邢美凈，辛 穎

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

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慧魚模型在森林工程專業(yè)機(jī)器人技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

邢美凈，辛 穎*

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

摘要慧魚模型提供了機(jī)器人搭建和軟件設(shè)計平臺，操作簡單，降低了機(jī)器人的制作難度，是培養(yǎng)學(xué)生動手制作能力，提升學(xué)習(xí)能力的有效途徑。結(jié)合森林工程專業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程的教學(xué)目標(biāo)，根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)設(shè)計的基本要求，通過采用慧魚模型構(gòu)建尋光避障機(jī)器人模型，對其機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計進(jìn)行探索研究，并使用慧魚模型專用軟件ROBO Pro模版化語言，對模型編寫控制程序，分析并驗(yàn)證了尋光避障機(jī)器人的控制方法，建立了實(shí)物模型。該方案可以應(yīng)用到森林工程專業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)改革中，提高學(xué)生的參與興趣與創(chuàng)新精神。

關(guān)鍵詞慧魚模型；尋光避障機(jī)器人；機(jī)器人技術(shù)

森林工程專業(yè)旨在為國家、社會培養(yǎng)具有農(nóng)林專業(yè)知識、機(jī)械一體化知識的優(yōu)秀復(fù)合型人才。隨著現(xiàn)代教育的飛速發(fā)展，森林工程專業(yè)的學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)也需要適應(yīng)時代發(fā)展的要求。森林工程專業(yè)基于人才培養(yǎng)目標(biāo)和專業(yè)特色，對學(xué)生實(shí)踐、動手能力的要求也越來越高。與此同時，機(jī)器人技術(shù)課程已經(jīng)漸漸進(jìn)入高校，成為各高校基礎(chǔ)教育的必修學(xué)科。而森林工程專業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分也成為提高森林工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力的有效途徑[1]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，以往森林工程專業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程的教學(xué)重點(diǎn)是圍繞基礎(chǔ)知識的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏創(chuàng)新性和設(shè)計性。學(xué)生的獨(dú)立創(chuàng)造能力不能得到明顯提升，也不能綜合運(yùn)用各學(xué)科的理論知識和現(xiàn)代分析技術(shù)來解決工程中遇到的實(shí)際問題和困難[2]。所以，需要探索一個新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以適應(yīng)不斷發(fā)展的社會人才需求形勢。

筆者介紹了慧魚模型在尋光避障機(jī)器人中的應(yīng)用，包括設(shè)計思路、方法、硬件方案和程序設(shè)計，以期為森林工程專業(yè)機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供新思路。在森林工程專業(yè)機(jī)器人技術(shù)教學(xué)中利用慧魚模型構(gòu)建尋光避障機(jī)器人，操作簡單，能給學(xué)生提供一個大膽的設(shè)想空間，從實(shí)物的整體和系統(tǒng)角度來分析與設(shè)計，訓(xùn)練動手能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。

1慧魚模型的原理與應(yīng)用

慧魚模型自身的技術(shù)含量比較高，同時作為一種工程技術(shù)類拼裝模型，為創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的開展打下了優(yōu)良的基礎(chǔ)。其利用符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件，例如機(jī)械類、電氣類的元件等，在傳感器、控制器、執(zhí)行器和操作軟件的配合下，通過實(shí)驗(yàn)分析，可以達(dá)到實(shí)現(xiàn)任何技術(shù)過程還原的目的，更可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和大型機(jī)械設(shè)備操作的模擬。慧魚模型以機(jī)器人為其基本架構(gòu)，通過圖形式人機(jī)界面慧魚軟件(ROBO Pro)，經(jīng)由智慧型微電腦介面板去驅(qū)動機(jī)器人，使機(jī)器人很容易就能達(dá)到設(shè)計者的要求，摒除了復(fù)雜的硬件語言，不但操作容易，更容易使學(xué)生了解機(jī)械運(yùn)作原理，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力[3-5]。

