慧鱼机械创新设计实验指导书 - Shandong University ·...

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慧鱼机械创新设计实验指导书

北京中教仪人工智能科技有限公司

2012年 11月

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目录前言 ............................................................................................................................................. 5

第一章认识慧鱼 ........................................................................................................................ 6

1.1 慧鱼发展及应用 .................................................................................................................... 7

1.2 慧鱼与机械创新教育 ............................................................................................................. 8

1.3 慧鱼与机械创新大赛 ............................................................................................................. 9

第二章慧鱼组成 ...................................................................................................................... 11

2.1 慧鱼基本构件 ..................................................................................................................... 11

2.2 慧鱼安装使用说明 .............................................................................................................. 12

2.2 慧鱼 ROBO Pro 软件 .......................................................................................................... 16

2.3 慧鱼控制器 ......................................................................................................................... 23

第三章慧鱼基础实验 ............................................................................................................... 26

3.1 机械与结构实验.................................................................................................................. 27

3.1.1 连杆机构 .......................................................................................................................... 27

3.1.2 凸轮机构 .......................................................................................................................... 30

3.1.3 齿轮机构 .......................................................................................................................... 32

3.1.4 结构与强度 ...................................................................................................................... 37

3.1.5 机构的传动 ...................................................................................................................... 38

3.2 气动技术实验 ..................................................................................................................... 42

3.2.1 气动模型 .......................................................................................................................... 43

3.2.2 气动机械 .......................................................................................................................... 44

3.3 电子技术实验 ..................................................................................................................... 45

3.3.1 控制电路 .......................................................................................................................... 45

3.3.2 电子控制 .......................................................................................................................... 46

3.4 能源实验 ............................................................................................................................. 47

3.4.1 能量转换 .......................................................................................................................... 47

3.4.2 太阳能 .............................................................................................................................. 48

3.4.3 氢能源 .............................................................................................................................. 50

第四章机器人技术实验 ........................................................................................................... 51

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4.1 机器人综合实验.................................................................................................................. 51

4.1.1 静态机器人 ...................................................................................................................... 51

4.1.1 移动机器人 ...................................................................................................................... 53

4.2 气动机器人实验.................................................................................................................. 54

4.3 工业机器人实验.................................................................................................................. 56

4.3.1 简单机械手 ...................................................................................................................... 56

4.3.2 三自由度机械手 ............................................................................................................... 57

4.4 探险机器人实验.................................................................................................................. 58

4.4.1 搜寻机器人 ...................................................................................................................... 58

4.4.2 营救机器人 ...................................................................................................................... 59

4.5 机器人创新设计实验 .......................................................................................................... 60

第五章工业控制技术实验 ....................................................................................................... 60

5.1 可编程逻辑控制器（PLC） ............................................................................................... 61

5.2 PLC 控制应用实例 .............................................................................................................. 61

第六章慧鱼机械创新作品解析 ............................................................................................... 72

6.1 救援、破障类机械 .............................................................................................................. 73

森林火灾消防车 ........................................................................................................................ 73

6.2 逃生、避难类机械 .............................................................................................................. 94

长途汽车碎窗逃生装置设计说明书 ......................................................................................... 94

6.3 家庭用机械类 ................................................................................................................... 107

家用机械小伴侣 ...................................................................................................................... 107

家用自动洗鞋机 ...................................................................................................................... 127

6.4 休闲娱乐机械类................................................................................................................ 152

“秦腔木偶” .......................................................................................................................... 152

全自动沏茶机 .......................................................................................................................... 166

第七章慧鱼机械创新设计实验报告...................................................................................... 179

第八章慧鱼创新实验室建设管理建议 ................................................................................ 180

8.1 ROBO Pro 软件升级兼容问题 ........................................................................................... 180

8.1.1 ROBO TX 控制器与 ROBO Interface 接口板 ................................................................ 180

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8.1.2 改变软件编译环境 ......................................................................................................... 181

8.1.3 手动修改指令环境 ......................................................................................................... 182


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前言

“慧鱼创意组合模型” (fischertechnik) 集教具和仿真模型于一身, 是科技知识启

迪、创新思维训练及创新力开发的有效载体。它提供的创意组合模型拥有7个大类, 集能源

(包括太阳能)、机械、电子、气动、控制等多种学科知识于一身, 能通过学生自主动手、创

意组合进行设计和装配, 使用计算机接口及相关软件可使模型能进行控制运行。目前，国内

已有300余所高等院校创建了慧鱼机械创新实验室，慧鱼创意组合模型在我国创新教育工作

中发挥着越来越大的作用。

机械创新设计实验室是专业技术基础课《机械原理》、《机械设计》和《机械创新设计》

实验教学场地，是实施《机械原理》、《机械设计》和《机械创新设计》，课程计划的基本

要求。使学生开始认知机械设备与机械，加深对机械设计基本理论的理解和验证，培养对工

程设计问题的分析和解决能力，获得实际设计的基本工程训练能力。

根据机械设计类专业人才培养的目标，针对机械设计技术日新月异的新发展，在保证验

证性、演示性实验教学和基础实验教学的同时，大力自主设计型和创新型实验，形成以学生

为主体、教师为主导，分层次、模块化，与理论教学有机结合又相对独立的科学系统的实验

教学体系，全面培养学生的科学作风，实验技能以及发现问题解决问题的能力和创新精神，

使学生既具有实践动手能力又具备独特的创新观念。

结合两年一度的全国大学生机械创新大赛活动，以培养学生创新能力为主要目标，为学

生提供创造发明、设计制作以及实验试制的条件，鼓励学生积极参与机械设计竞赛创新教育

活动，从而培养学生的机电一体化系统设计和系统特性分析能力，提高学生分析和解决工程

技术问题的综合能力。

面向机械专业高年级本科生的培养，开展 “产品反求设计与快速原型制造”实验，开

设了一批自主设计性和创新性实验项目。为机械专业本科生提供毕业设计实验基地，为校内

教师提供自选课题科研基地。

结合教学的需要, 开设教学实验计划内项目及开放性实验，十余年的教学实践证明“慧

鱼”模型非常适合实验教学需要。教学过程中，可以根据学生的知识结构和学习进度, 进行

多层次的实验教学使用，其进程如下:

(1) 在大一、大二阶段, 结合机械类基础课程和金工实习, 在熟悉机械零件结构及机械


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传动原理的基础上, 运用“慧鱼”模型完成各种机械运动模型的搭建, 从而培养学生对机械

