慧鱼模型在机器人电子设计认识实习中的应用探索

王 蕾 陈 桂 林 健

南京工程学院自动化学院 江苏南京 211167

慧鱼模型在机器人电子设计认识实习中的应用探索

王 蕾 陈 桂 林 健

南京工程学院自动化学院 江苏南京 211167

机器人电子设计认识实习课是我校机器人专业开设的一门认识实习课，在大一下学期进行，是该专业学生入学后接触的第一门与机器人专业应用紧密结合的课程。针对大一学生的知识基础，结合机器人专业的发展和应用，我们采用慧鱼创意组合模型，使学生在开放性的实验环境中完成机器人电子设计的认识过程，同时也培养学生创新能力和运用所学知识解决实际问题的能力。

慧鱼创意组合模型；机器人电子设计；Robo TX控制器

我校是江苏省一所以工科为主的应用型高校。为培养面向应用、基础扎实、实践能力强、具有创新精神的应用型创新复合人才，我校于2013年开设了自动化(机器人)专业方向。针对该专业不同学习阶段的学生开设系统的、有层次的理论基础课、专业基础课以及大量的创新开放性实习和实验课程。“机器人电子设计认识实习”是机器人专业学生最早接触的一门专业实习课程。本课程的学习目标是加深学生对机器人机械组成、机电一体化、计算机程序控制的认识，锻炼学生的工程实践动手能力，培养学生创新意识和综合设计能力，完成对机器人电子设计的认识过程。

针对机器人电子设计认识实习的学习目标，结合大一下学期学生的特点，我们选用德国的慧鱼创意组合模型为实习平台，采用开放式的项目分组模式，在教师的指导下，给出学生备选项目，由学生根据个人的兴趣和能力，选择适合的项目，根据项目的任务要求，主动地获取知识、应用知识和解决问题。

1 慧鱼创意组合模型简介

慧鱼创意组合模型(fischertechnik)诞生于德国，是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具，也是体现世界最先进教育理念的学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。[1]慧鱼创意组合模型被德国西门子、美国IBM和德国宝马等世界知名公司用于生产流水线实施前的论证；进入中国以来，在清华大学、上海交通大学、同济大学、浙江大学等众多高校中得到日益广泛的应用。

慧鱼创意组合模型由机械构件、电气构件、气动构件、微型电机、传感器(光敏、热敏、磁敏、触敏等)、电脑接口板及控制软件等组成。[2,3]通过模块的不同拼装、重构和软件设计形成不同种类产品。图1所示的慧鱼模型产品为移动机器人。其中Robo TX 控制器(如图1圈中所示)是慧鱼接口板系列的第三代产品，可以实现电脑和模型之间的通信。[4,5]它可以接收传感器获得的信号，进行软件的逻辑运算，传输软件的指令。慧鱼产品给学生提供了自主搭建模型和与电脑程序相结合的实践平台。

图1 慧鱼移动机器人模型

慧鱼创意组合模型主要有组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科[6,7]，如机器人综合技术训练、气动机器人训练、探索机器人、工业机器人等。它可提供的项目有干手机、移动机器人、轨迹搜寻机器人、剪草机、叉车机器人、颜色分拣机器人、救援机器人、抓取机械手等。学生可根据功能要求，自己设计方案并组装成实物模型，模拟演示真实工作过程，直观调整并优化设计方案。

2 慧鱼机器人电子设计认识实习的实施

我校引进慧鱼创意组合模型10套，每套模型中包括9个组合包。机器人电子设计认识实习分班级开展，4个学生为一个实习小组。整个实习过程分为五个阶段进行：项目资料收集阶段、基本知识准备阶段、操作练习阶段、项目产品装配、编程、调试阶段、项目验收阶段。

2.1 收集项目资料

教师根据学生的特点，给出若干项目题目，例如，移动机器人、叉车机器人、颜色识别机器人、抓取机械手、轨迹搜寻机器人等。并由学生自由分组，根据个人兴趣和能力进行项目选择。选定题目后，每组成员根据所选项目的任务要求，开始分头执行各自的任务。包括搜集所用数据资料，阅读交流。在此过程中，教师要指导学生如何搜集信息和处理信息，要让学生了解哪些是相关的信息，如项目产品的实际应用背景、工作过程、注意事项等。指导学生整理和储存信息。

2.2 准备基本知识

教师采用计算机辅助教学方法对慧鱼创意组合模型进行讲解。结合慧鱼创意组合模型及实习任务要求，通过课件介绍和上机演示对慧鱼组合模型、装配方法等、ROBO TX控制器的使用、ROBOPRO软件编程等内容进行讲解。ROBOPRO软件编程采用图形化的语言，通过接口板与PC机相连，大一学生能够很快掌握和上手。同时它的直观性也容易调动学生学习和创新的积极性。

2.3 操作练习

教师以一个典型模型为例，根据不同的功能要求，进行师范编程，实现提出的功能。学生分组操作，教师提出不同的功能要求，并进行现场指导。

2.4 项目产品装配、编程、调试

学生根据所选项目领取所需的实验器材，包括慧鱼创意组合模型包、慧鱼专用电源、慧鱼接口板等。根据项目任务要求，分析项目工作原理和步骤等。以叉车机器人为例，其工作步骤如下。

