产品创意设计实践

产品创意设计实践第1页/共95页主要内容

1、机器人

2、慧鱼构件

3、机械传动

4、控制软件（LLwin3.02）

5、常用机械传动机构的基本搭建方法以及传感器的运用练习第2页/共95页主要内容

6、常用气动构件的换向阀使用方法以及泵站的搭建

7、LLwin软件的使用练习

8、典型做品简介

9、自主创意设计

第3页/共95页第一章机器人一、“机器人”及其技术的发展历史由一位名叫KaralCapak的原捷克斯洛伐剧作家首先使用。在捷克语中，Robot这个词是指一个赋役的奴隶。1921年Capak写了一出戏，名叫《洛桑万能机器人公司》。在这出剧中，机器人是洛桑和他的儿子研制的类人生物，用来作为人类的奴仆。

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随后，一位名叫Asimov的科学幻想小说家首先使用了机器人学（Robotics）这个词来描述与机器人有关的科学。他还提出了“机器人学”的三个原则，值得今天的机器人设计者和使用者的注意。第5页/共95页

这三个原则的原语如下：

1)、Arobotmustnotharmahumambeingor,throughinaction,allowonetocomeharm.2)、Arobotmustalwaysobeyhumanbeingsunlessthatisconflictwiththefirstlaw.3)、Arobotmustprotectitselffromharmunlessthatisinconflictwiththefirstorsecondlaws.机器人必须不危害人类，也不容许它眼看人将受害而袖手旁观。第6页/共95页1、早期的机器人

图1报时鸟简图第7页/共95页

图2吹口哨的机械第8页/共95页2、近代机器人

图3Unimate机器人图4Versatile机器人第9页/共95页07年9月26日播出的CCTV《新闻会客厅》节目介绍了一位来自于北京京郊的普通农民，在二十几年之内，他造出了26个机器人。第10页/共95页奥地利举行了一场酒吧机器人展览，这些酒吧机器人不但会调酒，还可以招待客人，甚至陪客人聊天。酒吧机器人倒酒又陪聊

第11页/共95页12月21日,日本2006年度机器人大奖颁奖仪式在东京举行。其中喂饭机器人获年度机器人特别奖。11月29日，日本著名的机器人“村田顽童”亮相北京，表演行走坡道和S型平衡木等功能。世界唯一骑车机器人亮相北京

喂饭机器人获年度机器人

这款机器人能用他的机械臂把勺子送到指定地点，等待使用者去咬，而不是把勺子送进嘴里，因此不会产生“填鸭”式强迫喂饭的尴尬情况。第12页/共95页日本仿真美女机器人会眨眼能说话

日本新型保姆机器人照顾小孩

日本大阪大学近日推出仿真机器人会眨眼能呼吸，做一些无意识动作。这些仿真机器人可以用作老人病人陪聊、前台接待人员、播音员等。

日本新近开发出伙伴型保姆机器人，在外工作的母亲只要给机器人打个电话，机器人就会立刻作出反应，把孩子在家的画面传送给母亲。第13页/共95页机器人相扑大赛亮相西班牙

我国烹饪机器人能炒六大菜系菜品

日前全国首个中国菜肴烹饪机器人诞生。不管是鲁菜、扬菜、川菜还是粤菜，机器人不到5分钟，佳肴就可端上饭桌。西班牙全国机器人大赛里，一场精彩的相扑对决正在上演，一声令下，一名银色的“选手”轻而易举的就把对手挤出圈外。/d/focus/bn_robot/index.shtml第14页/共95页第一章机器人二、机器人

1、定义（国际标准化组织ISO）

1）、具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变；

2）、动作具有类似于人或其他生物体的某些器官的功能；

3）、具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预；

4）、具有一定的智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等。第15页/共95页2、机器人学（1）机器人理论基础与方法（2）机器人设计理论与技术（3）机器人仿生学（4）机器人系统理论与技术（5）机器人操作和移动理论与技术（6）微机器人学第16页/共95页三、机器人的应用