传动的构成和运动的实践能力, 锻炼学生的动手能力, 开拓创造才能。

(2) 在大三阶段, 结合计算机原理、计算机语言、计算机接口等课程及课程设计, 综合

运用机械、检测、控制、计算机软硬件等知识, 利用“慧鱼”模型设计制作各种机电智能模

型, 如: 智能运动小车、工业机器人等。培养学生对机电产品设计、创新意识, 并且锻炼其

机械设计、电路控制及程序设计能力。

(3) 在大四阶段, 通过毕业设计, 组建学生课题组, 综合运用所学知识, 完成一个较

大的机电控制系统模型, 既培养了学生处理较大系统课题的能力, 同时也能培养学生之间

的协调能力和团队精神。

(4) 在开放性实验和高级选修实验中, 针对部分感兴趣、有能力的学生, 着重培养其创

新精神和创新能力, 在这类实验中, 学生完成了如: 爬台阶小车、步行机器人、多足机器人

等。

为了更好的发挥慧鱼产品优势，保证用户高质高效开展创新实践活动，我们专门编写慧

鱼机械创新设计实验指导书。本指导书结合了慧鱼创意组合模型的教学应用特点，选编汇总

了实际应用过程中比较好的教学案例，将从机械创新设计基础性实验、机器人创新设计实验

和工业控制实验三部分，详细地介绍慧鱼机械创新设计实验的参考方案，旨在有效地指导慧

鱼爱好者和广大高校师生使用慧鱼产品，为创新教育发展做出一份努力，由于编者水平有限，

如有疏漏和不当之处，敬请指正！

第一章认识慧鱼

1964 年，慧鱼创意组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是技术含量很高的工程

技术类拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具，也是体现世界最先进教育理念的

学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。

慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证

反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接，独

特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。

慧鱼创意组合模型主要有组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、

控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基本构


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件（机械元件/电气元件/气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设

计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操

作的模拟，从而为实验教学、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可能，世界知名的德

国西门子、德国宝马、美国 IBM 等一大批著名公司都采用慧鱼模型来论证生产流水线。

慧鱼创意组合模型体现不同学科知识点的各种组合包，不仅可以应用于中小学各个年级

学科教学、还可以用于大学不同专业以及研究生工程实验和技术创新活动，现在以清华大学、

上海交通大学为代表的一批高校建立的慧鱼创新实验室就是利用慧鱼模型组合包系列建立

的工程技术实验室，是创新教育的一个全新平台。

慧鱼创意组合模型的使用有三个阶段，第一，是根据安装操作手册中的示范，简单模仿，

从而获取技术知识；第二，是根据现有的模型做出合理科学的改进，从而发挥想象力和创造

力；第三，是根据实际应用和知识的扩展，创造出新的模型，从而实现前所未有的创新。通

过慧鱼模型的使用，不仅可以让我们的孩子将多学科多领域的综合知识融会贯通于实践过程

中，更重要的是培养了他们的创新意识和创新能力。

以上所述慧鱼创意组合模型的魅力所在，也是慧鱼创意组合模型半个世纪以来在整个欧

洲及北美的学校中盛行的奥秘所在。慧鱼创意组合模型 1970 年、1976 年两度获得法国

“OSCARDEJOUET”（奥斯卡金像奖）；1976年获荷兰最佳教具奖；1977 年 FISCHER博士因发

明模型获德国政府颁发的杰出工程师奖；1991 年获德国诺贝尔工程师奖；1996 年被德国工

业部长推为最佳玩具；在美国,被 PLTW（Project Lead The Way-非营利官方机构，即专为

培训全国的中小学教师及学生组织）作为工程、项目教学实践和基础性研究的首选产品；在

马来西亚，被列为政府采购的必备教具；在中国，作为"世界银行高等教育发展项目"的 2002、

2003 年度中标产品，慧鱼正日益为广大中国教育界人士接受和认可！

创新是一个民族进步的灵魂，慧鱼创意组合模型就是我们期待的创新教育的理想学具！

1.1 慧鱼发展及应用

经过 10 年的使用发展，开展慧鱼创新教学的院校从 2000 年清华大学等少数高校，到

2006 年向全国高校全面推广使用，慧鱼创新教学在高校的发展经历了从点及面，纵深发展，

规模化发展的各个阶段，使用院校总数超过 300所，建设规模尽百万，慧鱼产品已成为机电

学科教学竞赛的必备学具。


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胡锦涛总书记观看慧鱼作品周济部长观看慧鱼作品

目前，慧鱼创新教育在高校中主要集中在：创新实验室建设、创新课程、毕业设计、

创新大赛四个方面，各个方面相互渗透，探索出了一条教学-实践-创新-选拔的四位一体的

创新教育模式，得到了使用院校专家老师和同学们的一致好评！

1.2 慧鱼与机械创新教育

机器人是具有创新性的、战略性的、对国民经济和国家安全有巨大影响的高技术，是

21 世纪经济技术的制高点之一。为了培养我们国家自己的机器人领域的研究型人才，从孩

子抓起，众多中小学校开展多种多样的机器人创意比赛，慧鱼机器人系列结合当今机器人领

域发展的最前沿技术，推出了诸如工业机器人、气动机器人、仿生机器人、移动机器人等体

现气动学、仿生学等学科的多品种机器人，成为各学校开展机器人教育的必不可少的学具。

慧鱼创意组合模型的组合包系列涵盖了工程结构、机械、汽车技术、气动、能源技术、

电子技术和机器人技术等领域和高新学科，每个包都配有模型彩色安装手册，提供 4-48 种

体现不同知识点的模型图例，鼓励学生在模仿的同时能够创新，拼接出属于自己创意的作品

体现不同学科知识点的慧鱼创意组合模型，被 200 多所重点理工类大学的工程训练中

心广泛应用于不同专业以及研究生工程实验和技术创新活动。


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昆明理工大学北京交通大学

浙江大学长春工程学院

建立了慧鱼创新实验室的本科院校名单可以列举如下：

清华大学北京交通大学北京理工大学

上海交通大学四川联合大学西南交通大学

西安理工大学兰州交通大学重庆大学

西安交通大学华南理工大学哈尔滨工业大学

浙江大学南京师范大学南京理工大学

南京航空航天大学同济大学合肥工业大学

昆明理工大学北京航空航天大学武汉大学

华中科技大学湖南大学 „„

1.3 慧鱼与机械创新大赛

全国大学生机械创新设计大赛作为国内规模最大、水平最高的面向全国理工类院校学生


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举办的大赛，为培养和造就当代中国优秀的工程师，为机械学科创新型人才的选拔创造了条