該研究提供了一個將慧魚模型應(yīng)用到森林工程專業(yè)機(jī)器人技術(shù)教學(xué)中的創(chuàng)新性設(shè)計方法，即利用慧魚模型構(gòu)建尋光避障機(jī)器人。這是將慧魚模型應(yīng)用到森林工程專業(yè)機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一種新手段，同時也是一種高效的設(shè)計方案。以往在機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生只是呆板地學(xué)習(xí)理論知識，缺乏創(chuàng)新性思維和發(fā)散性思維的運(yùn)用。利用慧魚模型進(jìn)行尋光避障機(jī)器人設(shè)計的目的在于教學(xué)過程中所創(chuàng)造的機(jī)器人模型可作為教具，驗(yàn)證機(jī)器人工作原理，可以使學(xué)生對理論知識有更好的理解，獲得大量的感性認(rèn)識，同時提供機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計的實(shí)驗(yàn)方案。在實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生通過對模型的構(gòu)件、運(yùn)動控制等的研究，可以更好地加深對機(jī)器人實(shí)際結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理和運(yùn)動過程的理解。由于慧魚模型的無限擴(kuò)充性，學(xué)生可以進(jìn)行創(chuàng)造性的裝配和設(shè)計?；埕~模型作為教育機(jī)器人，為森林工程專業(yè)的學(xué)生提供了機(jī)器人搭建和軟件設(shè)計平臺，操作簡單，降低了機(jī)器人制作的難度，是培養(yǎng)學(xué)生動手操作和研究性學(xué)習(xí)能力的有效途徑。

2基于慧魚模型的尋光避障機(jī)器人的構(gòu)建

尋光避障機(jī)器人是把機(jī)器人的尋光與搜索障礙物兩種功能結(jié)合起來。當(dāng)機(jī)器人朝某個方向行駛時，不僅能夠?qū)ふ业焦庠床⒛芨S光源前進(jìn)，并且遇到障礙物時能夠自動躲開。

尋光避障機(jī)器人采用輪式移動方式。機(jī)器人的左右兩側(cè)各有一個驅(qū)動輪，分別由電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)的輸出軸經(jīng)鏈傳動、齒形帶、帶輪等將運(yùn)動傳遞到車輪。除此之外，尋光避障機(jī)器人的前后端各安裝有一個支撐輪，可以起到平衡和導(dǎo)向的作用，用來穩(wěn)定整個機(jī)器人。典型的兩輪式移動機(jī)器人由兩個同心軸的固定式輪組成，以保證兩套傳動機(jī)構(gòu)的平衡。尋光避障機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　尋光避障機(jī)器人的結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of light-seeking and obstacles-avoid robot

在車體前部安裝兩個光電傳感器，連接到接口板的I 6、I 7上，可以用做光線探測器，每一個傳感器影響一個電機(jī)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為車輪的協(xié)調(diào)動作。在機(jī)器人的邊緣安裝3個彈簧緩沖器，以區(qū)分障礙物的具體方位是在左側(cè)、右側(cè)或是后方。在車體前方安裝兩個按鍵傳感器，分別為I 3和I 4。當(dāng)左側(cè)或右側(cè)有障礙物存在時進(jìn)行避障，機(jī)器人后側(cè)安裝一個按鍵傳感器I 5，用于機(jī)器人在后退過程中感知障礙物并進(jìn)行避讓。按鍵傳感器I 1與脈沖齒輪搭配使用，使得脈沖齒輪旋轉(zhuǎn)一周時按鍵傳感器開關(guān)接觸4次，用于脈沖計數(shù)。

3控制方案

3.1硬件方案程序控制的硬件部分包括慧魚接口板(ROBO Interface)1塊，按鍵開關(guān)式傳感器(Pushbutton Sensor)4個，光電傳感器2個，USB接口電纜線1根，慧魚可充電電源1塊，電線若干。慧魚接口板(ROBO Interface)內(nèi)有16位處理器，輸出M1～M4，O1～O8，數(shù)字量輸入I1～I(xiàn)7，模擬阻抗輸入AX、AY，模擬電壓輸入A1、A2，距離傳感器輸入D1、D2，還有紅外線(IR)輸入、USB接口、串口等。通過這些輸入輸出接口，可以激活馬達(dá)或者處理來自各種傳感器的信號，使電腦和尋光避障機(jī)器人之間進(jìn)行有效的通訊。將電機(jī)M1、M2連接到慧魚接口板(ROBO Interface)的輸出M1、M2，按鍵開關(guān)式傳感器(Pushbutton Sensor)4個E1～E2連接到數(shù)字量輸入I 1、I 3、I 4、I 5，光電傳感器接在I 6、I 7接口上。

3.2程序設(shè)計程序用ROBO Pro編制。ROBO Pro的模塊化和圖形化的編程語言是比較簡潔、直觀、易懂的[6]。一般編程軟件的編程語言往往是比較繁瑣和復(fù)雜的，語言命令不僅多，而且不易記憶[7-8]，容易造成混亂的局面，使學(xué)生在編程過程中容易出錯，產(chǎn)生厭煩心理。但是ROBO Pro編程因?yàn)楠?dú)特的模塊化和圖形化語言，在編程過程中會使學(xué)生感受到很大的樂趣，使學(xué)生產(chǎn)生自信，大大降低了一般軟件編程的難度，且它能提供編程前的快速硬件測試、在線檢測、在線調(diào)試、下載操作等功能[9-10]。運(yùn)用ROBO Pro編制程序，尋光避障機(jī)器人的整體程序控制流程如圖2所示。

