張育林，王 娜，王久洪，陳俊百，于書汀

（1.西安交通大學(xué)實(shí)踐教學(xué)中心，陜西 西安 710049；2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049；3.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

紙牌游戲是全民體育休閑娛樂的一種重要游戲[1]，因其便攜性和玩法多樣性等特點(diǎn)廣受大眾喜愛。紙牌游戲的基本步驟是洗牌、發(fā)牌（分牌）、按照玩法規(guī)則出牌、計(jì)算勝負(fù)。洗牌和發(fā)牌作為準(zhǔn)備工作通常需要進(jìn)行多次，人工操作不僅浪費(fèi)時間，效率低下，而且在這些過程中可能出現(xiàn)控牌作弊[2-3]，難以保證公平性。因此，自動洗牌發(fā)牌機(jī)開始出現(xiàn)。但目前市場上的自動洗牌發(fā)牌機(jī)存在的問題使其不能滿足大眾娛樂的需求，具體表現(xiàn)在：①價格昂貴；②體積笨重；③功能單一且固定，比如只有洗牌功能、只有發(fā)牌功能且發(fā)牌數(shù)目或順序固定；④大多數(shù)是大型機(jī)器，對活動場地有特殊要求。已有一些改進(jìn)的嘗試[4-5]，但并未完全解決問題。

中國是最早發(fā)明紙牌游戲的國家[6]，但中國的紙牌游戲輔助工具遠(yuǎn)落后于娛樂需求，因此，擬設(shè)計(jì)一種符合大眾娛樂需求的、簡單便攜的自動洗牌發(fā)牌機(jī)。該系統(tǒng)采用開放式結(jié)構(gòu)，便于擴(kuò)展。在綜合機(jī)電系統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)踐中，以源于生活的自動洗牌發(fā)牌機(jī)作為任務(wù)場景，可以充分激發(fā)學(xué)生的興趣，有利于提升學(xué)生的參與度，充分發(fā)揮其主觀能動性和創(chuàng)造力。

慧魚創(chuàng)意組合模型是技術(shù)含量很高的工程技術(shù)類智趣拼裝模型[7-8]，它由各類機(jī)械構(gòu)件、電器構(gòu)件、傳感器、氣動元件、電腦接口板及控制軟件等組成，通過構(gòu)件的組合拼裝，創(chuàng)意設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，形成不同功能不同種類的產(chǎn)品。為使用者提供了自主性、綜合性、創(chuàng)新性的高效直觀且綠色節(jié)約的實(shí)踐平臺[9]。已被用于工業(yè)生產(chǎn)和大型機(jī)械設(shè)備操作的模擬[10]，還被廣泛用于教育教學(xué)[11-12]中，并已成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和動手實(shí)踐能力的重要載體之一[13-14]。本文基于慧魚技術(shù)設(shè)計(jì)并制作了一種自動洗牌發(fā)牌機(jī)，主要對自動洗牌發(fā)牌機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。并以此作為綜合機(jī)電實(shí)踐項(xiàng)目的題目，學(xué)生在項(xiàng)目中可以開展機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與搭建、傳感器選型與信息處理、電機(jī)與運(yùn)動結(jié)構(gòu)的控制，從而完成自動洗牌發(fā)牌。在此過程中，學(xué)生可以方便地了解和學(xué)習(xí)整個流程和機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動，系統(tǒng)綜合性強(qiáng)，寓教于樂。

1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

自動洗牌發(fā)牌機(jī)模擬人們紙牌娛樂時的步驟，兼具洗牌和發(fā)牌的功能，功能實(shí)用且操作簡單。在使用中，洗牌和發(fā)牌聯(lián)動需要配合良好，從而保證功能實(shí)現(xiàn)的同時兼顧效率。另外，大眾娛樂的多樣性需求要求洗牌次數(shù)、發(fā)牌數(shù)目和順序不能固定，而是可自選。

