慧鱼模型及其在机电创新实验中的作用
谷凤民
摘 要 机电创新实验在机械专业的本科教学中越来越重要，而传统的实验设备已不能满足学生的需求。通过对慧鱼模型的介绍，突出慧鱼模型在机械元件、电子元件、气动类原件和控制板间的关系，了解慧鱼模型在机电创新实验中所起的作用。
关键词 慧鱼模型 机电创新实验 作用
0 引言
机电创新设计的方法有两类：一类是指首创、突破及发明；另一类是选择常用机构，并按某种方式进行组合，综合出可实现相同或相近功能的众多机构，为创新设计开辟了切实可行的途径[1]。对于本科生的机电实验，其主要目的有三点：（1）加强学生对机电组成原理的认识，进一步了解机电组成及其运动特性，为机电创新设计奠定良好的基础。（2）增强学生对机电的感性认识，培养学生的工程实践及动手能力，体会设计实际机电产品时应注意的事项。（3）培养学生创新意识及综合设计的能力。但在传统机电实验中，只是简单拆装，不能进行创新性实验，也不能把机构运动与电子控制很好地结合在一起，已不能引起学生的兴趣，也不能适应社会的需求，而慧鱼模型为传统的机电实验注入了新的活力。
1 慧鱼创意组合模型
慧鱼创意组合模型又称“工程积木”“智慧魔方”，简称“慧鱼”，是由德国发明家Artur Fisher博士于1964年发明的，具有一般机械所具有的零部件，如齿轮、电机、电气开关等，通过声、光、电和辅助技术的配合，能够模拟各种机械运动和机械设备的自动控制，而且有比较真实的功能。
慧鱼创意组合模型主要提供组合包、培训模型、工业模型三大系列。集能源（包括太阳能）、机械、液压、气动、遥控、自控、程控等多种学科知识于一身，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，运用设计构思和实践分析，可以实现任何技术过程的还原，实现工业生产和大型机械设备操作的模拟[2]。
1.1 机械类元件
如图1所示，机械类元件主要包括如下几类：六面体、齿轮、联杆、链条、履带、齿轮（齿轴、齿条）、蜗轮、蜗杆、凸轮、弹簧、曲轴、万向节、差速器、轮齿箱、铰链等。
其中，六面拼接体的6 个面各有U 形槽或凸出的小方块，二者是相互配合的。通过U 形槽和小方块的相互拼接，可以实现构件之间的互连。由于这些构件是六面体，因此，接合的角度一般为0°或90°。如果需要其他角度的连接，有专用的楔形体可供使用，这些楔形体提供的角度有7.5°、15°、30°、60°等，楔形体的角度已在其侧面标明。
慧鱼模型提供的齿轮种类比较多，其中普通外齿合齿轮还可用作蜗轮。提供了多种长度的塑料或金属杆件，可用作导轨、连杆和传动轴等[2]。
如图2，万向节用于和塑料传动轴配合以传递扭矩。齿轮箱用于和电动机相连接，起减速器的作用[2]，图2中的第二种齿轮箱用于齿条。
此外，慧鱼模型还提供了大量的其他构件，很好地扩展了模型的功能，在此不再详述。
1.2 电气类元件
如图3所示，慧鱼模型提供的电动机有普通迷你电动机和大功率电动机两种，提供的灯泡有普通灯泡和聚光灯泡两种，可根据实际需要选用。红外线发射接收装置、光敏传感器用于检测光源强度，当光线足够强时，传感器内部的电路闭合，接口板上检测到数字信号“1”，否则检测到数字信号“0”。光敏传感器也可以用作限位开关。同时，由于深色物体吸收光线，而浅色物体反射光线，光敏传感器还可以用来鉴别深色和浅色物体。电磁气阀，可调直流变压器（9 V，1 A，带短路保护功能）。小型开关上有3 个针脚：0 针脚和1 针脚形成一个常闭开关；0 针脚和2 针脚形成一个常开开关；当按键被压下时，小型开关的通断状态改变，电脑接口板检测到数字信号“1”或“0”，利用这个原理，小型开关可以用作运动部件的限位开关。磁敏传感器用于检测环境的磁场强度，当磁场强度达到一定值后，传感器内部的电路闭合，接口板上检测到数字信号“1”，否则检测到数字信号“0”。
1.3 气动元件
如图4所示，气动元件包括气缸、气阀（手动、电磁阀）、气管、管接头（三通、四通）、气泵、储气罐等。慧鱼模型的气动构件使用一个小型空气压缩机作为气源，压缩空气通过气管、弯头、气阀、气缸等部件来传递动力，可模拟液压系统[2]。
1.4 ROBO TX接口板
