慧鱼创新培训教案

一、慧鱼产品的简介1964年，慧鱼创意组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计，使六面都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。

慧鱼创意组合模型主要有组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基本构件（机械元件/电气元件/气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟，从而为实验教学、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可能，世界知名的德国西门子、德国宝马、美国IBM等一大批著名公司都采用慧鱼模型来论证生产流水线。

这里所说的工业标准的基本构件，是指我们在机械原理和零件里所学的，构成机械结构的基本构件，比如：传动用的齿轮、涡轮涡杆、连接用的轴、把转动变成轴向移动的滚珠丝杠，以及连杆、齿轮齿条、联轴器等等。

我们把这些基本原件用一定的次序组装起来，得到可以实现预定功能的机械产品。

所说的传感器，并不是象大家想象中的那些电子原器件产品，它指的是触点开关，可以是常开状态，也可以是常闭状态，当状态发生改变时，可以做为一个信号引入控制程序，以改变驱动电机的状态。

软件是慧鱼专用的软件，是一个非常易于掌握和使用的工具软件，把慧鱼现有的零件模块化，象做程序流程图一样，用带箭头的边线将不同一模块联接起来，就可以使所搭建的产品产生特定的动作。

比如：以三自由度机械手为例。

三自由度机械手的三个自由度分别指：沿Z轴的旋转、沿Z轴的直线移动和沿X轴的轴向直线移动，通过这三个动作，可以将机械手的末指手指移动到任意的空间位置，再通过手指的张开和闭合，实现对物料的抓取和搬运。

这三个运动的驱动，我们们选择电动机驱动，轴向的直线移动用滚珠丝杠来实现，手指的张开和闭合用丝杠加连杆机构来实现。

现在我们还计算一下所需的电机的数量：Z轴旋转需要一个电机、Z轴直线移动需要一个电机、X轴的直线移动需要一个电机，然后，手指的张开和闭合需要一个电机，合计四个电机。

再计算一个传感器，也就是开关的数量：Z轴旋转时有三种方式可以限定：第一种是用时间延迟，让Z轴旋转电机转5秒后，停止，转换到Z轴移动；第二种是用计数的方法，即加一个开关，让电机带动轴旋转的同时，每转一转可以压合一次开关，设置一个开关闭合的次数来限定电机工作的时间；第三种，就是在空间位置上，放置两个开关，一旦这两个开关中的一个闭合，就可以改变Z轴电机的工作状态，这三种方法中，第一种和第二种分别要精确控制Z轴的起始位置，否则无法让机械手运动到指定的空间位置，第三种是最为理想的。

这样，Z轴的旋转需要两个开关1和2，同理，Z轴的移动需要两个开关3和4，X轴的移动需要两个开关5和6，然后手指的张开和闭合需要两个开关7和8，这样需要八个开关。

这是最复杂的情况，如果简化一下，手指部分需要一个开关也可以，闭合运用按所抓物料的大小，用时间来控制，那么，七个开关就可以完成控制。

电机的运行状态有三种：顺时针旋转、停止、逆时针旋转。

设Z轴旋转电机顺时针旋转即为使机械手本体顺时针旋转，转到开关2位置，开关2闭合，然后Z轴旋转电机停止，Z轴移动电机运行，也设顺时针旋转为上升状态，升到指定位置，开关4闭合，Z轴移动电机停止，X轴移动电机顺时针旋转，使机械手沿X轴直线伸出运动，直至使开着6闭合，X轴移动电机停止，然后手指部分电机顺时针旋转，手指张开，抓到物料，至开关7闭合，，手指开始闭合，即手指部分电机开始逆时针旋转，5秒后，停止，这时，已经抓到物料，然后前面所有的动作全部反过来，运行一遍，三自由度机械手回到初始位置。

从这个实例可以看出来,对慧鱼模型的控制，最关键的两个部件就是驱动马达和传感器（即触点开关），只要让触点开关的马达合理组合，就可以实现不同的运动。

慧鱼模型的常用零件，每个零件都有插槽，可以相互联接。

慧鱼模型的搭建有两个部分：机械结构的实现和控制系统的设计。

二者缺一不可。

让慧鱼模型动起来的，赋有生命力的就是控制软件，这是一个简单易懂易掌握的软件。

在讲解软件之前，我们得先知道，把慧鱼模型和电脑联接起的中间介质是一块电路板，这是慧鱼专用的接口板，有两种，一种是早期的智能接口板，另一种是ROBO接口板，二者的区别的接口不同，早期的智能接口板和电脑相联的时候，使用的是COM针式串口，ROBO接口板则用USB口和电脑相联。

ROBO板最多可以接四个马达，接七个传感器，如果机械结构里的马达和传感器多于以上数字，则考虑要用两块接口板。

软件部件，首先“新建文件”，然后设置“USB/COM口”，然后开始程序的编制。

可以先打开测试系统，测试任一个马达，对应的是哪一个运动，顺时针和逆时针回转时对应的是哪一个运动，并可以看出相对应的传感器是那个编号，以便后来的编程工作顺利进行。

插入程序模块：直接从窗口左侧按鼠标左键拖动相关的程序模块拉进右侧的程序编译窗口即可。

移动程序模块：选中相关的模块，然后按左键在右侧窗口拖动到预定位置即可。

删除程序模块：点击工具栏里的“删除”，变成手型，然后点击要删除的程序模块即可。

相关的模块：“开始”，这是一个程序开始的标志，每个程序都以此模块开头。

“结束”，这是一个程序结束的标志，每个程序都以此模块结尾。

“延迟”表示上一个动作的延迟时间，参数可以自己设定。

“等待输入”表示等待接口板的某个输入由一种特定的方式改变为另一种特定的状态，这个模块共有五种状态：输入为1（闭合）时，状态变化；输入为0（断开）时，状态变化；跳变0-1（打开到闭合）时，状态变化；跳变1-0（闭合到打开）时，状态变化；任意状态跳变（0-1或1-0）时，状态变化。

