慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型在機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐與應(yīng)用

辛 穎，薛 偉，楊鐵濱，狄海廷

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150040)

機(jī)器人技術(shù)課程是以機(jī)械原理、控制工程基礎(chǔ)、微機(jī)原理及應(yīng)用等為先修課程，涉及機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科的綜合性課程。在全國(guó)高校教育全面推進(jìn)素質(zhì)教育，提高大學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力的發(fā)展趨勢(shì)下，機(jī)器人技術(shù)課程逐步成為許多高校開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)課之一。各高校在提倡機(jī)器人基礎(chǔ)教育的同時(shí)，提出重視實(shí)踐，重視創(chuàng)新教育。在實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)方面，以往機(jī)器人技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本上是圍繞基礎(chǔ)理論的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺少設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)，不能給學(xué)生一個(gè)完全自由發(fā)揮創(chuàng)造的空間［1］。因此，探索新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已成為機(jī)器人教學(xué)中急需解決的問(wèn)題。

慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型是技術(shù)含量很高的工程技術(shù)類(lèi)拼裝模型，集教具與仿真模型于一身，是科技知識(shí)啟迪、創(chuàng)新思維訓(xùn)練及創(chuàng)新能力開(kāi)發(fā)的有效載體，為機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了良好的實(shí)踐平臺(tái)［2－3］。東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院2007年購(gòu)進(jìn)慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型，建立機(jī)器人創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)室，展開(kāi)了以慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型為教具的機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，收到良好的效果。

1 慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型簡(jiǎn)介

慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型是一個(gè)結(jié)構(gòu)件的集合，是由機(jī)械構(gòu)件、電氣構(gòu)件、傳感器、氣動(dòng)構(gòu)件、電腦控制器及軟件所組成的創(chuàng)新系統(tǒng)。模型設(shè)計(jì)采用模塊式設(shè)計(jì)，可無(wú)限擴(kuò)充;可反復(fù)拆裝;產(chǎn)品系統(tǒng)化，種類(lèi)多;可逼真地表現(xiàn)機(jī)械構(gòu)件及科學(xué)原理;可編程控制實(shí)現(xiàn)，便于對(duì)機(jī)電一體化流程的全面認(rèn)識(shí)。

慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型系統(tǒng)硬件主要包括百余種的拼插構(gòu)件單元、驅(qū)動(dòng)源、傳感器、接口板等［4］。拼插構(gòu)件單元主料均采用優(yōu)質(zhì)的尼龍塑膠，輔料采用不銹鋼芯鋁合金架等，采用燕尾槽插接方式連接，可實(shí)現(xiàn)六面拼接，多次拆裝。系統(tǒng)提供的技術(shù)組合包中機(jī)械構(gòu)件主要包括:聯(lián)桿、鏈條、齒輪(普通齒輪、錐齒輪、斜齒輪、內(nèi)嚙合齒輪、外嚙合齒輪)、齒軸、齒條、蝸輪、蝸桿、凸輪、彈簧、曲軸、萬(wàn)向節(jié)、差速器、齒輪箱、鉸鏈等。

驅(qū)動(dòng)源有電機(jī)驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩種形式。驅(qū)動(dòng)源包括直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) (9 V、最大功率1.1 W、轉(zhuǎn)速7 000 rpm)和減速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) (9 V、最大功率1.1 W、減速比50∶1/20∶1)。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)包括儲(chǔ)氣罐、氣缸、活塞、電磁閥和氣管等元件。

慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型的傳感器件主要包括感光傳感器、接觸傳感器、熱傳感器、磁性傳感器和紅外線(xiàn)發(fā)射接收裝置。

慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型的接口板自帶微處理器，程序用ROBO Pro或高級(jí)語(yǔ)言編程，通過(guò)RS232串口與電腦連接，四路馬達(dá)輸出，八路數(shù)字信號(hào)輸入，具有斷電保護(hù)功能。

2 慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型在氣動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用方案

