機械設(shè)計畢業(yè)論文基于lego的工程創(chuàng)新設(shè)計

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　基于LEGO的工程創(chuàng)新設(shè)計</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 機械設(shè)計制造及自動化

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p>

3、<p>　　現(xiàn)代機器人技術(shù)在人工智能、計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)的推動下獲得了飛速發(fā)展，機器人被廣泛應(yīng)用于物流、探測、軍事、服務(wù)等領(lǐng)域。LEGO機器人是機器人學(xué)中的一個重要模擬環(huán)節(jié)。隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)及圖像處理硬件的發(fā)展，基于LEGO的工程創(chuàng)新設(shè)計越來越被人們所注重。 </p><p>　　利用LEGO組建搭建樂高機器人的教育理念是教育四階段運用的主要體現(xiàn)，將教育解決通過LEGO搭建并設(shè)計具有可行性的一

4、個流程。樂高將學(xué)習(xí)是以聯(lián)系、構(gòu)思、搭建以及繼續(xù)四個階段為教學(xué)總綱的主要流程，四個階段循序漸進，循環(huán)往復(fù)，形成周而復(fù)反的一個過程。只有將樂高教育理念運用到樂高機器人教學(xué)當成，才能使教學(xué)內(nèi)容、理念、方法以及教學(xué)思想、觀念理論得到質(zhì)的變化。</p><p>　　本文專門介紹了樂高的基本組成部分和基本功能等。并用樂高打造一個簡單的單組件模型，實現(xiàn)了單體的設(shè)計創(chuàng)新。再通過加強，設(shè)計搭建出比較復(fù)雜的機器人系統(tǒng)，如滅火小車、蛙

5、跳式機器人、競速車等一系列模型。從而完成創(chuàng)新思路的構(gòu)思。</p><p>　　從實驗?zāi)康?、?nèi)容、管理、考核、形式等多方面論述了，開放建設(shè)該類創(chuàng)新設(shè)計實驗的必要性、可行性及其良好的效果,積極探索一條強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié),提高學(xué)生創(chuàng)新意識的可行之路。</p><p>　　關(guān)鍵詞：創(chuàng)新設(shè)計;LEGO機器人;LEGO搭建；傳感器；創(chuàng)新教育</p><p><b>　　

6、Abstract</b></p><p>　　Modern robot technology in artificial intelligence, computer technology and sensor technology driven won rapid development, robot is widely used in logistics, detection, military,

7、 services, etc.Lego robot is an important robotics simulated link.As digital image processing technology and image processing hardware development based on the engineering innovation design more and more lego attention b

8、y people. Lego set to build machines using Lego's educational philosophy of education is mainly re</p><p>　　Keywords: Innovative design;LEGO robot;LEGO structures; sensor; Innovative Education</p&g

9、t;<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　中英文摘要</b></p><p><b>　　前言6</b></p><p>　　第一章 創(chuàng)新實踐設(shè)計方案與評價7</p><p>　　1.1 創(chuàng)新實踐設(shè)計7</p>&l

10、t;p>　　1.1.1創(chuàng)新能力：7</p><p>　　1.1.2創(chuàng)新實踐概述：7</p><p>　　1.1.3現(xiàn)代創(chuàng)新實踐設(shè)計的設(shè)計思路：8</p><p>　　1.1.4現(xiàn)代創(chuàng)新設(shè)計評價分析：8</p><p>　　1.2 創(chuàng)新實踐設(shè)計的主要特點及其實例分析9</p><p>　　1.2.1創(chuàng)新

11、實踐設(shè)計的主要特點：9</p><p>　　1.2.2創(chuàng)新實踐設(shè)計實例分析：10</p><p>　　第二章 創(chuàng)新設(shè)計的載體——LEGO教育部件11</p><p>　　2.1 樂高機器人系統(tǒng)11</p><p>　　2.1.1樂高系統(tǒng)的組成及其功能11</p><p>　　2.1.2 RCX――革命性的樂

12、高微型控制計算機12</p><p>　　2.2 創(chuàng)新實踐訓(xùn)練項目的研究與LEGO機器人12</p><p>　　2.2.1創(chuàng)新實踐訓(xùn)練項目的兩種技法12</p><p>　　2.2.2 樂高機器人在創(chuàng)新實踐訓(xùn)練中的作用13</p><p>　　2.3 樂高模型搭建套裝及其軟件14</p><p>　　2

13、.3.1模型套裝組合14</p><p>　　2.3.2 ROBOLAB的介紹與編程實例14</p><p>　　第三章LEGO部件及其搭建基礎(chǔ)16</p><p>　　3. 1 LEGO基礎(chǔ)部件16</p><p>　　3.1.1樂高模型部件16</p><p>　　3.1.2 LEGO程序的相關(guān)裝置20

14、</p><p>　　3.2 LEGO傳動系統(tǒng)搭建分析21</p><p>　　第四章 創(chuàng)新單體實踐訓(xùn)練22</p><p>　　4.1 用光線傳感器測速22</p><p>　　4.2 溫度傳感器的實踐應(yīng)用23</p><p>　　4.3 碰碰車24</p><p>　　第五章 機

15、電綜合實踐訓(xùn)練項目研究26</p><p>　　5.1 解決走不直問題的機構(gòu)26</p><p>　　5.2滅火小車28</p><p>　　5.2.1 小車所具備的功能28</p><p>　　5.2.2 搭建29</p><p>　　5.2.3、程序的流程圖30</p><p>

16、;　　5.2.4、具體程序如下圖30</p><p>　　5.3跳躍式青蛙32</p><p>　　5.3.1、動力結(jié)構(gòu)的搭建：32</p><p>　　5.3.2、外形的裝飾33</p><p>　　5.3.3、T型支桿的調(diào)整33</p><p>　　5.3.4、編制控制程序34</p>&

17、lt;p>　　5.4來回競速車34</p><p>　　5.4.1、設(shè)計任務(wù)35</p><p>　　5.4.2、主要部件35</p><p>　　5.4.3、小車所具備的功能35</p><p>　　5.4.4、機器小車所運行的程序36</p><p><b>　　第六章 結(jié)論38<

18、/b></p><p><b>　　第七章 致謝39</b></p><p><b>　　[參考文獻]40</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　近幾十年來，科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展讓我們把現(xiàn)代化的計算機技術(shù)、信息技術(shù)和科技創(chuàng)新活動有機地給合

19、起來，培養(yǎng)大學(xué)生的科技創(chuàng)新精神和動手實踐能力，這是一種將教育與現(xiàn)實、未來發(fā)展相結(jié)合的新式教學(xué)模式，讓學(xué)生在動手做的過程當中接觸機械、工程、物理、電子、信息技術(shù)。機器人是拓展人類活動能力的一種工具,最能發(fā)揮其作用的場所是對人類有危險的或不能接近的環(huán)境。而對這些環(huán)境地表的探索,需要以小范圍為基準逐漸向外擴散，從而到整個環(huán)境的探測。所以,研究具有“智能”的地面探索機器人是十分必要的[1]。智能型機器人是結(jié)合人工智能學(xué)、計算機以及控制論等眾多學(xué)

20、術(shù)的產(chǎn)物,但在實際研究過程中卻有相當大困難。所以,研究人員現(xiàn)階段所研究的要點是針對機器人對人類個別行為的模仿,但是當機器人與其探測環(huán)境存在不確定因素時,就存在一定的困難,所以我們得通過LEGO機器人搭建對其進行模擬從而使之得以實現(xiàn)。</p><p>　　樂高機器人是一種特殊的教育產(chǎn)品，它是由樂高集團、美國國家儀器公司、美國著名大學(xué)3家著名機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的，它使模型搭建與計算機充分的結(jié)合起來，使用LEGO組件可以設(shè)計

