基于LEGO可编程控制器开展机械创新设计的教学改革.doc

基于 L E GO 可编程控制器开展机械创新 设计的教学改革 卢 梅 ,于晓红 ,李 威 ,崔兴山 ,史铁军 (北京科技大学机械工程学院 ,北京 100083) 摘 要 : 本文探讨了利用 L E GO 可编程控制器开展机械创新设计课 ,提高学生创新意识 ,综 合思维和创造能力的潜在作用 ,研究了如何在动手实践过程中培养学生创新设计能力的教学 模式 ,最后还给出了一些应用教学实例 。 关键词 : 乐高机器人系统 ;创新设计 ; ROBOL AB 软件 中图分类号 : G6421423 文献标识码 :B 文章编号 :1002 - 4956 (2004) 06 - 0115 - 03 我们的教学目标是培养学生的创新精神和创新意识 ,为学生提供创新设计工程实践 模拟平台 ,将代表多学科的机器人技术引入课堂 ,鼓励学生在动手实践过程中充分发挥想 象力 、创造力 ,真正体验机械系统创新方案设计全过程 ,提高学生分析问题和解决工程实 际问题的能力 ,在教学实践中深刻体会课堂所学的理论知识 ,这一宗旨始终贯穿于我们的 整个教学活动中 。 1 L EGO 系统的组成及其功能 由乐高集团 、美国国家仪器公司 、美国著名大学 3 家著名机构联合开发的可编程乐高 机器人系统 ,主要是由 L E GO 组件 、RCX 可编程控制器和 ROBOL AB 软件组成 。这一独 创性的教育产品将模型搭建与计算机编程有效地结合在一起 , 利用 L E GO 组件可以设 计 、搭建机械系统模型 ,在计算机上为其编写应用程序 ,然后通过与计算机串口相连的红 外发射仪将程序从计算机下载到机器人的可编程控制器 RCX 内 。启动开关 ,机器人就可 以完全脱离计算机 ,按照下载到 RCX 里的程序指令独自行动 。 L E GO 组件有丰富的零部件和多种系列的套装 ,包括各种各样的机械零件 ,有齿轮 、 马达 、连杆 、凸轮等等 。灵活运用其组件可搭接出各种不同的机构 ———即通过拼装的方式 组成一个机电系统 。RCX 作为控制模块和微型电脑 ,用于系统的输入和输出控制 ,是整 个系统的大脑和机器人系统的中枢 ,就象人体大脑一样去控制与指挥机器人的行为 。 ROBOL AB 软件是一个简单 、直观 、易学的编程环境 , 是以美国国家仪器公司 ( Na2 tio nal Inst rument) L abview ———流行于测量和自动化领域的图形化软件为基础开发的 。使 用图形化编程语言 ,只需从功能面板选取需要的图标 ,拖拽到编程窗口 ,从左到右 ,有顺序 和有逻辑地将图标模块用线连接起来 ,即可完成编程 。编程环境共分 3 个级别 :初学者级 别 ( Pilot L evel) 、发明家级别 ( Invento r L evel) 和研究者级别 ( Investigato r L evel) ,每个级别 又分数个等级 ,由浅入深 ,共有 13 个等级 ,使用者可根据实际需要来选择不同的编程等 级 。ROBOL AB 还有丰富的数据分析函数库 ,包括微积分 、曲线拟合 、直线拟合等 ,并提供 基于 TCP/ IP 的互连网编程工具 。使用该软件在计算机上编写好程序 ,通过连接在计算 机串口上的红外发射仪将程序下载到 RCX , RCX 即可独立执行程序 ,控制一系列输入和 输出 ,来响应周围环境 。 2 教学方案及其实施步骤 我们课程的面向对象为机械工程及其自动化专业《创新构思与实践》课的学生 。利用 L E GO 可编程控制器构思 、设计 、组装机械系统或称为智能机器人 ,整个实践过程包括 3 个基本步骤 : (1) 设计和搭建 ; (2) 编写程序 ; (3) 下载程序和启动机器人 。整个制作课程使 用 12 学时全部完成 。对学生提出的要求是 : 根据课程要求 ,预先拟定一个主题 ———即结 合日常生活和生产实际需要 , 初步构思 拟 定 设 计 方 案 。作 为 起 始 阶 段 , 基 本 配 置 采 用 9780 套装和 9790 套装 ,这两个套装包含了各种马达 、齿轮 、连杆 、轴 、键 、轴承 、RCX 可编 程控制器 、红外发射仪 、光电传感器 、触动传感器 、各种连接导线和计算机等等 。整个实施 过程包括以下四个阶段 。 第一阶段 ,学生以小组形式一起工作 ,3～4 人一组 ,每组有一个套装 。指导老师事先 搭接好一个智能机器人模型 ,用它来作为范例向学生介绍套装部件及搭接的方法 ,重点介 绍 RCX 可编程控制器 ,各种传感器以及它们的原理和使用方法 。初步讲解 ROBOL AB 编程语言 ,并且告诉学生还有哪些其它的组件 ,供学生在设计方案时考虑 ,以避免浪费学 生宝贵的时间 。然后 ,作为熟悉套装产品 ,发给每个小组一份详细的