王 蕾 陳 桂 林 健

南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院 江蘇南京 211167

慧魚(yú)模型在機(jī)器人電子設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)中的應(yīng)用探索

王 蕾 陳 桂 林 健

南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院 江蘇南京 211167

機(jī)器人電子設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)課是我校機(jī)器人專業(yè)開(kāi)設(shè)的一門認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)課，在大一下學(xué)期進(jìn)行，是該專業(yè)學(xué)生入學(xué)后接觸的第一門與機(jī)器人專業(yè)應(yīng)用緊密結(jié)合的課程。針對(duì)大一學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)，結(jié)合機(jī)器人專業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用，我們采用慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型，使學(xué)生在開(kāi)放性的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中完成機(jī)器人電子設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)過(guò)程，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型；機(jī)器人電子設(shè)計(jì)；Robo TX控制器

我校是江蘇省一所以工科為主的應(yīng)用型高校。為培養(yǎng)面向應(yīng)用、基礎(chǔ)扎實(shí)、實(shí)踐能力強(qiáng)、具有創(chuàng)新精神的應(yīng)用型創(chuàng)新復(fù)合人才，我校于2013年開(kāi)設(shè)了自動(dòng)化(機(jī)器人)專業(yè)方向。針對(duì)該專業(yè)不同學(xué)習(xí)階段的學(xué)生開(kāi)設(shè)系統(tǒng)的、有層次的理論基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課以及大量的創(chuàng)新開(kāi)放性實(shí)習(xí)和實(shí)驗(yàn)課程?！皺C(jī)器人電子設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)”是機(jī)器人專業(yè)學(xué)生最早接觸的一門專業(yè)實(shí)習(xí)課程。本課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)是加深學(xué)生對(duì)機(jī)器人機(jī)械組成、機(jī)電一體化、計(jì)算機(jī)程序控制的認(rèn)識(shí)，鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和綜合設(shè)計(jì)能力，完成對(duì)機(jī)器人電子設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)過(guò)程。

針對(duì)機(jī)器人電子設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)的學(xué)習(xí)目標(biāo)，結(jié)合大一下學(xué)期學(xué)生的特點(diǎn)，我們選用德國(guó)的慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型為實(shí)習(xí)平臺(tái)，采用開(kāi)放式的項(xiàng)目分組模式，在教師的指導(dǎo)下，給出學(xué)生備選項(xiàng)目，由學(xué)生根據(jù)個(gè)人的興趣和能力，選擇適合的項(xiàng)目，根據(jù)項(xiàng)目的任務(wù)要求，主動(dòng)地獲取知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)和解決問(wèn)題。

1 慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型簡(jiǎn)介

慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型(fischertechnik)誕生于德國(guó)，是技術(shù)含量很高的工程技術(shù)類智趣拼裝模型，是展示科學(xué)原理和技術(shù)過(guò)程的理想教具，也是體現(xiàn)世界最先進(jìn)教育理念的學(xué)具，為創(chuàng)新教育和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了最佳的載體。[1]慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型被德國(guó)西門子、美國(guó)IBM和德國(guó)寶馬等世界知名公司用于生產(chǎn)流水線實(shí)施前的論證；進(jìn)入中國(guó)以來(lái)，在清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、浙江大學(xué)等眾多高校中得到日益廣泛的應(yīng)用。

慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型由機(jī)械構(gòu)件、電氣構(gòu)件、氣動(dòng)構(gòu)件、微型電機(jī)、傳感器(光敏、熱敏、磁敏、觸敏等)、電腦接口板及控制軟件等組成。[2,3]通過(guò)模塊的不同拼裝、重構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)形成不同種類產(chǎn)品。圖1所示的慧魚(yú)模型產(chǎn)品為移動(dòng)機(jī)器人。其中Robo TX 控制器(如圖1圈中所示)是慧魚(yú)接口板系列的第三代產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)電腦和模型之間的通信。[4,5]它可以接收傳感器獲得的信號(hào)，進(jìn)行軟件的邏輯運(yùn)算，傳輸軟件的指令?；埕~(yú)產(chǎn)品給學(xué)生提供了自主搭建模型和與電腦程序相結(jié)合的實(shí)踐平臺(tái)。

圖1 慧魚(yú)移動(dòng)機(jī)器人模型

慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型主要有組合包、培訓(xùn)模型、工業(yè)模型三大系列，涵蓋了機(jī)械、電子、控制、氣動(dòng)、汽車技術(shù)、能源技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域和高新學(xué)科[6,7]，如機(jī)器人綜合技術(shù)訓(xùn)練、氣動(dòng)機(jī)器人訓(xùn)練、探索機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人等。它可提供的項(xiàng)目有干手機(jī)、移動(dòng)機(jī)器人、軌跡搜尋機(jī)器人、剪草機(jī)、叉車機(jī)器人、顏色分揀機(jī)器人、救援機(jī)器人、抓取機(jī)械手等。學(xué)生可根據(jù)功能要求，自己設(shè)計(jì)方案并組裝成實(shí)物模型，模擬演示真實(shí)工作過(guò)程，直觀調(diào)整并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2 慧魚(yú)機(jī)器人電子設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)的實(shí)施

