1、本科毕业论文（20 届）基于 LEGO 的工程创新设计所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科毕业论文I摘要现代机器人技术在人工智能、计算机技术和传感器技术的推动下获得了飞速发展，机器人被广泛应用于物流、探测、军事、服务等领域。LEGO 机器人是机器人学中的一个重要模拟环节。随着数字图像处理技术及图像处理硬件的发展，基于 LEGO 的工程创新设计越来越被人们所注重。 利用 LEGO 组建搭建乐高机器人的教育理念是教育四阶段运用的主要体现，将教育解决通过 LEGO 搭建并设计具有可行性的一个流程。乐高将学习是以联系、构思、搭建以及继续四个阶
2、段为教学总纲的主要流程，四个阶段循序渐进，循环往复，形成周而复反的一个过程。只有将乐高教育理念运用到乐高机器人教学当成，才能使教学内容、理念、方法以及教学思想、观念理论得到质的变化。本文专门介绍了乐高的基本组成部分和基本功能等。并用乐高打造一个简单的单组件模型，实现了单体的设计创新。再通过加强，设计搭建出比较复杂的机器人系统，如灭火小车、蛙跳式机器人、竞速车等一系列模型。从而完成创新思路的构思。从实验目的、内容、管理、考核、形式等多方面论述了，开放建设该类创新设计实验的必要性、可行性及其良好的效果,积极探索一条强化实践教学环节,提高学生创新意识的可行之路。关键词：创新设计;LEGO 机器人;L
3、EGO 搭建；传感器；创新教育本科毕业论文IIAbstractModern robot technology in artificial intelligence, computer technology and sensor technology driven won rapid development, robot is widely used in logistics, detection, military, services, etc.Lego robot is an important robotics simulated link.As digital image process
4、ing technology and image processing hardware development based on the engineering innovation design more and more lego attention by people. Lego set to build machines using Legos educational philosophy of education is mainly reflected the use of four phases, will be resolved through education, lego
5、build and design a feasible process. Lego is linked to learning, ideas, structures and continue to master the four stages of the primary process of teaching, four stages of gradual and orderly progress, the cycle of a process to form anti-Erfu.Only want to use to lego robot teaching as to the teachi
6、ng content, idea, method and teaching thoughts, ideas theory gained a qualitative changeThis article specifically describes the basic components of Lego and the basic functions.And used Lego to build a simple single component model to achieve a single design innovation. And through enhanced.Design a
7、 more complex robot systems such as fire, jumping robot, racing series model, to complete the idea of innovative ideas.From the experimental purposes, content, management, assessment, and many other discusses such innovation design lab open construction necessity, feasibility and good put effect, ac
8、tively explore a strengthening practice teaching, improve student awareness of practical way of innovation. Keywords: Innovative design;LEGO robot;LEGO structures; sensor; Innovative Education本科毕业论文III目 录中英文摘要前言 .6第一章 创新实践设计方案与评价 .71.1 创新实践设计 .71.1.1 创新能力： .71.1.2 创新实践概述： .71.1.3 现代创新实践设计的设计思路： .81.
9、1.4 现代创新设计评价分析： .81.2 创新实践设计的主要特点及其实例分析 .91.2.1 创新实践设计的主要特点： .91.2.2 创新实践设计实例分析： .10第二章 创新设计的载体 LEGO 教育部件 .112.1 乐高机器人系统 .112.1.1 乐高系统的组成及其功能 .112.1.2 RCX革命性的乐高微型控制计算机 .122.2 创新实践训练项目的研究与 LEGO 机器人 .122.2.1 创新实践训练项目的两种技法 .122.2.2 乐高机器人在创新实践训练中的作用 .132.3 乐高模型搭建套装及其软件 .142.3.1 模型套装组合 .142.3.2 ROBOLAB 的