件。慧鱼组竞赛作为全国大学生机械创新设计大赛的专设赛事，已成功举办三届共四次，在

全国高校中具有很大影响，已成为展示慧鱼创新教学成果的重要平台。

第三届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组（2007、2008）竞赛，由北京中教仪人工智

能科技有限公司与北京化工大学和威海职业学院共同承办，大赛主题为“绿色与环境”，比

赛内容包括“环保机械、环卫机械、厨卫机械”三类机械产品的创新设计与制作，经过评选，

最终有 108件作品进入慧鱼组竞赛。

2007 北京化工大学 2008 威海职业学院

第四届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组（2010）竞赛，由北京中教仪人工智能科技

有限公司与北京交通大学共同承办，大赛主题为 “珍爱生命，奉献社会”；内容为“在突发

灾难中，用于救援、破障、逃生、避难的机械产品的设计与制作”，经过初评，59所院校报

送的 137件作品进入慧鱼组竞赛。

第五届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组竞赛（2012）竞赛，由北京中教仪人工智能

科技有限公司与三峡大学共同承办，大赛主题为“幸福生活——今天和明天”；内容为“休

闲娱乐机械和家庭用机械的设计和制作”。慧鱼组竞赛组委会共收到 79 所院校报送的 258

件作品，经过评审委员会初选，最终 71所院校报送的 187 件作品进入慧鱼组（2012）竞赛。

竞赛评审委员会共评出一等奖 40项，二等奖 74项，三等奖 73项，优秀组织奖 10项。在近

200 件参赛作品中，秦腔木偶、皮影机器人等融入中国传统文化的机械创新设计作品尤其令

人关注。


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2010 北京交通大学 2012 三峡大学

在全国组委会的指导下，慧鱼组竞赛组委会负责组织慧鱼赛区的预赛工作，发布赛事通

知，并承担参加竞赛的相关学校的赛前指导培训。参加慧鱼组比赛的作品应符合本届大赛的

主题和内容，参赛队组成应满足“参赛条件”参赛队由所在学校统一向慧鱼组竞赛组委会报

名，作品进入全国决赛的名额确定办法与各赛区机械创新设计作品进入全国决赛的办法基本

相同。

第二章慧鱼组成

2.1 慧鱼基本构件




慧鱼创意组合模型主要有组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、

控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基本构

件（机械元件/电气元件/气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设

计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操

作的模拟，从而为实验教学、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可能。

2.1.1 机械构件

慧鱼创意组合模型具有一般机械所用的零部件，主要包含六面拼接体、齿轮、连杆、链


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条、履带、齿轮（普通齿轮、锥齿轮、斜齿轮、内啮合齿轮）齿轴、齿条、蜗轮、蜗杆、凸

轮、弹簧、曲轴、万向节、差速器、轮齿箱、铰链等，产品编号管理，满足设计和管理需

求。

2.1.2 电气元件

电气构件主要包括直流电机（9V双向），大功率电机、红外线发射接收装置、传感器（光

敏、热敏、磁敏、触敏），发光器件，电磁气阀，接口电路板，可调直流变压器（9V，1A，

带短路保护功能）、接口板、PLC 控制器等。

2.1.3 气动元件

气动构件主要包括储气罐、气缸、气阀（手动、电磁阀）、气管、管接头（三通、四通）、

气泵、储气罐等。

通过以上基本构件，学生可自行设计并组装机电产品模型，并通过软件或高级语言控制

模型的运动，实现预期的设计目的。

2.2 慧鱼安装使用说明




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每个主题组合包中都提供详细的拼装步骤和指导手册，拼装步骤如下：

1、先选出第一步骤所要的构件，按照图示装配完成第一步。

2、再选出第二步骤所要的构件，此时已完成装配部分为黑白色，按照图示装配完成第

二步。

3、注意观察上一步与下一步的关联配合，用同样的方法依次类推直到完成最后一步。

拼装过程中注意以下事项：

1、在组装的每一步中，注意所用元器件的长短、粗细、安装的先后次序及位置。

2、机械构件装配时要确保构件到位，不滑动。

3、电子构件装配时要注意电子元件的正负极性，接线稳定可靠，没有松动。

4、气动构建装配时要注意各连接处密封可靠，不要有漏气现象。

5、整个模型完成后还要考虑模型的美观，整理布线要规范。

2.2.1 安装使用举例

1、灯泡的安装

图 1 表示灯泡的安装，包括两种灯型：球型灯泡和聚焦灯泡。球型灯泡是普通的灯泡，

而聚焦灯泡的头上有可以聚集光线的透镜，将灯泡直接插入安装槽中，使灯的两侧翼与槽紧

密压合。

2、触动开关的安装


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图２表示触动开关的安装。触动开关有三个端子，分别标为 1，2，3。连接导线接到触

动开关的 1，2 端子，即开关的常闭状态（开关未被按下），电路处于导通状态，按下开关，

电路被中断。如果连接导线接到 1，3 端子，即开关的常开状态，电路断开，按下开关，电

路则导通。

3、马达的接线安装

图 3 表示迷你马达的接线安装。慧鱼模型中含有两种不同的电机：迷你马达和大功率马

达。迷你马达适用于辅助驱动和小功率要求的场合，而大功率马达则用于驱动大型器件，如

机器人。迷你马达在正向及两侧向都有接线口，从任意一侧都可以接通，图中三个图分别为

其俯视，左视及侧视接线图。

4、发送接收装置的安装


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图４表示发送接收装置的安装。第一图表示光电三极管的输出接线，当其检测到光时导

通，可用作为传感器。第二图表示左侧发光二极管信号发送，右侧光电三极管信号接收装置

的接线图。

5、齿轮箱的安装

图５表示齿轮箱的安装，图６表示齿轮箱与马达配合的安装。用以驱动其他构件。

2.2.2 慧鱼模型配线

一、确定导线的长度

1、参考每个组合包中的操作手册里推荐的导线长度。

2、根据自己模型的实际位置以及走线的合理布置选择合适的长度。

二、接线头的连接


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1、先确定导线的长度，数量。

2、导线两头分叉 3cm左右。

3、两头分别剥去塑料护套，露出约 4mm 左右的铜线，把铜线向后弯折，插入线头旋紧

螺丝。

4、重复以上步骤，完成接线头

三、规范走线的几种方法

1 导线沿着构件的凹槽走 2 导线在基板上走

3 导线穿过线卡 4 导线可以在基板下穿过

2.2 慧鱼 ROBO Pro 软件

兼容 Windows 98,ME,NT,2000,XP 的图形化ROBO软件，用来对 TX 控制器（货号：500995）、

ROBO 接口板（货号：93293）和 ROBO 扩展接口板（货号：93294）进行编程，也可对以前

的智能接口板（货号：30402）在线编程模式控制。


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慧鱼 ROBO Pro软件

因为使用了各种功能模块组成的流程图编程模式，易于入门级用户使用。各功能模块和

子流程间可以进行数据交换，不仅可以用变量方式，也可以用图形化连接方式。编程操作更

容易理解。子流程存储在一个库文件中，可以任意调用而不必知道其内部工作原理，在线升

级支持最新产品，探险家机器人编程。

ROBO Pro 图形化编程语言提供了现代编程语言中的所有关键元素，比如队列，函数，

递归，对象，异步事件，准并行处理等等，使其对专业程序员也是一个有力工具。程序直接

翻译成机器语言，以便有效地执行，即便是高级程序员也会发现 ROBO Pro 的知识点无止境。

ROBO Pro 软件编程界面

在线模式下，可以并接多块 ROBO Pro 接口板来控制大规模的模型，还可以生成包含开


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关、控制器、显示等元素的控制面板。最低系统要求：PentiumII500MHz,64MRAM,20M 硬盘

