慧魚模型在森林工程專業機器人技術教學中的應用

邢美凈，辛 穎

(東北林業大學工程技術學院，黑龍江哈爾濱 150040)

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慧魚模型在森林工程專業機器人技術教學中的應用

邢美凈，辛 穎*

(東北林業大學工程技術學院，黑龍江哈爾濱 150040)

摘要慧魚模型提供了機器人搭建和軟件設計平臺，操作簡單，降低了機器人的制作難度，是培養學生動手制作能力，提升學習能力的有效途徑。結合森林工程專業機器人技術課程的教學目標，根據機器人運動學設計的基本要求，通過采用慧魚模型構建尋光避障機器人模型，對其機構創新設計進行探索研究，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，分析并驗證了尋光避障機器人的控制方法，建立了實物模型。該方案可以應用到森林工程專業機器人技術課程教學改革中，提高學生的參與興趣與創新精神。

關鍵詞慧魚模型；尋光避障機器人；機器人技術

森林工程專業旨在為國家、社會培養具有農林專業知識、機械一體化知識的優秀復合型人才。隨著現代教育的飛速發展，森林工程專業的學科建設和人才培養也需要適應時代發展的要求。森林工程專業基于人才培養目標和專業特色，對學生實踐、動手能力的要求也越來越高。與此同時，機器人技術課程已經漸漸進入高校，成為各高校基礎教育的必修學科。而森林工程專業機器人技術課程中的實驗教學部分也成為提高森林工程專業學生實踐能力的有效途徑[1]。在實驗教學方面，以往森林工程專業機器人技術課程的教學重點是圍繞基礎知識的驗證性實驗，缺乏創新性和設計性。學生的獨立創造能力不能得到明顯提升，也不能綜合運用各學科的理論知識和現代分析技術來解決工程中遇到的實際問題和困難[2]。所以，需要探索一個新的實驗教學模式，以適應不斷發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器人中的應用，包括設計思路、方法、硬件方案和程序設計，以期為森林工程專業機器人技術實驗教學改革提供新思路。在森林工程專業機器人技術教學中利用慧魚模型構建尋光避障機器人，操作簡單，能給學生提供一個大膽的設想空間，從實物的整體和系統角度來分析與設計，訓練動手能力，激發學習興趣，培養創新意識。

1慧魚模型的原理與應用

慧魚模型自身的技術含量比較高，同時作為一種工程技術類拼裝模型，為創新性實驗的開展打下了優良的基礎。其利用符合工業標準的基本構件，例如機械類、電氣類的元件等，在傳感器、控制器、執行器和操作軟件的配合下，通過實驗分析，可以達到實現任何技術過程還原的目的，更可以實現工業生產和大型機械設備操作的模擬。慧魚模型以機器人為其基本架構，通過圖形式人機界面慧魚軟件(ROBO Pro)，經由智慧型微電腦介面板去驅動機器人，使機器人很容易就能達到設計者的要求，摒除了復雜的硬件語言，不但操作容易，更容易使學生了解機械運作原理，培養學生綜合運用所學知識的能力[3-5]。

該研究提供了一個將慧魚模型應用到森林工程專業機器人技術教學中的創新性設計方法，即利用慧魚模型構建尋光避障機器人。這是將慧魚模型應用到森林工程專業機器人技術實驗教學中的一種新手段，同時也是一種高效的設計方案。以往在機器人教學實驗中，學生只是呆板地學習理論知識，缺乏創新性思維和發散性思維的運用。利用慧魚模型進行尋光避障機器人設計的目的在于教學過程中所創造的機器人模型可作為教具，驗證機器人工作原理，可以使學生對理論知識有更好的理解，獲得大量的感性認識，同時提供機器人創新設計的實驗方案。在實驗課上，學生通過對模型的構件、運動控制等的研究，可以更好地加深對機器人實際結構的設計原理和運動過程的理解。由于慧魚模型的無限擴充性，學生可以進行創造性的裝配和設計。慧魚模型作為教育機器人，為森林工程專業的學生提供了機器人搭建和軟件設計平臺，操作簡單，降低了機器人制作的難度，是培養學生動手操作和研究性學習能力的有效途徑。