1、建筑机器人可用来砌墙、抹水泥地面、安装天花板、搬运玻璃等

2、矿山机器人可用于采掘、石油钻井、取样等等；

3、核工业机器人用于检查放射性、清理核垃圾等

4、管道机器人用于检修油、气、污水管道；第17页/共95页5、农、林、牧用机器人用于耕种、收割、采果、喷洒农药化肥、挤奶等；

6、水下机器人用于深海探测、沉船打捞和海洋矿产、渔业的开发；

7、空间机器人用于星球开发、空间微生物分析、纯净材料的制造、轨道飞行器的检修、增添燃料和清洗、充当航天飞机乘务员等；第18页/共95页8、极限作业机器人用于极高温、极低温、粉尘、有毒气体、放射性环境，还可进行消防、抢险救灾、火山探险等工作。第19页/共95页四、未来展望1、应用的广泛性和扩展的迅速性（1）在工业领域得到更广泛的应用，应用领域在不断扩大，种类日趋增多；（2）以惊人的速度向军事、医疗、服务、娱乐等非工业领域扩展；（3）成为各国必争的知识经济制高点和研究热点，已列入各国高技术发展计划。第20页/共95页2、技术纵向上的发展特征（1）提高机器人的性能、智能化、机动性、可靠性和安全性；（2）追求与人类环境的完美融入性。第21页/共95页五、机器人结构组成及其功能（1）执行系统（2）驱动系统（3）控制系统（4）感知系统（5）决策系统（6）软件部分（7）人—机器人—环境交互系统第22页/共95页思考1、机器人的结构组成及其功能。第23页/共95页慧鱼模型硬件介绍(智能接口板等)软件调试及编程(LLwin)第24页/共95页简介公司的创始人ArturFischer博士，现年80多岁，是当今世界上拥有专利（5000项）最多的科学家和企业家。他在1964年从他的专利－－六面拼接体开始，发明了“慧鱼创意组合模型”。该模型是工程技术形模型，能够展示科学原理和技术过程，为工厂研究设计工业自动化机器提供模拟、示范。

第25页/共95页构件机械构件：机械构件主要包括：齿轮、联杆、链条、履带、齿轮（普通齿轮、锥齿轮、斜齿轮、内啮合齿轮、外啮合齿轮）、齿轴、齿条、涡轮、涡杆、凸轮、弹簧、曲轴、万向节、差速器、轮齿箱、铰链等。电气构件：电气构件主要包括：直流电机（9V双向），红外线发射接收装置、传感器（光敏、热敏、磁敏、触敏），发光器件，接口电路板，可调直流变压器（9V，1A，带短路保护功能）。一、分类第26页/共95页构件气动构件：气动构件主要包括：储气罐，气缸，活塞，气弯头，手动气阀，电磁气阀，气管。二、材料主料：均采用优质的尼龙塑胶，辅料：采用不锈钢芯，铝合金架等。第27页/共95页构件燕尾槽销插接方式连接

四、主要用途

学生创造力培养教学演示及试验工业模拟及培训。三、链接方式第28页/共95页装配模型步骤1先选出第一步骤所要的构件，按照图示装配完成第一步。

2再选出第二步骤所要的构件，此时已完成装配部分为黑白色，按照图示装配完成第二步。3用同样的方法依次类推直到完成最后一步。4机械构件装配时要确保构件到位，不滑动。5电子构件装配时要注意电子元件的正负极性，接线稳定可靠，没有松动。

6整个模型完成后还要考虑模型的美观，整理布线要规范第29页/共95页基本构件装配方法1第30页/共95页基本构件装配方法2第31页/共95页基本构件装配方法3第32页/共95页如何给模型接线确定导线的长度

导线长度的确定请参考每个组合包中的操作手册里推荐的导线长度，也可以根据自己模型的实际位置以及走线的合理布置选择合适的长度。接线头的连接方法，如图：

1先确定导线的长度，数量。2导线两头分叉3cm左右。3两头分别剥去塑料护套，露出约4mm左右的铜线，把铜线向后弯折，插入线头旋紧螺丝。

4重复以上步骤，完成接线头。

`第33页/共95页规范走线的几种方法1导线沿着构件的凹槽走

2导线在基板上走

3导线穿过线卡

4导线可以在基板下穿过

第34页/共95页智能接口板(IntelligentInterface)介绍慧鱼智能接口板自带微处理器，通过串口与计算机相连，在计算机上编好的程序可以下载到接口板的微处理器上，它可以不用计算机独立地处理程序。