21、、搭建機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，在計算機上編寫好相應(yīng)的應(yīng)用程序，然后通過與計算機接口相連接的紅外發(fā)射裝置將計算機上的運用程序下載到機器人的可編程控制器RCX內(nèi)。當開關(guān)開啟時，機器人可以擺脫計算機的束縛，按照下載到RCX里的運行程序單獨行動。樂高主要是由LEGO組件、ROBOLAB軟件和RCX可編程控制器組成。</p><p>　　軟件是利用ROBOLAB在LABVIEW圖形化編程語言的基礎(chǔ)進行研發(fā)出來的，該軟件是可視化的

22、基礎(chǔ)教育軟件，并且有配套的樂高機器人搭建器材以及其他一些設(shè)備，使用和制作起來比較方便運行起來比較簡單。通過構(gòu)思、設(shè)計、搭建模型和編程，使機械專業(yè)、計算機專業(yè)、電子專業(yè)學(xué)生透徹的學(xué)會觀察、思考、表達、創(chuàng)造，使所學(xué)的機電知識更加鞏固，培養(yǎng)學(xué)生的團結(jié)協(xié)作精神、創(chuàng)新意識和提出問題、分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生學(xué)會不怕挫折、勇于挑戰(zhàn)的精神。并且，通過樂高機器人小組的合作，增加了學(xué)生們的團隊意識，為今后的工作奠定了結(jié)實的基礎(chǔ)。</p>

23、;<p>　　產(chǎn)品的設(shè)計是機械設(shè)備的功能分析、機械運動工作原理方案和機械運動方案設(shè)計等條件所決定的。當今世界隨著科技的迅速發(fā)展，機器人技術(shù)是信息技術(shù)和先進制造技術(shù)的典型代表，已成為世界各國競相發(fā)展的技術(shù)。本文在重視發(fā)展機器人技術(shù)的前提下，結(jié)合當今機電一體化的發(fā)展趨勢和創(chuàng)新理念，首先闡述了機電創(chuàng)新設(shè)計的重要性和相關(guān)的基礎(chǔ)知識，介紹了機電創(chuàng)新設(shè)計的類型、方法及過程等。探討了利用樂高機器人及其可編程控制器開展創(chuàng)新實踐訓(xùn)練項目，提

24、高學(xué)生創(chuàng)新意識、綜合思維和創(chuàng)造能力的潛在作用，研究了如何在動手實踐過程中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計能力的教學(xué)模式，研究探索LEGO機器人模型及控制程序，特別是機器人創(chuàng)新模型設(shè)計與程序控制，結(jié)合日常學(xué)習(xí)、生活中產(chǎn)生的一些好的想法、創(chuàng)意，通過進行功能分析，機構(gòu)篩選，進而搭建出最有創(chuàng)意的機器人模型，編制出較優(yōu)的控制程序；完成創(chuàng)新實踐訓(xùn)練實例編寫工作,為工科類學(xué)生創(chuàng)新提供一個有效的實踐訓(xùn)平臺。</p><p>　　第一章 創(chuàng)新實

25、踐設(shè)計方案與評價</p><p>　　1.1 創(chuàng)新實踐設(shè)計</p><p>　　1.1.1創(chuàng)新能力：</p><p>　　社會的發(fā)展最重要的是智力和創(chuàng)新。創(chuàng)新是以一個人的創(chuàng)新能力為核心的。創(chuàng)新能力是指人在所處的環(huán)境中適應(yīng)環(huán)境、改造環(huán)境的獨創(chuàng)和先進能力和行為的總和。</p><p>　　創(chuàng)新能力包括創(chuàng)新思維能力、基礎(chǔ)知識能力和創(chuàng)新行為能力如下

26、圖1.1示。</p><p>　　圖1.1創(chuàng)新能力結(jié)構(gòu)</p><p>　　1.1.2創(chuàng)新實踐概述：</p><p>　　創(chuàng)新實踐設(shè)計是新設(shè)計技術(shù)開發(fā)的一種體現(xiàn)。技術(shù)專家們采用的工具和建立的結(jié)構(gòu)學(xué)、運動學(xué)與動力學(xué)模型是大不相同的，所以，逐漸形成了各具特色的理論體系，盡管設(shè)計方案不同，但實質(zhì)是統(tǒng)一的。綜合起來，機械創(chuàng)新設(shè)計基本過程主要由選擇、分析、綜合三個過程組成起來

27、的。這個過程還分為四個階段：1、確定機械的基本原理；2、機構(gòu)運動尺寸綜合及其運動參數(shù)優(yōu)選；3、機械結(jié)構(gòu)類型綜合及優(yōu)選；4、結(jié)構(gòu)動力學(xué)的參數(shù)綜合及其動力參數(shù)優(yōu)選。機電綜合設(shè)計與創(chuàng)新實踐是機電一體化專業(yè)的一項大型綜合性設(shè)計實驗，是培養(yǎng)我們學(xué)生動手操作能力的重要途徑。</p><p>　　創(chuàng)新設(shè)計的實質(zhì)：根據(jù)問題的客觀需求，通過我們的創(chuàng)造性思維，經(jīng)過反復(fù)判斷，作出決策并用各種設(shè)計模型使之固定化，借此將提供的資源（人、物

28、、信息）轉(zhuǎn)化為機電產(chǎn)品以滿足人類與社會需求，并取得最滿意效益。</p><p>　　現(xiàn)代設(shè)計來源于創(chuàng)新設(shè)計，為了更好地區(qū)分兩者間的聯(lián)系，我們將傳統(tǒng)設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計進行比較，如表1.1所示：</p><p>　　表1.1 兩種設(shè)計方法的比較</p><p>　　1.1.3現(xiàn)代創(chuàng)新實踐設(shè)計的設(shè)計思路：</p><p>　　現(xiàn)代創(chuàng)新設(shè)計思路就是通過需

29、要實現(xiàn)的的要求來思考問題，讓原本動作、功能要求復(fù)雜的機械系統(tǒng)得到最簡化，并相應(yīng)找出實現(xiàn)各分功能的原理方案，從而得到簡化實現(xiàn)總功能的原理方案和構(gòu)思。設(shè)計時可通過“黑箱”與輸入、輸出量及周圍環(huán)境的信息聯(lián)系，探求要設(shè)計的機電產(chǎn)品的機理和結(jié)構(gòu)，逐步使黑箱透亮，一直至方案擬訂成功。</p><p>　　通過設(shè)計問題抽象化（即將設(shè)計的根本要求用最為抽象的形式加表達出來），這樣便于抓住設(shè)計的主要問題，通過抽象化不需要涉及具體解

30、決方法，就能清晰地掌握所設(shè)計的機電產(chǎn)品的主要功能和根本的約束條件，從而體現(xiàn)出設(shè)計中的主要矛盾。設(shè)計人員就可以把思維注意力集中到最關(guān)鍵的問題上來，容易得到突破和創(chuàng)新，有利于尋求理想的設(shè)計方法，設(shè)計思路如圖1.2所示：</p><p><b>　　分析</b></p><p><b>　　設(shè)計</b></p><p><

31、;b>　　設(shè)計評價.</b></p><p><b>　　圖1.2設(shè)計步驟</b></p><p>　　1.1.4現(xiàn)代創(chuàng)新設(shè)計評價分析：</p><p>　　1）整體性：構(gòu)成總功能的各功能都各具有特定的功能和目標，但又是有機整體的一部分，整體效益是考慮解題的最高準則。</p><p>　　2）定量化：定

32、量化，便于精確計算，實現(xiàn)高精度。</p><p>　　3）最優(yōu)化，尋求解決給定問題的最優(yōu)方案。</p><p>　　4）采用價值判斷，有利于設(shè)計者在考慮產(chǎn)品設(shè)計的過程時提高產(chǎn)品的經(jīng)濟性能。</p><p>　　創(chuàng)新和創(chuàng)造有很多種形式。如果采用新的技術(shù)、新的方法得到新的結(jié)論，是新的發(fā)明;如果采用已有的技術(shù)經(jīng)過重新排列組合得到新的結(jié)論，同樣也是新的發(fā)明。前者通常被稱作獨