空间，1024*768 分辨率 16 位彩显，带 USB 及 RS-232 串口。

2.2.1 ROBO Pro 软件安装

安装 ROBO Pro 的系统要求：

1、一台 IBM 兼容机，奔腾Ⅱ处理器 500MHz以上，64M RAM 和 40M硬盘。

2、分辨率 1024*768 以上的显示器，屏幕刷新频率 85Hz。

3、微软视窗操作系统 Microsoft Windows, Version Windows XP or Vista。

4、 1个空闲的 USB 接口和 ROBO TX 控制器连接，一个空闲的 USB接口和一个空闲的 RS232

接口（COM1-COM4），用以和 ROBO 接口板（货号 93293）相连。或者一个空闲的 RS232 接口

（COM1-COM4）用来和早先的智能接口板相连。

首先，启动计算机登陆操作系统。ROBO 接口板只有在软件正确安装后才能电脑相连。

将安装光盘插入光驱，安装程序就自动启动了。

1、在安装程序第一个的欢迎窗口中，你只需按一下 NEXT 按钮。

2、二个窗口是重要提示，包括重要的程序安装和程序本身更新提示。这里按 NEXT 按钮。

3、第二个窗口是许可协议，显示 ROBO Pro 的许可契约。你必须按 YES 接受协议并按 NEXT

进入下一个窗口。

4、下一个窗口是用户详细资料，请输入你的名字等信息。

5、下一个窗口是安装类型，允许你在快速安装和自定义安装中选择。在自定义安装中，你

可以选择单个组件来安装。如果你是在旧版本的 ROBO Pro 基础上安装新版本的 ROBO Pro，

而且你已经修改了旧版本的范例程序，你可以选择不安装范例程序。如果你不这么做，你已

经修改过的旧版本范例程序会在没有提示的情况下被自动覆盖。如果你选择自定义安装并按

NEXT，会出现一个新的选择组件窗口。

6、在安装目标目录窗口，允许你选择将 ROBO Pro安装到的目标文件夹或者目录。默认路

径是 C:\Programs\ROBO Pro。当然，你可以选择其他的路径。

7、当你在最后一个窗口，按下 Finish 按钮，安装就完成了。安装一旦结束（一般需要等

几秒钟），程序会提示安装成功。如果安装有问题，会有错误信息出现，帮助你解决安装问

题。


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2.2.2 安装 USB 驱动程序

如果新的 ROBO TX 控制器和 ROBO接口板连接到 USB端口，你需要执行这个步骤。ROBO

接口板也可以连接到 COM 串口（COM1-COM4）。如果是以前的智能接口板，就不需要这个步

骤了，因为智能接口板只能连接到串口。旧版本的 WINDOWS，Windows 95 和 Windows NT4.0

都不支持 USB 端口。在 Windows 95 或者 NT 4.0 平台上，ROBO 接口只能通过串口连接。在

这种情况下，不需要安装 USB驱动程序。

在安装 USB驱动程序之前，请先用一根 USB 连接线连好 ROBO TX 控制器或 ROBO接口板和你

的计算机，并接上电源。系统会自动发现新硬件，并出现如下窗口：

你必须选择 Install from a list or specific location ，再按 Next。

USB 驱动程序需要有系统管理员的权限才可以安装。你必须请你的系统管理员来安装驱

动程序或者不安装这个驱动程序，否则安装程序会提示你没有安装 USB驱动程序的权限。

在这种情况下，你只能通过比较慢的串口连接 ROBO接口。在 Windows 2000和 Windows XP:

平台上安装驱动程序的注意事项：

在下一个窗口，你不要选择 Search removable media 选项，选择 Include this location

in the search 选项。单击 Browse，选择 ROBO Pro 安装目录（通常是 C:\ROBOPro\）下的

USB Driver Installation 子目录。ROBO TX 控制器选择“TX Controller”,ROBO接口板选

择“ROBO Interface”。


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在 Windows XP 平台上，在按“Next”后，你可能会看到以下信息。

这个 USB驱动程序正进行微软测试。一旦测试完成，微软会更新驱动程序，这个信息就不会

出现了。需要安装这个驱动程序，请按“Continue Anyway”。

最后会出现如下信息：

单击Finish，USB的驱动程序就安装完毕了。


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2.2.3 编程界面及入门

好奇吗? 那么启动 ROBO Pro 软件吧。只要点击任务栏中的开始按钮，然后选择“程序”或

者“所有程序”和 ROBO Pro。在开始菜单中，可以找到如下几个选项：

选择“Uninstall ” 选项可以方便地卸载 ROBO Pro 软件。选择“ Help ”选项可以打开

ROBO Pro 的帮助文件，而选择“ ROBO Pro” 可以打开 ROBO 程序。现在选择“ ROBO Pro”

启动程序。

窗口中有一个菜单栏和工具栏，上面有各种操作按钮，左面的窗口里还有各种不同的编

程模块。如果在左边出现了两个层叠的窗口，那么 ROBO Pro 没有设定在“第一级”。为

了让 ROBO Pro功能适应你知识的增长，可以将 ROBO Pro 设定在第一级的初学者和第五级的

专家级之间。打开“ Level”菜单看是否有标识为 Level 1: Beginners。如果不是，请切

换到第一级。、

ROBO Pro 界面使用 ROBO TX 控制器时。你可以看到工具栏上的 ROBO TX 按钮。在 11.2

章环境，您将学习 ROBO TX 控制器和 ROBO 接口板的切换方式和注意事项。

现在你可以创建一个新程序，也可以打开一个已经存在的程序。第三章才会去写我们

的第一个控制程序。为了更好熟悉全新的用户界面，我们来打开一个现成的范例程序。

这样，你可以点击 File 菜单中的 Open 选项，或者用工具栏中的 Open 按钮。范例

程序可以在文件夹 C:\Programs\ROBO Pro\Sample programs 中找到。

Open


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打开文件 Test00 Motor start Stopp.rpp:

这里可以看到一个简单的 ROBO Pro 程序的外观。编程时，将模块窗口中的编程模块在

编程窗口中组建成控制程序流程图。然后，在用接口板进行测试之前，可以对已完成的流程

图进行检查。但不要太快了：我们应该在以下的几章中一步步地学习编程！你已经对用户程

序有第一印象了吧，你可以用 File 菜单中的 Close 指令关闭程序文件。对于是否要保存文

件，可以回答 No。


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2.3 慧鱼控制器

2.3.1 智能接口板

慧鱼智能接口板

慧鱼智能接口板自带微处理器，通过串口与你的计算机连接。计算机上编写好的程序可

以移植到接口板的微处理器上，可以不用计算机独立处理程序（在激活模式下）。智能接口

板具有以下功能：

1、自带微处理器；

2、程序可在线和下载操作；

3、用 LLWIN2.1 或高级语言编程；

4、通过 RS232 串口与电脑连接；

5、四路马达输出；

6、八路数字信号输入；

7、二路模拟信号输入；

8、可选程序掉电保护功能设定；

9、电源：9V/1000mA 直流变压器或电池槽（均不含在该产品中）。

2.3.2 Interface 接口板


24

ROBO 接口板

新的 ROBO 接口板比老的智能接口板在功能方面有了比较多的改进，主要有：

1、增加了两个 128K 的 Flash 存储区，Ram 区也增大为 128K。这样接口板就可以同

时储存三个程序；

2、增加了一个 USB 1.1/2.0 口，通讯速率为 12MB/S；

3、输入接口方面增 2 路 AX 与 AY 电阻传感器输入，2 路 A1 与 A2 电压传感器输入；

4、4 路马达实现了八级调速，旧的智能接口板输出无法调速；

5、可扩展无线射频通信模块，实现无线通讯；

6、最多可扩展 3 块 ROBO I/O 扩展板，且扩展更方便，旧的智能接口板只能连一块；

7、可实现远红外线控制。

新的 ROBO 接口板具有以下功能：

1、存储器：128K RAM 和 128K flash memory，flash memory 中可以存两个程序，RAM

中可以存一个程序，程序可在线和下载操作；

2、通过 USB1.1/2.0 和 RS232 串口与电脑连接；

3、四路马达输出 9V/250mA，8 个级别速度控制，带有短路保护功能；

4、八路 9VDC 数字信号输入，4 路模拟量输入；

5、四路模拟信号输入：两路 0-5.5KΩ；两路 0-10V ；

6、可实现远红外线控制；

7、可扩展射频数据连接功能板 ROBO 无线射频通讯模块（货号：93295）；

8、最多可扩展 3 块 ROBO 接口板扩展板（货号：93294）；

9、 26 针插槽支持模型外接；


25

10、可用 ROBO PRO 图形化软件或 C、VB 高级语言编程；

11、另购附件：直流开关电源 9V/1A。

2.3.1 ROBO TX 控制器

ROBO TX 控制器是慧鱼接口板系列的第三代产品（第一代为 Intelligent Interface 智能接

口板，第二代为 ROBO Interface ROBO 接口板）可以实现电脑和模型之间的通信。它可以接

收传感器获得的信号，进行软件的逻辑运算，传输软件的指令。

ROBO TX 控制器结构

1、USB2.0 接口（与 1.1 兼容）连接电脑，附带适用的 USB 连接线。

2、左/右侧选择按钮控制显示屏的菜单。

3、9V-IN，电池套件接口连接充电电池。

4、显示屏显示控制器状态，下载程序等信息可视。

5、通/断开关接通或断开开关。

6、9V-IN ，直流电插口连接电源。

7、EXT 1 与 EXT 2 ，扩展接口耦合其他控制器，以扩展输入与输出接口的数量。

8、输出口 M1-M4 或 O1-O8 可以连接 4 个电机，也可以连接 8 个灯泡或电磁铁，

另一端接地。

9、输入口 C1-C4 快速计数端口，可接受 1kHz（1000 脉冲/秒）的数字脉冲，也可作

为数字输入端口。


26

10、9V Out 给传感器提供所需的 9V 直流工作电压，如连接颜色传感器、轨迹传感

器、超声波传感器和磁性编码器。

11、摄相机接口在摄像机模式下连接相机传感器

12、通用输入口 I1-I8 连接数字传感器、红外传感器、模拟量传感器、超声波距离

传感器

ROBO TX 控制器技术参数

尺寸和重量：90×90×15mm（长×宽×高），90g

内存和处理器：8 MB 内存，2 MB 闪存，32 位 ARM 9 处理器（200 MHz）

电源（不包含）：通过电池套件（8.4 V 1500 mAh）或电源套件（9 V / 1000 mA）

信号输入口和输出口

8 个通用输出口：数字式，模拟式 0 – 9 V 直流，模拟式 0 – 9 kΩ

4 个快速计数输入口：数字式，频率至 1 kHz

4 个电机输出口：9 V / 250 mA ，可无级调速，短路保护，8 个独立输出口

显示器：128 × 64 像素，单色

ROBO TX 控制器使用说明

详见 ROBO TX 使用说明书。

第三章慧鱼基础实验

机电产品的设计都是为了满足某种特定的功能要求，这些功能要求往往是通过机构的动

作来实现的。因此，机构的运动设计在机械系统方案设计中占有重要的地位。

慧鱼机械创新设计基础实验先后介绍了连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系等常用机

构类型，结合慧鱼模型学生能够具体了解机构的类型、运动特点、功能和运动的设计方法。

本章主要分为机械与结构实验、气动与机构实验、电子与机构实验、能源与机构实验四个部

分，力求从机构、气动、电子、能源四个方面介绍机械创新设计的基础知识，通过典型模型

的拼装实践，了解机电一体化设备的组成、功能及运行，并提出可行性改进措施，本实验鼓

励学生进行全新设计，力求培养创新意识和动手能力。本章内容将为机械系统的方案设计打

下必要的机构学方面的基础。


27

3.1 机械与结构实验

机械是机器和机构的简称，顾名思义，他是一门以机器和机构为研究对象的学科。在日

常生活中，我们见到过和接触过许多机器，从家庭用的冰箱、洗衣机，到工业部门使用的各

种专门机床；从汽车、推土机，到工业机器人和机械手等。机器的种类繁多，构造、用途和

性能也各不相同。对于一般的机器，我们在日常生活和工作中已经有了一定的感性认识。但

是，机器是由哪些部分组成的？它有哪些特征？为了更加真实的体会各种机器的工作原理，

我们将对生活中的具体实例进行研究。

3.1.1 连杆机构

连杆机构是由若干个刚性构件用低副连接所组成的。在连杆机构中，若各运动构件均在