第35页/共95页智能接口板(IntelligentInterface)介绍1连接电源

9针RS232串口

数字量输出M1-M4

数字量输入E1~E8

模拟量输入EX和EY

第36页/共95页智能接口板(IntelligentInterface)介绍2连接电源：电源既可以是慧鱼稳压电源(9V直流/1000mA)，也可以是电池组，包括6节圆电池，当稳压电源与直流接口相连时（+极朝里端）电池连接口的电回路就被自动切断了，当接口板和电源正确相连后，红色发光二极管就亮了。用9针RS232串口与电脑相连，用接口线连接到你的电脑的串口上(COM1或COM2)

数字量输出M1-M4：你可以连接4个马达（正、反向）电磁铁或灯接到四位数字输出口M1-M4。连续电流：250mA；电流极限：1A；短路保护。

数字量输入E1~E8：这些数字量的输入用来连接传感器（比如说，开关，光敏）。电压范围9V直流（6V直流~12V直流）

模拟量输入EX和EY：你可以用模拟量输入连接电位计或热光传感器。这些输入端被设计成阻值0到5千欧。连接的电阻负荷转化成数字量就是0到1000扫描率是20毫秒。输入端的精度大约是0.2%。

第37页/共95页实践范例

本节内容主要让大家通过对动手组建模型，连线，编程，运行程序控制模型等各阶段学习后，对慧鱼创意组合模型的运作方法有一个初步的熟悉第38页/共95页电动卷扬机模型工作原理：有两个开关控制卷扬机，开关2和开关3，当开关2合上时，卷扬机逆时针旋转，松开后，卷扬机停止。开关3合上时，卷扬机顺时针旋转，松开后，卷扬机停止。第39页/共95页模型连线注意：该图与实际接线稍有出入，实际采用智能接口板，但输入输出名称是一致的。先用串口线把接口板与电脑串口相连，不要松动，然后把电源接在接口板上，红灯亮，表示电源接通。第40页/共95页组建模型第二步第一步第三步第41页/共95页手动调试手动调试阶段是模型整体运行调试之前不可缺少的一个步骤。我们分以下几步进行：1设置电脑端口在菜单中选择“Options”，然后选中“SetupInterface”。在对话框中，“Port”一栏选择“COM1”，然后按“OK”返回。第42页/共95页手动调试12调试接口板

在菜单中选择“Options”，然后选中“CheckInterface”。出现图四画面。“E1--E8”是八个数字量输入，“EX、EY”是两个模拟量输入，“Motor1--Motor4”是输出。用手触动模型上对应E2、E3的开关，注意观察屏幕上E2、E3是否有0－1的变化（按下为1），有的话说明输入正常。把鼠标移到Motor1对应的圆圈上，分别点击鼠标的左右键，看一下模型上的马达是否有正转、反转的动作。第43页/共95页手动调试23故障排除故障现象可能情况Noconnectiontotheinterface!检查接口板到电脑串口的连线、插头是否松动，电源是否打开。E2、E3没反应检查E2、E3到接口板的连线、插头是否松动。E2、E3按下为0检查E2、E3是否连接在常开端。马达没反应检查马达到接口板的接线、插头是否松动。马达转向不对检查马达连接头是否插错。第44页/共95页编制程序LLWin采用图形化编程，功能模块调用方式，非常简单易用。1新建控制程序文件在菜单中选择“Project“，然后选中“New”。出现图二画面。出现如图画面后就可以对模型进行编程了第45页/共95页编制程序12调用功能模块按键盘上的“Insert”键，出现如图画面，在“LIBRARY”中选择“FuBlocks”，画面右侧“Block”中就出现所有的功能模块，选择你编程所需的功能模块设定好参数，放置到相应位置。3功能模块间连线用鼠标右键完成功能模块之间的连线。第46页/共95页编制程序24重复2,3完成程序把你所需的所有功能模块都调用好，放置在相应位置，然后完成连线。产生图四程序。仔细研究上图程序，弄清各功能模块的功能。掌握功能模块的删除及连线删除的方法。第47页/共95页运行程序如图，在菜单中选择“Run”，然后选中“Start”程序就开始运行了。Start运行程序，或按键盘“F5”键。Stop停止运行程序，或按键盘“F9”键。Download把程序下载到接口板内，实现脱机控制方式。第48页/共95页独立编程一定要在熟悉了以上几个阶段的工作的基础上才进入本阶段。一先将模型作如下图所示的改变。注意连线。二本模型的功能描述。先在终端面板上设定旋转圈数EA，然后在终端面板上按下E17启动卷扬机逆时针旋转，当计数变量VAR1等于设定圈数EA时，卷扬机停止，暂停1秒钟，卷扬机顺时针方向旋转，计数变量VAR1递减直到为0，卷扬机停止。计数变量VAR1的动态值要在终端面板上显示。第49页/共95页独立编程1在终端上显示变量模块边值模块定位模块延时模块终端模块第50页/共95页独立编程2四请独立完成能实现以上功能的程序，如有疑问请参考标准程序。第51页/共95页实验1卷扬机保持原有卷扬机模型的机构不变，接线方式改为下表所示：