33、立創(chuàng)新發(fā)明，后者便是組合創(chuàng)新發(fā)明。</p><p><b>　　一、邏輯積木法</b></p><p>　　將機械系統(tǒng)的輸出要求劃分為基本的功能，然后根據(jù)整個設(shè)計綜合的約束條件認真構(gòu)思簡單的組件（零件、機構(gòu)、部件、分系統(tǒng)等），再將這些組件（即積木）按一定的相互關(guān)系，用最簡單的形式將輸入與輸出連接起來。</p><p>　　這個比較符合創(chuàng)新設(shè)計方

34、案中的組合創(chuàng)新法，具體可劃分為功能組合、材料組合、原理組合。</p><p>　　其中功能組合就是將具有不同的功能的技術(shù)手段或產(chǎn)品結(jié)合到一起，形成多功能的技術(shù)系統(tǒng)的一種創(chuàng)新方法。而材料組合是將不同種類既不同新能的材料組合在一起，形成具有新功能材料的一種創(chuàng)新方法。原理組合是將兩種以上的技術(shù)原理組合復(fù)合的技術(shù)系統(tǒng)，形成解決新問題的心技術(shù)手段。</p><p>　　二、機構(gòu)系統(tǒng)搜尋法：</

35、p><p>　　針對設(shè)計要求，先系統(tǒng)的找出各種可能出現(xiàn)的機構(gòu)，然后進行估計和選擇；</p><p>　　這個方法就好比舉例法：而舉例法又包括有點舉例法、缺點舉例法、特點舉例法。</p><p>　　優(yōu)點舉例，是一種主動型的正向思維活動，圍繞有點目標尋找突破，或從市場用戶方面尋找人們愿意接受的有點，從而提出創(chuàng)新設(shè)想。</p><p>　　缺點舉例，

36、是在對象客觀存在與人們醫(yī)院相矛盾時采納的，分析對象的缺點及存在的條件，改變條件使缺點成為優(yōu)點，或者在原有的條件下，改缺點為優(yōu)點。因此該方法常常應(yīng)用于舊產(chǎn)品的改造中。</p><p>　　特點舉例法是由美國創(chuàng)造學(xué)家克拉福德歸納總結(jié)出來的，由于萬物都具有自己的特點，所以認識事物的特點理解其功效才是創(chuàng)新的基礎(chǔ)。特點舉例法的運行步驟包括：選擇需要改進的對象，并將對象組成部分按其特點分解，分析其中各個特點之間的關(guān)系，找出其

37、中部分有可能突破的特點進一步分析研究，采用取代、替換、增加、簡化、組合等方法，融入創(chuàng)新思想，加以改進或從新設(shè)計。</p><p>　　這兩種方法各有各的好處，而本文所設(shè)計的方案基本以這兩種方案為基準。</p><p>　　例：設(shè)計一個產(chǎn)品將連續(xù)回轉(zhuǎn)的輸入運動變換成一往復(fù)移動的輸出運動，其原理方案有四柄滑塊機構(gòu)，凸輪—齒輪機構(gòu)、平面六桿機構(gòu)等。</p><p>　　利

38、用LEGO可編程控制器構(gòu)思、設(shè)計、組裝機械系統(tǒng)或稱為智能機器人,整個實踐過程包括3個基本步驟:(1)設(shè)計和搭建;(2)編寫程序;(3)下載程序和啟動機器人。</p><p>　　1.2 創(chuàng)新實踐設(shè)計的主要特點及其實例分析</p><p>　　1.2.1創(chuàng)新實踐設(shè)計的主要特點：</p><p>　　（1）設(shè)計步驟明確，對于有經(jīng)驗的設(shè)計者更能發(fā)揮其所長取得滿意的結(jié)果，

39、對于經(jīng)驗不足的設(shè)計者按步驟進行設(shè)計可取得較好結(jié)果；</p><p>　?。?）分解—組合：在設(shè)計各個階段都要對系統(tǒng)進行科學(xué)合理的分解和組合，使問題由復(fù)雜變成簡單，使解法由少變多，設(shè)計的奧秘人人都得到使用。</p><p>　　（3）抽象—具體：設(shè)計是從功能分析開始，把產(chǎn)品的總功能抽象化，這樣便可以抓住設(shè)計最根本的問題，可以免除常規(guī)思維的束縛，然后通過功能原理方案，結(jié)構(gòu)方案一步步具體化為功能

40、載體、結(jié)構(gòu)設(shè)計等。</p><p>　?。?）搜索—篩選：每個設(shè)計階段都按分析、綜合、評價、決策的步驟解決問題，搜索盡可能多的方案，再通過評價選取最佳方案，用綜合評價的方法使設(shè)計者擺脫主觀性、片面性、盲目性。</p><p>　　（5）有規(guī)律的設(shè)計步驟、系統(tǒng)的解法目錄、科學(xué)的評價方法等有利于CAD的開展運用，有利于提高設(shè)計質(zhì)量和效率。</p><p>　　1.2.2

41、創(chuàng)新實踐設(shè)計實例分析：</p><p>　　例：設(shè)計一取紙器，要求裝有120mm*120mm紙，30張以上，每次取一張；要求結(jié)構(gòu)簡單、操作方案可靠，造價低廉。</p><p>　　解：（1）功能原理方案</p><p>　　a)總功能分析：是把紙張分離； b)功能分解：貯紙、分紙、連續(xù)供紙；c) 原理求解：由貯紙、分紙、連續(xù)供紙三個功能元素，其中貯紙可采用盒式、筆筒

42、式兩種方案，分紙可借用電磁力或者摩擦力得以實現(xiàn)，連續(xù)供紙可采用重力或吸引力，以上功能元共組合為8個原理解： 2*2*2=8；</p><p>　　d)求最佳原理解：根據(jù)功能可靠、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、成本經(jīng)濟等幾個評價目標進行設(shè)計評價，認為盒式貯紙、摩擦力分紙、重力供紙為最佳原理解；</p><p>　?。?）結(jié)構(gòu)方案：分別對功能原理解進一步作出結(jié)構(gòu)解：分紙運動可靠，摩擦面寬。材料采用全塑。

43、具體如圖1.3所示：</p><p>　　圖1.3取紙機的運行原理圖</p><p>　　小結(jié)：機電綜合設(shè)計與創(chuàng)新實踐是機電一體化專業(yè)的一項大型綜合性、設(shè)計性的實驗，是培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力的重要環(huán)節(jié)。它綜合應(yīng)用了機械、電氣、氣動、計算機和自動控制技術(shù)。</p><p>　　第二章 創(chuàng)新設(shè)計的載體——LEGO教育部件</p><p>　　2.1

44、 樂高機器人系統(tǒng)</p><p>　　樂高組件大致可分為以下幾大類: 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件、傳動結(jié)構(gòu)件(齒輪、凸輪、蝸輪、蝸桿、萬向節(jié)、皮帶傳動等)、驅(qū)動部件(直流電機)、特殊部件(氣缸、氣泵、分配閥等)、傳感器(其中傳感器可分溫度傳感器、光線傳感器、觸動傳感器等)、控制器和ROBOLAB 軟件。利用這些組件搭建樂高機器人能充分的體現(xiàn)出搭建LEGO機器人的靈活性。其中控制器在這些組件中起著靈魂的作用, 對于非計算機類或電

45、子類的學(xué)生, 有了控制器再配以ROBOLAB這個可視化的軟件，可以使那些想要通過自己動手獲取數(shù)據(jù)的學(xué)生得以順利的完成。對于非電子和非計算機專業(yè)的學(xué)生來說, 控制器相當于一個“黑箱”, 不用擔心其內(nèi)部的構(gòu)建,只需用圖形化的編程語言控制它的輸入、輸出口即可,而網(wǎng)上的相關(guān)編程資源也非常豐富。此外,系統(tǒng)也支持VC+ + 、VB、DELPHI等高級語言的編程控制, 在處理復(fù)雜控制流程時, 應(yīng)用高級語言更容易實現(xiàn)。</p><p