平行的平面内运动，则称为平面连杆机构；若各运动构件不都在相互平行的平面内运动，则

成为空间连杆机构。平面连杆机头具有传递和变换运动，实现利的传递和变换的功能，了解

这些特性，对于正确选择平面连杆机构的类型，进而进行机构设计具有重要指导意义。

按连架杆的运动形式不同，四杆机构分为：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。

平面四杆机构

平面连杆机构具有以下传动特点：

三杆机构


28

1、连杆机构中构件间以低副相连，为面接触，在承受载荷的条件下压强较低，因此，

可以用来传递较大的动力。又由于低副元素的几何形状比较简单（如平面、圆柱面），

故容易加工。

2、构件运动形式具有多样性。连杆机构中既有绕定轴转动的曲柄，绕定轴往复摆动的

摇杆，又有做平面一般运动的连杆、做往复运动的滑块等，利用连杆机构可以获得各种

形式的运动，这在工程实际中具有重要的价值。

3、在主动件运动规律不变的情况下，只要改变连杆机构各构件的相对尺寸，就可以使

从动件实现不同的运动规律和运动要求。

4、连杆曲线具有多样性。连杆机构中的连杆，可以看做是在所有方向上无限扩展的一

个平面，该平面称为连杆平面。固接在连杆平面上的各点，将描绘出各种不同形式的曲

线，这些曲线称为连杆曲线。

5、连杆运动过程中，一些构件的质心在做变速运动，由此产生的惯性力不好平衡，因

而会增加机构的动载荷，使机构产生强迫振动。所以连杆机构一般不适合用在高速场合。

6、连杆机构中运动的传递要经过中间构件，而各构件的尺寸不可能做的绝对准确，再

加上运动副间的间隙，故运动传递的累积误差比较大。

平面连杆机构的运动设计是个比较复杂和困难的问题，这主要是因为它所含有的运动副

为低副，而低副的约束数比高副多，从而给连杆机构的设计带来较多的困难。但是由于

连杆机构中构件运动形式和连杆曲线的多样性，可供工程实际广泛应用，所以直到今天，

连杆机构的设计问题仍受到国内外学者的广泛重视和深入研究。

基本要求：

本节实验学生通过动手拼装千斤顶、升降台、雨刷器、四杆机构等连杆机构模型，分析

平面连杆机构的运动特性和传力特性，在此基础上，掌握结构简图绘制要求和平面连杆

机构的运动设计方法。

1、拼装千斤顶、升降台、雨刷器、四杆机构和锯等模型；

2、了解平面四杆机构的基本形式，画出机构简图，掌握其演化方法；

3、掌握平面四杆机构的工作特性；

4、掌握平面连杆机构运动分析的方法，学会将复杂的平面连杆机构的运动分析问题转

化为可用计算解决的问题。

5、熟练掌握平面连杆机构设计的基本问题，根据具体设计条件及实际需要，选择合适


29

的机构形式和合理的改进方案。

考核方法：提交实验报告，提出可行性改进方案。

建议学时：2学时

实验记录表：

名称图片运动过程机构简图

千斤顶

升降台

锯

雨刷器

四杆系

列


30

3.1.2 凸轮机构

凸轮机构是由具有曲线轮廓或凹槽的构件，通过高副接触带动从动件实现预期运动规律

的一种高副机构，它广泛地应用于各种机械，特别是自动机械、自动控制装置和装配生产线

中，是工程实际中用于实现机械化和自动化的一种常用机构。

凸轮机构只具有很少几个活动构件，并且占据的空间较小，是一种结构十分简单、紧凑

的机构。凸轮机构最吸引人的特征是其多用性和灵活性，从动件的运动规律取决于凸轮轮廓

曲线的形状，只要适当地设计凸轮的轮廓曲线，就可以使从动轮获得各种预期的运动规律。

几乎对于任意要求的从动件的运动规律，都可以毫无困难地设计出凸轮廓线来实现，这是这

种机构的最大优点。

工程实际中所使用的凸轮机构形式多种多样，常用的分类方法有以下几种：

1、按照凸轮的形状分类

移动凸轮盘形凸轮圆柱凸轮

内燃机配气凸轮机构缝纫机的凸轮拉线机构


31

2、按照从动件的性状分离

3、按照从动件的运动形式分类

4、按照凸轮与从动件维持高副接触的方法分类

凸轮又分为力封闭型凸轮机构和形封闭凸轮机构两种类型。

凸轮机构的缺点在于：凸轮廓线与从动件之间是点或线接触的高副，易于磨损，故多用

在传力不太大的场合。

基本要求：

1、拼装简易照明灯、报警灯塔、交通指示灯模型；

2、了解凸轮机构的类型及各类凸轮机构的特点和适用场合，学会根据工作要求和适用

场合选择凸轮机构的类型；

3、掌握从动件几种常用运动规律的特点和适用场合，立交不同运动规律位移曲线的组

合拼接方法，学会根据工作要求选择或设计从动件的运动规律；

尖顶从动件滚子从动件平底从动件

摆动从动件滑动从动件


32

4、掌握凸轮机构基本参数确定的原则，学会根据这些原则确定移动棍子从动件盘形凸

轮机构的基圆半径、滚子半径和偏置方向以及移动平底从动件盘形凸轮机构的基圆

半径、平底宽度和偏置方向；

5、熟练掌握并灵活运用反转法原理，学会根据这一原理设计各类凸轮的廓线；

6、掌握凸轮设计的基本步骤，学会用计算机对凸轮机构进行辅助设计的方法。



实验记录表：


报警灯塔

交通灯

3.1.3 齿轮机构

齿轮机构是有主动齿轮、从动齿轮和机架组成的一种高副机构，可以用来传递空间任意

两轴间的运动和动力。与其他传动机构相比，其主要优点是：传动准确、平稳，机械效率高，

使用寿命长，工作安全、可靠，传递的功率和使用的速度范围大。因此，他是现代机械中应

用最广泛的一种传动机构。

齿轮机构


33

工程实际中所使用的齿轮机构形式多种多样，依靠主动齿轮的齿廓推动冲动齿轮轮齿的

齿廓来实现运动传递。两轮的瞬时角速度之比可以使恒定的，也可以是按照一定规律变化的，

齿轮齿廓曲线要根据给定的传动比的要求来确定。

外啮合直齿圆柱齿轮外啮合斜齿圆柱齿轮

人字齿轮内啮合直齿圆柱齿轮

直齿齿轮齿条交错轴斜齿轮


34

而为了满足不同工作要求，经常采用若干个彼此啮合的齿轮进行传动，这种由一系列齿

轮所组成的传动系统称为轮系。轮系通常介于原动机和执行机构之间，把原动机的运动和动

力传给执行机构。根据轮系在运转时各齿轮的几何轴线在空间的相对位置是否固定，可以将

轮系分为三大类：

1、定轴轮系：当轮系运转时，所有齿轮的几何轴线相对于机架的位置均固定不变

2、周转轮系: 当轮系运转时，至少有一个齿轮的几何轴线相对于基架的位置不固定，

而是绕某一固定轴线回转。根据轮系所具有的自由度不同，周转轮系又可分为：差动轮系（a）

和行星轮系（b）。

定轴轮系

周转轮系

直齿锥齿轮斜齿锥齿轮


35

计算图 a)所示轮系自由度：F=3×4-2×4-2=2 ，差动轮系：F=2 ；

计算图 b)所示机构自由度,图中齿轮 3固定，F=3×3-2×3-2=1 ，行星轮系：F=1 。

3、复合轮系:由定轴轮系和周转轮系、或几部分周转轮系组成的复杂轮系，如：定轴轮

系+周转轮系、周转轮系+周转轮系。

基本要求：

本节实验学生动手拼装齿轮、齿轮箱、行星齿轮等模型，分析齿轮机构的运动形式和传

