基于LEGO的工程创新设计【文献综述】.doc

1、 毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 基于 LEGO 的工程创新设计 摘要 ：本文探讨了利用 LEGO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。 关键词 ：乐高机器人系统；创新设计； ROBOLAB 软件 引言： 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 LEGO组件、 RCX可编程控制器和 ROBOLAB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 LEGO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，

2、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。 1 研究动态 在国内外许多知名大学都是用着乐高教育系列产品，如美国的麻省理工学院、Tufts 大学工程中心、丹麦 Aarhus 大学等都开设火发在了机器人课程，甚至连美国国家宇航中心（ ASA）的一些科研项目都是用了乐高。在国内，香港理工大学、清华大学、北京航空航天大学、上海交通大学、浙 江大学等许多高校 2000 年以后也都开设了机器人创新教育相关的活动。 机器人学具有技术密集的特点 ,综合了机械、电子学、力学、计算机科学、控

3、制论、系统工程和人工智能等多方面的内容 ,侧重于应用 1乐高之所以能进入这么多知名高校，而且是不同的院系，不同的学科专业，但在各校所体现出的作用确实惊人的相似，都是用于创新性人才的培养。乐高教育系列产品作为创新设计的载体，已经得到了世界的认可，和教育的融合也不断的向高层发展。 乐高机器人创建通常有 4 个阶段：提出创意 设计与搭建 计算机编程 智能控制 产品测试。 4 个阶段以分析 问题为基础，始终不离开人的智能活动，这一过程决定了人的思维的主导作用。创意是创新设计的源头，思维往往比较笼统、不成熟，其中结果就是概念设计方案的多样性 2。方案通过结构设计来体现，乐高提供了基于多学科理论基础的可重

4、建结构模型的创建，这些集机械结构、传感器、控制器、电路接口以及系统理论与一体的机器人模型，为概念方案多样性的实现提供了物质保障与技术基础。轻松的 ROBOLAB 编程环境下生产的设计程序完全脱离了繁琐的程序化语言所带来的智力投入，快速而简单的机器人技术在反复调试中不断完善机器人模型及控制程序，为方案 的决策提供了实物再现喝科学的评价依据。所有创建模型都是智能化机器人、现代科技的模拟者，这都是超时代、开拓未来的典范。这也是 LEGO 创新工程发展迅速的原因。 2 LEGO 的工程创新设计的简介 2.1 LEGO的工程创新设计特点 而乐高组件大致可分为以下几大类 : 基础结构件、传动结构件 (齿轮

5、、凸轮、万向节、皮带传动等 )、驱动部件 (直流电机 )、特殊部件 (气缸、气泵、分配阀等 )、传感器 (光电传感器、触动传感器和温度传感器等 )、控制器和 ROBOLAB 软件。利用这些组件 , 可以方便灵活的搭建各种机器人。其中 ,控 制器是这些组件的最成功之处 , 对于非计算机类或电子类的学生 ,实现自己想要的控制或按自己的需要采集数据并进行处理是一个难以实现的目标 ,但有了这个控制器 ,配以 ROBOLAB 软件 ,这一切只需要半天的学习就可以实现。对于非电子和非计算机专业的学生来说 ,控制器相当于一个黑箱 !不用去关心其内部是什么 , 只需用图形化的编程语言控制它的输入、输出口即可

6、,而网上的相关编程资源也非常丰富 3。此外 ,系统也支持 VC+ + 、 VB、 DELPH I等高级语言的编程控制 , 在处理复杂控制流程时 ,应用高级语言更容易实现。 应用乐高机 器人系统 , 可以实现从概念提出、功能规划、模型搭建、控制程序编写到最终完成机器人设计的全部过程 ,学生在其中可以充分发挥其主动性与创造力 ,奇思妙想并予以实现。不同专业、年级的学生 ,可根据自己的专业基础知识和爱好兴趣 ,构思制作独具个性的机器人或具有特定功能的机器 ,在实践中提高综合能力。 2.2 LEGO 的工程创新原理 LEGO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

