創意組合模型教儀的設計與開發

石昕宇，王仲民，趙洪利

（1.天津職業技術師范大學 津南研究院，天津 300222；2.慧儀（天津）科技有限公司，天津 300350）

0 引言

創意組合模型教儀是培養創新性思維的有效途徑，同一種結構可以有不同拼法，它利用自由組合模型來啟發人們的想象力，根據模型所需求的功能，在動手拼裝的過程中動腦思考。將創意組合模型引入課堂并成為教學任務，結合項目式學習和設計式學習，以實踐為基礎，以創作為目標，用戶可以運用多方面的知識去拼裝模型，這對創新性有很大的要求。創意組合模型是教育類產品的代表，它的零件也在不斷地更新，促使人們有更多的設計方法和拼裝模型的思路。創新設計是新的技術或者發明在生產生活中取得價值的應用型設計。在創新設計的過程中，人們不僅注重設計的實用性，也注重設計的創新性[1]。人們在拼裝創意組合模型時必然會應用到創新設計，設計中體現的創新性推動設計工作的發展。創新性是創意組合模型的特點之一，也是創新設計的核心，對其進行研究符合教育的發展規律，也是提高創新效率的方法。創意組合模型的創新化普及和產業化推廣，可以提升教育類產品的創新能力和在國際上的品牌競爭力，進而提升職業院校創新教育的教育質量。

圖1 樂高模型底板Fig.1 Base plate of LEGO model

1 創意組合模型現狀

1.1 創意組合模型概述

樂高（LEGO）是最先問世的丹麥品牌，所生產的積木一直以來都深受兒童的喜愛[2]。樂高生產的模型一面有凸粒，另一面有凹孔，將凸粒裝入凹孔就完成了一種簡單的組合，同時可以搭配一些輔助道具。樂高模型的類型有1300多種，有超過9.15億種拼法，零件按照功能不同分為12種顏色，其中紅、黑、藍、白是最常見的配色。樂高有30多個主題，每個主題都有其獨特的造型。

慧魚（Fischertechnik）創意組合模型由德國的Arthur Fischer博士發明，包括許多工程技術類拼裝模型，十分適合用作模型組合教學用具，有組合包、培訓模型、工業模型3個大類。慧魚創意組合模型的基本構件（機械元件、電氣元件、氣動元件）和模塊構件（傳感器、軟件系統）組合成了創新系統，它是一種很好的創新性教育載體[3]，清華大學、哈爾濱工業大學、華中科技大學、河海大學等高校都建立了專門的慧魚實驗室，也設立了基于慧魚模型的機械創新競賽，鼓勵學生們利用慧魚模型進行思維拓展，在學習中成長，在創新中豐富自己的閱歷。

“探索者”創意組合模型是機器時代（北京）科技有限公司推出的教育機器人平臺。在產品設計、運動控制技術、創新設計、先進制造的教學中提供創新性的理念。專業培訓分為機械、電子、機器人、工程訓練4個培養方向。“探索者”平臺注重意識、思維、技巧和素質的培養[4]，它通過機器人模組知識的展示，調用使用者的綜合能力。用戶先對機器人的創新結構有一個構思，進行機器人的具體實物設計，再運用綜合知識完成具體的結構，然后通過結構優化設計，賦予機器人運動技巧。

圖2 慧魚模型底板Fig.2 Base plate of Fischertechnik model

圖3 “探索者”模型底板Fig.3 Base plate of “Explorer” model

1.2 創意組合模型的共同點

為了實現創意組合模型的創新化和提高教學的效率，需要研究創意組合模型的共同點，主要涉及自由拼裝的零件、簡單傳動模塊和智能控制模塊。

1.2.1 自由拼裝的零件

創意制作是教學任務之一，創意組合模型基本上都是用底板作為模型的基礎，底板可以視為機械結構的機架。樂高模型的底板上排列凸粒，可以和其它零件的凹孔進行拼裝，如圖1所示。慧魚模型的底板上排列凹槽，在上面可以自由拼裝其他的構件，如圖2所示。“探索者”模型的底板上面分布了不同尺寸的圓孔，大圓孔可以拼裝直流電機或舵機，小圓孔可以拼裝軸類零件或齒輪類零件，如圖3所示。根據需求的功能，用戶可以運用創新思維并發揮想象力，在底板上拼裝齒輪或輪系作為傳動部分，也可以拼裝槽輪或凸輪作為間歇傳動部分。