圖2　尋光避障機(jī)器人的整體程序控制流程Fig.2　The flow chart of overall program control of light-seeking and obstacles-avoid robot

運(yùn)用ROBO Pro編制尋光避障機(jī)器人的控制程序，其中尋光避障主程序、躲避障礙物子程序、尋光子程序、旋轉(zhuǎn)90°直行子程序分別如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

圖3　尋光避障主程序Fig.3　The main program of light-seeking and obstacles-avoid

圖4　躲避障礙物子程序Fig.4　The subroutine of obstacles-avoid

圖5　尋光子程序Fig.5　The subroutine of light-seeking

圖6　旋轉(zhuǎn)90°直行子程序 Fig.6　The subroutine of rotating 90°

3.3方案實(shí)施效果根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案，利用慧魚仿生機(jī)器人組合包中的基本構(gòu)件搭接出的尋光避障機(jī)器人實(shí)物如圖7所示。運(yùn)用慧魚公司開發(fā)的ROBO Pro軟件來對設(shè)計的尋光避障機(jī)器人進(jìn)行編程控制，對其功能進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，整個模型可以較好地完成工藝過程，機(jī)器人可以對障礙物做出相應(yīng)反應(yīng)，對光源有很好的趨向作用，其行走過程也十分流暢。該方法可以將新的創(chuàng)意思想轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)，大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期。對于森林工程專業(yè)的學(xué)生來說，將慧魚模型應(yīng)用到機(jī)器人技術(shù)的教學(xué)改革實(shí)驗(yàn)中，使學(xué)生在了解機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動狀態(tài)等知識的同時，也會對機(jī)械傳動、機(jī)械加工、氣動技術(shù)、電子電路、軟件編程等課程有一定的認(rèn)識，各課程之間融會貫通，大大提高了他們的參與性，形成了良好的學(xué)習(xí)氛圍。

圖7　尋光避障機(jī)器人實(shí)物Fig.7　The picture of light-seeking and obstacles-avoid robot

4結(jié)語

通過采用慧魚模型進(jìn)行尋光避障機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計，可以使新的創(chuàng)意思想迅速轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)，然后通過計算機(jī)仿真進(jìn)行檢測，將慧魚模型很好地應(yīng)用到森林工程專業(yè)機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中。這種創(chuàng)新設(shè)計方法不僅會大大縮短設(shè)計周期，而且能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)上的突破，給新的領(lǐng)域提供設(shè)計思路，為設(shè)計的發(fā)展帶來無窮活力，同時可使學(xué)生將所學(xué)知識交叉融合，用以解決具體問題，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力和創(chuàng)新能力。 慧魚模型應(yīng)用到森林工程專業(yè)機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，建立尋光避障機(jī)器人的設(shè)計方案，設(shè)計出尋光避障機(jī)器人的實(shí)物模型，為森林工程專業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的開展提供了新方法、新思路。該慧魚模型可以很好地應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)中，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的有效途徑。

參考文獻(xiàn)

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基金項目東北林業(yè)大學(xué)重點(diǎn)課程建設(shè)項目資助。

作者簡介邢美凈(1991- )，女，河北衡水人，碩士研究生，研究方向：森林工程。*通訊作者，副教授，博士，從事森林工程研究。

收稿日期2016-05-05

中圖分類號S-01

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)16-261-03

Application of Fischertechnik Model in Robot Technology Teaching Reform for Forest Engineering

XING Mei-jing, XIN Ying*

(College of Engineering and Technology, Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040)

AbstractFischertechnik model supplies a platform of structuring robots and designing software. Its simple operation reduces the difficulty of making robots. It is an effective way to train students’ research abilities. Through the use of modeling Fischer and teaching aims of Robot Technology course, the "light-seeking and obstacles-avoid robot" model was structured. We explored and researched the innovative design of them. Through the use of the special software of Fischertechnik ROBO Pro template language, we could write the control procedures of the model and the robot control methods were tested and analyzed. The project could be used in innovative practice teaching for robot technology courses in order to improve the participatory and innovation of students.

Key wordsFischertechnik model; Light-seeking and obstacles-avoid robot; Robot technology