10、介绍与编程实例 .14第三章 LEGO 部件及其搭建基础 .163. 1 LEGO 基础部件 .163.1.1 乐高模型部件 .163.1.2 LEGO 程序的相关装置 .203.2 LEGO 传动系统搭建分析 .21第四章 创新单体实践训练 .224.1 用光线传感器测速 .224.2 温度传感器的实践应用 .23本科毕业论文IV4.3 碰碰车 .24第五章 机电综合实践训练项目研究 .265.1 解决走不直问题的机构 .265.2 灭火小车 .285.2.1 小车所具备的功能 .285.2.2 搭建 .295.2.3、程序的流程图 .305.2.4、具体程序如下图 .305.3 跳跃式青蛙
11、 .325.3.1、动力结构的搭建： .325.3.2、外形的装饰 .335.3.3、T 型支杆的调整 .335.3.4、编制控制程序 .345.4 来回竞速车 .345.4.1、设计任务 .355.4.2、主要部件 .355.4.3、小车所具备的功能 .355.4.4、机器小车所运行的程序 .36第六章 结论 .38第七章 致谢 .39参考文献 .40本科毕业论文5前言近几十年来，科学技术的高速发展让我们把现代化的计算机技术、信息技术和科技创新活动有机地给合起来，培养大学生的科技创新精神和动手实践能力，这是一种将教育与现实、未来发展相结合的新式教学模式，让学生在动手做的过程当中接触机械、工程
12、、物理、电子、信息技术。机器人是拓展人类活动能力的一种工具,最能发挥其作用的场所是对人类有危险的或不能接近的环境。而对这些环境地表的探索,需要以小范围为基准逐渐向外扩散，从而到整个环境的探测。所以,研究具有“智能”的地面探索机器人是十分必要的 1。智能型机器人是结合人工智能学、计算机以及控制论等众多学术的产物,但在实际研究过程中却有相当大困难。所以,研究人员现阶段所研究的要点是针对机器人对人类个别行为的模仿,但是当机器人与其探测环境存在不确定因素时,就存在一定的困难,所以我们得通过 LEGO 机器人搭建对其进行模拟从而使之得以实现。乐高机器人是一种特殊的教育产品，它是由乐高集团、美国国家仪器公
13、司、美国著名大学3家著名机构联合开发的，它使模型搭建与计算机充分的结合起来，使用LEGO组件可以设计、搭建机械系统结构模型，在计算机上编写好相应的应用程序，然后通过与计算机接口相连接的红外发射装置将计算机上的运用程序下载到机器人的可编程控制器RCX内。当开关开启时，机器人可以摆脱计算机的束缚，按照下载到RCX里的运行程序单独行动。乐高主要是由LEGO组件、ROBOLAB软件和RCX可编程控制器组成。软件是利用 ROBOLAB 在 LABVIEW 图形化编程语言的基础进行研发出来的，该软件是可视化的基础教育软件，并且有配套的乐高机器人搭建器材以及其他一些设备，使用和制作起来比较方便运行起来比较简
14、单。通过构思、设计、搭建模型和编程，使机械专业、计算机专业、电子专业学生透彻的学会观察、思考、表达、创造，使所学的机电知识更加巩固，培养学生的团结协作精神、创新意识和提出问题、分析问题和解决问题的能力，使学生学会不怕挫折、勇于挑战的精神。并且，通过乐高机器人小组的合作，增加了学生们的团队意识，为今后的工作奠定了结实的基础。产品的设计是机械设备的功能分析、机械运动工作原理方案和机械运动方案设计等条件所决定的。当今世界随着科技的迅速发展，机器人技术是信息技术和先进制造技术的典型代表，已成为世界各国竞相发展的技术。本文在重视发展机器人技术的前提下，结合当今机电一体化的发展趋势和创新理念，首先阐述了机
15、电创新设计的重要性和相关的基础知识，介绍了机电创新设计的类型、方法及过程等。探讨了利用乐高机器人及其可编程控制器开展创新实践训练项目，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，研究探索 LEGO 机器人模型及控制程序，特别是机器人创新模型设计与程序控制，结合日常学习、生活中产生的一些好的想法、创意，通过进行功能分析，机构筛选，进而搭建出最有创意的机器人模型，编制出较优的控制程序；完成创新实践训练实例编写工作,为工科类学生创新提供一个有效的实践训平台。本科毕业论文6第一章 创新实践设计方案与评价1.1 创新实践设计1.1.1 创新能
16、力：社会的发展最重要的是智力和创新。创新是以一个人的创新能力为核心的。创新能力是指人在所处的环境中适应环境、改造环境的独创和先进能力和行为的总和。创新能力包括创新思维能力、基础知识能力和创新行为能力如下图 1.1 示。创新能力基础知识能力 创新思维能力 创新行为能力心理因素 创新意识 创新欲望 创新情感 创新观念图 1.1 创新能力结构1.1.2 创新实践概述：创新实践设计是新设计技术开发的一种体现。技术专家们采用的工具和建立的结构学、运动学与动力学模型是大不相同的，所以，逐渐形成了各具特色的理论体系，尽管设计方案不同，但实质是统一的。综合起来，机械创新设计基本过程主要由选择、分析、综合三个过
17、程组成起来的。这个过程还分为四个阶段：1、确定机械的基本原理；2、机构运动尺寸综合及其运动参数优选；3、机械结构类型综合及优选；4、结构动力学的参数综合及其动力参数优选。机电综合设计与创新实践是机电一体化专业的一项大型综合性设计实验，是培养我们学生动手操作能力的重要途径。创新设计的实质：根据问题的客观需求，通过我们的创造性思维，经过反复判断，作出决策并用各种设计模型使之固定化，借此将提供的资源（人、物、信息）转化为机电产品以满足人类与社会需求，并取得最满意效益。现代设计来源于创新设计，为了更好地区分两者间的联系，我们将传统设计与现代设计进行比较，如表 1.1 所示：本科毕业论文7表 1.1 两