2基于慧魚模型的尋光避障機器人的構建

尋光避障機器人是把機器人的尋光與搜索障礙物兩種功能結合起來。當機器人朝某個方向行駛時，不僅能夠尋找到光源并能跟隨光源前進，并且遇到障礙物時能夠自動躲開。

尋光避障機器人采用輪式移動方式。機器人的左右兩側各有一個驅動輪，分別由電機驅動，電機的輸出軸經鏈傳動、齒形帶、帶輪等將運動傳遞到車輪。除此之外，尋光避障機器人的前后端各安裝有一個支撐輪，可以起到平衡和導向的作用，用來穩定整個機器人。典型的兩輪式移動機器人由兩個同心軸的固定式輪組成，以保證兩套傳動機構的平衡。尋光避障機器人的結構如圖1所示。

圖1　尋光避障機器人的結構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，將電機的旋轉運動轉化為車輪的協調動作。在機器人的邊緣安裝3個彈簧緩沖器，以區分障礙物的具體方位是在左側、右側或是后方。在車體前方安裝兩個按鍵傳感器，分別為I 3和I 4。當左側或右側有障礙物存在時進行避障，機器人后側安裝一個按鍵傳感器I 5，用于機器人在后退過程中感知障礙物并進行避讓。按鍵傳感器I 1與脈沖齒輪搭配使用，使得脈沖齒輪旋轉一周時按鍵傳感器開關接觸4次，用于脈沖計數。

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)內有16位處理器，輸出M1～M4，O1～O8，數字量輸入I1～I7，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，可以激活馬達或者處理來自各種傳感器的信號，使電腦和尋光避障機器人之間進行有效的通訊。將電機M1、M2連接到慧魚接口板(ROBO Interface)的輸出M1、M2，按鍵開關式傳感器(Pushbutton Sensor)4個E1～E2連接到數字量輸入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，使學生在編程過程中容易出錯，產生厭煩心理。但是ROBO Pro編程因為獨特的模塊化和圖形化語言，在編程過程中會使學生感受到很大的樂趣，使學生產生自信，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、在線調試、下載操作等功能[9-10]。運用ROBO Pro編制程序，尋光避障機器人的整體程序控制流程如圖2所示。

圖2　尋光避障機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

運用ROBO Pro編制尋光避障機器人的控制程序，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90°直行子程序 Fig.6　The subroutine of rotating 90°

3.3方案實施效果根據實驗設計方案，利用慧魚仿生機器人組合包中的基本構件搭接出的尋光避障機器人實物如圖7所示。運用慧魚公司開發的ROBO Pro軟件來對設計的尋光避障機器人進行編程控制，對其功能進行測試。測試結果表明，整個模型可以較好地完成工藝過程，機器人可以對障礙物做出相應反應，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意思想轉化為現實，大大縮短了產品設計周期。對于森林工程專業的學生來說，將慧魚模型應用到機器人技術的教學改革實驗中，使學生在了解機器人的結構、運動狀態等知識的同時，也會對機械傳動、機械加工、氣動技術、電子電路、軟件編程等課程有一定的認識，各課程之間融會貫通，大大提高了他們的參與性，形成了良好的學習氛圍。

圖7　尋光避障機器人實物Fig.7　The picture of light-seeking and obstacles-avoid robot

4結語

通過采用慧魚模型進行尋光避障機器人的創新設計，可以使新的創意思想迅速轉化為現實，然后通過計算機仿真進行檢測，將慧魚模型很好地應用到森林工程專業機器人技術實驗教學改革中。這種創新設計方法不僅會大大縮短設計周期，而且能夠實現技術上的突破，給新的領域提供設計思路，為設計的發展帶來無窮活力，同時可使學生將所學知識交叉融合，用以解決具體問題，培養學生的實際動手能力和創新能力。 慧魚模型應用到森林工程專業機器人技術實驗教學改革中，建立尋光避障機器人的設計方案，設計出尋光避障機器人的實物模型，為森林工程專業機器人技術課程實驗教學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用到實驗教學的創新性實驗中，是培養學生實踐能力的有效途徑。

參考文獻

[1] 辛穎，薛偉，楊鐵濱，等.慧魚創意組合模型在機器人技術實驗教學中的實踐與應用[J].森林工程，2012，28(1)：81-82.

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[3] 文沛先，韓滿林.慧魚創新組合實驗與培養學生研究性學習的能力[J].常州信息職業技術學院學報，2002，12(12)：46-47.

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[10] 趙如和.基于慧魚模型的自動避障機器人的設計[J].黑龍江科技信息，2015(27)：76-77.

基金項目東北林業大學重點課程建設項目資助。

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

文獻標識碼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