7、、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。 ROBOLAB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(NationalInstrument)Labview 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 Leve1)、发明

8、家级别 (Inventor Leve1)和研究者级别 (Investigator Leve1)，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。 ROBOLAB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。 3 基于 Lego 的工程创新设计的研究 创新是人类运用已有的知识、经验和技能，研究新事物，解决新 问题生产新的思想及物资成果，用以满足人类物

9、资及精神需求的社会实践活动 4。 乐高从提出到现在短短的几十年时间已经让 LEGO从开始的益智玩具到现在许多知名大学的教育体系采纳运用。还在许多科研方面作为实验的载体，可见 Lego的工程创新设计的潜在力量。 乐高组件是从一种玩具演化成为教学用具的。在麻省理工学院和塔辅茨大学的协助下， LEGO 集团于 1998 年成功完成转化工作，创建了一套涵盖机械、电子、自动控制、星系技术等多种工程知识的教学用具 5。虽然组件任然保留了玩具的新鲜色彩，但从实质上看，其功能已远超过玩具的内 涵。 乐高教育组件可分为软件和硬件，软件包括 ROBOLAB 图形化编程软件和LEGOCAD 设计软件 ;硬件部分包括

10、基础结构件、传动结构件、动力部件、传感器、控制部件和特殊部件。 美国麻省理工学院多媒体实验室为 LEGO 研制了 RCX（ The Robotic Command eXplorer）既 LEGO 的可编程控制模块。也是 LEGO 的主要控制软件。 3.1 创新实践设计的主要特点： （ 1）设计步骤明确，对于经验不足的设计者按步骤进行设计可取得较好结果，对于有经验的设计者更能发挥其所长取得满意的结果； （ 2）抽象 具体： 设计是从功能分析开始，把产品的总功能抽象化，这样便可以抓住设计最核心的问题，可以免除惯性思维的束缚，然后通过功能原理方案，结构方案一步步具体化为功能载体、结构设计等。 （ 3

11、）分解 组合：在设计各阶段对系统进行科学的分解和组合，使问题由繁变简，使解法由少变多，设计的奥秘人人都能去运用。 （ 4）搜索 筛选：每个设计阶段都按分析、综合、评价、决策的步骤解决问题，搜索尽可能多的方案，再通过评价选取最佳方案，用综合评价的方法使设计者摆脱主观性、片面性、盲目性。 （ 5）有规律的设计步骤、系统的解法目录、科学的评价方法等 有利于 CAD 的开展运用，有利于提高设计质量和效率。 3.1.1 现代创新设计评价分析： 1）整体性：构成总功能的各功能都各具有特定的功能和目标，但又是有机整体的一部分，整体效益是考虑解题的最高准则。 2）最优化：寻求解决给定问题的最优方案。 3）定量

12、化，便于精确计算，实现高精度。 4）采用价值判断，有利于设计者在考虑产品设计的过程时提高产品的经济性能。 3.1.2 两种常见的创新实践设计方法： 一、机构系统搜寻法： 针对设计要求，先系统找出各种可能的机构，然后进行评价择优； 例：设计一个产品将连续回转的输入运动 变换成一往复移动的输出运动，其原理方案有四柄滑块机构，凸轮 齿轮机构、平面六杆机构等。 二、逻辑积木法 将机械系统的输出要求分解成基本的功能，然后根据整个设计综合的约束条件认真构思简单的组件（零件、机构、部件、分系统等），再将这些组件（即积木）按一定的相互关系，用最简单的形式将输入与输出连接起来。 4 现代创新实践设计的设计思路：

