一种自动洗牌发牌机的方案与实验设计＊

张育林，王 娜，王久洪，陈俊百，于书汀

（1.西安交通大学实践教学中心，陕西 西安 710049；2.西安交通大学机械工程学院，陕西 西安 710049；3.西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049）

纸牌游戏是全民体育休闲娱乐的一种重要游戏[1]，因其便携性和玩法多样性等特点广受大众喜爱。纸牌游戏的基本步骤是洗牌、发牌（分牌）、按照玩法规则出牌、计算胜负。洗牌和发牌作为准备工作通常需要进行多次，人工操作不仅浪费时间，效率低下，而且在这些过程中可能出现控牌作弊[2-3]，难以保证公平性。因此，自动洗牌发牌机开始出现。但目前市场上的自动洗牌发牌机存在的问题使其不能满足大众娱乐的需求，具体表现在：①价格昂贵；②体积笨重；③功能单一且固定，比如只有洗牌功能、只有发牌功能且发牌数目或顺序固定；④大多数是大型机器，对活动场地有特殊要求。已有一些改进的尝试[4-5]，但并未完全解决问题。

中国是最早发明纸牌游戏的国家[6]，但中国的纸牌游戏辅助工具远落后于娱乐需求，因此，拟设计一种符合大众娱乐需求的、简单便携的自动洗牌发牌机。该系统采用开放式结构，便于扩展。在综合机电系统项目实践中，以源于生活的自动洗牌发牌机作为任务场景，可以充分激发学生的兴趣，有利于提升学生的参与度，充分发挥其主观能动性和创造力。

慧鱼创意组合模型是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型[7-8]，它由各类机械构件、电器构件、传感器、气动元件、电脑接口板及控制软件等组成，通过构件的组合拼装，创意设计与实现，形成不同功能不同种类的产品。为使用者提供了自主性、综合性、创新性的高效直观且绿色节约的实践平台[9]。已被用于工业生产和大型机械设备操作的模拟[10]，还被广泛用于教育教学[11-12]中，并已成为培养学生创新思维和动手实践能力的重要载体之一[13-14]。本文基于慧鱼技术设计并制作了一种自动洗牌发牌机，主要对自动洗牌发牌机的机械系统和控制系统进行了设计与实现。并以此作为综合机电实践项目的题目，学生在项目中可以开展机械结构的创新设计与搭建、传感器选型与信息处理、电机与运动结构的控制，从而完成自动洗牌发牌。在此过程中，学生可以方便地了解和学习整个流程和机电系统运动，系统综合性强，寓教于乐。

1 机械系统设计方案

自动洗牌发牌机模拟人们纸牌娱乐时的步骤，兼具洗牌和发牌的功能，功能实用且操作简单。在使用中，洗牌和发牌联动需要配合良好，从而保证功能实现的同时兼顾效率。另外，大众娱乐的多样性需求要求洗牌次数、发牌数目和顺序不能固定，而是可自选。

根据以上功能目标，自动洗牌发牌机的机械系统主要有切牌机构、洗牌机构、发牌机构以及行走和转向机构等4大部分组成，实物模型如图1所示。图中，左上部分为洗牌机构的可移动牌盒，右上部分为洗牌机构的固定牌盒及切牌结构，中下部分为发牌机构，最下面部分为行走和转向机构。

图1 自动洗牌发牌机实物模型

1.1 切牌机构

人工洗牌时通常先把纸牌分成2份，两手配合进行洗牌，设计切牌结构能实现这个过程，如图2所示。丝杠螺母机构具有带动推牌机构进行切牌，把一副牌分成2堆，2堆牌分别准确置于2个牌盒中的功能。丝杠螺母传动的优点[15]能够保证切牌动作运行平稳，转速传感器和限位电键的配合使用保证动作行程的精确控制。同时推牌机构的调节性能良好，可以适应各种纸牌游戏要求。

1.2 洗牌机构

洗牌机构的原理是利用摩擦实现洗牌。经过切牌，2堆牌已经被准确地放置于如图1所示的左右两牌盒中。洗牌和发牌机构如图3所示，考虑到本方案中发牌过程纸牌的行程较长，为了保证发牌的稳定性，设计洗牌盒的对称中轴线与发牌盒的对称中轴线相互垂直。牌以宽度方向从洗牌盒出来，落入到发牌盒。洗牌盒底部的自制摩擦轮通过同步齿轮传动带动其旋转，保证洗牌运行过程的稳定性。摩擦轮正转向发牌盒送出牌，反转整理洗牌盒内的纸牌。洗牌盒出牌口的限位机构不仅保证牌在2个洗牌盒之间平稳光滑过渡，并且通过调节摩擦轮的转速以及摩擦轮与限位机构的相对位置，实现多张甚至单张纸牌的均匀连续送出。洗牌盒上部安装可移动压牌机构增大摩擦力，洗牌完成与否通过光电检测判断。

图3 洗牌、发牌机构示意图

1.3 发牌机构

发牌机构的原理也是利用摩擦实现发牌，如图3所示，因为通常是发出单张牌，所以采用自制摩擦杆控制实现，杆结构增加了与牌之间的摩擦面积，提高了发牌的稳定性，使牌更容易控制，方便调整单张牌发出。发牌盒的前后安装挡板，目的是把掉入发牌盒的牌整理整齐。在发牌盒的底部摩擦杆的空隙内安装光滑金属杆起到支撑作用。发牌盒的出口处安装可调整的档杆，如图4所示，通过调整档杆与摩擦杆的间隙并控制好时间实现单张牌发出。

