王 蕾 陳 桂 林 健

南京工程學院自動化學院 江蘇南京 211167

慧魚模型在機器人電子設計認識實習中的應用探索

王 蕾 陳 桂 林 健

南京工程學院自動化學院 江蘇南京 211167

機器人電子設計認識實習課是我校機器人專業(yè)開設的一門認識實習課，在大一下學期進行，是該專業(yè)學生入學后接觸的第一門與機器人專業(yè)應用緊密結(jié)合的課程。針對大一學生的知識基礎，結(jié)合機器人專業(yè)的發(fā)展和應用，我們采用慧魚創(chuàng)意組合模型，使學生在開放性的實驗環(huán)境中完成機器人電子設計的認識過程，同時也培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和運用所學知識解決實際問題的能力。

慧魚創(chuàng)意組合模型；機器人電子設計；Robo TX控制器

我校是江蘇省一所以工科為主的應用型高校。為培養(yǎng)面向應用、基礎扎實、實踐能力強、具有創(chuàng)新精神的應用型創(chuàng)新復合人才，我校于2013年開設了自動化(機器人)專業(yè)方向。針對該專業(yè)不同學習階段的學生開設系統(tǒng)的、有層次的理論基礎課、專業(yè)基礎課以及大量的創(chuàng)新開放性實習和實驗課程?！皺C器人電子設計認識實習”是機器人專業(yè)學生最早接觸的一門專業(yè)實習課程。本課程的學習目標是加深學生對機器人機械組成、機電一體化、計算機程序控制的認識，鍛煉學生的工程實踐動手能力，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和綜合設計能力，完成對機器人電子設計的認識過程。

針對機器人電子設計認識實習的學習目標，結(jié)合大一下學期學生的特點，我們選用德國的慧魚創(chuàng)意組合模型為實習平臺，采用開放式的項目分組模式，在教師的指導下，給出學生備選項目，由學生根據(jù)個人的興趣和能力，選擇適合的項目，根據(jù)項目的任務要求，主動地獲取知識、應用知識和解決問題。

1 慧魚創(chuàng)意組合模型簡介

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

慧魚創(chuàng)意組合模型由機械構(gòu)件、電氣構(gòu)件、氣動構(gòu)件、微型電機、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]通過模塊的不同拼裝、重構(gòu)和軟件設計形成不同種類產(chǎn)品。圖1所示的慧魚模型產(chǎn)品為移動機器人。其中Robo TX 控制器(如圖1圈中所示)是慧魚接口板系列的第三代產(chǎn)品，可以實現(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，進行軟件的邏輯運算，傳輸軟件的指令?；埕~產(chǎn)品給學生提供了自主搭建模型和與電腦程序相結(jié)合的實踐平臺。

圖1 慧魚移動機器人模型

慧魚創(chuàng)意組合模型主要有組合包、培訓模型、工業(yè)模型三大系列，涵蓋了機械、電子、控制、氣動、汽車技術(shù)、能源技術(shù)和機器人技術(shù)等領(lǐng)域和高新學科[6,7]，如機器人綜合技術(shù)訓練、氣動機器人訓練、探索機器人、工業(yè)機器人等。它可提供的項目有干手機、移動機器人、軌跡搜尋機器人、剪草機、叉車機器人、顏色分揀機器人、救援機器人、抓取機械手等。學生可根據(jù)功能要求，自己設計方案并組裝成實物模型，模擬演示真實工作過程，直觀調(diào)整并優(yōu)化設計方案。

2 慧魚機器人電子設計認識實習的實施

我校引進慧魚創(chuàng)意組合模型10套，每套模型中包括9個組合包。機器人電子設計認識實習分班級開展，4個學生為一個實習小組。整個實習過程分為五個階段進行：項目資料收集階段、基本知識準備階段、操作練習階段、項目產(chǎn)品裝配、編程、調(diào)試階段、項目驗收階段。

2.1 收集項目資料

教師根據(jù)學生的特點，給出若干項目題目，例如，移動機器人、叉車機器人、顏色識別機器人、抓取機械手、軌跡搜尋機器人等。并由學生自由分組，根據(jù)個人興趣和能力進行項目選擇。選定題目后，每組成員根據(jù)所選項目的任務要求，開始分頭執(zhí)行各自的任務。包括搜集所用數(shù)據(jù)資料，閱讀交流。在此過程中，教師要指導學生如何搜集信息和處理信息，要讓學生了解哪些是相關(guān)的信息，如項目產(chǎn)品的實際應用背景、工作過程、注意事項等。指導學生整理和儲存信息。

2.2 準備基本知識

教師采用計算機輔助教學方法對慧魚創(chuàng)意組合模型進行講解。結(jié)合慧魚創(chuàng)意組合模型及實習任務要求，通過課件介紹和上機演示對慧魚組合模型、裝配方法等、ROBO TX控制器的使用、ROBOPRO軟件編程等內(nèi)容進行講解。ROBOPRO軟件編程采用圖形化的語言，通過接口板與PC機相連，大一學生能夠很快掌握和上手。同時它的直觀性也容易調(diào)動學生學習和創(chuàng)新的積極性。