E1计数器E2正转按钮E3反转按钮M1输出马达E2控制马达正转；E3控制马达反转；两者不按，马达不转；同时按下，马达不转且蜂鸣（beep)。使用E1为计数器，马达每正转一圈，变量1增加1；马达每反转一圈，变量1减少1。正转到变量1=20时，不能正转；反转到变量1=-20时，不能正转。第52页/共95页实验2交通灯接线如下表所示

E8开关M1绿灯M2黄灯M3红灯开关触发绿灯亮绿灯闪烁红灯亮黄灯亮五秒五次五秒五秒第53页/共95页实验3电梯接线如下表所示

E3顶层判断开关E6顶层触发开关E4中层判断开关E7中层触发开关E5底层判断开关E8底层触发开关M1电梯马达E6触发，停最高层，E3判断；E7触发，停中层，E4判断；E8触发，停底层，E5判断；记录顶层和中层停泊次数(Var1,Var2)，并显示。难点：电梯停中层时，马达运动状态判断。提示：可使2~3个程序同时运行，注意逻辑上不要产生矛盾。第54页/共95页模型第55页/共95页机械传动第56页/共95页机械基础知识1、零件、部件、组件

零件：无法拆卸分开的机件叫零件(如离合杆)。

部件：由两个或多个零件铆装在一起形成的机体叫做部件。

组件：由两个或多个零件套装在一起形成的一个机件叫做组件。第57页/共95页2、传动比的计算

传动比：

i=主动轮齿数/从动轮齿数第58页/共95页3、机械传动3.1直齿圆柱齿轮传动3.2齿轮齿条传动3.3直齿圆锥齿轮传动3.4蜗轮蜗杆传动3.5凸轮机构传动3.6螺杆传动

第59页/共95页典型作品简介第60页/共95页目录一、智能车库二、养殖厂自动上料线三、六足测绘机器人四、全自动洗瓶、灌装机生产线的设计五、机械零件柔性加工与传送站

六、ATM自动取款机第61页/共95页一、智能车库第62页/共95页一、设计背景及其意义

随着社会的发展，时代的进步，汽车逐渐成为了普通消费品然而交通拥堵，车位紧张在各大城市中凸显出来。车位的奇缺给人们出行带来了不便，同时也影响了车流的顺畅。现有车位占地过大，存车的安全性较低，这成为社会关注的一大焦点。如何科学用地，有效安置日益增多的车辆，并做到存取安全、便捷已成为一个急需解决的问题。智能车库解决了这个问题，可以在很小面积的土地上建立一个相当规模的停车场，为车主提供便利，而且也节省了土地资源。第63页/共95页二、作品的功能

图1.智能车库在存车时，将对应车位的智能卡插入智能识别读卡器中，控制中心读取卡中的信息，进行判断车位，发出指令，将停车板取下，把车停在停车板上，然后按下存车按钮，车就会自动地存入指定的车位。取车也是同样的原理，当取停车板的时候就将车取下来了，把车开走，然后按下存按钮，停车板就会自动存入原来的车位。第64页/共95页三、作品的结构

