基于單片機(jī)控制的交互式3D拼圖設(shè)計(jì)

肖楠 張鐵成 周詩(shī)琳

摘 要：為了便于青少年，尤其是低齡兒童學(xué)習(xí)編程知識(shí)，提出了將編程與3D拼圖相結(jié)合的設(shè)計(jì)方向，探討了單片機(jī)選擇、編程語(yǔ)言選擇、交互方式選擇、3D拼圖造型設(shè)計(jì)、拼接方式、拼圖加工方式等問題，最后設(shè)計(jì)并制作了一款具有可編程、語(yǔ)音控制、多種交互方式、可行走的機(jī)器人造型的3D拼圖機(jī)器人。

關(guān)鍵詞：交互式拼圖; 3D拼圖; 激光加工; 圖形編程

中圖分類號(hào)：TP391.9 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2019）06-035-002

3D拼圖（立體拼圖）是將經(jīng)典平面拼圖玩具向立體化發(fā)展，將在拼圖過(guò)程中鍛煉的平面化思維轉(zhuǎn)向了立體化思維體驗(yàn)，拼裝過(guò)程趣味性十足，出現(xiàn)了以建筑、動(dòng)物等等為主題，格式各樣的立體拼圖，已發(fā)展為集娛樂、知識(shí)、欣賞于一體的DIY玩具;隨著創(chuàng)客教育的發(fā)展，越來(lái)越多的兒童開始學(xué)習(xí)編程，出現(xiàn)了樂高教育機(jī)器人、Abilix Krypton、mBot Robot Kit等產(chǎn)品，現(xiàn)有產(chǎn)品大致用配套的APP、手勢(shì)或語(yǔ)音控制，配合先進(jìn)的機(jī)電一體化技術(shù)，讓現(xiàn)有電子玩具被賦予了生命，并讓孩子們?cè)⒔逃跇贰，F(xiàn)有立體拼圖的控制方式比較簡(jiǎn)單，與單片機(jī)結(jié)合的設(shè)計(jì)也非常少，將3D拼圖與單片機(jī)、傳感器等結(jié)合，將編程功能融入到拼圖中，可在一定程度上擴(kuò)展立體拼圖產(chǎn)品的發(fā)展方向，增加市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1.單片機(jī)編程及交互控制方式

1.1單片機(jī)及編程語(yǔ)言的選擇

目前適合青少年使用的單片機(jī)主要有樹莓派、Arduino和micro：bit等，Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)，包含硬件（各種型號(hào)的Arduino板）和軟件（ArduinoIDE），對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，極易掌握，同時(shí)有著足夠的靈活性;micro：bit是一款由英國(guó)BBC設(shè)計(jì)的ARM架構(gòu)的單片機(jī)，板載藍(lán)牙、加速度計(jì)、電子羅盤、三個(gè)按鈕、5x5LED點(diǎn)陣。Arduino作為全球最流行的開源硬件，比較典型的產(chǎn)品為arduinoNANO，該款產(chǎn)品為基于ATmega328P的單片機(jī)開發(fā)板，因其成本低，接口豐富，尺寸小等特點(diǎn)，非常適合本項(xiàng)目。

傳統(tǒng)的Arduino IDE使用代碼的編程方式不適合青少年，尤其是兒童使用，市面出現(xiàn)了米思齊（Mixly）、ArduBlock、S4A（scratch for Arduino）、Mind+、MBlock等圖形化編程軟件，非常適合低齡兒童學(xué)習(xí)編程。Mixly For Arduino（米思齊圖形化編程工具）有windows版、mac版、Python版和Android版，是一款用于中小學(xué)創(chuàng)意電子教學(xué)的圖形化編程軟件，由北京師范大學(xué)米思奇團(tuán)隊(duì)開發(fā)和維護(hù)，它是基于谷歌的圖形化開源引擎Blockly進(jìn)行的開發(fā)，現(xiàn)在已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)重要的創(chuàng)客教育編程軟件之一。

1.2交互方式的選擇

根據(jù)現(xiàn)有傳感器的特點(diǎn)及尺寸，采用了語(yǔ)音交互、按鍵交互、光敏開關(guān)、聲控開關(guān)等控制方式、切斜開關(guān)、光電開關(guān)、APP藍(lán)牙連接遙控、紅外遙控器、超聲波測(cè)距等控制方式，也增加了LEDRGB發(fā)光二極管、LEDRGB光帶、MP3語(yǔ)音播放等信息輸出方式，安裝了舵機(jī)、電機(jī)等動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)拼圖沿特定軌跡的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)所需功能的不同，將單片機(jī)、電源、輸入控制傳感器、聲光傳感器、運(yùn)動(dòng)元件分別安裝在特定的拼圖盒子里，便于與拼圖的其他部分的連接。

