个按键和插口的分布图
模块机器人可以通过以下三种途径获取控制方式：
（1）控制器自身存储的5种控制方式
按动“选择”键，从数码管中显示的数字可选择控制方式：01—即时控制；02—延时控制；03—“与”门控制；04—“或”门控制；05—“非”门控制。
（2）从光盘中下载控制方式
模块机器人配套光盘中提供了大量的实用程序，通过计算机程序下载，将需要的程序存入控制器中，扩大了实验的范围。
模块机器人配套光盘的实用程序
(www.xing528.com)
程序下载时，运行“选择”DIS模块机器人软件，点击其中的“模块机器人常用实例”（图3—4—8）。点击所选的实验界面（图3—4—9）。
图3—4—8
图3—4—9
与时俱进—DIS模块机器人的升级换代：
本文介绍的是DIS模块机器人的V1.0版本。在本文完成后不久，DIS模块机器人的V2.0版本就将定型了。研发中心，就是在对研发方向的坚持和对已有技术的超越中不断推陈出新的。
参照界面中的装置图，将传感器模块和执行器模块插入控制器中。接通控制器的电源，在按下“选择”键的同时按一下“复位”键，数码管上将出现“PC”字样，表明控制器已经进入程序下载状态（图3—4—10）。
图3—4—10 控制器进入程序下载状态
点击软件界面上的“下载”按钮，控制器上数码管的数字开始跳动，同时屏幕上出现“执行进度条”（图3—4—11）。当画面上的图标消失后，数码管的数字也停止跳动。按“复位”键，程序下载完毕。
（3）自行设计控制方式
如果希望自己设计控制程序，可以打开DIS模块机器人软件，点击其中的“模块机器人程序设计”，计算机界面如图3—4—12所示：界面的左侧为“传感器模块”栏，包含7种传感器；右侧为“执行器模块”栏，包含5种执行器；底部为“功能模块”栏。界面的中部为程序编写区域。
图3—4—11 屏幕上出现“执行进度条”
图3—4—12 DIS模块机器人软件
程序设计时，可根据需要将传感器模块、执行器模块和功能模块用鼠标分别拖放到屏幕的任意位置，然后通过对相关模块的设置和模块间的连线进行程序设计。图3—4—13为小灯闪烁的程序，图3—4—14为小车按矩形行走的程序。
图3—4—13 小灯闪烁的程序
图3—4—14 小车按矩形行走的程序
3.执行器模块
执行器犹如“人的四肢”，是自动化技术中接受控制信息，并对外进行操作的装置。常用的是机电一体化的器件。模块机器人中配有包含电动机的动力小车、风扇、自动门，灯光、声响组成的彩灯显示、报警等。
通过上述实验，模块组合机器人可以让学生尝试，用有限的模块发挥无穷创意的乐趣。
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