智能车库主要由智能识别读卡器、旋转机构、伸缩机构、以及升降机构组成，由慧鱼智能接口板进行控制。图2.智能识别读卡器

智能识别读卡器由光电感应系统和继电器组成。当插入智能卡时，在智能读卡机底部的继电器E4处于1状态，启动主程序。然后智能读卡机通过判断4组光电感应元件的不同组合的，读取卡上的信息，以此来判断指定车位，并选择相应的程序实现“取”（存车时是取停车板）操作，等待车的存取准备就绪后按下E5，继续执行“存”（取车时是存取下的停车板）操作。第65页/共95页图4.伸缩机构

旋转机构是由蜗轮与蜗杆构成。电机M3将动力通过减速箱传递给蜗杆，蜗杆再将动力传递给与旋转电梯固定的蜗轮，使蜗轮与电梯架同步转动，而且在旋转电梯下方安装继电器E3，与地面上定位标组成旋转定位装置，通过指定的程序进行控制，以达到转动到指定的存取方位。

伸缩机构是由升降平台和伸缩平台组成。电机M2通过减速箱将动力传给齿轮，齿轮与齿条相互配合，并由M2的正反转控制伸缩平台的伸缩。伸缩的距离由程序通过定时控制。图3.旋转机构第66页/共95页图6.车位布置图5.升降机构

车位由均匀的布置在存取机构的周围的8个车位构成，分为底层、二层、三层，底层车位不需要存取机构，直接存取。车位采取环行布置，极大的利用有限的面积，实现最大的存取容量。

升降机构由升降平台和电机、齿条组成。电机M1通过减速箱将动力传给齿轮，齿轮与齿条相互配合，由M1的正反转实现升降运动。而且在升降平台上安有继电器E2与旋转电梯架上的定位标组成层数定位装置，通过指定的程序进行控制，以达到升降到指定的层数。第67页/共95页（1）构思新颖巧妙智能车库以如何利用有限的土地资源扩大车位量，并保证安全，便捷的存取车为切入点，将传统的地面/地下单层车库改装为多层存车库，每层采用环绕式结构，充分利用空间，扩展了车位。（2）采用智能识别系统智能车库设计识别读卡器，实现了一车一位一卡，自动化程度高，保证了安全便捷的存取车。四、作品的创新点第68页/共95页

智能车库结构简单，安装方便，定位精准，功能全面，存储量大，布局美观大方，设计人性化，系统稳定，存取便捷。正是由于作品具有以上特点，具有很大的市场应用前景。诸如：市中心、生活小区、商业区、医院等车位比较紧张的场所可以优先考虑本作品的设计方案，以此缓解车位紧张的状况。五、作品的应用前景第69页/共95页二、养殖厂自动上料线第70页/共95页一、设计背景及其意义

当前科技发展日新月异，各种机械产品以及一些生产线均由从前的纯机械加人力操作向自动化、智能化发展。随着养殖业的发展，国内各种家禽养殖场也如雨后春笋般崛起，但这些家禽的养殖基本全靠人力，尤其是饲喂，需耗大量的劳动力而且费时间，效率不高，这就加大了业主的成本，而且员工的管理也是一大问题。如果有一种全自动的生产线能实现家禽的自动饲喂，那将会大大降低成本，为业主创造更高的利润。养殖厂自动上料线则针对这一目标，希望能为广大养殖户服务，为他们创造更多的利润。第71页/共95页二、作品的功能

储料：饲料由滑槽滑到拌料桶中，到一定量时触发光感系统，光感系统接收到信号后将信号传给饲料储备仓仓门，仓门自动关闭。搅拌：拌料桶在曲柄摇杆机构的控制下转过特定的角度使拌料桶的口正对搅拌器的搅拌叶片，与此同时，搅拌器下降将其叶片插入到拌料桶中并开始搅拌；搅拌一定时间后叶片停止转动，搅拌停止。搅拌器上升将其叶片从拌料桶中提出，完全提出后停止上升。图1.养殖厂自动上料线