13、 为了便于摆脱具体的东西而突出功能要求来思考问题，动作、功能要求复杂的机械系统可按功能简化，并相应找出实现各分功能的原理方案，进而简化了实现总功能的原理方案和构思。设计时可通过“黑 箱”与输入、输出量及周围环境的信息联系，探求要设计的机电产品的机理和结构，逐步使黑箱透亮，一直至方案拟订完成。 通过设计问题抽象化（将设计的基本要求用较为抽象的形式加以表达，这样便于抓住设计的核心问题，通过抽象化无需涉及具体解决方案，就能清晰地掌握所设计的机电产品的基本功能和主要的约束条件，从而突出了设计中的主要矛盾 6。设计人员就可以把思维注意力集中到关键问题上来，容易有所突破和创新，有利于寻求理想的设计方案，设

14、计思路如表 设计步骤 分析 设计 明确任务 总功能 最佳功能 原理方案 功能原理解 功能元 功能元解 黑箱分析法 功能分解法 功能元系统搜索解法 形态学矩阵 评价法 设计评价 五 .设计步骤、方法及措施 1、确定设计方向：根据本人的所学专业及兴趣爱好在大量查阅文献资料的基础上确定研究方向并初步确定论文题目。经进一步的查阅资料及专家访谈后经导师指导从而确定具体论文题目； 2、调查、了解国内外对基于 LEGO的工程创新设计的研究在生产和交易中的运用状况及其存在的问题； 3、相关资料、信息收集，外文文献翻译，为设计做准备工作； 4、确定总体方案及目标； 5、具体方案论证、验证、 实现，分步骤、有计划

15、地进行设计开发工作； 6、撰写设计报告（毕业论文），相关文件整理、编制。 六 .研究方法： 1、文献资料法：根据已掌握的文献，查找相关书籍，利用校园网查询各类期刊，学术报告，学术会议论文，学位论文，科技档案等 2、专家访谈法 : 根据本研究内容，对我校部分资深的副教授、教授进行请教。 4 总结 LEGO工程的创新设计具有多样化，在各个领域都得到了广泛的运用。如教育领域，科研领域。当然也少不了乐高的基础也就是作为玩具本身的收益人群。乐高作为创新设计的载体正在不断的向全世界发展，和教育的 融合也正在不断地向高层发展 8。机器人的控制语言的多样化 .通用化 ,控制应用接口的标准化、开放性必然是机器人

16、软件控制的发展趋势 .根据实际应用任务需求的特点 ,以及现有的开发人员已有的技术积累和软硬件资源 ,不断创新 ,才能高效地开发出高质量的机器人控制程序来 .也能跟好的为我们提供创新平台，让我们去发现问题、分析问题、解决问题，进而培养独立思考能力、学习能力、创新能力和团队协作精神 9. 创新是人类运用已有的知识、经验和技能，研究新事物，解决新问题生产新的思想及物资成果，用以满足人类物资及精神需求的社会实践活动。 参考文献 1 白井良明 .机器人工程 M.王隶棠译 .北京 :科学出版社 ,2001. 2黄纯颖主编：机械创新设计。北京：高等教育出版社， 2000 3刘全良主编：基于 lego 的工程

17、创新设计 .北京：机械工业出版社 2006 4高至、 刘莹编著：机械创新设计。北京：清华大学出版社， 2009 4 赵松年、李恩光主编 .现代机械创新产品分析与设计 .北京 :机械工业出版社 .2000.8 5 赵子恺 . lego机器人的编程控制 J . 中国计量学院学报 , 2004( 1):44 48 6 罗绍新 主编 .机械创新设计 .北京：机械工业出版社， 2003 7马兰主编。机械制图；北京；机械工业出版社 8肖春杰，张汉波主编，学生创新实验指导，昆明；云南大学出版社， 2004 9赵子恺 LEGO 机器人的编程控制 ( 中国计量学院机电工程学院 , 浙江杭州 310018) 006 10The Unofficial Guide to LEGO MINDSTORMS TM Robots. Jonathan B.Knudsen 11Compass Sensor and Its Application in Robot. LIU Xian-kai(Shandong Instituteof Politic and Law,Jinan 250014,China)