46、>　　2.1.1樂高系統(tǒng)的組成及其功能</p><p>　　LEGO機器人系統(tǒng)是由美國國家儀器公司、樂高集團、美國麻省理工學(xué)院等3家著名機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的可編程機器人系統(tǒng)，這個系統(tǒng)主要是由LEGO組件、RCX可編程控制器和ROBOLAB軟件構(gòu)成的。這一獨創(chuàng)性的教育產(chǎn)品是將樂高模型搭建與計算機編程兩種原本無關(guān)的產(chǎn)品牢牢的粘合在一起，利用LEGO組件可以通過自己的設(shè)計思路搭建出自己想要的機械模型，在配以計算機所編寫

47、的程序，然后通過與計算機串口相連的紅外線發(fā)射儀將所編寫好的程序轉(zhuǎn)載到RCX里，這樣LEGO機器人就能脫離計算機。在啟動開關(guān)，機器人就可以按照原本下載到RCX里的程序指令獨自行動。</p><p>　　LEGO組件還有很多豐富的零部件，其中包括各種各樣的機械零件，如齒輪、馬達、連桿、凸輪、蝸輪、蝸桿等等。巧妙的運用各種組件能搭建出各種所需要的模型結(jié)構(gòu)——即通過搭建組裝的方式組成一個機電系統(tǒng)。RCX作為控制模塊和微型

48、電腦，用于系統(tǒng)的輸入和輸出控制，也是整個機器人運行的中樞系統(tǒng)，就象人體大腦一樣去控制與指揮機器人的行為。</p><p>　　要改進或創(chuàng)新設(shè)計產(chǎn)品和裝置，必須構(gòu)思出確切的機電運動及控制方案，通過LEGO部件模擬搭建的模型可以方便快捷地驗證、測試產(chǎn)品運動方案實現(xiàn)的可能性、合理性和可靠性，同時進行數(shù)據(jù)的采集和分析，隨時改進運動方案和控制方案，直至滿足產(chǎn)品的功能要求。樂高可編程機器人系統(tǒng)是目前世界上應(yīng)用最廣泛的使學(xué)生有

49、機會設(shè)計自己的機器人或系統(tǒng)并為其編寫程序的教學(xué)套裝。這一獨創(chuàng)性的樂高教學(xué)材料將模型搭建與計算機編程有效地結(jié)合在一起。樂高機器人不像其他機器人系統(tǒng)那樣，所有工作都是自己設(shè)定的，設(shè)計者可以自己來設(shè)計、搭建機器人，并決定自己的機器人如何行動。例如通過使用光電傳感器，讓機器人沿著一定的路線前進、或圍繞某一物體轉(zhuǎn)動、或是藏在暗處等。使用樂高積木和由麻省理工學(xué)院的控制器為靈感而開發(fā)的樂高微型電腦，設(shè)計者可以設(shè)計自己的機器人，在PC機上為其編寫程序，

50、然后，通過與計算機串口相連的紅外線發(fā)射儀將程序從計算機下載到機器人的微型電腦內(nèi)。啟動機器人開關(guān)，機器人就可以脫離計算機，按程序指令行動，根本不需要遙控。</p><p>　　2.1.2 RCX――革命性的樂高微型控制計算機</p><p>　　整個系統(tǒng)的核心是RCX,一個革命性的微型控制器，這個控制器可以通過紅外線接收在電腦上編寫的程序，也可以將采集的數(shù)據(jù)通過紅外線傳送到電腦中，甚至與其它

51、RCX聯(lián)系，作為這個系統(tǒng)的大腦．它使用傳感器感知環(huán)境的變化（例如溫度，亮度等），處理這些采集回來的數(shù)據(jù)，并控制輸出部分（馬達或燈）的開或關(guān)。</p><p>　　樂高機器人正是這種概念的創(chuàng)新實踐載體，它由RCX微型電腦、紅外發(fā)射器及電纜、樂高積木及ROBOLAB軟件開發(fā)環(huán)境構(gòu)成。它能讓人在覺得挺好玩的過程中不知不覺的提高自己的動手能力和電腦程序的編寫能力。樂高機器人結(jié)構(gòu)新穎，能實現(xiàn)示教再現(xiàn)的各項功能，并能和PC機

52、相連，實現(xiàn)計算機程序控制。機器人的機構(gòu)設(shè)計與分析問題，詳述傳動方案、結(jié)構(gòu)特點，程序編制及其控制等，手爪開合采用直流力矩電機驅(qū)動，機械結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)敞開，學(xué)生一目了然，采用組裝式機械結(jié)構(gòu)，如有必要，學(xué)生可自行拆裝或搭建。通過模型搭建，總結(jié)設(shè)計規(guī)律性，啟發(fā)創(chuàng)造性，在給定條件下實現(xiàn)省時、優(yōu)質(zhì)的設(shè)計，更快、更好地培養(yǎng)設(shè)計人員。</p><p>　　2.2 創(chuàng)新實踐訓(xùn)練項目的研究與LEGO機器人</p>&

53、lt;p>　　2.2.1創(chuàng)新實踐訓(xùn)練項目的兩種技法</p><p>　　在利用樂高開展創(chuàng)新實踐訓(xùn)練項目的研究過程中，我們需要尋求符合設(shè)計規(guī)律的設(shè)計程序，探索研究設(shè)計中的科學(xué)思維方法（進而調(diào)動設(shè)計人員的主觀能動性和創(chuàng)造性）。以下僅重點討論兩種技法：形態(tài)分析法與設(shè)問法。</p><p>　　形態(tài)分析法：根據(jù)系統(tǒng)分解和組合的情況，把需要解決的問題分解成各個獨立的要素，然后用圖解法將要素排列

54、組合，如可按材料、工藝、成本組成、功能、形態(tài)等進行分解，從許多方案的組合中找到最好的答案，可大大提高創(chuàng)新的水平，此技法步驟如下：</p><p>　　明確所要解決的問題，用樂高積木搭建一種搬運物品的新型運輸工具；</p><p>　　將要解決的問題，列出有關(guān)的獨立因素，如經(jīng)分析，新型運輸工具的獨立因素為裝載形式、輸送形式、動力來源；</p><p>　　詳細列出各獨

55、立因素所含的要素，針對比例，列出明細表并進行圖解如下：</p><p>　　將各要素排列組合成創(chuàng)造性設(shè)想，如表2-1所示：此例可獲得3*3*5 = 45個組合方案。從中選出切實可行的方案再進行細化。應(yīng)注意，方案并不是越多越復(fù)雜就一定越好；</p><p>　　表２.１ 新型運輸工具獨立因素明細表</p><p>　　設(shè)問法：設(shè)問法可圍繞老產(chǎn)品提出各種問題，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計

56、、制造、銷售等環(huán)節(jié)中的不足之處，找出需要和應(yīng)該改進之處，從而開發(fā)出新產(chǎn)品；設(shè)問法大致考慮如下問題：</p><p>　　稍改動現(xiàn)產(chǎn)品會有新的用途嗎？</p><p>　　能否用其他方面的經(jīng)驗和設(shè)想？有可供借鑒模仿的東西嗎？</p><p>　　擴大、添加結(jié)構(gòu)會怎樣？高點、長點、大點會怎樣？</p><p>　　縮小、去掉某部分結(jié)構(gòu)會怎樣？低點

57、、短點、小點、分解結(jié)構(gòu)會怎樣？</p><p>　　能否將產(chǎn)品變動、組合？能代用嗎？有其他制造方法嗎？</p><p>　　改變順序、要素、因果關(guān)系、步驟、基準會怎樣？</p><p>　　反過來，上下倒置、反向運動、改變轉(zhuǎn)向會怎樣？</p><p>　　除以上討論的兩類常見的創(chuàng)新實踐的技法以外，還有如下幾類形式，總結(jié)如下：</p>