养殖厂自动上料线系统运行过程分为三步：储料，搅拌和送料。第72页/共95页送料：储料桶将搅拌好的饲料倒在大传送带上，然后拌料桶回到初始位置，同时大传送带开始运转将饲料送到储料桶中后停止。此时天车启动，沿轨道走到饲料槽的一端后停止，同时储料桶的仓门打开，天车沿饲料槽运行，这时储料桶中的饲料就通过小传送带均匀地撒到第一排饲料槽的第一层中。撒到一层饲料槽的尽头后天车停止，同时储料桶仓门关闭。第二层送料与第一层相似。第73页/共95页

养殖厂自动上料线由送料系统、搅拌加工系统、上料系统组成。三、作品的结构图2.送料系统

送料系统由饲料储备仓、滑槽、拌料桶组成。饲料储备仓可依据家禽的食量和数量储备适当的饲料，饲料可通过滑槽送到拌料桶，拌料桶上有感光器，储料仓上带有电动门，它们构成一套光感系统；当拌料桶中的饲料到达一定量时，光感系统可控制电动门关闭，停止送料。第74页/共95页

搅拌加工系统由曲柄摇杆机构、搅拌器、大传送带组成。搅拌器可将拌料桶中的饲料进行搅拌加工以适合不同种家禽的饲养（实际上可将各种添加剂加到拌料桶中）。本作品中选用玉米为饲料。图3.搅拌加工系统

第75页/共95页

上料系统由天车、储料系统（带仓门）、小传送带组成。拌料桶中的饲料可通过曲柄摇杆机构送到大传送带上，再由大传送带送到储料桶中，在天车和仓门的配合下可将饲料均匀撒到饲料槽中。

图4.上料系统第76页/共95页四、作品的创新点(1)拌料桶采用摇杆机构较好实现了装料、拌料、倒料三个位置的处理，模型运行流畅。(2)用简单的结构实现了较复杂的功能。(3)模型采用玉米作为实验材料，虽然其颗粒较小，漏料问题不可避免，但通过安装防护挡片，准确定位各部件和使模型的稳定运行较好地解决了这一问题，经过多次实验，漏料率能控制在十分之一以内。第77页/共95页

该产品在程序控制下完全可以完成家禽的饲喂工作，可以提高工作效率，大大降低成本，为业主创造更多的利润。从长远看，如果该产品添加一些附件或改变一下程序，它就可能完成更为复杂的工作。如判断什么时候喂料最合适，在饲喂前对饲料做进一步的处理等。这样产品的自动化程度就会进一步提高，使本产品功能更加完善。五、作品的应用前景第78页/共95页三、六足测绘机器人第79页/共95页一、设计背景及其意义

目前的地质测绘主要还是靠人工完成。但是，此类工作所具有的危险性和不可预知性较大，使用机器人代替人完成此项工作则很有必要。现有的主流越野机器人中，足式机器人在复杂地形中的表现要优于轮式或履带式机器人。因此，设计者将６足机器人用于复杂地形的测绘，以解决上述问题。第80页/共95页二、作品的功能

由于六足机器人具备一定的运载能力，且具备较强的越障和爬坡能力，而车身没有大的起伏，能真正做到“如履平地”。因此将六足步行式机器人和地质测绘有机的结合起来，用来完成有一定危险性或较为复杂地形内的测绘工作。第81页/共95页三、作品的结构

六足测绘机器人由机身及六条机械腿构成，全部采用慧鱼结构件组装，并由智能接口板进行控制。第82页/共95页

六足测绘机器人的主要动作由单腿行走，移动步伐，转向动作及绘图部分组成。采用六足步行模式，每条腿可以实现上下及水平转向两个动作。单腿移动的分解动作如图：（1）单腿行走：第83页/共95页（2）移动步伐：

红色的部分表示该回合着地的腿。黑色的为该回合结束后该腿所在位置。在回合六结束后，同时使六条腿水平转动，从而将机身向前移动，结束一个循环节。循环运动实现向前的移动。此种步伐避免了整体结构强度和实际使用中可能出现的损坏（例如某一调腿失