力特性，掌握啮合特点和基本尺寸的计算，掌握各类轮系传动比的计算方法、轮系的功能和

轮系设计的基本原理。

1、拼装转台、曲柄传动齿轮、锥形齿轮、差速机构、行星齿轮、变速器等模型；

2、了解齿轮机构的类型及功用；

3、理解齿廓啮合基本定律；

4、了解渐开线的形成过程，掌握渐开线的性质、渐开线方程及渐开线齿廓的啮合特性；

5、熟悉各类轮系的组成和运动特点；

6、掌握各种轮系传动比的计算方法，会确定主、从动轮的转向关系；

7、了解各类轮系的功能，学会根据工作要求选择轮系的类型；

8、掌握各种轮系效率的概念；

9、了解行星齿轮的传动原理及特点。



定轴轮系+周转轮系周转轮系+周转轮系


36

实验记录表：


转台

曲柄传

动齿轮

锥形齿

轮

差速机

构

行星齿

轮

变速器


37

3.1.4 结构与强度

结构是指能够承受和传递外载荷的系统，包括杆、板、壳以及它们的组合体，如飞机机

身和机翼、桥梁、屋架和承力墙等。三角形是框架结构最基本的形状之一，结实、稳定、材

料最少。在四边形、六边形构件中，加上三角形支撑件，就可大大增加构件的牢固程度。

观察自然界中的天然结构，如植物的根、茎和叶，动物的骨骼，蛋类的外壳，可以发现

它们的强度和刚度不仅与材料有关，而且和它们的造型有密切的关系，很多工程结构就是受

到天然结构的启发而创制出来的。结构设计不仅要考虑结构的强度和刚度，还要做到用料省、

重量轻．减轻重量对某些工程尤为重要，如减轻飞机的重量就可以使飞机航程远、上升快、

速度大、能耗低。

基本要求：

本节实验学生动手拼装桌子、人字梯、桥梁等模型，掌握增加结构强度的方法，研究载

荷作用下结构变性规律，从而设计出结构稳定、承载大、成本低、不易变形的机械结构。

1、拼装桌子、人字梯、桥、下梁桥、上梁桥、高空搜索台和起重机模型；

2、掌握结构强度的定义，影响因素，增加强度的基本方法；

3、分析日常生活中提高机构强度的实例，分析结构特点和功能。


建议学时：2个学时

三角形结构


38

实验记录表：

名称图片结构特点改进建议

人字梯

桥

上梁桥

下梁桥

3.1.5 机构的传动

为了使机械执行系统能够实现预期的动作和功能，还需要相应的原动机、传动系统和控

制系统。传动系统介于原动机和执行系统之间，其根本任务是将原动机的运动和动力按照执

行系统的需要进行转换并传递给执行系统。传动系统一般包含机械传动、液压传动、气压传

动、电气传动等形式，通常包含以下几个方面作用：

1、减速或增速：原动机的速度往往与执行系统的要求不一致，通过传动系统减速或增

速的作用可以达到执行系统工作要求的目的，实现减速或增速的装置成为减速器或增速

器。


39

2、变速：许多执行系统需要多种工作速度，当不易对原动机进行调速时，用传动系统

能够方便地实现变速和输出多种转速的目的。变速器有两种，一种是仅可获得优先的几

种输入与输出速度关系，成为有级变速；另一种是输入和输入速度关系可以在一定范围

内逐渐变化，成为无极调速。

3、增大转矩：当原动机输出的转矩较小而不能满足执行系统的工作要求时，通过传动

系统可实现增大转矩的目的。

4、改变运动形式：在原动机与执行系统之间实现运动形式的变换。原动机的输出运动

多为回转运动，传动系统可将回转运动改变为执行系统要求的移动、摆动或间歇运动等

形式。

5、分配运动和动力：传动系统可将一台原动机的运动和动力分配给执行系统的不同部

分，驱动几个工作机构工作，即实现分路传动。

6、实现较远距离的运动和动力传递。

7、实现某些操纵和控制功能：传动系统可操纵和控制某些机构，使机构启停、接合、

分离、制动或换向等。

机械传动装置的主要功用是将一根轴的旋转运动和动力传给另一根轴，并且可以改变转

速的大小和转动的方向。常用的机械传动装置有带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动等。

一、带传动的工作原理和速比

１．带传动的工作原理：带传动是用挠性传动带做中间体而靠摩擦力工作的一种传动

（见下图）。

２．带传动的速比计算公式为：

1 1

2 2

= =n D

in D

上式表明，带传动中的两轮转速与带轮直径成反比。

二、链传动及其速比

链传动是由两个具有特殊齿形的链轮和一条挠性的闭合链条所组成的（见下图）。它

依靠链和链轮轮齿的啮合而传动。

设某链传动，主动链轮齿数为，从动链轮齿数为。当主动链轮转过周，即转过个齿时，

从动链轮就被带动转过周，即转过个齿。显然，主动轮与从动轮所转过的齿数相等，


40

即：1 1 2 2=z n z n ；故有： 1 1

2 2

= =n z

in z

上式表明：链传动中的两轮转速和链轮齿数成反比。

三、齿轮传动

齿轮传动是一种啮合传动，如下图所示。

1．齿轮传动的速比

设主动齿轮的转速为，齿数为；从动齿轮的转速为，齿数为。每分钟内两轮转过的齿数

应该相等，即：1 1 2 2=z n z n ；

由此可得一对齿轮传动的速比为： 1 1

2 2

= =n z

in z

上式表明：在一对齿轮传动中，两轮的转速与它们的齿数成反比。通常，一对圆柱齿轮

传动的速比≤5，一对锥齿轮传动的速比≤3。

四、蜗杆传动原理及其速比计算

蜗杆传动主要由蜗杆 1 和蜗轮 2 组成，其传动原理见上图所示。

带传动链传动

齿轮传动蜗杆传动


41

蜗杆传动的速比为： 1 1

2 2

= =n z

in z

；

蜗杆传动有速比大、传动平稳、有自锁作用和效率低的特点：

基本要求：

本节实验学生动手拼装相对复杂的机械模型，分析各类传动方式的特点和性能，掌握机

械传动系统设计的基本原则及步骤和原动机的选择方法。

1、拼装小车、搅拌机、安全电梯、直升飞机锻钳、弹射器、战车、旋转桥等模型；

2、了解传动系统的运动方式和作用、传动系统方案设计的一般过程及基本要求；

3、了解常用机械传动的类型、特点和主要性能，掌握传动类型选择的原则，会根据设

计要求选择传动类型；

4、能根据具体设计要求拟定传动路线，合理安排传动链中各类机构的顺序，并能够合

理分配各级传动比；

5、了解原动机的类型和选择的原则。



实验记录表：

名称图片结构特点机构简图

小车

搅拌机


42

安全电

梯

弹射器

战车

旋转桥

3.2 气动技术实验

机械系统通常由原动机、传动装置、工作机和控制操纵部件及其它辅助零部件组成，原

动机是机械系统中的驱动部分，传动装置则是把原动机和工作机有机联系起来，实现能量传

递和运动形式转换不可缺少的部分。原动机按能量转换性质的不同分为第一类原动机和第二

类原动机。第一类原动机包括蒸气机、柴油机、汽油机、水轮机和燃气轮机；第二类原动机