我校引進(jìn)慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型10套，每套模型中包括9個(gè)組合包。機(jī)器人電子設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)分班級(jí)開(kāi)展，4個(gè)學(xué)生為一個(gè)實(shí)習(xí)小組。整個(gè)實(shí)習(xí)過(guò)程分為五個(gè)階段進(jìn)行：項(xiàng)目資料收集階段、基本知識(shí)準(zhǔn)備階段、操作練習(xí)階段、項(xiàng)目產(chǎn)品裝配、編程、調(diào)試階段、項(xiàng)目驗(yàn)收階段。

2.1 收集項(xiàng)目資料

教師根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)，給出若干項(xiàng)目題目，例如，移動(dòng)機(jī)器人、叉車機(jī)器人、顏色識(shí)別機(jī)器人、抓取機(jī)械手、軌跡搜尋機(jī)器人等。并由學(xué)生自由分組，根據(jù)個(gè)人興趣和能力進(jìn)行項(xiàng)目選擇。選定題目后，每組成員根據(jù)所選項(xiàng)目的任務(wù)要求，開(kāi)始分頭執(zhí)行各自的任務(wù)。包括搜集所用數(shù)據(jù)資料，閱讀交流。在此過(guò)程中，教師要指導(dǎo)學(xué)生如何搜集信息和處理信息，要讓學(xué)生了解哪些是相關(guān)的信息，如項(xiàng)目產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用背景、工作過(guò)程、注意事項(xiàng)等。指導(dǎo)學(xué)生整理和儲(chǔ)存信息。

2.2 準(zhǔn)備基本知識(shí)

教師采用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)方法對(duì)慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型進(jìn)行講解。結(jié)合慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型及實(shí)習(xí)任務(wù)要求，通過(guò)課件介紹和上機(jī)演示對(duì)慧魚(yú)組合模型、裝配方法等、ROBO TX控制器的使用、ROBOPRO軟件編程等內(nèi)容進(jìn)行講解。ROBOPRO軟件編程采用圖形化的語(yǔ)言，通過(guò)接口板與PC機(jī)相連，大一學(xué)生能夠很快掌握和上手。同時(shí)它的直觀性也容易調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的積極性。

2.3 操作練習(xí)

教師以一個(gè)典型模型為例，根據(jù)不同的功能要求，進(jìn)行師范編程，實(shí)現(xiàn)提出的功能。學(xué)生分組操作，教師提出不同的功能要求，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。

2.4 項(xiàng)目產(chǎn)品裝配、編程、調(diào)試

學(xué)生根據(jù)所選項(xiàng)目領(lǐng)取所需的實(shí)驗(yàn)器材，包括慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型包、慧魚(yú)專用電源、慧魚(yú)接口板等。根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)要求，分析項(xiàng)目工作原理和步驟等。以叉車機(jī)器人為例，其工作步驟如下。

(1)叉車從軌道端點(diǎn)A出發(fā)，此時(shí)叉車前叉升高(由限位開(kāi)關(guān)控制其最高位置)。

(2)按壓起動(dòng)按鈕，叉車開(kāi)始沿環(huán)形軌道運(yùn)行。

(3)在叉車運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)軌跡傳感器的檢測(cè)信息實(shí)時(shí)調(diào)整叉車的運(yùn)行方向(通過(guò)調(diào)整左右兩側(cè)車輪的運(yùn)行速度實(shí)現(xiàn)運(yùn)行方向的調(diào)整)。

(4)叉車運(yùn)行到軌道端點(diǎn)B后，叉車停止運(yùn)行，并降低前叉(由限位開(kāi)關(guān)控制其最低位置)，然后向前運(yùn)行到工件位置，前叉升高，叉起工件，掉頭沿原路返回。

(5)叉車運(yùn)行到端點(diǎn)A后，放下前叉，將工件放置在指定位置(端點(diǎn)A處)，后退一定距離，升起前叉，然后掉頭，恢復(fù)到出發(fā)狀態(tài)。至此叉車的一次工件搬運(yùn)工作結(jié)束。

小組成員理解了項(xiàng)目任務(wù)后，進(jìn)行組內(nèi)協(xié)商分工，開(kāi)始模型裝配、編程、調(diào)試等實(shí)際操作，這是項(xiàng)目完成的關(guān)鍵步驟。