圖4 簡單傳動類型Fig.4 Simple transmission type

1.2.2 簡單傳動模塊

創意組合模型模仿生活中的實物，依靠傳動模塊來進行運動。所以傳動模塊是創意組合模型的必要模塊之一，也是創新的重點。創意組合模型可以由電機或者手柄進行驅動，經過傳動系統輸出為機械能，使模型完成需求的功能，如圖4所示。簡單傳動的類型有齒輪傳動、齒輪齒條傳動、鏈傳動、帶傳動、蝸輪蝸桿傳動和錐齒輪傳動。這些零件在制造時都按照規定的模數進行生產，可以和其它零件自由配合。

1.2.3 智能控制模塊

智能控制模塊和機械裝置的融合可以增加創意組合模型的趣味性，表現設計的創新性。主控板是智能控制模塊的硬件載體，通過輸入/輸出接口連接傳感器或電機，處理傳感器接受的信號或驅動電機。圖形化編程語言是智能控制模塊的軟件載體，簡單易學，用USB連接電腦和主控板或者進行無線通信，把程序燒錄進控制器。樂高 Powered Up機械組集線器使用電池供電，可以用藍牙連接智能手機，通過App進行編程[5]。慧魚ROBO接口板使用慧魚9V電源適配器外接電源進行供電，輸入接口可以模擬阻抗輸入，輸出接口可以接馬達或電磁線圈，可以擴展無線射頻通信模塊與計算機無線連接[6]。“探索者”Basra主控板用USB連接計算機進行供電，可以通過PWM（脈沖寬度調制）輸出，自動復位電路在燒錄程序時不需手動復位[7]。

圖5 “趣創新”教儀榫卯結構Fig.5 Mortise and tenon structure of “interesting&innovation”

2 “趣創新”創意組合模型教儀

“趣創新”是慧儀（天津）科技有限公司推出的一種插裝式組合模型教學儀器，該公司主要提供創意組合模型的拼裝方法和創新設計的理念。“趣創新”的基本構件包括主體件、傳動件、連接件和軸套件。模型的搭建沒有采用銷釘配合，而是通過榫卯結構進行插裝，依靠零件的摩擦進行配合。“趣創新”采用探究式的學習方式，用戶可以按照科學研究或工程實踐流程，運用科學探究過程和工程設計流程，連接抽象知識和實際問題。“趣創新”創意組合模型注重“趣味”和“創新”，目的是讓用戶在搭建模型的過程中親身體驗創新，在滿足興趣時更深刻地理解創新的意義。

2.1 榫卯結構

慧魚創意組合模型的機械構件采用工業燕尾槽設計，可以自由拼接其他構件。構件6個面有U形凹槽或突出的方塊，凹槽和方塊可以相互配合，通過U形凹槽和突起方塊的拼接可以實現構件之間的連接。構件拼接的角度一般為0°或90°，如果需要其它角度的連接，可以使用專用的楔形體，楔形體提供的角度有7.5°、15°、30°、60°等。

“趣創新”創意組合模型的零件都是通用的，它利用獨特的榫卯結構可以在插槽上擴展很多種組合，“榫”是突出部分，“卯”是凹槽部分，如圖5所示。榫卯連接相對于銷釘連接的優勢在于省去了不同尺寸的螺釘，榫頭在凹槽內滑動并依靠摩擦力進行緊固。無螺釘的結構可以有更多種拼裝組合，依靠零件接觸面的摩擦來穩固結構，零件的材料不同會造成接觸面摩擦力不同，如果摩擦力過大會讓拼裝過程變得困難。運用榫卯結構的創意組合模型擺脫了螺釘的束縛，有更多種拼裝方式，可以很好地促進創新設計。

2.2 零件管理體系

由于零件的數量有限，很難保證搭建新模型時有足夠的零件，所以一些不需要展示的成品要拆成零件來備用，為新模型的拼裝做好準備，盡可能地實現零件的充足，以解決零件緊缺的問題。專門的收納箱可以促使學生合理地拿取和擺放零部件，有利于提高學生搭建模型的效率，學生有更多的時間構思和動手拼裝，而不是把時間花費在尋找零件上[8]。“趣創新”零件箱如圖6所示。“趣創新”的零件根據功能不同分為5種顏色，分別為藍色主體件、紅色連接件、黃色軸套件、白色傳動件和黑色連桿件。使用者可以通過顏色和形狀去理解零件的用途，在拼裝模型時快速找到所需的零件，提高了拼裝效率，節省了在拼裝零件上耗費的時間。

