“智慧型”慧鱼实验室设计说明书

2014年第六届全国大学生机械设计创新
大赛
慧鱼组作品设计说明书
作品名称：“智慧型”慧鱼创意实验室
设计者
指导教师：
参赛单位：天津工业大学
日期： 2014年1月11日
“智慧型”慧鱼创意实验室
设计者：
指导教师：
（天津工业大学机械工程学院，天津300387）
摘要
本作品设计是将物联网技术与传统的机械结构相结合，设计一“智慧型”慧鱼创意实验室。

该实验室设计主要致力于如何更好地建设未来慧鱼实验室、利用慧鱼零件来满足对机械相关专业课程学习的需要，能够使课堂教学更加丰富、更具吸引力。

该实验室分为四大区域，分别是零件摆放区、拼接区、成品展示区和作品演示区，每块区域都涵盖了不同的简单机械装置。

实验室用慧鱼零件拼接成机械装置完成，并利用WIFI和二维码技术将慧鱼零件、作品与互联网上的电子信息相连接、以手机为终端读取相应机械装置的机械原理知识及机构间运动关系的分析，拓展慧鱼实验室的使用功能。

关键词：智慧型慧鱼实验室二维码
作品内容简介
本作品旨在设计一“智慧型”慧鱼创意实验室，将物联网技术与传统的机械结构相结合，不仅满足现有慧鱼实验室的基本需求，同时体现未来实验室的智能型、知识共享性。

mm，室内分为三大区域，分别是本实验室模型的整体尺寸为800x600x5003
零件摆放区和拼接区、成品展示区和作品演示区、休息区。

零件摆放与拼接区设计一公共零件存放盒，以满足不同种类零件的存放要求。

零件拼接区设计一可折叠桌椅，以减少对实验室的占有率，提高现有实验室的使用率。

在拼接桌上面有控制面板，按下具体功能键会有相应的零件盒翻转，体现零件查找自动化。

成品展示区所展示的是机械原理模拟区、往年竞赛的优秀作品和校企合作产品，用慧鱼模型去展示机械原理相关知识点，以对机械原理会有更深入的了解，也减少对
实物模型的依赖进而节省实验费用。

成品展示区中的典型的实例和机构上，均设有二维码，学生通过手机扫描二维码可了解到该机构的原理和其它的应用，并将相关信息存到手机中，随时查阅，将现有实验室的知识进行拓展，提高实验室使用的智能化。

与此同时也提高教学质量和效率，使学生对慧鱼有更深入的认识。

休息区包括老师办公区域、学生休息讨论区域和往届参赛老师和人员展示区，使老师与学生的距离更近，学习和讨论的时间更充足，同时老师们的寄语也对学生起到一定激励作用，使得实验室更为人性化。

联系人：天津工业大学
机械工程学院
1 研制背景及意义
1.1建设智慧型慧鱼实验室的必要性
在现阶段的教学中，有很多同学对机械原理课程很难在课堂跟着老师的进度消化吸收，对有些机械原理及机构间的运动关系不理解，仅凭想像也很难达到理解透彻的目的，这就使得有些同学对机械设计失去兴趣，觉得该门课程枯燥乏味，艰涩难懂。

而慧鱼零件零件却很好的解决了这个问题：它可以通过零件的组装与配合不仅能够实现各种机械原理，而且能更直观的把各个部件展示出来。

在这过程中学生不仅消化吸收了课程内容，动手实践能力也得到了提高，从而更好地培养了学生的综合能力。

但现有的实验室也有不尽人意之处：占地面积大，零件存放混乱。

从而带来实验室的利用率不高，学生找零件繁琐等缺点。

我们小组针对本届大赛的主旨——“幻·梦课堂”，凭借慧鱼零件模型的灵活性、实用性及综合性，设计出了多功能慧鱼实验室，以解决上述问题，为此，该实验室的实际需要考虑如下几点：
1.2建设智慧型慧鱼实验室的作用
随着社会和科技的不断进步，智慧型教室必然是数字教室和未来教室的一种
发展趋势。