58、;<p>　　強化創(chuàng)造動因的群體激智法：如頭腦風暴法；</p><p>　　擴展思路的發(fā)散技法：如設(shè)問法、缺點例舉法；</p><p>　　非推理因素的直覺靈感方法：如機遇發(fā)明法；</p><p>　　思維定性制造技法：聯(lián)想法、功能思考法；</p><p>　　定量的現(xiàn)代設(shè)計科學(xué)方法學(xué)：如模糊解方法學(xué)、控制方法學(xué)；</p&

59、gt;<p>　　2.2.2 樂高機器人在創(chuàng)新實踐訓(xùn)練中的作用</p><p>　　作為一個機械專業(yè)的學(xué)生，樂高產(chǎn)品對我們是非常有幫助的，每個人都有好奇的天性。通過使用樂高機械與機械工程系列套裝，不僅可以滿足學(xué)生好玩、好奇、好勝的心理，更可以使其了解設(shè)計、技術(shù)知識。在妙趣橫生、方便快捷的模型搭建及測試過程中，抽象的機械原理變得直觀、簡單；復(fù)雜機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運動、力與速度之間聯(lián)系也變得清楚明白。樂高

60、機械系列還引導(dǎo)使用者通過添加馬達裝置和電腦控制，讓模型運動起來，實現(xiàn)自動化控制功能，讓學(xué)生親身體驗機器的功能，了解我們現(xiàn)代生活是如何依賴于機械裝置。所有產(chǎn)品與教學(xué)大綱相結(jié)合，課前準備時間短，即使非專業(yè)老師也可以使用樂高機械套裝來上一堂有趣的機械課。樂高在創(chuàng)新實踐訓(xùn)練項目中的作用歸納起來有：</p><p>　　一、把抽象、乏味的機械原理生動、直觀地體現(xiàn)出來；</p><p>　　二、結(jié)合實

61、際、對結(jié)構(gòu)、力、運動、速度等理論進行實踐；</p><p>　　三、多種多樣的現(xiàn)實生活應(yīng)用的仿真系統(tǒng)；</p><p>　　四、結(jié)合電腦的自動化模型</p><p>　　五、旨在幫助學(xué)生更好地理解基本機械原理；</p><p>　　當前，世界上許多國家都在研究面向新世紀的高等教育改革與發(fā)展問題。近幾年，國家教委組織進行的教學(xué)調(diào)查結(jié)果表明，我國

62、高等學(xué)校的學(xué)生在校期間雖然學(xué)了很多知識，但是可應(yīng)用于創(chuàng)造性勞動的知識太少。 </p><p>　　樂高可編程機器人系統(tǒng)是目前世界上應(yīng)用最廣泛，能使學(xué)生有機會設(shè)計自己的機器人或系統(tǒng)并為其編寫程序的教學(xué)套裝。這一獨創(chuàng)性的樂高教學(xué)材料將模型搭建與計算機編程有效地結(jié)合在一起。樂高機器人的所有工作都可以通過自己設(shè)想進行設(shè)計，搭建的機器人能檢驗和體現(xiàn)自己的創(chuàng)意。這也是探索機械專業(yè)課程理論結(jié)合實踐的新思路。LEGO機器人是推進

63、素質(zhì)教育、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的最好載體。通過調(diào)查、設(shè)計、搭建模型和編程，使學(xué)生學(xué)會觀察、學(xué)會表達、學(xué)會思考、學(xué)會創(chuàng)造，達到鞏固和加深所學(xué)的機電知識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和團結(jié)協(xié)作精神、提高分析問題和解決問題的能力，鍛煉學(xué)生不怕挫折、勇于挑戰(zhàn)的精神的目的。也為畢業(yè)設(shè)計和今后的工作打下堅實的基礎(chǔ)。</p><p>　　2.3 樂高模型搭建套裝及其軟件</p><p>　　2.3.1模型套裝組合&

64、lt;/p><p>　　1、 機械工程組合基本功能</p><p>　　機械工程是處理制造流程以及設(shè)計、制造、安裝和操作發(fā)動機和機器的工程分支學(xué)科。機械工程組合套裝主要幫助設(shè)計者認識和理解物理概念（運動和力）、動力學(xué)、生產(chǎn)流程、機械、氣動力控制系統(tǒng)等。強調(diào)流程工程學(xué)，主要是利用機械原理和問題解決能力來完成機電產(chǎn)品的設(shè)計。</p><p>　　2、 電腦測控實驗室組合基本

65、功能</p><p>　　LEGO DACTA控制實驗室組合套裝作為一種控制和測量產(chǎn)品，是一種通過傳感器與計算機控制的使用裝置，將結(jié)構(gòu)、測量、數(shù)據(jù)記錄與控制和計算機控制相結(jié)合起來的教材。該套裝可直接用在教學(xué)活動中，解決各種問題，如：制造、環(huán)境、通信與運輸業(yè)，為設(shè)計者提供測試和控制的完整解決方案。</p><p>　　3、 能源再生組合基本功能。</p><p>　　

66、將看不見，摸不著的能量概念直觀、形象地體現(xiàn)出來。引導(dǎo)設(shè)計者了解能量的存在以及能量之間的相互轉(zhuǎn)換原理。在可再生能量套裝組合中，設(shè)計者將學(xué)習(xí)實踐和對太陽能、風能、潮汐能的收集和儲存等實驗過程，從而為運用知識來設(shè)計更好的方案或設(shè)備。</p><p>　　2.3.2 ROBOLAB的介紹與編程實例</p><p>　　ROBOLAB是樂高機器人的編程工具。它基于圖形化語言的編程環(huán)境，適合各個年齡段

67、的用戶使用，程序的編寫方式類似于做邏輯表達，不過是全部圖形化的；在基于ROBOLAB編程環(huán)境進行程序編寫，需要清醒的頭腦，清晰的邏輯。程序編寫完畢后通過樂高（LEGO)紅外傳感器傳送至機器人(RCX)的記憶體中。ROBOLAB的出現(xiàn)原本旨在為相關(guān)產(chǎn)品做軟件支持，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)成為青少年進行機器人競賽的必備編程工具。</p><p>　　ROBOLAB軟件是以美國國家儀器公司(National Instrum

68、ent)的LABVIEW，它是一個簡單、直觀、易學(xué)的編程環(huán)境。使用圖形化的編程語言，只需從功能面板選取需要的圖表，拖曳到編程窗口，通過連線，即可完成編程，有效地提高了工作效率。ROBOLAB的編程環(huán)境共分為3個級別：初學(xué)者級別（Pilot Level）、發(fā)明家級別（Inventor Level）、研究者級別（Investigator Level）。每個級別又分數(shù)個等級，由淺入深，共有13個等級。提供基于TCP/IP的互聯(lián)網(wǎng)編程工具。圖形

69、化編程軟件幫助學(xué)生理解編程概念和培養(yǎng)他們的邏輯思維，也有益于老師以直觀易見的方式教授難以理解的編程概念。如圖2-1所示的ROBOLAB編程環(huán)境。ROBOLAB容易上手，卻功能強大。通過使用ROBOLAB服務(wù)器，就可以實現(xiàn)通過Internet來控制在其它地方的RCX。ROBOLAB有強大的數(shù)據(jù)采集和處理功能，可以從樂高或DCP傳感器（濕度、電壓、聲壓）采集數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理及作圖。具體如圖2.1所示：</p><p&

70、gt;　　圖2.1 ROBOLAB編程環(huán)境</p><p>　　第三章LEGO部件及其搭建基礎(chǔ)</p><p>　　3. 1 LEGO基礎(chǔ)部件</p><p>　　LEGO的基礎(chǔ)部件分為梁、片、塊、軸、銷、軸承、連接器、輪子、齒輪、皮帶與滑輪。</p><p>　　3.1.1樂高模型部件</p><p><b&