圖6 “趣創新”的零件箱Fig.6 Parts box of interesting&innovation

2.3 智能控制模塊

“趣創新”創意組合模型采用Arduino UNO R3主控板，該主控板有14個數字輸入/輸出端口以及6個模擬輸入端口，可用于輸出PWM波和輸入外部中斷信號。通過連接到高速微處理器ATMEGA328來與計算機進行串口通信，可用TWI進行通信，也兼容IIC通信。主控板可以接USB直接供電，也可以通過VIN端口接外部電源。可以讀取傳感器、光敏電阻等電子元件的信號，也可以控制電機和其它設備。智能控制模塊的編程語言使用Arduino圖形化編程語言，簡單易理解，非常適合初學者使用。

2.4 可視化結構

在創意組合模型中，軸類零件負責支撐傳動類零件，用于傳遞回轉運動。圖7為“趣創新”模型搭建的離合器，撥動側面的推桿可以改變齒輪的傳動比，也改變了輸出軸的轉速。從外觀上看，“趣創新”離合器模型的傳動系統是可視化的，可以看到所有嚙合的齒輪。

圖7 “趣創新”離合器Fig.7 Clutch of “interesting&innovation”

圖8 “趣創新”圓孔花鍵Fig.8 Round hole spline of “interesting&innovation”

“趣創新”離合器的重要構件是圓孔花鍵，如圖8所示。它可以與軸配合，但是不隨軸轉動，使與之配合的軸作為心軸只承受彎矩。圓孔花鍵可以進行軸向移動，通過改變傳動比來輸出不同的轉速。

2.5 模型優化設計

創新設計涵蓋了很多方面，包括機構設計、傳動設計和外觀設計等。機構是實現創意組合模型的核心部件，傳動體現了模型的運動規律，外觀決定了模型的美學價值。設計水平決定了創意組合模型的整體創新水平。本文以“趣創新”單旋翼直升機模型為例，簡述創新設計的思路和實施步驟。

直升機模型的設計首先從外觀設計入手。模型模仿的是實物的結構和功能，所以外觀要形象地表現出實物的特征。設計直升機的起落架和機身部分，確定模型的機構為齒輪副，如圖9（a）所示。設計直升機的傳動部分，主軸帶動主旋翼轉動，錐齒輪將運動傳遞到尾槳，使用電機進行驅動，主旋翼和尾漿同時轉動，如圖9（b）所示。模型符合現實中直升機的外觀和功能，在拼裝過程中沒有用到螺釘，僅依靠零件之間的摩擦力進行穩固，不需要使用扳手和螺絲刀。

圖9 “趣創新”單旋翼直升機模型Fig.9 Single-rotor helicopter model of “interesting&innovation”

3 創意組合模型存在問題

創意組合模型發展了幾十年，已經取得了大量的設計成果，特別是對于創新性教學設計也取得了一定的效果。然而，現有的創意組合模型依然沒有廣泛地應用于課堂上，究其原因存在以下問題。

3.1 拼裝特殊模型時零件難以滿足需要

現有的創意組合模型在制造零件時，為了生產的規模化和標準化都是按照一定的基準對零件進行設計和制造。創意組合模型的開發者在設計零件時，更傾向于考慮一般情況，基本上不會設計出特殊零件，這就為創新的過程增加了阻力。用戶大多使用3D打印技術來彌補這個缺陷，但是3D打印出來的零件也只能適用于個別模型，而無法將其推廣到整個產品中去。創意組合模型的開發者應該及時了解用戶的需求，在解決需求的過程中推動產品的創新設計。

3.2 學科交叉的思想沒有完全普及

創意組合模型的設計靈感來自于現實世界，使用者搭建出來的模型大多是仿照生產與生活中的實物。設計方式的多元化是學科交叉的體現，雖然大多數創意組合模型都是模仿工業產物，但是用于搭建模型的創新性思維也適用于非工科的學生，例如數學類的學生在拼裝模型的過程中可以學習零件之間的拓撲關系。創意組合模型不僅可用來拼裝零件和模仿實物，而且還可用來拓展思維、探索未知，更是用于幫助學生養成嚴謹和求知的態度。

4 總結

設計與開發國產創意組合模型教儀，大力發展國產創新型教育產品，可以有效提升職業院校學生創新教育的教育質量。本文在綜述國內幾種創意組合模型現狀及共同點的基礎上，得出：智能控制是創意組合模型的發展必然，圖形化編程語言是創意組合模型的特有工具，學科交叉以及拼裝特殊模型的需求會有力推動創意組合模型的創新發展。