智慧教室是一种新型的教育形式和现代化教学手段，基于物联网技术集智慧教学、智慧实验、考勤管理、设备管理为一体，是推进未来学校实验室建设的有效组成部分。

所以该实验室应该不只有单一功能的实验，我们可以将教学与实验结合在一起，实验室中各设备都是以机械原理为基础创新设计出来的教室用设备，实现在教学中实验，在实验中教学，即将现有的传统教室与实验室合为一体，另外也可以设置休息讨论区，使老师在实验室可以劳逸结合，学生在实验室可以与老师互动以及参观历届有关机械原理竞赛的资料，起到激励学生的作用。

另外实验室中设备应该可以灵活变化，各设备之间可以协调节约空间，以弥补传统实验室空间不足的缺点，使同学们可以在其中灵活互动，与老师交流。

而且实验室中要有各种与教学相关的机械零件和机械模型，以和教学紧密结合，并且提供给学生丰富的资源，培养学生的动手实践能力，力求边看边听边学边动手实践，将理论与实践完美结合，消除同学们的厌学心理。

基于以上这些，我们设计的“智慧型”慧鱼创意实验室通过划分为不同的模块区域，以实现人性化、智能化，室内各设备间在闲置时可以协调节约空间，最大利用现有资源空间达到使用效果最佳化，机构成品展示区生动的再现机械原理知识及其运动关系，有利于同学们的理解及激起同学们的学习兴趣和创新研究动力，实现产学研的有效结合，推动科技进步。

我们所设计的实验室在原有的实验室基础上增加了特殊的零件存放库，对此可以很好的拾取零件，并能够有效的节省零件存放空间。

也在原有的成品上增加了物联网，通过实验室的wife无线局域网或者移动通信接入方式，把所有的机构模型与成品模型与互联网连接，进行信息的交换与通信，从而实现物与物，人与人的泛在连接，实现对物品的智慧化跟踪和管理。

也能对慧鱼实验中所搭建的典型模型进一步的拓展机构的知识点，改变原有实验室功能单一，知识拓展能力差的状况，提高实验室的利用价值，从而拓展学生的知识面。

2 设计方案
2.1 总体设计构想
为了很好的解决上述几点难题，我们小组提出了“智慧型”慧鱼创意实验室，
在已有的慧鱼零件与模型下，构建实验室里不同的模块区域，每个区域均采用不同的机构创新设计教室用设备来充分展示机械原理知识，以帮助同学们理解掌握机械原理知识，动手实践实现机械创新设计产品，达到产学研的有效结合。

2.2 各模块区域机械结构方案设计
1）零件摆放与拼接区
现在的很多慧鱼实验室中，零件与实验桌是分开来的，这就很不利于拼接零件时使用零件，而我们小组采用公共零件存放盒和实验桌一体式结构，上部分为零件存放盒，下部分为实验桌，大大提高了实验效率。

零件存放盒使用卡扣式按钮，按钮上贴有零件的图案及编号，当需要某零件时，只需按该零件编号的按钮就可以自动弹出存放该零件的的零件盒；实验桌为折叠桌，当需要拼接机械模型时，将实验桌打开即可在上面拼接模型，并且可以方便的从零件盒中得到自己需要的零件。

当不需要拼接零件时，可以将拼接桌打下以节约实验室空间。

图1 零件存放盒与拼接桌一体的设计
2）成品展示区
成品展示区里是展示各机械原理教学中所涉及的机械原理知识，以帮助同学直观的感受和切身操作各机构，提高同学们的学习兴趣，改善传统教学的古板，激发同学的创新思维能力。

而我们小组设计的成品机械模型为机械狗模型，并使用二维码技术。

该模型涵盖了多级齿轮传动，六连杆机构、曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构和链传动多种机构，充分展示了机械原理知识，是个比较全面的机械模型，并且设计成了可编程电动控制也可手摇控制，逼真的实现狗的行走姿态，与生活贴近，生动形象。

