面向工业设计实验课程的综合实验平台设计探索与实践

曾志雄　吕恩利　蔡任

摘要：为提高工业设计专业学生在实验实践环节的综合应用能力，提炼工业设计专业实验教学中存在的问题，基于工程制图、几何建模、有限元分析、传感器应用、编程等工业产品设计技能，结合Rhinoceros外观设计、Solidworks工程设计、C语言编程等工具，提出实现工业设计专业多实验课程教学的综合实验平台，并通过单片机控制、3D打印、机床切割等技术搭建实物模型。在综合实验平台设计环节，融入了工业设计核心课程的实验教学内容，并提出不同环节下建议采用的教学实施方法。该综合实验平台覆盖了工业设计专业多门实验课程的教学内容，有助于系统化锻炼学生的综合实践能力。

关键词：工业设计;实验课程;综合实验平台设计

中图分类号：G64 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2020）05-0040-03

1工业设计专业实验课程教学中存在的问题

1.1与实验实践课程教学内容相关的实验平台缺失

在实际教学中，与市场实际产品交互较少，并缺乏多学科多课程耦合交叉渗透的实验实践课程，且相关实验仪器设备较少。

1.2与产业密切联系的课程实践较少

工业设计是一门面向市场应用的学科，需要在教学过程中培养学生的实战能力，而当前许多高校的工业设计学科的实验教学存在着深度和综合度不够的问题，使得学生难以从课堂中较为全面地掌握实践技能。由于缺乏综合性、全面性的实验实践锻炼，学生无法真实接触学科发展潮流和提取现代工业产品设计的特征信息。

1.3学生知识面偏窄

工业设计需要学生具有多学科知识、纵横向设计思维，且在“工业4.0”的新时代背景下，工业设计的学生需要掌握整合和应用多方面知识的能力。目前，工业设计专业的学生知识面偏窄，对多学科知识的主动获取较被动。

2面向工业设计实验课程的综合实验平台设计思路与教学知识点整合

2.1设计思路

通过在实验实践课中将工业设计核心教学课程串联起来，并融入“工业4.0”的人工智能设计内容，同时结合对人类生活面临的问题进行思考，系统性地培养学生构思与实践设计技能，从而实现提高学生的综合设计能力和社会责任意识的目标。结合工业设计专业对多学科融合需求，开展针对多门实验实践课程交叉渗透的实验平台设计与研究。

2.2教学知识点整合

面向工业设计实验课程在综合实验平台设计过程，结合产品设计调研、设计构思、产品外观手绘、内部结构设计、三维建模、静力学分析、动力学仿真、控制算法的编程、3D打印技术、机加工技术和设计材料加工工艺等多项教学内容，整合的实验实践课程教学知识点如表1所示。

3面向工业设计实验课程的综合实验平台设计实践

3.1设计调研

充分调研是设计成败的关键，而作为产品原创设计和产品结构分析等课程内容，任课老师可指导学生对产品的市场需求、技术参数、用户习惯等多方面进行调查问卷设计与数据分析。

在以往的教学实验平台外观上，厂家出于对实际工作环境、工程原理和成本等多方面的综合考虑，常采用“横平竖直”的形态，且配色单一，显得冰冷。教学实验平台是工程技术设备，其形态在很大程度上拘固于其结构和功能。即便如此，教学实验平台的形态设计仍然可以在满足其结构和功能的前提下，突显产品的美感，表达产品的设计语意，实现其精神价值。

相对于发达国家，我国在智能装备领域的设计研究起步较晚，较多企业把资源投入到了关键技术的研究上，逐步改善功能，提高可靠性、性能稳定性，但缺乏专门的设计部门，可能会造成艺术设计元素在智能装备设计中应用不足。针对教学实验平台的技术与艺术融合现状调研，主要有以下两个方面：（1）在艺术设计方面，设计师主要集中在对产品的外在认知方面，这些理论研究应用在常见的消费品设计中并无问题。但需要理清的是，教学实验平台的设计不仅需要认知心理学方面的知识，还需要有对其功能性、安全性、易造性、实用性等多方面的基础理论知识的多学科交叉和耦合;（2）教学实验平台设计一般没有深入到产品研发的全过程中，往往由工程师完成结构设计后对产品外观开展做部分美化工作，使得艺术创新设计方面的思想不能深入到产品研发的设计中。教学实验平台研发中技术与艺术交叉融合渗透，将是解决两者割裂的有效措施，而这也是多门实验课程综合教学的重点。

3.2设计方案构思

使用仿生设计学作为教学实验平台外观设计的设计手法。生物的多元性也为现代工业产品的设计提供了丰富的设计资源和灵感。而在现实中，现代工程设备在审美和设计中往往呈现出一种钢铁机器的冷漠感，教学实验平台也不例外。在工业设备的设计过程中采用仿生设计学的原理将能够有效缓解这种冷漠感。鉴于此，在结合立体造型基础实验等课程的教学过程中，可鼓勵学生采用仿生设计学或其他设计法则开展外观设计，将仿生设计学的原理融入到工业产品的设计中，彰显工业产品设计的人文性和时代性。

3.3草图绘制与方案选取

根据前文所述的设计方案构思，结合产品设计表现的课程知识，建议学生开展小组讨论与草图绘制，熟悉设计草图、计算机辅助设计与模型制作技能。具体可结合机械设计基础，平面造形基础，立体造型基础等课程内容进行实验实践融合。图1为课程教学中学生完成的草图绘制。

3.4三维模型搭建与工程图绘制

在计算机辅助三维设计、机械设计基础、工程力学、产品结构分析、工程图学等实验实践课程中，教导学生应用常用三维建模软件开展几何建模和结构设计，同时鼓励学生进行团队合作和小组讨论。应用Rhinoceros和Solidworks三维建模软件分别对教学实验平台的形态和结构进行设计，在分模块建模后进行相互拼接。随后应用Keyshot软件对其进行效果图渲染，其外观效果图和内部结构图分别如图2、图3所示。

