基于單片機控制的交互式3D拼圖設計

肖楠 張鐵成 周詩琳

摘 要：為了便于青少年，尤其是低齡兒童學習編程知識，提出了將編程與3D拼圖相結合的設計方向，探討了單片機選擇、編程語言選擇、交互方式選擇、3D拼圖造型設計、拼接方式、拼圖加工方式等問題，最后設計并制作了一款具有可編程、語音控制、多種交互方式、可行走的機器人造型的3D拼圖機器人。

關鍵詞：交互式拼圖; 3D拼圖; 激光加工; 圖形編程

中圖分類號：TP391.9 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1006-3315（2019）06-035-002

3D拼圖（立體拼圖）是將經典平面拼圖玩具向立體化發展，將在拼圖過程中鍛煉的平面化思維轉向了立體化思維體驗，拼裝過程趣味性十足，出現了以建筑、動物等等為主題，格式各樣的立體拼圖，已發展為集娛樂、知識、欣賞于一體的DIY玩具;隨著創客教育的發展，越來越多的兒童開始學習編程，出現了樂高教育機器人、Abilix Krypton、mBot Robot Kit等產品，現有產品大致用配套的APP、手勢或語音控制，配合先進的機電一體化技術，讓現有電子玩具被賦予了生命，并讓孩子們寓教于樂。現有立體拼圖的控制方式比較簡單，與單片機結合的設計也非常少，將3D拼圖與單片機、傳感器等結合，將編程功能融入到拼圖中，可在一定程度上擴展立體拼圖產品的發展方向，增加市場競爭力。

1.單片機編程及交互控制方式

1.1單片機及編程語言的選擇

目前適合青少年使用的單片機主要有樹莓派、Arduino和micro：bit等，Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（ArduinoIDE），對于初學者來說，極易掌握，同時有著足夠的靈活性;micro：bit是一款由英國BBC設計的ARM架構的單片機，板載藍牙、加速度計、電子羅盤、三個按鈕、5x5LED點陣。Arduino作為全球最流行的開源硬件，比較典型的產品為arduinoNANO，該款產品為基于ATmega328P的單片機開發板，因其成本低，接口豐富，尺寸小等特點，非常適合本項目。

傳統的Arduino IDE使用代碼的編程方式不適合青少年，尤其是兒童使用，市面出現了米思齊（Mixly）、ArduBlock、S4A（scratch for Arduino）、Mind+、MBlock等圖形化編程軟件，非常適合低齡兒童學習編程。Mixly For Arduino（米思齊圖形化編程工具）有windows版、mac版、Python版和Android版，是一款用于中小學創意電子教學的圖形化編程軟件，由北京師范大學米思奇團隊開發和維護，它是基于谷歌的圖形化開源引擎Blockly進行的開發，現在已經成為國內重要的創客教育編程軟件之一。

1.2交互方式的選擇

根據現有傳感器的特點及尺寸，采用了語音交互、按鍵交互、光敏開關、聲控開關等控制方式、切斜開關、光電開關、APP藍牙連接遙控、紅外遙控器、超聲波測距等控制方式，也增加了LEDRGB發光二極管、LEDRGB光帶、MP3語音播放等信息輸出方式，安裝了舵機、電機等動力源，驅動拼圖沿特定軌跡的運動。根據所需功能的不同，將單片機、電源、輸入控制傳感器、聲光傳感器、運動元件分別安裝在特定的拼圖盒子里，便于與拼圖的其他部分的連接。

2.3D拼圖設計過程

2.1單片機及傳感器的收納設計

根據擬采用單片機、電源、傳感器、舵機、電機、電機控制板的尺寸，首先設計出可以集合在一起的單片機元件，統一放置在簡單的盒子中，將驅動舵機、電機的控制板也單獨放置在簡單的盒子中，將按鍵等傳感器單獨設計，其操作的功能面盡量外露，以便于操作，發光元件也固定在特定的拼圖上。

2.2 3D拼圖的造型設計

根據產品所針對的目標人群，本設計以典型的動漫形象為造型來源，通過對其特征的提取，同時充分考慮3D拼圖產品拼裝后的造型特點，設計了一款機器人3D拼圖。在設計過程中，首先在三維軟件Rhino中繪制產品的整體形態，然后按照拼圖產品的拼接方式，將整體形態轉變為可拼裝的拼圖模塊，通過典型的卡扣連接，將各個面連接為一個拼圖單元。

2.3拼圖單元的連接

在設計過程中要充分考慮各拼圖單元間的連接，尤其是拼圖與單片機收納盒的連接，單片機收納盒也要易于從拼圖整體上拆卸，便于單片機的維護。

2.4 3D拼圖的加工方式

將設計好的拼圖在三維空間中檢驗設計的合理性，然后將立體的拼圖零件在三維軟件中通過旋轉、移動等方式排放在一個平面上，將各拼圖零件的直線邊貼合在一起，盡量控制所占面積的大小，減少加工過程中材質的浪費。使用Rhino的Make2D命令將排布在一個平面上的拼圖元件輸出為dxf格式。擬采用激光雕刻機對2mm厚椴木層本進行激光切割，將輸出的dxf格式文件導入到激光加工軟件RDworks中，通過刪除重線命令刪除重復的線，設置合適的加工功率及加工速度，實現切割、雕刻等功能。

2.5 3D拼圖的拼裝方式

各拼圖片通過片間的卡扣自動連接，如卡片間因加工造成的誤差，可能存在松動現象，可適應熱熔膠棒對局部進行粘貼，加強連接的牢固性。

2.6 3D拼圖說明書

因拼圖最終所需的拼圖片至少在100片以上，各拼圖片間存在形象類似，在拼裝過程中不易區分，本設計通過在每一個拼圖片上使用激光雕刻機雕刻了每一片的編號，便于識別各拼圖片，使用圖形設計軟件CorelDRAW制作了詳細的拼圖拼裝步驟立體示意圖，根據示意圖能找到所需的拼圖片。

3.結論

根據本拼圖所面向的使用人群，選擇了易于上手的圖形編程軟件——米思齊，綜合使用了聲音、RGB LED、舵機、電機等傳感器及顯示、動力輸出裝置，在三維軟件Rhino中構建了拼圖產品的三維效果圖，檢驗拼圖內部空間的合理性、拼裝過程的合理性，導出符合激光加工要求的二維文件，通過激光雕刻機切割了2mm厚椴木層板，制作了詳細的拼裝過程示意圖。最終設計出一款具有可編程功能、能根據特定的語音來控制機器前進、后退、轉彎、播放音樂等功能、可自由拼接的機器人造型的3D拼圖。

基金項目：遼寧省2018年大學生創新創業訓練計劃項目（201811258036）

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