71、gt;　　蝸桿傳動</b></p><p>　　蝸桿傳動的主要特點是傳動比大并且能自鎖，如可用與電梯，但是傳動效率低。蝸桿是一項非常迷人的發(fā)明，當它與相應(yīng)的蝸輪相嚙合時，蝸輪形成一個n比1的減速：蝸桿每轉(zhuǎn)動一圈，驅(qū)動相應(yīng)的齒輪僅僅轉(zhuǎn)動一個齒。所以，例如，蝸桿旋轉(zhuǎn)24圈，驅(qū)動24齒的齒輪轉(zhuǎn)動一圈。這是很緊湊的減速裝置——它相當于3個3比1個齒輪組，其產(chǎn)生27比1的關(guān)系，只需要一個蝸桿和24齒的蝸輪相嚙合

72、就可以實現(xiàn)。</p><p>　　然而，在這里有一個缺點，蝸桿主要使用滑動摩擦力來驅(qū)動蝸輪的齒，雖然當蝸輪相互嚙合時，設(shè)計蝸輪通常將滑動作用最小化，但是當蝸輪與蝸桿嚙合時，不可避免出現(xiàn)問題。蝸桿比圓柱齒輪有更多的摩擦損失。在很高的扭矩作用下，可能導(dǎo)致傳動停止。假如你的機器人太重，蝸桿驅(qū)動可能沒有主驅(qū)動工作的那樣好。</p><p>　　蝸桿還有一個有趣的特性：它們不能反向驅(qū)動（即自鎖）。也

73、就是說，假如你使用蝸輪來驅(qū)動蝸桿，你只能讓蝸桿沿軸前后移動，而不能讓蝸輪轉(zhuǎn)動?？梢岳眠@種特性的有利的一面，例如，假如你使用蝸桿來提升重物，當馬達停轉(zhuǎn)時，重物不會掉下來。蝸桿驅(qū)動如圖3.1所示 </p><p>　　圖3.1使用蝸桿驅(qū)動</p><p>　　蝸桿是很有用的，因為它可用作單個齒的齒輪：當蝸輪旋轉(zhuǎn)一圈時，它驅(qū)動蝸桿轉(zhuǎn)動一個齒。所以當它與24齒的齒輪吻合時，產(chǎn)生24比1的減速。然

74、而，由于蝸桿在摩擦上損失大量能量，所以此驅(qū)動不適用于高性能的主驅(qū)動等應(yīng)用。</p><p>　　圖3.2在一根軸上安裝多個蝸桿</p><p>　　圖中給出的蝸桿的排列，在最下面的基本的蝸桿，長度為兩個水平lego單位。最上面的是在在一個軸上安裝兩個兩個蝸桿不成功的例子，中間的功能的例子。當在同一根軸上安裝多個蝸桿時，嘗試四種可能的方向來找出可以工作的方向。</p><

75、p>　　圖3.3蝸輪與齒輪箱</p><p>　　圖3.4 蝸輪齒輪箱的構(gòu)造</p><p>　　齒輪機構(gòu)的主要特點是傳動力量大、傳動精確。如圖3.5所示</p><p><b>　　圖3.5齒輪傳動</b></p><p>　　樂高一共有4種圓柱齒輪還有冠齒輪、斜齒、蝸桿和齒條</p><p&

76、gt;<b>　　如圖表3.1所示</b></p><p>　　表3.1圓柱齒輪齒數(shù)直徑對應(yīng)表</p><p>　　齒輪是一種特殊的傳動方式，它們都是互相配合工作的，至少有兩個齒輪互相配合。齒輪的定義是由齒輪的齒數(shù)區(qū)分的。就像齒輪、輪軸就是互相配合使用的，這就是我們所說的輪軸結(jié)構(gòu)。齒輪的嚙合、傳動有很多種方式。</p><p>　　齒輪傳動可以

77、增加、減少力的傳遞；增大或減少扭矩；加速或減速。在齒輪運動系統(tǒng)中，有主動與從動輪之分，主動輪是直接受力而運動的，有主動齒輪帶動的齒輪被稱為從動輪。由大齒輪帶動小齒輪是將起到加速的作用，由小齒輪帶動大齒輪將起到減速的作用。傳動比是主動輪的齒數(shù)除以從動齒輪的齒數(shù)的數(shù)值。如圖3.6所示</p><p>　　圖3.6齒輪傳動分類圖</p><p>　　蝸輪與齒輪箱是配合使用的，蝸輪與齒輪是以45度

78、嚙合、傳動的。按照上面的方式進行連接就可以組成一個齒輪箱。如圖3.7</p><p>　　圖3.7 樂高傳動系統(tǒng)</p><p>　　使用8和24齒齒輪的五級傳動產(chǎn)生了243比1的傳動。注意，這里需要三根平行的軸來防止齒輪間互相干擾。四個2×3樂高板來讓梁保持平行，防止軸被卡死。</p><p><b>　　斜齒輪傳動</b><

79、/p><p>　　斜齒輪或冠齒輪的傳動是在直角的方向上嚙合、傳動的。樂高部件中的斜齒輪其形狀類似于圓錐齒輪，應(yīng)用于將運動軸轉(zhuǎn)換90度，有時候可以替代軸套。斜齒輪成對使用，提供類似于冠齒輪的功能，但是不能提供減速的能力。</p><p><b>　　冠齒輪傳動</b></p><p>　　不同于常用機械中的圓錐齒輪，是樂高部件中較為特殊的一種齒輪。主

80、要應(yīng)用于將運動軸轉(zhuǎn)換90 度，有時候也可替代圓柱齒輪。</p><p><b>　　齒條齒輪傳動 </b></p><p>　　齒條可與齒輪（在樂高創(chuàng)意中，最好使用一個8齒的齒輪驅(qū)動）配合使用，作前后直線運動。如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8齒條傳動裝置</p><p>　　驅(qū)動齒條的齒輪在齒條傳動機構(gòu)中通

81、常稱為小齒輪。8齒的齒輪是驅(qū)動齒條的一個很好的選擇，因為它的減速效果好——齒輪旋轉(zhuǎn)一圈，齒條只移動8個齒，這樣較容易控制斜齒輪。如圖3.9所示</p><p><b>　　圖3.9斜齒輪</b></p><p>　　斜齒輪用于改變旋轉(zhuǎn)軸的方向，其傳動比為1比1。在這個例子中，它們用于在水平面上改變軸的方向。</p><p>　　這種圖片給出了老

82、類型的斜齒輪，由于它們相互間有很高的摩擦力以及它們不夠堅固，所以在應(yīng)用上有很多限制。新類型的斜齒輪更厚，性能也更好。</p><p><b>　　凸輪機構(gòu)</b></p><p>　　利用凸輪機構(gòu)可以實現(xiàn)任意復(fù)雜的運動規(guī)律?？梢詫C器進行精確的計時和控制；利用凸輪機構(gòu)也可以將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橥抵本€運動或擺動等各種工作要求。</p><p><

83、;b>　　連桿機構(gòu)</b></p><p>　　連桿機構(gòu)是由若干剛性構(gòu)件用低副連接而成的機構(gòu)，不能精確實現(xiàn)復(fù)雜的運動規(guī)律和軌跡，可分為閉環(huán)機構(gòu)和開鏈機構(gòu)：閉環(huán)機構(gòu)常用與各種機器，開鏈機構(gòu)常用于機械手。</p><p><b>　　滑輪</b></p><p>　　滑輪傳動的特點：噪聲小，容易安裝。但是傳動扭矩大時容易打滑，有些

84、設(shè)計需要避免打滑，有些設(shè)計則利用打滑，樂高一共有3中滑輪。</p><p><b>　　動力執(zhí)行機構(gòu)</b></p><p>　　動力執(zhí)行機構(gòu)就是提供機構(gòu)運動能量的部分，常用的有發(fā)動機、氣動機構(gòu)、電動機構(gòu)等。</p><p><b>　　抓取機構(gòu)</b></p><p>　　模仿人手的運動，完成撿起