根據(jù)以上功能目標(biāo)，自動洗牌發(fā)牌機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)主要有切牌機(jī)構(gòu)、洗牌機(jī)構(gòu)、發(fā)牌機(jī)構(gòu)以及行走和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等4大部分組成，實(shí)物模型如圖1所示。圖中，左上部分為洗牌機(jī)構(gòu)的可移動牌盒，右上部分為洗牌機(jī)構(gòu)的固定牌盒及切牌結(jié)構(gòu)，中下部分為發(fā)牌機(jī)構(gòu)，最下面部分為行走和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

圖1 自動洗牌發(fā)牌機(jī)實(shí)物模型

1.1 切牌機(jī)構(gòu)

人工洗牌時通常先把紙牌分成2份，兩手配合進(jìn)行洗牌，設(shè)計(jì)切牌結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)這個過程，如圖2所示。絲杠螺母機(jī)構(gòu)具有帶動推牌機(jī)構(gòu)進(jìn)行切牌，把一副牌分成2堆，2堆牌分別準(zhǔn)確置于2個牌盒中的功能。絲杠螺母傳動的優(yōu)點(diǎn)[15]能夠保證切牌動作運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速傳感器和限位電鍵的配合使用保證動作行程的精確控制。同時推牌機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)性能良好，可以適應(yīng)各種紙牌游戲要求。

1.2 洗牌機(jī)構(gòu)

洗牌機(jī)構(gòu)的原理是利用摩擦實(shí)現(xiàn)洗牌。經(jīng)過切牌，2堆牌已經(jīng)被準(zhǔn)確地放置于如圖1所示的左右兩牌盒中。洗牌和發(fā)牌機(jī)構(gòu)如圖3所示，考慮到本方案中發(fā)牌過程紙牌的行程較長，為了保證發(fā)牌的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)洗牌盒的對稱中軸線與發(fā)牌盒的對稱中軸線相互垂直。牌以寬度方向從洗牌盒出來，落入到發(fā)牌盒。洗牌盒底部的自制摩擦輪通過同步齒輪傳動帶動其旋轉(zhuǎn)，保證洗牌運(yùn)行過程的穩(wěn)定性。摩擦輪正轉(zhuǎn)向發(fā)牌盒送出牌，反轉(zhuǎn)整理洗牌盒內(nèi)的紙牌。洗牌盒出牌口的限位機(jī)構(gòu)不僅保證牌在2個洗牌盒之間平穩(wěn)光滑過渡，并且通過調(diào)節(jié)摩擦輪的轉(zhuǎn)速以及摩擦輪與限位機(jī)構(gòu)的相對位置，實(shí)現(xiàn)多張甚至單張紙牌的均勻連續(xù)送出。洗牌盒上部安裝可移動壓牌機(jī)構(gòu)增大摩擦力，洗牌完成與否通過光電檢測判斷。

圖3 洗牌、發(fā)牌機(jī)構(gòu)示意圖

1.3 發(fā)牌機(jī)構(gòu)

發(fā)牌機(jī)構(gòu)的原理也是利用摩擦實(shí)現(xiàn)發(fā)牌，如圖3所示，因?yàn)橥ǔＪ前l(fā)出單張牌，所以采用自制摩擦桿控制實(shí)現(xiàn)，桿結(jié)構(gòu)增加了與牌之間的摩擦面積，提高了發(fā)牌的穩(wěn)定性，使牌更容易控制，方便調(diào)整單張牌發(fā)出。發(fā)牌盒的前后安裝擋板，目的是把掉入發(fā)牌盒的牌整理整齊。在發(fā)牌盒的底部摩擦桿的空隙內(nèi)安裝光滑金屬桿起到支撐作用。發(fā)牌盒的出口處安裝可調(diào)整的檔桿，如圖4所示，通過調(diào)整檔桿與摩擦桿的間隙并控制好時間實(shí)現(xiàn)單張牌發(fā)出。