在進(jìn)行模型裝配之前，讓學(xué)生認(rèn)真閱讀慧魚(yú)公司提供的資料，從而獲得大量的感性認(rèn)識(shí)。之后，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐和生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)入動(dòng)手創(chuàng)意階段，大膽設(shè)想，進(jìn)行設(shè)計(jì)組合和裝配，構(gòu)件項(xiàng)目中的結(jié)構(gòu)模型，并搭接電路、氣路連接線。然后根據(jù)項(xiàng)目工作原理和步驟進(jìn)行圖形化編程(如圖2所示)。[4]在初步完成了軟件編程后，先檢查程序有無(wú)編寫規(guī)范上的錯(cuò)誤，通過(guò)仿真功能可以進(jìn)一步檢查錯(cuò)誤。初步檢查之后，將接口板連接到電腦，進(jìn)行硬件測(cè)試，即可在線調(diào)試。如果調(diào)試程序無(wú)誤，并且確保接口板與電腦的端口連接正確，即進(jìn)行程序下載。下載完成系統(tǒng)將給予提示，此時(shí)即可斷開(kāi)電腦與接口板之間的連線，在下載模式下運(yùn)行慧魚(yú)模型。

圖2 慧魚(yú)模型產(chǎn)品(叉車機(jī)器人)流程圖

裝配、調(diào)試完成的幾個(gè)項(xiàng)目產(chǎn)品模型如圖3所示，包括叉車機(jī)器人、抓取機(jī)械手等。這些產(chǎn)品模型使知識(shí)具體化、形象化，為學(xué)生感知、理解和記憶知識(shí)創(chuàng)造了條件。從而減少學(xué)生掌握抽象概念的困難，助其形成明確的概念，發(fā)展其觀察能力和思維能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

圖3 慧魚(yú)產(chǎn)品圖

2.5 項(xiàng)目驗(yàn)收

最后進(jìn)行實(shí)習(xí)項(xiàng)目驗(yàn)收答辯，檢驗(yàn)實(shí)習(xí)成效。各小組在完成實(shí)習(xí)項(xiàng)目后，要寫出實(shí)習(xí)報(bào)告，詳細(xì)敘述實(shí)習(xí)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)方法、遇到的問(wèn)題及解決方法、項(xiàng)目小組的體會(huì)。并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)答辯：陳述制作過(guò)程、展示產(chǎn)品運(yùn)行過(guò)程、解釋關(guān)鍵工作原理和采用的方法、回答教師的提問(wèn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)使用慧魚(yú)模型進(jìn)行機(jī)器人電子設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，不僅讓學(xué)生將多學(xué)科多領(lǐng)域的綜合知識(shí)融會(huì)貫通于實(shí)習(xí)過(guò)程中，更重要的是培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，較好地解決了學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中書(shū)本知識(shí)與實(shí)踐脫節(jié)的問(wèn)題，改變了學(xué)生動(dòng)手能力差的狀況，使書(shū)本知識(shí)與實(shí)踐能有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，對(duì)于學(xué)生理解機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制、電氣控制原理等具有很大的益處。

慧魚(yú)創(chuàng)意模型具有趣味性、易操作性和啟發(fā)性，編程采用圖形化的語(yǔ)言，通過(guò)接口板與PC機(jī)相連，也可以采用VB，VC等高級(jí)語(yǔ)言編程，將學(xué)生所學(xué)知識(shí)交叉融合，高級(jí)編程的應(yīng)用可以在大三大四學(xué)生中開(kāi)展。另外，該模型還提供了PLC接口板開(kāi)展方式，可以直接用于高校機(jī)電類、自動(dòng)化類專業(yè)PLC課程教學(xué)，具有較好的推廣價(jià)值。

[1] 慧魚(yú)簡(jiǎn)介及分類[EB/OL].[2014-5-4].http://www.cedutech.com/ content/282.html.

[2] 單玉霞,許薔.論慧魚(yú)模型對(duì)機(jī)電類大學(xué)生能力培養(yǎng)的作用[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2012(19):11-13.

[3] 張鐵異,曹曉中,黃炳瓊.慧魚(yú)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,32(S1):12-14.

[4] 慧魚(yú)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)[Z].北京:北京中教儀人工智能科技有限公司,2012.

[5] Robo Pro使用手冊(cè)[Z].北京:北京中教儀人工智能科技有限公司,2013.

[6] 司文慧.應(yīng)用慧魚(yú)模型實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的模式探索[J].科技信息,2014(13):40-41.

[7] 方琳,張遠(yuǎn)明.基于“慧魚(yú)”模型實(shí)習(xí)課程的改革與啟迪[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),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。

南京工程學(xué)院引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(編號(hào)：YKJ201219)；南京工程學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目(編號(hào)：JY201109)；南京工程學(xué)院教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：JG201306)。