“脉冲计数”表示开着被闭合和断开的次数。

“循环计数”表示整体运行的时间，如果从1端引入，表示计数器被置1，如果从+1端引入，表示计数器+1，当Z大于设定值时，程序停止。

二、具体的实例目前现有的割草机分为两类，一类为手推式，一类是背负式，这两种割草机都有其自身的局限，前一种劳动强度大，后一种割草质量完全依赖工人水平。

而且，现在庭院的草坪全部是小面积绿草，并嵌有灌木或其他障碍物，不利于前两种割草机工作。

基本以上原因，我们用慧鱼模型设计并搭建了一种小型自动割草机。

这是我们所设计小车的整体外观，它由刀具体要求及升降系统，风机收草系统和倒草系统，躲避障碍系统组成。

工作原理为：驱动电机带动刀具做往复直线运动，当遇到边缘及前方障碍时，小车会自动后退并转向，小车前进过程中对草坪地面高低进行检测，通过调整刀具高低来保证草坪平齐，这个过程是小车运动中是实时的，剪下的碎草由风机收集，并通过风筒进入收草箱，收草箱由齿条运动到车尾，并由装卸装置及电磁铁将草倒掉并复位，刀具复位完成整个过程。

刀具是由金属刀具和上下护刀架组成，以电机为动力源，通过偏心轮带动刀具做往复直线运动，护刀架尺寸比刀具长5MM，起到扶直草的作用，升降系统是为了能调整所割草坪的高度，并且可以和检测地面高低装置配合，实现在凸凹不平的地面上实时的调整刀具高度，以剪出高度一致的草坪的作用。

风机收草系统是利用吸尘器原理，在小车上安装风机由电机通过齿轮组带动两个叶片经风筒对碎草的收集，其优点为收草干净且结构简单。

碎草经风筒进入收草箱，收草箱是由有机玻璃与慧鱼模块搭建的，起名为慧鱼联接，草收集后，电机带动收草箱通过齿条及辅助滑道到达割草机的尾部。

通过装卸装置与电磁铁使收草箱将草倒掉并复位，该装置设计时是本着使模型整体面局合理，上下呼应的原则，否则上轻下重，割草机后部空旷。

躲避障碍系统有两大功能：检测草坪地面高低与检测边缘功能。

为了使割草机的运动更为平衡，我们采用四轮驱动，并在底部加了起支撑作用的万向轮。

电机与车轮，以及万向轮与底盘的安装方式见PPT图。

该作品可以平齐的修剪草坪，割草、收草和倒草的全过程自动完成。

创新点在于：可以自动的完成检测草地边缘和在一定范围内自适应的调整修剪草坪的高度，且利用风来收集碎草，干净整洁效率高。

随着未来城市绿化面积的增加，割草机作为环卫产品将更多的走进人们的生活。

该割草机在设计中使用常规零件，在实现既定功能同时又利于维修，适合在小面积且有障碍物的草坪上使用，重量轻、体积小、效率高、噪音低、便于控制，具有一定的推广应用价值。

四、如何确定创新选题即大家如何确定参加比赛的作品，我们是不限定选题的，大家的作品可以是对现有产品的复现，如果能含着一定的创新意识，那当然更加好。

但不管是复现还是创新，要求结构合理，功能可以实现，也就是要有合理性、实用性和可实现性。

象前面的自动割草机做得运用很复杂，其实在现实生活中没有必要，比如，倒草系统，完全可以只用一个机械手，抓着收草箱直接翻转倒掉即可，做得很复杂，是考虑到当时比赛要求要尽可能多的应用慧鱼产品，并且，该割草机前面大，而后面空，为了空间上有个呼应，整体结构好看，所以设置了电磁铁，顶升装置等等，但实际中不太可取。

同学们应该从现在就开始考虑，要做什么样的产品，要实现什么样的功能，用什么样的结构去实现，搭建过程中需要什么样的零部件，这样，真正开始设计制造的时候，可以直接提出零件清单，否则想到什么找什么，这是很难实现的。

再有，同组的同学要分工合理，有人负责机械结构，有人负责控制，这样，可以节省一定的时间。

重点难点问题可以大家齐心协力一起商量解决。

关于创新，不严格要求，但如果有，那会更好，而且也可以体现也大家的创新能力和创新意识。

创新不是一定要做一个从无到有的东西，可以是将其他领域里的理论引用到机械领域，或者把其它产品的实现方式引用到另外的产品当中，有时候，仅仅是几个我们都耳熟能详的实现方式，但组合到一个产品上，就会有惊人的发现。

比如，脚控电视，健身洗衣机，以及，日本人当年捞花瓶的实例，再比如，缝纫机的设计，19世纪40年代美国人哈威在研究缝纫机时，苦苦思考，勤奋钻研了很长时间，仍然没琢磨出个所以然。

一天，哈威观察织布工手里的梭子，只见梭子在纬线中间灵活地穿来穿去，看着看着，他脑海中浮现出一个想法：如果针孔不是开在针柄上，而是开在针尖上，这样即使针不全部穿过布，不就也能使线穿过布了吗？当针穿过布时，在布的背而就会出现一个线环，假如再能用一个带引线的梭子穿过这个线环，这两根线不就能达到缝纫的目的了吗？正是织布梭子的启发使问题的解决一下子变得豁然开朗，两年后，第一台疑纫机问世。

我们把选题类型分成几大类：（1）仿生类机构。

如仿四足步行、两足步行、爬行、爬杆、飞行、游水等动物的机构，以实现基本的运动为主要设计目标；（2）健身类器械。