氣壓傳動(dòng)是以壓縮空氣作為工作介質(zhì)進(jìn)行能量的傳遞和控制的一種傳動(dòng)形式，是機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)方式之一，具有動(dòng)作迅速、反應(yīng)快、成本低等特點(diǎn)，在機(jī)器人中應(yīng)用較多。采用慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型設(shè)計(jì)并組建氣動(dòng)機(jī)器人，不僅能夠在課堂上展示其動(dòng)作原理，而且可為學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供實(shí)驗(yàn)方案，促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.1 氣動(dòng)機(jī)械手模型的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)可以分為兩個(gè)部分:抓裝置和氣源裝置。

(1)抓手裝置。用于抓取貨物，由轉(zhuǎn)盤(pán)、齒輪齒條、氣缸等組成。

(2)氣源裝置。是為整個(gè)模型提供動(dòng)力源的裝置，它由空氣壓縮機(jī)、貯氣罐、氣管等組成?？諝鈮嚎s機(jī)用于產(chǎn)生壓縮空氣，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，將直流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生壓縮空氣。

采用慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型構(gòu)建氣動(dòng)機(jī)械手，組成的實(shí)物模型如圖1所示。

圖1 氣動(dòng)機(jī)械手的組合模型Fig.1 Combined model of pneumatic manipulator

在圖1中，M1～M3是3個(gè)電磁換向閥，即為3個(gè)控制系統(tǒng)的輸出，控制Z1和Z2兩個(gè)氣缸。E1和E8是觸動(dòng)開(kāi)關(guān)，作為控制系統(tǒng)的輸入。Z1是雙作用氣缸，在兩個(gè)方向上由氣體推動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。Z2是單作用氣缸，即它的活塞只能在一個(gè)方向移動(dòng)。

氣動(dòng)機(jī)械手工藝流程如圖2所示。

圖2 氣動(dòng)機(jī)械手工藝流程圖Fig.2 Technical flow of pneumatic manipulator

根據(jù)氣動(dòng)機(jī)械手的工藝流程和氣壓回路組成，可確定機(jī)械手的控制任務(wù):通電后，空氣壓縮機(jī)工作，壓縮空氣進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，再進(jìn)入氣缸Z2，推動(dòng)活塞做功，機(jī)械手打開(kāi)。二位三通閥M1通電，壓縮空氣進(jìn)入氣缸Z1，推動(dòng)活塞做功，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到取貨位置A。二位三通閥M3通電，氣缸Z2的活塞反向做功，機(jī)械手閉合，抓取貨物。二位三通閥M2通電，壓縮空氣進(jìn)入氣缸Z1，推動(dòng)活塞反向做功，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到放貨位置B。二位三通閥M3斷電，壓縮空氣進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，再進(jìn)入氣缸Z2，推動(dòng)活塞做功，機(jī)械手打開(kāi)，放下貨物。如此往復(fù)。?

圖3 氣動(dòng)機(jī)械手主程序Fig.3 Main program of pneumatic manipulator

2.2 控制系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件核心采用一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)作為控制計(jì)算機(jī)，安裝慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型自帶的ROBO Pro軟件，編制相應(yīng)的控制程序，通過(guò)USB通訊端口與ROBO接口板連接，然后通過(guò)接口板的I/O控制機(jī)械手。

氣動(dòng)機(jī)械手控制主程序如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行分為4個(gè)模塊:機(jī)械手開(kāi)啟、機(jī)械手閉合、機(jī)械手移動(dòng)到位置A、機(jī)械手移動(dòng)到位置B。機(jī)械手開(kāi)啟子程序、機(jī)械手閉合子程序、機(jī)械手移動(dòng)到位置A子程序、機(jī)械手移動(dòng)到位置B子程序分別如圖4(a)、(b)、(c)、(d)所示。

