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肖楠张铁成周诗琳摘要:为了便于青少年,尤其是低龄儿童学****编程知识,提出了将编程与3D拼图相结合的设计方向,探讨了单片机选择、编程语言选择、交互方式选择、3D拼图造型设计、拼接方式、拼图加工方式等问题,最后设计并制作了一款具有可编程、语音控制、多种交互方式、可行走的机器人造型的3D拼图机器人。
关键词:交互式拼图;3D拼图;激光加工;图形编程
中图分类号::A文章编号:1006-3315(2019)06-035-002
3D拼图(立体拼图)是将经典平面拼图玩具向立体化发展,将在拼图过程中锻炼的平面化思维转向了立体化思维体验,拼装过程趣味性十足,出现了以建筑、动物等等为主题,格式各样的立体拼图,已发展为集娱乐、知识、欣赏于一体的DIY玩具;随着创客教育的发展,越来越多的儿童开始学****编程,出现了乐高教育机器人、AbilixKrypton、mBotRobotKit等产品,现有产品大致用配套的APP、手势或语音控制,配合先进的机电一体化技术,让现有电子玩具被赋予了生命,并让孩子们寓教于乐。现有立体拼图的控制方式比较简单,与单片机结合的设计也非常少,将3D拼图与单片机、传感器等结合,将编程功能融入到拼图中,可在一定程度上扩展立体拼图产品的发展方向,增加市场竞争力。
目前适合青少年使用的单片机主要有树莓派、Arduino和micro:bit等,Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台,包含硬件(各种型号的Arduino板)和软件(ArduinoIDE),对于初学者来说,极易掌握,同时有着足够的灵活性;micro:bit是一款由英国BBC设计的ARM架构的单片机,板载蓝牙、加速度计、电子罗盘、三个按钮、5x5LED点阵。Arduino作为全球最流行的开源硬件,比较典型的产品为arduinoNANO,该款产品为基于ATmega328P的单片机开发板,因其成本低,接口丰富,尺寸小等特点,非常适合本项目。
传统的ArduinoIDE使用代码的编程方式不适合青少年,尤其是儿童使用,市面出现了米思齐(Mixly)、ArduBlock、S4A(scratchforArduino)、Mind+、MBlock等图形化编程软件,非常适合低龄儿童学****编程。MixlyForArduino(米思齐图形化编程工具)有windows版、mac版、Python版和Android版,是一款用于中小学创意电子教学的图形化编程软件,由北京师范大学米思奇团队开发和维护,它是基于谷歌的图形化开源引擎Blockly进行的开发,现在已经成为国内重要的创客教育编程软件之一。
根据现有传感器的特点及尺寸,采用了语音交互、按键交互、光敏开关、声控开关等控制方式、切斜开关、光電开关、APP蓝牙连接遥控、红外遥控器、超声波测距等控制方式,也增加了LEDRGB发光二极管、LEDRGB光带、MP3语音播放等信息输出方式,安装了舵机、电机等动力源,驱动拼图沿特定轨迹的运动。根据所需功能的不同,将单片机、电源、输入控制传感器、声光传感器、运动元件分别安装在特定的拼图盒子里,便于与拼图的其他部分的连接。
根据拟采用单片机、电源、传感器、舵机、电机、电机控制板的尺寸,首先设计出可以集合在一起的单片机元件,统一放置在简单的盒子中,将驱动舵机、电机的控制板也单独放置在简单的盒子中,将按键等传感器单独设计,其操作的功能面尽量外露,以便于操作,发光元件也固定在特定的拼图上。
根据产品所针对的目标人群,本设计以典型的动漫形象为造型来源,通过对其特征的提取,同时充分考虑3D拼图产品拼装后的造型特点,设计了一款机器人3D拼图。在设计过程中,首先在三维软件Rhino中绘制产品的整体形态,然后按照拼图产品的拼接方式,将整体形态转变为可拼装的拼图模块,通过典型的卡扣连接,将各个面连接为一个拼图单元。
在设计过程中要充分考虑各拼图单元间的连接,尤其是拼图与单片机收纳盒的连接,单片机收纳盒也要易于从拼图整体上拆卸,便于单片机的维护。
将设计好的拼图在三维空间中检验设计的合理性,然后将立体的拼图零件在三维软件中通过旋转、移动等方式排放在一个平面上,将各拼图零件的直线边贴合在一起,尽量控制所占面积的大小,减少加工过程中材质的浪费。使用Rhino的Make2D命令将排布在一个平面上的拼图元件输出为dxf格式。拟采用激光雕刻机对2mm厚椴木层本进行激光切割,将输出的dxf格式文件导入到激光加工软件RDworks中,通过删除重线命令删除重复的线,设置合适的加工功率及加工速度,实现切割、雕刻等功能。
各拼图片通过片间的卡扣自动连接,如卡片间因加工造成的误差,可能存在松动现象,可适应热熔胶棒对局部进行粘贴,加强连接的牢固性。
因拼图最终所需的拼图片至少在100片以上,各拼图片间存在形象类似,在拼装过程中不易区分,本设计通过在每一个拼图片上使用激光雕刻机雕刻了每一片的编号,便于识别各拼图片,使用图形设计软件CorelDRAW制作了详细的拼图拼装步骤立体示意图,根据示意图能找到所需的拼图片。
根据本拼图所面向的使用人群,选择了易于上手的图形编程软件——米思齐,综合使用了声音、RGBLED、舵机、电机等传感器及显示、动力输出装置,在三维软件Rhino中构建了拼图产品的三维效果图,检验拼图内部空间的合理性、拼装过程的合理性,导出符合激光加工要求的二维文件,通过激光雕刻机切割了2mm厚椴木层板,制作了详细的拼装过程示意图。最终设计出一款具有可编程功能、能根据特定的语音来控制机器前进、后退、转弯、播放音乐等功能、可自由拼接的机器人造型的3D拼图。
基金项目:辽宁省2018年大学生创新创业训练计划项目(201811258036)
参考文献:
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