85、、移動、放置、提升物品等動作的機械裝置</p><p>　　3.1.2 LEGO程序的相關(guān)裝置</p><p>　　RCX傳感器與輸出設(shè)備、連接線 ，如圖3.10所示：</p><p><b>　　圖3.10程序裝置</b></p><p>　　3.2 LEGO傳動系統(tǒng)搭建分析</p><p>　

86、　傳動系統(tǒng)在整個模型的搭建過程中起著非常重要的作用，以下是我在畢業(yè)設(shè)計過程中搭建模型的一些體會：在為一個模型設(shè)計一個新的傳動系統(tǒng)時，我發(fā)現(xiàn)最好的方法是從最后一級來倒推前面的傳動，而不是從馬達開始。這是因為通常馬達的安裝位置選擇有較大的余地，而驅(qū)動輪或關(guān)節(jié)安裝的余地較小。所以，從安裝最好的驅(qū)動軸開始，接著在它上面安裝輪子或齒輪，然后開始倒推，安裝足夠的齒輪，最后將馬達安裝在適當?shù)奈恢蒙?。當我們設(shè)計一輛車，不要忘記輪胎決定了輸出軸的旋轉(zhuǎn)速度

87、跟車輛的線速度之間的關(guān)系。使用小輪胎代替大輪胎如同齒輪減速所達到的作用，而這些將影響到所需的齒輪數(shù)量，如果傳動系統(tǒng)表現(xiàn)很糟糕，需要檢查幾個地方。確信軸套沒有裝得太緊——留出一點空間讓軸在安裝位置上能前后移動，檢查所有的裝有軸的梁是否保持方形。為了測試傳動系統(tǒng)，可以嘗試一下從后面來驅(qū)動。移去馬達，然后輕輕地轉(zhuǎn)動最后的驅(qū)動輪或軸。如果不是有太大的摩擦，在傳動系統(tǒng)中的所有的齒輪將會轉(zhuǎn)動，安裝馬達的軸將快速旋轉(zhuǎn)。</p><

88、p>　　第四章 創(chuàng)新單體實踐訓(xùn)練</p><p>　　4.1 用光線傳感器測速</p><p>　　測試機械小車的運行速度方法有很多，用光線傳感器測試小車的運行速度是其中的一種。</p><p><b>　　搭建構(gòu)想</b></p><p>　　首先搭建一個機械小車，將光線傳感器放在車子的前面，從而使車子能夠判斷前

89、面的路面。具體如4.1所示：</p><p><b>　　圖4.1小車模型圖</b></p><p>　　記下小車穿過每條跑道的時間。用總的距離除以小車運動的時間算出小車的平均速度。速度的單位是米/秒。在總共兩米的跑道上，同學(xué)們能夠用光線傳感器來得出平均速度。這次實驗強調(diào)距離、運動時間和速度的關(guān)系。</p><p>　　經(jīng)過試驗會遇到一些問題如

90、：試驗所得的平均速度與用距離和時間所得的平均速度的方法是否一樣，答案是否定的。如果進行比較將會發(fā)現(xiàn)試驗中所得的數(shù)據(jù)變化不大，完全可以歸類為誤差。因為試驗所得的數(shù)據(jù)跟距離和時間關(guān)系求得的平均速度方法得到的數(shù)據(jù)比可以排除了人為誤差。</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)上還有很多用到光線傳感器的實例：比如光纖光柵解調(diào)技術(shù)是FBG傳感器的關(guān)鍵技術(shù)之一。光纖光柵體積小、成本低、與光纖系統(tǒng)兼容性好、插入損耗低及光學(xué)性能優(yōu)異，成為

91、光通信系統(tǒng)中非常重要的組成部分，是未來超高速光纖通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件之一，同時它也是一種性能優(yōu)良的高分辨率傳感元件。在光傳感中扮演越來越重要的角色。</p><p>　　具體還有光纖陀螺,它是新型角速率傳感器，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　還有在手機上也得到了廣泛的運用。如2002年的 諾基亞(7650還帶有揚聲器感應(yīng))開始，便有了光線傳感器，它的好處就是可以根

92、據(jù)手機所處環(huán)境的光線來調(diào)節(jié)手機屏幕的亮度和鍵盤燈。</p><p>　　4.2 溫度傳感器的實踐應(yīng)用</p><p>　　在使用飲料時我們會選擇格式各樣的杯子，各種各樣的杯子都有不同的保溫效果，那哪種杯子所具有的保溫效果最好呢。讓我們使用一個RCX和一個溫度傳感器來找出保溫最好的杯子。</p><p><b>　　搭建構(gòu)想</b></p&

93、gt;<p>　　這次實驗需要RCX、一個溫度傳感傳感器，不同的杯子和液體。你可以做一個鉤子固定住溫度傳感器。</p><p><b>　　實驗程序設(shè)計思路</b></p><p>　　編寫一個程序來測量杯子里液體的溫度。使用第一等級的程序，測定時間為每10秒鐘一次，一共測90個數(shù)據(jù)。然后，編寫程序，下載程序。</p><p>&

94、lt;b>　　實驗步驟</b></p><p>　　將傳感器固定在杯子里，然后加入待測液體。確定傳感器的頂部被液體浸沒，但不能整個浸沒在待測液體里。運行程序。</p><p><b>　　搭建理論</b></p><p>　　這次實驗需要RCX、一個溫度傳感器以及不同的杯子和液體，搭建一個鉤子鉤在杯子上用來固定溫度傳感器。 具

95、體可參見圖4.2所示：</p><p><b>　　圖4.2實驗裝置圖</b></p><p>　　在程序中，設(shè)定取樣的時間為10秒鐘一次，一共采集90組數(shù)據(jù)。如圖4.3所示： </p><p><b>　　圖4.3程序圖</b></p><p><b>　　實驗步驟 </b>

96、</p><p>　　該實驗?zāi)軌虬炊喾N方式進行。一種方式是將材料分成一個大組，按照需要實驗的杯子的不同數(shù)目來決定試驗次數(shù)，一次實驗用二個或三個杯子，實驗后，將數(shù)據(jù)匯總。另一種方式是各組實驗分別進行。 可供檢測的杯子的材料有泡沫紙杯、紙、兩個杯子疊在一起、陶瓷杯子、玻璃杯、金屬或者絕緣杯。頂部密封的罐子可以用來檢測材料。檢測杯子可以是蓋著蓋子的、也可以是杯口敞開的。 在確定實驗步驟之前，必須透徹的了解實驗的設(shè)計思路

97、，竟可能的保證待測杯子的材料不變，其它都可以變，一些可以改變的包括： </p><p>　　1．杯子的形狀；2．各種杯子中待測液的容量；3．待測液的起始溫度；4．杯子內(nèi)溫度傳感器探測針的位置；5．傳感器伸進待測液中的深度。</p><p>　　使用LEGO傳感器：</p><p>　　規(guī)定的溫度變化范圍為50℃到-20℃，但是得注意實驗室的室溫不能太高，實驗開始的溫

98、度可以是50℃。</p><p><b>　　討論</b></p><p>　　各種杯子的保溫效果有什么不同，結(jié)合使用性各有什么特點。</p><p>　　1、根據(jù)杯子的不同來比較泡沫紙杯比金屬紙杯保溫好，因為金屬杯散熱好泡沫紙杯絕熱性好。金屬杯不易拿，泡沫的絕熱性最好。 但總體來說絕緣保溫杯的保溫效果最好。</p><p&

99、gt;　　溫度傳感器在生活中生產(chǎn)中還有很多地方得到運用，如生活中的飲水機，它能利用溫度傳感器對飲品進行加溫保溫。這就是對溫度傳感器的一種運用。</p><p>　　在生產(chǎn)上也有很多運用方向，如礦井災(zāi)害探測機器人就是結(jié)合溫度傳感器、瓦斯催化傳感器、電化學(xué)一氧化碳傳感器、AD590、超聲波傳感器、碰撞開關(guān)、光電編碼器和傾斜傳感器組成的。它能同時檢測出礦井的環(huán)境溫度、瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度。是礦井發(fā)生災(zāi)難后的重要檢測工