由图2的外观效果图可以看出，提案采用了抽象化的仿生方法，对蚂蚁的形象进行抽象提炼，同时提取了钻石的外观元素，融入“坚固可靠”的设计语意。采用了具有一定斜角的多平面组合形体，这种外观可通过金属板的简单折弯、切割和拼接而成，简化了制造工艺，降低了制造成本，且在实际工作中具有相对良好的耐撞击效果。方案中，教学实验平台的主体颜色为：上部橘黄色、下部灰色，具有温馨、稳重之感同时彰显着现代科技的魅力，且具有一定的耐脏性;其前脸和后方分别使用了黄色和红色的灯带，在增强其形象的同时也具备良好的提醒功能，符合“好看即好用”的设计原则，方案供教学实践环节参考。

教学实验平台需要具备行进、转弯、上方承重、内部安放等功能。为满足上述功能，对其结构开展如下设计，供实际教学实践环节参考。

1）动力结构。教学实验平台的轮系主要包括转向轮、从动轮和驱动轮三部分，其轮系结构一般为二轮、四轮、六轮。结合对AGV的稳定性和操纵性的考虑，采用四轮结构作为其轮系结构，四驱电机均为国标37直流减速电机。转弯装置主要采用了连杆进行连接，并用鱼眼螺栓、直角通管等连接，其材料为304不锈钢，转弯装置的驱动方式采用永磁式二相步进电机控制转向轮转向，两个转向轮通过连杆机构连接在一起，再通过TB6560驱动模块控制步进电机转动连接杆，进而带动转向轮转动。这种驱动方式能够保证两个转向轮转动的角度一致，从而降低误差的。

2）支撑结构。当承重面面积较大、而重力作用比较集中时，容易使承重面发生形变，进而损坏设备。因此，在小车的底盘上固定一些加强筋并以此连接承重面，能够有效分解承重面所受的压力。小车的承重面下加了一系列间距相同的加强筋并以底盘作为加强筋的支撑面。其中，承重面的材料为304不锈钢，其厚度为2mm;加强筋的厚度为5mm厚，材料为304不锈钢。对支撑结构进行静态压力仿真分析，此次仿真分析是在使用Solidworks有限元软件进行的。对承重面分别施加不同的压强时。由表2可知，在合理的载荷范围内（当压强≤100N·m^-2）时，该支撑结构设计合理，能够有效地减少应力集中进而避免了结构损坏，从而保证了教学实验平台在运输货物过程中的稳定性。

3）安放结构。在底盘上采用了双层安放面的设计，能够有效地利用空间，并应用螺钉、系带等对控制硬件进行固定。建议结合机械设计基础、设计材料与加工工艺、人机工程学、产品设计方法学、产品优化设计、产品原创设计、产品系统设计、产品结构设计等课程，开展实验教学内容提炼和融合。

3.5控制电路的搭建与程序编写

工程设备的控制硬件通常以C/C++语言作为开发语言。以笔者所在学校为例，将C语言程序设计作为工业设计专业的必修课。在课堂教学过程中，让学生学习操作单片机等电子元器件能够有目的性地引导他们将编程知识应用到硬件控制程序的设计中，实现了知识的巩固与应用的双重效果。建议该环节融入人工智能、机器视觉、深度学习等市场热点技术，提高学生的创新设计意识和产品设计能力。

结合C/C++语言程序设计，分别采用了ARM系列处理器中的Cortex-A9芯片和STC89C52RC单片机作为整车的机器视觉处理器和运动器件控制器。此外，应用了Logitech公司的C525摄像头、Ramon公司的12V锂离子可充电池、超声波模块HC-SR04以及市面上常见的LED灯带等外设，进行综合实验平台试制。控制器件参数如表3所示。

为实现基于ARM的嵌入式视觉导航教学实验平台控制系统，提出控制系统设计思路（如图4）。供实际教学实践环节参考。

系统的大致工作流程分为以下几点：（1）整个系统都需在有电源支持的基础上工作运行，电源需要连接ARM cortex-a9开发板以及PWM驱动电路，并为它们提供电力支持;（2）通过人机交互系统给教学实验平台下达任务指令;（3）摄像头采集路径图像，然后由ARM处理器运行教学实验平台图像处理应用程序进行图像处理;（4）经过图像处理得到道路信息，并把处理过的信息传输至PWM驱动电路，驱动教学实验平台步进电机完成路径跟踪任务。

在这种思路下，引导学生利用C语言进行编程，其中灯光控制效果如图5。

3.6实体制加工

局部零部件、非标准件的加工可组织学生采用3D打印、机加工等方式完成。参照CAD圖纸要求，提案结合产品模型制作实验课程知识，使用机床切割、电钻、铆接等工具对零件进行加工、安装，从而得到教学实验平台的整车（如图6）。

4总结

文章提炼了工业设计专业实验教学中存在的问题，以培养学生的综合实践能力为主线，以产学研合作为导向，引导学生基于工程制图、几何建模、有限元分析、传感器技术、编程等产品设计技能，结合Rhinoceros外观设计、Solidworks工程设计、C语言编程等工具，提出了一种实现工业设计多实验课程教学的综合实验台，并通过单片机控制、3D打印、机床切割等工具搭建了实物模型。在综合实验平台设计环节，融入了工业设计核心课程的实验教学内容，并提出不同环节的教学实施方法。通过实验平台，将工业设计专业的多门实验课程串联起来，实现了对工业设计专业知识点和技能培训的覆盖，锻炼学生系统设计能力，并培养学生的自学能力、动手能力和树立社会责任感。