创新之处是，此模型把线下的实物与线上的网络资源进行了真实的结合，当用手机扫描该实验室微信公众帐号（二维码）时，与模型相关的机械原理的文本内容和视频讲解都会显示出来，使得学生即使离开实验室也能直观的学习知识，从而提高教学质量和效率，增加学生学习相关课程的兴趣。

这种远程教育的最大优点是可操作性非常强，并能随时随地进行知识的更新和与学生的交流。

图2 机械狗的设计
图3 机械狗专属二维码。

（链接上传的网络资源，进行连杆机构，摇杆机构、曲柄滑块、齿轮传动等相关机械原理的学习。

）
图4 升降桌椅的设计
3）休息区
包括老师办公区域、学生休息讨论区域和往届参赛老师和人员展示区。

休息区所用的桌椅为升降桌椅，采用四连杆机构的死点特性，将升降桌椅与墙壁连接，与传统桌椅相比可有效解决解决现有实验室拥挤的情况，节约空间。

图5 折叠座椅
3 创新性分析
1）更直观体现机械原理。

室内所展示的多功能绘图桌椅和机械狗把连杆、齿轮、凸轮、曲柄滑块等传动构件联系起来，使得各构件间的传动整体展现在学生面前，他们会发现问题但它们也会在这里得到解决。

2）节省空间。

室内的零件摆放和拼接区采用折叠桌椅，减少对实验室空间占有率，切实解决现有实验室面积小、使用率低的问题。

3）更智能和人性化。

零件选用通过按键智能实现，各机构模型的机械原理
及运动过程和关系都做成了电子信息并实现二维码扫描显示，同学们在手机连接网络后通过扫描其旁边面板提上供的二维码就能为同学们详细显示原理和内容的视频与文字。

休息区的往届参赛情况的展示和讨论区更人性化使得老师与学生多层面的沟通交流。

4 工作原理
4.1成品展示区设计原理
成品展示区由典型的慧鱼成品及其与之配套的二维码为主体。

成品要综合体现机械原理的相关知识点。

本作品以一机械狗为例设计该区域。

机械狗的工作原理如下：
机械狗的主体是三个齿轮，六连杆机构成机械狗的四条腿，与齿轮相连，头部采用曲柄滑块机构与齿轮相连，尾部采用曲柄摇杆机构与齿轮相连。

当电动机带动齿轮转动或者手摇齿轮轴使齿轮转动时，齿轮传动将齿轮的圆周运动转化为六连杆机构的运动，使机械狗的四腿前后运动，实现狗的走路姿态或者是跑步姿态；同时齿轮还会带动曲柄滑块机构和曲柄摇杆机构，使机械狗的头部和尾部上下摆动，实现狗的点头和摇尾姿态，速度可以通过慧鱼软件编程控制电动机的转速实现。

图6 机器狗三维模型
4.2 折叠升降绘图桌的工作原理
折叠升降绘图桌采用两对蜗杆蜗轮机构，平行四连杆机构，四连杆机构。

在电动机带动一对蜗轮蜗杆机构运动时，蜗轮蜗杆将蜗杆的直线运动转化为蜗轮的圆周运动，蜗轮再带动与蜗轮机构连接的平行四连杆机构运动，以实现绘图桌的升降运动，在通过编程的控制下可以使绘图桌根据绘图人员的需要来实现具体高度的升降。

另一对蜗轮蜗杆机构可以通过手动摇动蜗轮的把柄来实现绘图桌的折叠，即手摇把柄时，蜗轮的圆周运动通过蜗轮蜗杆机构转化为蜗杆的直线运动，再通过与蜗杆连接的四连杆机构转化为桌面的摆动，达到绘图桌水平时可作为办公用，垂直时可作为电脑屏幕使用的目的。