如图5所示，ROBOPro 软件在Windows 平台下运行，该软件界面友好、功能丰富，能驱动ROBO 接口板，但在驱动智能接口板时，不能将程序下载到接口板上。
ROBOPro 软件可以同时控制连接在计算机不同串口或USB 端口上的多个接口板。通过利用本平台自带软件进行编程，对所搭建的机电产品进行控制，验证创新实验的思路是否正确。
控制板的工作模式：
（1）在线模式
接口板始终和电脑相连（通过USB，串口或者无线射频通信模块）。程序在电脑上运行，显示器作为用户界面。
（2）下载模式
在这种模式下，程序被下载到接口板上且独立于电脑运行。两个不同的程序可以同时下载到FLASH存储器中，而且断电后程序也可以保存在内。也可以将程序下载到RAM中，一旦电源中断或者启动FLASH中的程序，原RAM中程序就被删除。
1.5 故障诊断及重要信息
如果红色故障LED持续点亮，说明电源电压远超出了直流9 V正常范围。这时接口板自动切断电源，直至供电电压达到正常范围。
有关电磁干扰的问题：如果接口板被强烈的电磁干扰所影响，一旦停止干扰源接口板还可以恢复使用。有必要将电源中断一段时间后重新启动程序。
2 慧鱼机电创新产品[3]
实物如图6所示，主要是进行新产品的搭建和模拟已知机构的运动，给人以更加直观的感受。 在设计过程中，应先画出机构运动简图，分析机构的运动状态、自由度等，再利用慧鱼组件进行实物的搭接和软件编程，搭接完毕就可进行调试，如不符合最初设计，可随时进行调整，克服了传统机电实验的简单化和单一性，培养了学生的动手能力和创新能力，改变了老师动手、学生观看的模式。
3 结论
利用慧鱼模型中上述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。通过在机电创新实验中的应用，激发了学生的创新热情，更好地将所学知识应用到实践中来，为未来就业打好坚实的基础。
参考文献：
[1]邹慧君.机械原理[M].2版.北京：高等教育出版社，2006.
[2]慧鱼ROBO TX CONTROLLER说明书2008年北京教仪科技有限公司
[3]曲凌.慧鱼创意机器人设计与实践教程[M].上海：上海交通大学出版社，2007.
摘 要 机电创新实验在机械专业的本科教学中越来越重要，而传统的实验设备已不能满足学生的需求。通过对慧鱼模型的介绍，突出慧鱼模型在机械元件、电子元件、气动类原件和控制板间的关系，了解慧鱼模型在机电创新实验中所起的作用。
关键词 慧鱼模型 机电创新实验 作用
0 引言
机电创新设计的方法有两类：一类是指首创、突破及发明；另一类是选择常用机构，并按某种方式进行组合，综合出可实现相同或相近功能的众多机构，为创新设计开辟了切实可行的途径[1]。对于本科生的机电实验，其主要目的有三点：（1）加强学生对机电组成原理的认识，进一步了解机电组成及其运动特性，为机电创新设计奠定良好的基础。（2）增强学生对机电的感性认识，培养学生的工程实践及动手能力，体会设计实际机电产品时应注意的事项。（3）培养学生创新意识及综合设计的能力。但在传统机电实验中，只是简单拆装，不能进行创新性实验，也不能把机构运动与电子控制很好地结合在一起，已不能引起学生的兴趣，也不能适应社会的需求，而慧鱼模型为传统的机电实验注入了新的活力。
1 慧鱼创意组合模型
慧鱼创意组合模型又称“工程积木”“智慧魔方”，简称“慧鱼”，是由德国发明家Artur Fisher博士于1964年发明的，具有一般机械所具有的零部件，如齿轮、电机、电气开关等，通过声、光、电和辅助技术的配合，能够模拟各种机械运动和机械设备的自动控制，而且有比较真实的功能。
慧鱼创意组合模型主要提供组合包、培训模型、工业模型三大系列。集能源（包括太阳能）、机械、液压、气动、遥控、自控、程控等多种学科知识于一身，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，运用设计构思和实践分析，可以实现任何技术过程的还原，实现工业生产和大型机械设备操作的模拟[2]。
1.1 机械类元件
如图1所示，机械类元件主要包括如下几类：六面体、齿轮、联杆、链条、履带、齿轮（齿轴、齿条）、蜗轮、蜗杆、凸轮、弹簧、曲轴、万向节、差速器、轮齿箱、铰链等。