100、具。</p><p><b>　　4.3 碰碰車</b></p><p>　　搭建構(gòu)思：設(shè)計一輛小車，一走迷宮機器人為基準，編寫程序是小車沿著直線行走，當小車碰到墻壁時運行程序改變方向，然后調(diào)頭繼續(xù)前進，直到撞到終點線小車停止。使用RCX設(shè)計碰碰車，小車兩邊安裝接觸傳感器。設(shè)計程序控制小車，小車沿著直線前進，碰到墻壁調(diào)頭行駛在這個區(qū)域內(nèi)來回的運動，經(jīng)過幾個回合后停止，

101、檢測程序與設(shè)計的模型。下面的這個程序使用了兩個接觸傳感器，分別連接在兩個不同輸入端口上。程序同樣也可以使用連在一個輸入端口上的形式。</p><p>　　實物模擬搭建：具體可參見圖4.4所示</p><p><b>　　圖4.4 碰碰車</b></p><p>　　控制程序如下圖4.5所示：</p><p>　　圖4.5

102、 碰碰車的程序控制圖</p><p>　　通過觸感的感應(yīng)，可以很好地實現(xiàn)小車原有的運行程序：當小車在直線向前行進中撞到墻壁之后停止前進，通過接觸傳感器與障礙物的接觸，然后調(diào)頭再前進，再撞到終點處的墻壁就停止。</p><p>　　在現(xiàn)實生產(chǎn)中也得到了很好的利用，隨著自動生產(chǎn)車間的普及與應(yīng)用，無人化自動小車也得到了很大范圍的利用。同時在流水線生產(chǎn)工序中，需要把生產(chǎn)或著是毛坯及時的運輸?shù)綌?shù)控

103、加工位置上，在一般的加工車間中通過人力去驅(qū)使小車運行，從而使人力勞動資源得到損耗，從而造成企業(yè)生產(chǎn)成本率的降低，而自動倉庫運輸車的使用，就能很好地彌補以上的缺陷，彌補了人力、物力和時間浪費的缺陷，在降低工人勞動強度、提高企業(yè)經(jīng)濟效益上有著重要的意義。</p><p>　　第五章 機電綜合實踐訓(xùn)練項目研究</p><p>　　樂高教育系列以激發(fā)學(xué)生的想象力開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維為主體，再配合極

104、強的可搭建功能、深入擴展性，讓學(xué)生能更加透徹的了解運用，引導(dǎo)學(xué)生向未來的科技時代靠攏，例如機器人技術(shù)、虛擬科技繼續(xù)等。近幾十年來，由于科學(xué)技術(shù)的高度發(fā)展讓我們把現(xiàn)代化的信息技術(shù)、科技創(chuàng)新活動和計算機技術(shù)有力地給合起來，培養(yǎng)大學(xué)生的科技創(chuàng)新能力和動手實踐能力，是現(xiàn)代教育的一種主體形式，讓學(xué)生在校學(xué)習(xí)中能充分的接觸機械、物理、工程、電子信息等技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，作為信息技術(shù)和先進制造技術(shù)的代表和主要技術(shù)運用手段的機器人技術(shù)，已經(jīng)成

105、為世界各國爭相研究的頂尖技術(shù)之一。它綜合了機械學(xué)、力學(xué)、計算機學(xué)、生物學(xué)、電子學(xué)、控制論、系統(tǒng)工程、人工智能等方面的知識，實現(xiàn)階段十分被重視與應(yīng)用的技術(shù)代表。機器人學(xué)的發(fā)展是機器人更新?lián)Q代的具體體現(xiàn)，通過機器人像關(guān)技術(shù)的研發(fā)室生產(chǎn)生活中必不可缺的環(huán)節(jié)。機器人已經(jīng)成為一個重要的生產(chǎn)產(chǎn)品，一個國家的機器人研究水平也逐漸成為這個國家實力的一種標志。</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)飛躍發(fā)展，國民企業(yè)各個部門迫切的需求各

106、種各樣性能好、質(zhì)量優(yōu)、效率高、耗能低、價格低廉的機械產(chǎn)品。產(chǎn)品設(shè)計無疑是決定這種產(chǎn)品的性能、水平、質(zhì)量、市場競爭力和提高經(jīng)濟利益的重要環(huán)節(jié)。產(chǎn)品的設(shè)計包括機械設(shè)備的工作原理方案、設(shè)備的功能分析等。同時產(chǎn)品的設(shè)計優(yōu)劣程度最終還是取決于生產(chǎn)設(shè)備實踐與創(chuàng)新的結(jié)合程度，因此在高等院校中開發(fā)創(chuàng)新思維、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、提高創(chuàng)新實踐運用時現(xiàn)階段的重要課程。</p><p>　　LEGO教育產(chǎn)品的核心在通過對個人才智的開發(fā)，通過豐

107、富的積木塊能構(gòu)搭建出機械、電子、計算機等多方面學(xué)科于一體的多功能機器人。通過LEGO積木塊的搭建，能培養(yǎng)出學(xué)生強烈的創(chuàng)新意識和對知識獲取的強烈欲望以及對樂高機器人產(chǎn)生的濃厚興趣，是學(xué)生之間的團隊合作精神得到充分的發(fā)揮。從而能是學(xué)生更好的去探索知識、獲取知識和運用知識。從而的出新的構(gòu)思靈感。</p><p>　　體現(xiàn)的過程可參照以下步驟：</p><p>　?。?）設(shè)計與搭建，完成你的創(chuàng)意；

108、</p><p>　?。?）在計算機上編寫程序，將你的創(chuàng)意盡情展現(xiàn)；</p><p>　?。?）把編好的程序通過紅外發(fā)射器載到RCX上，與機器人進行連接；</p><p>　?。?）執(zhí)行和測試，實現(xiàn)你的靈感，循環(huán)反復(fù)進行設(shè)計和修改的原則，從而順利的完成設(shè)計目標。通過以上的社會實踐運用。讓學(xué)生能充分的分析問題，提出問題并解決問題，進而進一步提高學(xué)生的團隊合作精神<

109、;/p><p>　　以下從實物搭建與程序控制方面著手，來對創(chuàng)新實踐訓(xùn)練項目展開深入的探討與研究：</p><p>　　5.1 解決走不直問題的機構(gòu)</p><p>　　問題：用兩個馬達驅(qū)動兩個輪子驅(qū)使機器人行進，機器人前進過程中即使兩個馬達設(shè)定相同的能量級別，放到平整的地面上，由于兩個馬達并不會輸出絕對相同動力，還會使機器人前進時逐漸偏離出發(fā)的方向，運動的軌跡成為弧線。

110、</p><p>　　解決這個問題的方案有很多種：</p><p>　　(1)找兩個精度相差很小，速度盡量匹配的馬達安裝在機器人上，這樣雖然不能是機器人非常筆直的行走但也能將偏移量形成最小化。</p><p>　?。?）用程序來控制兩個馬達的轉(zhuǎn)速，在程序中選擇最為合適的能量等級對馬達進行控制，當機器人運行發(fā)生變化時通過程序?qū)ζ溥M行調(diào)整，使機器人直線行走。</p

111、><p>　?。?）使用用傳感器也能使機器人直線行走，這種方法是現(xiàn)實生活中使用量比較大的。具體如下：在機器人的運行系統(tǒng)中加入反饋裝置，對應(yīng)外界的變化通過反饋裝置使用傳感器來調(diào)整每個馬達的運行速度。</p><p>　　(4)使用齒輪也能讓機器人直線行走，使用一個角度傳感器，可以使驅(qū)動輪之間的速度差取代轉(zhuǎn)輪的實際速度。另外差速齒輪具有加減速度的功能，將差速齒輪與驅(qū)動齒輪在一起，它會將傳動方式傳遞