圖4 氣動(dòng)機(jī)械手子程序Fig.4 Subprogram of pneumatic manipulator

該實(shí)驗(yàn)方案利用慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型、計(jì)算機(jī)和ROBO接口板等設(shè)備完成了氣動(dòng)機(jī)械手方案的設(shè)計(jì)、構(gòu)建和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)機(jī)械手的抓取工作。整個(gè)模型較理想地完成了設(shè)計(jì)工藝過(guò)程，氣動(dòng)機(jī)械手的開(kāi)啟和閉合動(dòng)作有序，齒輪齒條嚙合傳動(dòng)準(zhǔn)確，氣缸也運(yùn)行無(wú)誤。該方法可將新的創(chuàng)意思想轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實(shí)，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期。

2.3 方案實(shí)施效果

通過(guò)將慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型應(yīng)用于機(jī)器人技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在對(duì)模型方案的設(shè)計(jì)與組裝中，熟悉并掌握機(jī)器人的機(jī)械和自動(dòng)化裝置的常用結(jié)構(gòu)和工作原理，并取得以下效果:

(1)調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。以慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型為載體的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種特殊的學(xué)習(xí)模式，即一邊動(dòng)手制作，一邊學(xué)習(xí)知識(shí)，在機(jī)器人制作過(guò)程中，每時(shí)每刻都會(huì)出現(xiàn)新的問(wèn)題，明確的目標(biāo)激發(fā)學(xué)生主動(dòng)去尋找答案，既得到滿(mǎn)意的作品又激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

(2)發(fā)揮了學(xué)生創(chuàng)造性思維的積極性。在“實(shí)踐與創(chuàng)新”的宗旨下，通過(guò)慧魚(yú)創(chuàng)新方案的實(shí)施與應(yīng)用，提供了使學(xué)生的潛能得以充分發(fā)掘的環(huán)境，使學(xué)生逐漸養(yǎng)成“不墨守成規(guī)，不拘泥于傳統(tǒng)”的思維習(xí)慣，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、解決實(shí)際問(wèn)題能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

(3)促進(jìn)教師自身素質(zhì)的提高，形成新的師生關(guān)系。由于創(chuàng)意組合模型涉及方案的創(chuàng)意和設(shè)計(jì)，許多內(nèi)容超出教材，甚至超出教師的知識(shí)范圍，因此必然督促教師自身的再學(xué)習(xí)和再提高。有了教學(xué)實(shí)踐中師生共同探討問(wèn)題的經(jīng)歷，學(xué)生有問(wèn)題愿找老師答疑和探討，形成一種互相學(xué)習(xí)、互相促進(jìn)的新型師生關(guān)系。

3 結(jié)論

通過(guò)采用慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐，得出如下結(jié)論:

(1)設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的實(shí)驗(yàn)方案，并采用慧魚(yú)模型組建、驗(yàn)證。經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，各元件對(duì)控制任務(wù)中要求的運(yùn)動(dòng)方向和啟停位置執(zhí)行準(zhǔn)確，達(dá)到控制要求，所設(shè)計(jì)方案準(zhǔn)確無(wú)誤。慧魚(yú)創(chuàng)意組裝模型可使創(chuàng)新思想迅速轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)，這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法縮短了設(shè)計(jì)周期。

(2)在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、解決實(shí)際問(wèn)題能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，形成了學(xué)生之間、師生之間進(jìn)行平等討論的良好氛圍，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的有效途徑。

［1］辛 穎，薛 偉，狄海廷，等.基于慧魚(yú)模型的機(jī)器人課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2009，19(7):138 －140.

［2］蔡 理，郭魯家.“慧魚(yú)”模型在本科教學(xué)中的多層次應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2004，23(7):81 －83.

［3］田亞平.基于“慧魚(yú)”模型的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新模式探索［J］.中國(guó)電力教育，2011，206(9):128 －129.

［4］馮 巍，楊 洋.慧魚(yú)六足仿生機(jī)器人步態(tài)研究與實(shí)現(xiàn)［D］.北京:北京航空航天大學(xué)，1992.