慧鱼创意组合模型在机器人技术实验教学中的实践与应用

辛 颖，薛 伟，杨铁滨，狄海廷

(东北林业大学工程技术学院，哈尔滨150040)

机器人技术课程是以机械原理、控制工程基础、微机原理及应用等为先修课程，涉及机械学、电子技术、自动控制、计算机技术、传感器技术、人工智能、仿生学等多学科的综合性课程。在全国高校教育全面推进素质教育，提高大学生的科学素质，培养大学生的创新能力的发展趋势下，机器人技术课程逐步成为许多高校开设的专业课之一。各高校在提倡机器人基础教育的同时，提出重视实践，重视创新教育。在实验和实践教学方面，以往机器人技术课程的实验教学基本上是围绕基础理论的验证性实验，缺少设计性和综合性实验，不能给学生一个完全自由发挥创造的空间［1］。因此，探索新型的实验教学模式已成为机器人教学中急需解决的问题。

慧鱼创意组合模型是技术含量很高的工程技术类拼装模型，集教具与仿真模型于一身，是科技知识启迪、创新思维训练及创新能力开发的有效载体，为机器人实验教学提供了良好的实践平台［2－3］。东北林业大学工程技术学院2007年购进慧鱼创意组合模型，建立机器人创意实验室，展开了以慧鱼创意组合模型为教具的机器人技术实验教学改革，收到良好的效果。

1 慧鱼创意组合模型简介

慧鱼创意组合模型是一个结构件的集合，是由机械构件、电气构件、传感器、气动构件、电脑控制器及软件所组成的创新系统。模型设计采用模块式设计，可无限扩充;可反复拆装;产品系统化，种类多;可逼真地表现机械构件及科学原理;可编程控制实现，便于对机电一体化流程的全面认识。

慧鱼创意组合模型系统硬件主要包括百余种的拼插构件单元、驱动源、传感器、接口板等［4］。拼插构件单元主料均采用优质的尼龙塑胶，辅料采用不锈钢芯铝合金架等，采用燕尾槽插接方式连接，可实现六面拼接，多次拆装。系统提供的技术组合包中机械构件主要包括:联杆、链条、齿轮(普通齿轮、锥齿轮、斜齿轮、内啮合齿轮、外啮合齿轮)、齿轴、齿条、蜗轮、蜗杆、凸轮、弹簧、曲轴、万向节、差速器、齿轮箱、铰链等。

驱动源有电机驱动和气动驱动两种形式。驱动源包括直流电机驱动 (9 V、最大功率1.1 W、转速7 000 rpm)和减速直流电机驱动 (9 V、最大功率1.1 W、减速比50∶1/20∶1)。气动驱动包括储气罐、气缸、活塞、电磁阀和气管等元件。

慧鱼创意组合模型的传感器件主要包括感光传感器、接触传感器、热传感器、磁性传感器和红外线发射接收装置。

慧鱼创意组合模型的接口板自带微处理器，程序用ROBO Pro或高级语言编程，通过RS232串口与电脑连接，四路马达输出，八路数字信号输入，具有断电保护功能。

2 慧鱼创意组合模型在气动机器人实验教学中的应用方案

气压传动是以压缩空气作为工作介质进行能量的传递和控制的一种传动形式，是机器人的主要驱动方式之一，具有动作迅速、反应快、成本低等特点，在机器人中应用较多。采用慧鱼创意组合模型设计并组建气动机器人，不仅能够在课堂上展示其动作原理，而且可为学生进行机器人创新实验提供实验方案，促进学生对理论知识的理解和创新能力的培养。

2.1 气动机械手模型的总体结构设计

气动机械手的结构可以分为两个部分:抓装置和气源装置。

(1)抓手装置。用于抓取货物，由转盘、齿轮齿条、气缸等组成。

(2)气源装置。是为整个模型提供动力源的装置，它由空气压缩机、贮气罐、气管等组成。空气压缩机用于产生压缩空气，由电动机带动，将直流电动机的旋转运动转化为气缸的往复运动，从而产生压缩空气。

采用慧鱼创意组合模型构建气动机械手，组成的实物模型如图1所示。

图1 气动机械手的组合模型Fig.1 Combined model of pneumatic manipulator

在图1中，M1～M3是3个电磁换向阀，即为3个控制系统的输出，控制Z1和Z2两个气缸。E1和E8是触动开关，作为控制系统的输入。Z1是双作用气缸，在两个方向上由气体推动来实现运动。Z2是单作用气缸，即它的活塞只能在一个方向移动。