圖4 摩擦輪與擋桿機(jī)構(gòu)示意圖

1.4 行走和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)自動洗牌發(fā)牌機(jī)的功能多樣性和靈活性，采用具有運(yùn)行穩(wěn)定性優(yōu)點(diǎn)的履帶小車機(jī)構(gòu)作為洗牌發(fā)牌機(jī)的基座，如圖5所示，在小車底部呈對角線分布著驅(qū)動電機(jī)，兩電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動可以實(shí)現(xiàn)小車的直線及轉(zhuǎn)向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)大范圍運(yùn)動發(fā)牌，在小車上面采用渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)支撐上部整個發(fā)牌洗牌系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)360°轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)多方向發(fā)牌。

圖5 小車機(jī)構(gòu)示意圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 總體運(yùn)行過程

為了保證自動洗牌發(fā)牌機(jī)功能實(shí)現(xiàn)的同時運(yùn)行效率較高，對其運(yùn)行過程進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體的，可沿齒條方向移動的可移動牌盒在任意位置復(fù)位后將從初始位置運(yùn)動與固定牌盒對接，此時牌放入具有推牌機(jī)構(gòu)的固定牌盒中，推牌機(jī)構(gòu)將固定牌盒中的上面半副牌推至可移動牌盒。推牌時，可移動牌盒中摩擦輪開始反轉(zhuǎn)，將推入的牌整理到可移動牌盒中。推牌完成后，兩牌盒摩擦輪同時反轉(zhuǎn)整理各自牌盒的牌，推牌機(jī)構(gòu)與可移動牌盒同時離開以節(jié)省時間。往兩洗牌盒中間下方的發(fā)牌盒送出牌時，一個洗牌盒中的摩擦輪正向轉(zhuǎn)動將牌洗至發(fā)牌盒中，另一牌盒的摩擦輪將同時反轉(zhuǎn)整理牌。如此交替循環(huán)進(jìn)行，直到洗牌完畢。當(dāng)牌全部落入到發(fā)牌盒中后，默認(rèn)第一次洗牌完成，使用者可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行多次洗牌。發(fā)牌是由發(fā)牌盒、滑槽、運(yùn)動小車、可轉(zhuǎn)動底盤幾部分協(xié)調(diào)完成的。小車可以在桌面上運(yùn)動，轉(zhuǎn)盤可以在平面內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，小車與轉(zhuǎn)盤相互配合，朝不同方向發(fā)牌，牌通過滑槽平穩(wěn)的落到桌面。發(fā)牌完成后，退至空閑位置，以便使用者進(jìn)行游戲，小車則等待再次發(fā)牌。具體工作流程如圖6所示。

圖6 總體工作流程圖

2.2 各分機(jī)構(gòu)控制方案

按照自動洗牌發(fā)牌機(jī)工作流程圖，使用ROBO PRO軟件進(jìn)行程序的編制，由程序自動控制自動洗牌發(fā)牌機(jī)的每個動作，各元件的名稱與對應(yīng)的功能如表1所示。

表1 元件名稱及相應(yīng)功能

2.2.1 切牌功能

開始切牌時M1正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)兩牌盒對接，當(dāng)I3被按下時，對接完成，M1停止轉(zhuǎn)動。M2正轉(zhuǎn)帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，推牌機(jī)構(gòu)向前推牌將牌分為2份，同時，M3反轉(zhuǎn)整理牌，當(dāng)碰到I1時M2停止轉(zhuǎn)動。之后M3和M4同時反轉(zhuǎn)整理分到各自牌盒中的牌。接著M2反轉(zhuǎn)，推牌機(jī)構(gòu)回到初始位置，碰到I2時停止，同時M1反轉(zhuǎn)，牌盒分開，當(dāng)碰到I4時停止，切牌完成。