其中，六面拼接体的6 个面各有U 形槽或凸出的小方块，二者是相互配合的。通过U 形槽和小方块的相互拼接，可以实现构件之间的互连。由于这些构件是六面体，因此，接合的角度一般为0°或90°。如果需要其他角度的连接，有专用的楔形体可供使用，这些楔形体提供的角度有7.5°、15°、30°、60°等，楔形体的角度已在其侧面标明。
慧鱼模型提供的齿轮种类比较多，其中普通外齿合齿轮还可用作蜗轮。提供了多种长度的塑料或金属杆件，可用作导轨、连杆和传动轴等[2]。
如图2，万向节用于和塑料传动轴配合以传递扭矩。齿轮箱用于和电动机相连接，起减速器的作用[2]，图2中的第二种齿轮箱用于齿条。
此外，慧鱼模型还提供了大量的其他构件，很好地扩展了模型的功能，在此不再详述。
1.2 电气类元件
如图3所示，慧鱼模型提供的电动机有普通迷你电动机和大功率电动机两种，提供的灯泡有普通灯泡和聚光灯泡两种，可根据实际需要选用。红外线发射接收装置、光敏传感器用于检测光源强度，当光线足够强时，传感器内部的电路闭合，接口板上检测到数字信号“1”，否则检测到数字信号“0”。光敏传感器也可以用作限位开关。同时，由于深色物体吸收光线，而浅色物体反射光线，光敏传感器还可以用来鉴别深色和浅色物体。电磁气阀，可调直流变压器（9 V，1 A，带短路保护功能）。小型开关上有3 个针脚：0 针脚和1 针脚形成一个常闭开关；0 针脚和2 针脚形成一个常开开关；当按键被压下时，小型开关的通断状态改变，电脑接口板检测到数字信号“1”或“0”，利用这个原理，小型开关可以用作运动部件的限位开关。磁敏传感器用于检测环境的磁场强度，当磁场强度达到一定值后，传感器内部的电路闭合，接口板上检测到数字信号“1”，否则检测到数字信号“0”。
1.3 气动元件
如图4所示，气动元件包括气缸、气阀（手动、电磁阀）、气管、管接头（三通、四通）、气泵、储气罐等。慧鱼模型的气动构件使用一个小型空气压缩机作为气源，压缩空气通过气管、弯头、气阀、气缸等部件来传递动力，可模拟液压系统[2]。
1.4 ROBO TX接口板
如图5所示，ROBOPro 软件在Windows 平台下运行，该软件界面友好、功能丰富，能驱动ROBO 接口板，但在驱动智能接口板时，不能将程序下载到接口板上。
ROBOPro 软件可以同时控制连接在计算机不同串口或USB 端口上的多个接口板。通过利用本平台自带软件进行编程，对所搭建的机电产品进行控制，验证创新实验的思路是否正确。
控制板的工作模式：
（1）在线模式
接口板始终和电脑相连（通过USB，串口或者无线射频通信模块）。程序在电脑上运行，显示器作为用户界面。
（2）下载模式
在这种模式下，程序被下载到接口板上且独立于电脑运行。两个不同的程序可以同时下载到FLASH存储器中，而且断电后程序也可以保存在内。也可以将程序下载到RAM中，一旦电源中断或者启动FLASH中的程序，原RAM中程序就被删除。
1.5 故障诊断及重要信息
如果红色故障LED持续点亮，说明电源电压远超出了直流9 V正常范围。这时接口板自动切断电源，直至供电电压达到正常范围。
有关电磁干扰的问题：如果接口板被强烈的电磁干扰所影响，一旦停止干扰源接口板还可以恢复使用。有必要将电源中断一段时间后重新启动程序。
2 慧鱼机电创新产品[3]
实物如图6所示，主要是进行新产品的搭建和模拟已知机构的运动，给人以更加直观的感受。 在设计过程中，应先画出机构运动简图，分析机构的运动状态、自由度等，再利用慧鱼组件进行实物的搭接和软件编程，搭接完毕就可进行调试，如不符合最初设计，可随时进行调整，克服了传统机电实验的简单化和单一性，培养了学生的动手能力和创新能力，改变了老师动手、学生观看的模式。
3 结论
利用慧鱼模型中上述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。通过在机电创新实验中的应用，激发了学生的创新热情，更好地将所学知识应用到实践中来，为未来就业打好坚实的基础。
参考文献：
[1]邹慧君.机械原理[M].2版.北京：高等教育出版社，2006.
[2]慧鱼ROBO TX CONTROLLER说明书2008年北京教仪科技有限公司
[3]曲凌.慧鱼创意机器人设计与实践教程[M].上海：上海交通大学出版社，2007.