2.3D拼圖設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1單片機(jī)及傳感器的收納設(shè)計(jì)

根據(jù)擬采用單片機(jī)、電源、傳感器、舵機(jī)、電機(jī)、電機(jī)控制板的尺寸，首先設(shè)計(jì)出可以集合在一起的單片機(jī)元件，統(tǒng)一放置在簡(jiǎn)單的盒子中，將驅(qū)動(dòng)舵機(jī)、電機(jī)的控制板也單獨(dú)放置在簡(jiǎn)單的盒子中，將按鍵等傳感器單獨(dú)設(shè)計(jì)，其操作的功能面盡量外露，以便于操作，發(fā)光元件也固定在特定的拼圖上。

2.2 3D拼圖的造型設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品所針對(duì)的目標(biāo)人群，本設(shè)計(jì)以典型的動(dòng)漫形象為造型來(lái)源，通過(guò)對(duì)其特征的提取，同時(shí)充分考慮3D拼圖產(chǎn)品拼裝后的造型特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款機(jī)器人3D拼圖。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先在三維軟件Rhino中繪制產(chǎn)品的整體形態(tài)，然后按照拼圖產(chǎn)品的拼接方式，將整體形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭善囱b的拼圖模塊，通過(guò)典型的卡扣連接，將各個(gè)面連接為一個(gè)拼圖單元。

2.3拼圖單元的連接

在設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮各拼圖單元間的連接，尤其是拼圖與單片機(jī)收納盒的連接，單片機(jī)收納盒也要易于從拼圖整體上拆卸，便于單片機(jī)的維護(hù)。

2.4 3D拼圖的加工方式

將設(shè)計(jì)好的拼圖在三維空間中檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性，然后將立體的拼圖零件在三維軟件中通過(guò)旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等方式排放在一個(gè)平面上，將各拼圖零件的直線邊貼合在一起，盡量控制所占面積的大小，減少加工過(guò)程中材質(zhì)的浪費(fèi)。使用Rhino的Make2D命令將排布在一個(gè)平面上的拼圖元件輸出為dxf格式。擬采用激光雕刻機(jī)對(duì)2mm厚椴木層本進(jìn)行激光切割，將輸出的dxf格式文件導(dǎo)入到激光加工軟件RDworks中，通過(guò)刪除重線命令刪除重復(fù)的線，設(shè)置合適的加工功率及加工速度，實(shí)現(xiàn)切割、雕刻等功能。

2.5 3D拼圖的拼裝方式

各拼圖片通過(guò)片間的卡扣自動(dòng)連接，如卡片間因加工造成的誤差，可能存在松動(dòng)現(xiàn)象，可適應(yīng)熱熔膠棒對(duì)局部進(jìn)行粘貼，加強(qiáng)連接的牢固性。

2.6 3D拼圖說(shuō)明書

因拼圖最終所需的拼圖片至少在100片以上，各拼圖片間存在形象類似，在拼裝過(guò)程中不易區(qū)分，本設(shè)計(jì)通過(guò)在每一個(gè)拼圖片上使用激光雕刻機(jī)雕刻了每一片的編號(hào)，便于識(shí)別各拼圖片，使用圖形設(shè)計(jì)軟件CorelDRAW制作了詳細(xì)的拼圖拼裝步驟立體示意圖，根據(jù)示意圖能找到所需的拼圖片。

3.結(jié)論

根據(jù)本拼圖所面向的使用人群，選擇了易于上手的圖形編程軟件——米思齊，綜合使用了聲音、RGB LED、舵機(jī)、電機(jī)等傳感器及顯示、動(dòng)力輸出裝置，在三維軟件Rhino中構(gòu)建了拼圖產(chǎn)品的三維效果圖，檢驗(yàn)拼圖內(nèi)部空間的合理性、拼裝過(guò)程的合理性，導(dǎo)出符合激光加工要求的二維文件，通過(guò)激光雕刻機(jī)切割了2mm厚椴木層板，制作了詳細(xì)的拼裝過(guò)程示意圖。最終設(shè)計(jì)出一款具有可編程功能、能根據(jù)特定的語(yǔ)音來(lái)控制機(jī)器前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、播放音樂等功能、可自由拼接的機(jī)器人造型的3D拼圖。

基金項(xiàng)目：遼寧省2018年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201811258036）

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