图4 摩擦轮与挡杆机构示意图

1.4 行走和转向机构

为了实现自动洗牌发牌机的功能多样性和灵活性，采用具有运行稳定性优点的履带小车机构作为洗牌发牌机的基座，如图5所示，在小车底部呈对角线分布着驱动电机，两电机独立驱动可以实现小车的直线及转向运动，实现大范围运动发牌，在小车上面采用涡轮蜗杆机构支撑上部整个发牌洗牌系统，可以实现360°转动，从而实现多方向发牌。

图5 小车机构示意图

2 控制系统设计方案

2.1 总体运行过程

为了保证自动洗牌发牌机功能实现的同时运行效率较高，对其运行过程进行设计。具体的，可沿齿条方向移动的可移动牌盒在任意位置复位后将从初始位置运动与固定牌盒对接，此时牌放入具有推牌机构的固定牌盒中，推牌机构将固定牌盒中的上面半副牌推至可移动牌盒。推牌时，可移动牌盒中摩擦轮开始反转，将推入的牌整理到可移动牌盒中。推牌完成后，两牌盒摩擦轮同时反转整理各自牌盒的牌，推牌机构与可移动牌盒同时离开以节省时间。往两洗牌盒中间下方的发牌盒送出牌时，一个洗牌盒中的摩擦轮正向转动将牌洗至发牌盒中，另一牌盒的摩擦轮将同时反转整理牌。如此交替循环进行，直到洗牌完毕。当牌全部落入到发牌盒中后，默认第一次洗牌完成，使用者可以根据自己的需求进行多次洗牌。发牌是由发牌盒、滑槽、运动小车、可转动底盘几部分协调完成的。小车可以在桌面上运动，转盘可以在平面内自由旋转，小车与转盘相互配合，朝不同方向发牌，牌通过滑槽平稳的落到桌面。发牌完成后，退至空闲位置，以便使用者进行游戏，小车则等待再次发牌。具体工作流程如图6所示。

图6 总体工作流程图

2.2 各分机构控制方案

按照自动洗牌发牌机工作流程图，使用ROBO PRO软件进行程序的编制，由程序自动控制自动洗牌发牌机的每个动作，各元件的名称与对应的功能如表1所示。

表1 元件名称及相应功能

2.2.1 切牌功能

开始切牌时M1正转，实现两牌盒对接，当I3被按下时，对接完成，M1停止转动。M2正转带动丝杠旋转，推牌机构向前推牌将牌分为2份，同时，M3反转整理牌，当碰到I1时M2停止转动。之后M3和M4同时反转整理分到各自牌盒中的牌。接着M2反转，推牌机构回到初始位置，碰到I2时停止，同时M1反转，牌盒分开，当碰到I4时停止，切牌完成。

2.2.2 洗牌功能

按下I7开始洗牌。M7动作实现压牌，M8发光表示洗牌开始。洗牌采用交互式运行，即M3正转向发牌盒送出牌的同时，M4反转整理洗牌盒内的纸牌；M4正转向发牌盒送出牌的同时，M3反转整理对应牌盒内的纸牌。这样做的目的是节省洗牌时间，同时提高运行效率，并且避免两方向同时送出牌发生冲突，保证了系统的稳定性。完成后停止转动。I5若未接收到M8发出的光则重复洗牌操作；若已接收到，说明洗牌完成，则M8熄灭，子程序运行结束。

2.2.3 发牌功能

发牌前首先由玩家选择游戏模式，按下I8即选择人数模式，否则为自由模式。若选择人数模式，根据预先设置的人数和发牌顺序发牌。具体发牌时，M5正转将牌发出，然后反转整理牌以便下次发牌。发牌位置的确定由转盘转过预先设定的角度实现。M6正转实现转盘转动，转盘转过的角度由预先设定的M6转动圈数决定，由I6计数完成圈数统计，达到设定值后M6停止转动，此时达到发牌位置。若选择自由模式，使用者根据需要按键获得发牌，配合小车的行走转动，可以把纸牌发到任意位置，发牌的数量、顺序都灵活可选。

3 实践教学效果

在以往的机电类综合实践环节，通常采用一些现有的自动化流水线、机器人套装等，这些系统综合性较强，在培养学生学科交叉能力方面起到了重要的作用。但低年级的学生缺乏对系统背景的了解，无法激发学生的兴趣，调动学生的主观能动性，学生对项目的创新设计和功能改进积极性不高。经过多年的实践教学探索，采用以自动洗牌发牌机为典型应用场景的机电综合系统，可以大大激发学生的兴趣和参与度。项目具有综合性强、贴合生活、易于学生创新拓展等特点，在开放实验的过程中，采用多层次、多元化考核评价方法，可以提升学生的团队协作能力、沟通表达能力、学科交叉能力、综合应用能力。

依托本项目以及相关训练项目，以开放实验课的形式培养了大量的学生，并为学生竞赛团队发掘和输送了优秀的队员。近5年来，所指导的学生竞赛团队共申请获得各级大学生创新创业训练项目6项；获得全国大学生机械创新设计大赛国家级一等奖6项，二等奖3项；申请和授权专利7项。

4 结语

本项目以贴近生活的纸牌游戏作为场景，设计和实现了功能完整的自动洗牌发牌机，实现了对纸牌游戏前期手动步骤的模拟，系统兼顾稳定性和运行效率，提供了灵活可选的游戏模式。系统采用开放式的结构，方便地了解和学习整个流程和机电系统运动。基于该项目，开设综合机电开放实验课程，在培养学生的创新能力、综合设计与应用能力、团队协作能力中发挥了重要的作用。