2.3 操作練習

教師以一個典型模型為例，根據(jù)不同的功能要求，進行師范編程，實現(xiàn)提出的功能。學生分組操作，教師提出不同的功能要求，并進行現(xiàn)場指導。

2.4 項目產(chǎn)品裝配、編程、調(diào)試

學生根據(jù)所選項目領(lǐng)取所需的實驗器材，包括慧魚創(chuàng)意組合模型包、慧魚專用電源、慧魚接口板等。根據(jù)項目任務要求，分析項目工作原理和步驟等。以叉車機器人為例，其工作步驟如下。

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

(2)按壓起動按鈕，叉車開始沿環(huán)形軌道運行。

(3)在叉車運行過程中，根據(jù)軌跡傳感器的檢測信息實時調(diào)整叉車的運行方向(通過調(diào)整左右兩側(cè)車輪的運行速度實現(xiàn)運行方向的調(diào)整)。

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

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

小組成員理解了項目任務后，進行組內(nèi)協(xié)商分工，開始模型裝配、編程、調(diào)試等實際操作，這是項目完成的關(guān)鍵步驟。

在進行模型裝配之前，讓學生認真閱讀慧魚公司提供的資料，從而獲得大量的感性認識。之后，根據(jù)生產(chǎn)實踐和生活經(jīng)驗進入動手創(chuàng)意階段，大膽設想，進行設計組合和裝配，構(gòu)件項目中的結(jié)構(gòu)模型，并搭接電路、氣路連接線。然后根據(jù)項目工作原理和步驟進行圖形化編程(如圖2所示)。[4]在初步完成了軟件編程后，先檢查程序有無編寫規(guī)范上的錯誤，通過仿真功能可以進一步檢查錯誤。初步檢查之后，將接口板連接到電腦，進行硬件測試，即可在線調(diào)試。如果調(diào)試程序無誤，并且確保接口板與電腦的端口連接正確，即進行程序下載。下載完成系統(tǒng)將給予提示，此時即可斷開電腦與接口板之間的連線，在下載模式下運行慧魚模型。

圖2 慧魚模型產(chǎn)品(叉車機器人)流程圖

裝配、調(diào)試完成的幾個項目產(chǎn)品模型如圖3所示，包括叉車機器人、抓取機械手等。這些產(chǎn)品模型使知識具體化、形象化，為學生感知、理解和記憶知識創(chuàng)造了條件。從而減少學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，提高學生的學習興趣和積極性。

圖3 慧魚產(chǎn)品圖

2.5 項目驗收

最后進行實習項目驗收答辯，檢驗實習成效。各小組在完成實習項目后，要寫出實習報告，詳細敘述實習項目的設計思路與實現(xiàn)方法、遇到的問題及解決方法、項目小組的體會。并進行現(xiàn)場答辯：陳述制作過程、展示產(chǎn)品運行過程、解釋關(guān)鍵工作原理和采用的方法、回答教師的提問。

3 結(jié)束語

通過使用慧魚模型進行機器人電子設計認識實習，不僅讓學生將多學科多領(lǐng)域的綜合知識融會貫通于實習過程中，更重要的是培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，提高了學生的實踐動手能力，較好地解決了學生在學習過程中書本知識與實踐脫節(jié)的問題，改變了學生動手能力差的狀況，使書本知識與實踐能有機地結(jié)合起來，對于學生理解機器人的機械結(jié)構(gòu)、運動控制、電氣控制原理等具有很大的益處。

慧魚創(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言，通過接口板與PC機相連，也可以采用VB，VC等高級語言編程，將學生所學知識交叉融合，高級編程的應用可以在大三大四學生中開展。另外，該模型還提供了PLC接口板開展方式，可以直接用于高校機電類、自動化類專業(yè)PLC課程教學，具有較好的推廣價值。

[1] 慧魚簡介及分類[EB/OL].[2014-5-4].http://www.cedutech.com/ content/282.html.

[2] 單玉霞,許薔.論慧魚模型對機電類大學生能力培養(yǎng)的作用[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2012(19):11-13.

[3] 張鐵異,曹曉中,黃炳瓊.慧魚實驗系統(tǒng)的二次開發(fā)[J].廣西大學學報:自然科學版,2007,32(S1):12-14.

[4] 慧魚機械創(chuàng)新設計實驗指導書[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[Z].北京:北京中教儀人工智能科技有限公司,2013.

[6] 司文慧.應用慧魚模型實現(xiàn)創(chuàng)新性開放實驗的模式探索[J].科技信息,2014(13):40-41.

[7] 方琳,張遠明.基于“慧魚”模型實習課程的改革與啟迪[J].電氣電子教學學報,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。

南京工程學院引進人才科研啟動基金項目(編號：YKJ201219)；南京工程學院教學研究項目(編號：JY201109)；南京工程學院教學改革重點項目(編號：JG201306)。