18、种设计方法的比较传统设计 现代设计设计思维 面向结构方案的“收敛式思维” 整机总功能目标的“发散性思维”设计性质 面向问题，偏向技术 面向功能目标设计方式 经验总结规范依据为主 强调预测与信号分析与创造性的相互配合设计方法 少数的验证性分析以满足限定的约束条件多元性方法直接综合使其在各种条件下实现方案与全域优化目标设计进程 在战略进程和战术步序上有随意性 强调设计进程及步骤的模式化设计评价 单项人为准则（强度、刚度、成本） 科学的模糊综合评判1.1.3 现代创新实践设计的设计思路：现代创新设计思路就是通过需要实现的的要求来思考问题，让原本动作、功能要求复杂的机械系统得到最简化，并相应找出实现各
19、分功能的原理方案，从而得到简化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，一直至方案拟订成功。通过设计问题抽象化（即将设计的根本要求用最为抽象的形式加表达出来） ，这样便于抓住设计的主要问题，通过抽象化不需要涉及具体解决方法，就能清晰地掌握所设计的机电产品的主要功能和根本的约束条件，从而体现出设计中的主要矛盾。设计人员就可以把思维注意力集中到最关键的问题上来，容易得到突破和创新，有利于寻求理想的设计方法，设计思路如图 1.2 所示：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
20、能分解法功能元系统搜索解法形态学矩阵评价法本科毕业论文8设计评价.图 1.2 设计步骤1.1.4 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）定量化：定量化，便于精确计算，实现高精度。3）最优化，寻求解决给定问题的最优方案。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。创新和创造有很多种形式。如果采用新的技术、新的方法得到新的结论，是新的发明;如果采用已有的技术经过重新排列组合得到新的结论，同样也是新的发明。前者通常被称作独立创新发明，后者便是组合创新发明。一、逻辑积木法将机械
21、系统的输出要求划分为基本的功能，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。这个比较符合创新设计方案中的组合创新法，具体可划分为功能组合、材料组合、原理组合。其中功能组合就是将具有不同的功能的技术手段或产品结合到一起，形成多功能的技术系统的一种创新方法。而材料组合是将不同种类既不同新能的材料组合在一起，形成具有新功能材料的一种创新方法。原理组合是将两种以上的技术原理组合复合的技术系统，形成解决新问题的心技术手段。二、机构系统搜寻法：针对设计要求，先系统的找出各种可能出现的机构，然后
22、进行估计和选择；这个方法就好比举例法：而举例法又包括有点举例法、缺点举例法、特点举例法。优点举例，是一种主动型的正向思维活动，围绕有点目标寻找突破，或从市场用户方面寻找人们愿意接受的有点，从而提出创新设想。缺点举例，是在对象客观存在与人们医院相矛盾时采纳的，分析对象的缺点及存在的条件，改变条件使缺点成为优点，或者在原有的条件下，改缺点为优点。因此该方法常常应用于旧产品的改造中。特点举例法是由美国创造学家克拉福德归纳总结出来的，由于万物都具有自己的特点，所以认识事物的特点理解其功效才是创新的基础。特点举例法的运行步骤包括：选择需要改进的对象，并将对象组成部分按其特点分解，分析其中各个特点之间的关
23、系，找出其中部分有可能突破的特点进一步分析研究，采用取代、替换、增加、简化、组合等方法，融入创新思想，加以改进或从新设计。这两种方法各有各的好处，而本文所设计的方案基本以这两种方案为基准。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。利用 LEGO 可编程控制器构思、设计、组装机械系统或称为智能机器人,整个实践过程包本科毕业论文9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。1.2 创新实践设计的主要特点及其实例分析1.2.1 创新实践设计的主要特点：（1）设计步骤明确，对于有经验的设
24、计者更能发挥其所长取得满意的结果，对于经验不足的设计者按步骤进行设计可取得较好结果；（2）分解组合：在设计各个阶段都要对系统进行科学合理的分解和组合，使问题由复杂变成简单，使解法由少变多，设计的奥秘人人都得到使用。（3）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根本的问题，可以免除常规思维的束缚，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。（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
25、、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。1.2.2 创新实践设计实例分析：例：设计一取纸器，要求装有 120mm*120mm 纸，30 张以上，每次取一张；要求结构简单、操作方案可靠，造价低廉。解：（1）功能原理方案a)总功能分析：是把纸张分离； b)功能分解：贮纸、分纸、连续供纸；c) 原理求解：由贮纸、分纸、连续供纸三个功能元素，其中贮纸可采用盒式、笔筒式两种方案，分纸可借用电磁力或者摩擦力得以实现，连续供纸可采用重力或吸引力，以上功能元共组合为 8 个原理解： 2*2*2=8；d)求最佳原理解：根据功能可靠、结构简单、使用方便、成本经济等几个评价目标进行设计评价，认为盒式贮纸、摩擦力分纸、重力供纸为最佳原理解；（2）结构方案：分别对功能原理解进一步作出结构解：分纸运动可靠，摩擦面宽。材料采用全塑。具体如图 1.3 所示：图 1.3 取纸机的运行原理图小结：机电综合设计与创新实践是机电一体化专业的一项大型综合性、设计性的实验，分离纸贮纸送纸分纸连续供纸