2.2.2 洗牌功能

按下I7開始洗牌。M7動作實(shí)現(xiàn)壓牌，M8發(fā)光表示洗牌開始。洗牌采用交互式運(yùn)行，即M3正轉(zhuǎn)向發(fā)牌盒送出牌的同時，M4反轉(zhuǎn)整理洗牌盒內(nèi)的紙牌；M4正轉(zhuǎn)向發(fā)牌盒送出牌的同時，M3反轉(zhuǎn)整理對應(yīng)牌盒內(nèi)的紙牌。這樣做的目的是節(jié)省洗牌時間，同時提高運(yùn)行效率，并且避免兩方向同時送出牌發(fā)生沖突，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。完成后停止轉(zhuǎn)動。I5若未接收到M8發(fā)出的光則重復(fù)洗牌操作；若已接收到，說明洗牌完成，則M8熄滅，子程序運(yùn)行結(jié)束。

2.2.3 發(fā)牌功能

發(fā)牌前首先由玩家選擇游戲模式，按下I8即選擇人數(shù)模式，否則為自由模式。若選擇人數(shù)模式，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的人數(shù)和發(fā)牌順序發(fā)牌。具體發(fā)牌時，M5正轉(zhuǎn)將牌發(fā)出，然后反轉(zhuǎn)整理牌以便下次發(fā)牌。發(fā)牌位置的確定由轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過預(yù)先設(shè)定的角度實(shí)現(xiàn)。M6正轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過的角度由預(yù)先設(shè)定的M6轉(zhuǎn)動圈數(shù)決定，由I6計(jì)數(shù)完成圈數(shù)統(tǒng)計(jì)，達(dá)到設(shè)定值后M6停止轉(zhuǎn)動，此時達(dá)到發(fā)牌位置。若選擇自由模式，使用者根據(jù)需要按鍵獲得發(fā)牌，配合小車的行走轉(zhuǎn)動，可以把紙牌發(fā)到任意位置，發(fā)牌的數(shù)量、順序都靈活可選。

3 實(shí)踐教學(xué)效果

在以往的機(jī)電類綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)，通常采用一些現(xiàn)有的自動化流水線、機(jī)器人套裝等，這些系統(tǒng)綜合性較強(qiáng)，在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科交叉能力方面起到了重要的作用。但低年級的學(xué)生缺乏對系統(tǒng)背景的了解，無法激發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，學(xué)生對項(xiàng)目的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和功能改進(jìn)積極性不高。經(jīng)過多年的實(shí)踐教學(xué)探索，采用以自動洗牌發(fā)牌機(jī)為典型應(yīng)用場景的機(jī)電綜合系統(tǒng)，可以大大激發(fā)學(xué)生的興趣和參與度。項(xiàng)目具有綜合性強(qiáng)、貼合生活、易于學(xué)生創(chuàng)新拓展等特點(diǎn)，在開放實(shí)驗(yàn)的過程中，采用多層次、多元化考核評價方法，可以提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、溝通表達(dá)能力、學(xué)科交叉能力、綜合應(yīng)用能力。

依托本項(xiàng)目以及相關(guān)訓(xùn)練項(xiàng)目，以開放實(shí)驗(yàn)課的形式培養(yǎng)了大量的學(xué)生，并為學(xué)生競賽團(tuán)隊(duì)發(fā)掘和輸送了優(yōu)秀的隊(duì)員。近5年來，所指導(dǎo)的學(xué)生競賽團(tuán)隊(duì)共申請獲得各級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目6項(xiàng)；獲得全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽國家級一等獎6項(xiàng)，二等獎3項(xiàng)；申請和授權(quán)專利7項(xiàng)。

4 結(jié)語

本項(xiàng)目以貼近生活的紙牌游戲作為場景，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了功能完整的自動洗牌發(fā)牌機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對紙牌游戲前期手動步驟的模擬，系統(tǒng)兼顧穩(wěn)定性和運(yùn)行效率，提供了靈活可選的游戲模式。系統(tǒng)采用開放式的結(jié)構(gòu)，方便地了解和學(xué)習(xí)整個流程和機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動?；谠擁?xiàng)目，開設(shè)綜合機(jī)電開放實(shí)驗(yàn)課程，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、綜合設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力中發(fā)揮了重要的作用。