当然，这对蜗轮蜗杆机构也可以用电动机带动，我们设计成手摇的目的是让同学们可以在实验室实际去操作蜗轮蜗杆，以对蜗轮蜗杆机构原理更全面更深入的了解与掌握。

4.3 升降桌椅的工作原理
升降桌椅采用蜗杆机构，四连杆机构。

单个椅子采用传统经典的简单蜗杆机构，椅子底盘和椅面之间用蜗杆连接，椅面可以360度旋转，旋转的同时，椅面会下降，这种机构椅子有利于实验室中同学们之间的讨论互动，灵活性很强。

成套的桌子椅子分别采用四连杆机构与墙体连接，不用时将桌子椅子手动拉起，由于四连杆机构的有死点，通过设计，当拉起的桌子椅子面与墙面平行时，其四连杆机构刚好在死点位置，贴在墙面上，有利于解决现有实验室拥挤的情况，节约空间。

4.4 学生拼接区设计原理与零件摆放区设计原理
该部分主要采用对各种零件进行编号存放，而在取零件的时候只要输入对应的零件编号，该零件就能自动提取出来，从而更方便的提取零件。

减少不必要的浪费时间；学生拼接区主要采用简单的连杆机构，不用时桌腿可以折拢，用时在支承桌面。

从而有效的减少了实验室的存放空间，提高实验室的利用率。

4.5 信息采集和跟踪功能设计原理
互联网技术的运用，把各个典型机构进行编号，使其与互联网上的对其介绍的资源与拓展的相互连接配套。

并把网站平台的网址生成我们手机所能扫描的二
维码。

从而实现可靠利用的网上资源，我们也设有反馈平台；如学生对我们所提的建议与认可等。

从而有了很好的相互沟通能力。

5 应用前景
本“智慧型”慧鱼创意实验室中设计的各设备均能体现一定的机械原理知识，帮助同学们学习，引导同学们创新设计，研究新型产品，是老师们的有利教学场所，也是产学研有效结合的桥梁。

就最近几年来，在产学研的模式上出现了很多新的探索，这将是未来教学的一种发展趋势，实现幻•梦一般的课堂。

其中我们小组设计的机械狗六连杆机构可以很好的应用到其他领域，比如用在机器人上可以很好的模拟人体的动作。

而绘图桌椅也可以用于医院场所中当做床使用，可以使病人很好的自身根据需要调节床身的高度和电脑屏幕。

6 实物图片
7设计图
图8
8、总结
在这次的创新创造组合中，我们小组主要是根据第六届全国大学生机械创新设计大赛主题与内容要求完成了慧鱼模型实验室的组装。

期间，我们经过合理分工和共同的努力，最终在规定的时间内完成了比赛作品任务，实现了最初的想法：我们不是为了颠覆传统意义上的教室，而是在前者基础上进行创新，更有利于教学和学习。

在经过装配实验室的过程中，根据慧鱼模型进行反复的推敲和拼接，在机器狗的身上使得实践与理论结合起来，并运行最新科技联系学习的实际。

同时也巩固了机械专业的理论知识，使我们更加了解自己在学习上的不足和以后学习的方向。

虽然在实验中碰到了一些小困难，但是在老师的耐心指导下和我们的努力下，最终解决了这些困难并完成了任务。

在实验中不仅仅是动手而已，更多的则需要我们每个人在实习结束后根据自己的情况去感悟，去反思，去理解，才有所收获，才使这次实验达到了学习的目的，也希望我们的实验室模型早日变成现实，为广大的师生服务。

同时我们组内队员合作默契分工合理，在学习的同时又加深了我们之间的友谊，在收获知识的同时还收获了珍贵的友谊。

在此由衷的感谢各位评委老师，指导老师以及同组的队员、同学。

，
参考文献
[1]机械原理（第七版）高等教育出版社，2006.5
[2]机械设计（第九版）高等教育出版社，2013.3。