(1)叉车从轨道端点A出发，此时叉车前叉升高(由限位开关控制其最高位置)。

(2)按压起动按钮，叉车开始沿环形轨道运行。

(3)在叉车运行过程中，根据轨迹传感器的检测信息实时调整叉车的运行方向(通过调整左右两侧车轮的运行速度实现运行方向的调整)。

(4)叉车运行到轨道端点B后，叉车停止运行，并降低前叉(由限位开关控制其最低位置)，然后向前运行到工件位置，前叉升高，叉起工件，掉头沿原路返回。

(5)叉车运行到端点A后，放下前叉，将工件放置在指定位置(端点A处)，后退一定距离，升起前叉，然后掉头，恢复到出发状态。至此叉车的一次工件搬运工作结束。

小组成员理解了项目任务后，进行组内协商分工，开始模型装配、编程、调试等实际操作，这是项目完成的关键步骤。

在进行模型装配之前，让学生认真阅读慧鱼公司提供的资料，从而获得大量的感性认识。之后，根据生产实践和生活经验进入动手创意阶段，大胆设想，进行设计组合和装配，构件项目中的结构模型，并搭接电路、气路连接线。然后根据项目工作原理和步骤进行图形化编程(如图2所示)。[4]在初步完成了软件编程后，先检查程序有无编写规范上的错误，通过仿真功能可以进一步检查错误。初步检查之后，将接口板连接到电脑，进行硬件测试，即可在线调试。如果调试程序无误，并且确保接口板与电脑的端口连接正确，即进行程序下载。下载完成系统将给予提示，此时即可断开电脑与接口板之间的连线，在下载模式下运行慧鱼模型。

图2 慧鱼模型产品(叉车机器人)流程图

装配、调试完成的几个项目产品模型如图3所示，包括叉车机器人、抓取机械手等。这些产品模型使知识具体化、形象化，为学生感知、理解和记忆知识创造了条件。从而减少学生掌握抽象概念的困难，助其形成明确的概念，发展其观察能力和思维能力，提高学生的学习兴趣和积极性。

图3 慧鱼产品图

2.5 项目验收

最后进行实习项目验收答辩，检验实习成效。各小组在完成实习项目后，要写出实习报告，详细叙述实习项目的设计思路与实现方法、遇到的问题及解决方法、项目小组的体会。并进行现场答辩：陈述制作过程、展示产品运行过程、解释关键工作原理和采用的方法、回答教师的提问。

3 结束语

通过使用慧鱼模型进行机器人电子设计认识实习，不仅让学生将多学科多领域的综合知识融会贯通于实习过程中，更重要的是培养了他们的创新意识和创新能力，提高了学生的实践动手能力，较好地解决了学生在学习过程中书本知识与实践脱节的问题，改变了学生动手能力差的状况，使书本知识与实践能有机地结合起来，对于学生理解机器人的机械结构、运动控制、电气控制原理等具有很大的益处。

慧鱼创意模型具有趣味性、易操作性和启发性，编程采用图形化的语言，通过接口板与PC机相连，也可以采用VB，VC等高级语言编程，将学生所学知识交叉融合，高级编程的应用可以在大三大四学生中开展。另外，该模型还提供了PLC接口板开展方式，可以直接用于高校机电类、自动化类专业PLC课程教学，具有较好的推广价值。

[1] 慧鱼简介及分类[EB/OL].[2014-5-4].http://www.cedutech.com/ content/282.html.

[2] 单玉霞,许蔷.论慧鱼模型对机电类大学生能力培养的作用[J].中国现代教育装备,2012(19):11-13.

[3] 张铁异,曹晓中,黄炳琼.慧鱼实验系统的二次开发[J].广西大学学报:自然科学版,2007,32(S1):12-14.

[4] 慧鱼机械创新设计实验指导书[Z].北京:北京中教仪人工智能科技有限公司,2012.

[5] Robo Pro使用手册[Z].北京:北京中教仪人工智能科技有限公司,2013.

[6] 司文慧.应用慧鱼模型实现创新性开放实验的模式探索[J].科技信息,2014(13):40-41.

[7] 方琳,张远明.基于“慧鱼”模型实习课程的改革与启迪[J].电气电子教学学报,2014,36(2):79-81.

The Applying of Fischer Model to Robot Electrical Designment and Understanding

Wang Lei, Chen Gui, Lin Jian
NNanjing Institute of Technology, Nanjing, 211167, China

The Robot Electrical Designment and Understanding is a practising course for the robot specialty in our institute, and it is opened in the second semester of the freshman. This course is the frst one integrated closely with the application of robot. Based on the knowledge of students and the development and application of the robot specialty, the Fischer model is applied in the practicing course. The students accomplish the robot electrical designment and understanding in the open environment. The students' innovative ability and problem-solving ability are improved at the same time.

Fischertechnik; robot Electrical designment; Robo TX controller

2014-10-17

王蕾，博士，副教授。

南京工程学院引进人才科研启动基金项目(编号：YKJ201219)；南京工程学院教学研究项目(编号：JY201109)；南京工程学院教学改革重点项目(编号：JG201306)。