气动机械手工艺流程如图2所示。

图2 气动机械手工艺流程图Fig.2 Technical flow of pneumatic manipulator

根据气动机械手的工艺流程和气压回路组成，可确定机械手的控制任务:通电后，空气压缩机工作，压缩空气进入储气罐，再进入气缸Z2，推动活塞做功，机械手打开。二位三通阀M1通电，压缩空气进入气缸Z1，推动活塞做功，机械手运动到取货位置A。二位三通阀M3通电，气缸Z2的活塞反向做功，机械手闭合，抓取货物。二位三通阀M2通电，压缩空气进入气缸Z1，推动活塞反向做功，机械手运动到放货位置B。二位三通阀M3断电，压缩空气进入储气罐，再进入气缸Z2，推动活塞做功，机械手打开，放下货物。如此往复。?

图3 气动机械手主程序Fig.3 Main program of pneumatic manipulator

2.2 控制系统的硬件与软件设计

控制系统的硬件核心采用一台微型计算机作为控制计算机，安装慧鱼创意组合模型自带的ROBO Pro软件，编制相应的控制程序，通过USB通讯端口与ROBO接口板连接，然后通过接口板的I/O控制机械手。

气动机械手控制主程序如图3所示。整个系统的运行分为4个模块:机械手开启、机械手闭合、机械手移动到位置A、机械手移动到位置B。机械手开启子程序、机械手闭合子程序、机械手移动到位置A子程序、机械手移动到位置B子程序分别如图4(a)、(b)、(c)、(d)所示。

图4 气动机械手子程序Fig.4 Subprogram of pneumatic manipulator

该实验方案利用慧鱼创意组合模型、计算机和ROBO接口板等设备完成了气动机械手方案的设计、构建和调试，实现气动机械手的抓取工作。整个模型较理想地完成了设计工艺过程，气动机械手的开启和闭合动作有序，齿轮齿条啮合传动准确，气缸也运行无误。该方法可将新的创意思想转换为现实，缩短了产品设计的周期。

2.3 方案实施效果

通过将慧鱼创意组合模型应用于机器人技术课程实验，学生在对模型方案的设计与组装中，熟悉并掌握机器人的机械和自动化装置的常用结构和工作原理，并取得以下效果:

(1)调动了学生学习的主动性。以慧鱼创意组合模型为载体的机器人实验教学提供了一种特殊的学习模式，即一边动手制作，一边学习知识，在机器人制作过程中，每时每刻都会出现新的问题，明确的目标激发学生主动去寻找答案，既得到满意的作品又激发了学生学习的主动性。

(2)发挥了学生创造性思维的积极性。在“实践与创新”的宗旨下，通过慧鱼创新方案的实施与应用，提供了使学生的潜能得以充分发掘的环境，使学生逐渐养成“不墨守成规，不拘泥于传统”的思维习惯，培养了学生的实际动手能力、解决实际问题能力和创新设计能力。

(3)促进教师自身素质的提高，形成新的师生关系。由于创意组合模型涉及方案的创意和设计，许多内容超出教材，甚至超出教师的知识范围，因此必然督促教师自身的再学习和再提高。有了教学实践中师生共同探讨问题的经历，学生有问题愿找老师答疑和探讨，形成一种互相学习、互相促进的新型师生关系。

3 结论

通过采用慧鱼创意组合模型在机器人实验教学中的应用与实践，得出如下结论:

(1)设计气动机械手的实验方案，并采用慧鱼模型组建、验证。经实验调试，各元件对控制任务中要求的运动方向和启停位置执行准确，达到控制要求，所设计方案准确无误。慧鱼创意组装模型可使创新思想迅速转化为现实，这种创新设计方法缩短了设计周期。

(2)在机器人实验教学中采用慧鱼创意组合模型，调动了学生学习的主动性，培养了学生的实际动手能力、解决实际问题能力和创新设计能力，形成了学生之间、师生之间进行平等讨论的良好氛围，是培养学生实践能力的有效途径。

［1］辛 颖，薛 伟，狄海廷，等.基于慧鱼模型的机器人课程实验教学改革探索［J］.现代教育技术，2009，19(7):138 －140.

［2］蔡 理，郭鲁家.“慧鱼”模型在本科教学中的多层次应用［J］.实验室研究与探索，2004，23(7):81 －83.

［3］田亚平.基于“慧鱼”模型的开放性实验创新模式探索［J］.中国电力教育，2011，206(9):128 －129.

［4］冯 巍，杨 洋.慧鱼六足仿生机器人步态研究与实现［D］.北京:北京航空航天大学，1992.