包括电动机、液动机（液压马达）和气动机（气动马达），机械设计课程设计中常选用的原

动机为电动机。

气动马达主要通过作用活塞或叶片压缩空气作功，这种能量可用于工业上许多方面，

正确使用气动控制，要求充分熟悉气动元件和确保气动元件使用到有效工作系统中元件的功


43

能。本章实验通过各种气动模型的学习，学生逐步掌握气动马达的工作原理，学习空气压力

/压强的换算；能够运用计算机编程，合理控制气动机器人的运动；能进行简单创意实验设

计。

3.2.1 气动模型

基本要求：

1、拼装升降台、打气泵、滑动门、弹射器模型；

2、了解气动元件的工作原理，如：气泵、活塞、气阀的结构特点和主要功能；

3、能够设计简单的气动模型。



实验记录表：


升降台

打气泵

滑动门


44

弹射器

3.2.2 气动机械

基本要求：

1、拼装装载机、挖掘机、抓取机模型；

2、了解气压传动、气压传力的主要形式和作用；

3、分析模型的气动原理、工作过程和主要功能。



实验记录表：


装载机

挖掘机

抓取机


45

3.3 电子技术实验

通过专门为学生设计的各种模型，让学生动手实践，从而真正认知电路的种类，电力系

统的设计以及常开/常闭/转向开关的用法等。通过专门为学生设计的各种模型，让学生动手

实践，从而真正认知各种传感器的类型与它们所起的作用。

3.3.1 控制电路

基本要求：

1、拼装电筒、“与”“或”电路、冰箱、楼梯照明灯、电梯、“串”“并”电路模型；

2、掌握控制电路的分类、工作原理和主要功能；

3、能够设计简单的控制电路；

4、了解马达的工作原理和主要功能。




电筒

冰箱

电梯


46

“与”

“或”

电路

“串”

“并”

电路

3.3.2 电子控制

基本要求：

1、拼装报警器、烘手机、冲压机、车库门、停车杆、分选机模型；

2、了解微处理器控制的基本原理，技术特点；

3、掌握电子技术组件的结构特点、基本功能和输入输出参数；

4、能够设计简单的电子控制系统；

5、了解传感器的类型、主要功能和选择原则。




报警器

烘手机


47

冲压机

车库门

停车杆

分选机

3.4 能源实验

通过拼装模型，学生从实际上认知能量的各种形式，能量的转化以及再生能源等知识。

了解电能如何产生、储存；能量如何带动模型运转；各种再生能源的优点及缺点；掌握能量

的定义，能量计算，功及功率的计算，能量的存储等知识。

3.4.1 能量转换

基本要求：

1、拼装锯木厂、水轮车、风车、风力发电机模型；

2、了解能量传递的方式，风能和水能驱动的特点；

3、掌握能量存储的方式。




48


锯木厂

水轮车

风车

风力发

电机

3.4.2 太阳能


49

基本要求：

1、拼装电扇、大转轮、直升飞机、骑自行车的人、电动车模型；

2、了解太阳能电池的工作原理、能量存储方式、主要特点；

3、掌握太阳能电池板、太阳能电机的技术参数，保护好电子元件；

4、能够设计简单的太阳能驱动模型。




电扇

大转轮

直升飞

机

自行车


50

电动车

3.4.3 氢能源

燃料电池是如何工作的？怎样用它产生氢气？氢能源电池组合包会介绍与这个引人入

胜的话题相关知识。利用该燃料电池和一块附加的太阳能模板，再加上标准构件，还可以另

外组成有趣的模型，相关的问题都可以从中找到答案。

左图为氢能源燃料电池，各部份描述为：

1-氢气端溢出室

2-氢气儲存筒

3-氢气端塞子

4-氧气储存筒(图中没有显示)

5-负极接头(黑色)

6-保护二极管

7-正极接头(红色)

8-氧气端溢出室

氢能源燃料电池使用说明详见能源电池操作说明书。

基本要求：

1、拼装氢能源电池、氢能源电动车模型；

2、了解燃料电池的基本结构、工作原理和技术参数；

3、能够设计简单的再生能源模型。





51

燃料电

池

氢能源

小车

第四章机器人技术实验

机器人设计课程——以慧鱼创意机器人作为教学基础，选用机器人综合训练包、气动机

器人、工业机器人和探索机器人四大类组合模型，每款机器人能够搭建完成 3-11 个不同功

能模型，由 ROBO TX 控制器提供了智能计算验证平台，本课程旨在实现机器人创新设计教

学目的。通过各种机器人模型动手实践，切实提高学生的动手能力，整体锻炼他们的创新思

维，将为他们掌握机器人技术奠定一个良好的基础。

本课程教学按照教学任务的难易程度分为简单机器人设计、智能机器人设计和创意机器

人设计三个阶段，每个阶段选用不同功能机器人模型，明确功能任务，学生自行设计控制算

法，最终完成各阶段教学任务。

4.1 机器人综合实验

4.1.1 静态机器人

基本要求：

1、拼装干手机、交通灯、电梯、洗碗机、温度调节器模型；

2、调试模型，利用 ROBO PRO 软件和 ROBO TX 控制器控制模型；

3、掌握软件编程中马达（普通马达、编译马达）控制、温度传感器、灯泡工作原理；

4、熟悉以上模型的传动方式、动作过程，能够设计出多样的模型，实现多种功能。



52


名称图片范例程序改进方案

干手机

交通灯

电梯


53

洗碗机

温度调

机

4.1.1 移动机器人

基本要求：

1、拼装寻踪车、足球机器人、测量机器人、割草机、叉车模型；


3、掌握软件编程中气泵、灯泡、颜色传感器工作原理；






54

寻踪机

器人

足球机

器人

测量机

器人

割草机

叉车

4.2 气动机器人实验

基本要求：

1、拼装压缩空气马达、滚珠轨道、弹球机、颜色分选机器人模型；


55


3、掌握软件编程中马达（普通马达、编译马达）控制、灯泡、轨迹传感器工作原理；





空气马

达

滚珠轨

道

弹球机

颜色分

选机


56

4.3 工业机器人实验

4.3.1 简单机械手

基本要求：

1、拼装抓件机器人、回转抓爪模型；


3、掌握软件编程中马达（普通马达、编译马达）控制、灯泡、限位开关的工作原理；





抓件机

械手

回转机

械手


57

4.3.2 三自由度机械手

基本要求：

1、拼装高货架仓库、三自由度机械手模型；


3、掌握软件编程中马达（普通马达、编译马达）控制、灯泡、限位开关、计数开关的

工作原理；





高货架

仓库

三自由

度机械

手


58

4.4 探险机器人实验

4.4.1 搜寻机器人

基本要求：

1、拼装基本模型、踪迹搜寻机、隧道机器人模型；


3、掌握软件编程中编译马达、光敏传感器、颜色传感器、轨迹传感器、超声波距离传

感器、温度传感器和蜂鸣器的工作原理；





基本模

型

踪迹搜

寻机

隧道机

器人


59

4.4.2 营救机器人

基本要求：

1、拼装颜色识别机、探索者、营救机器人模型；


3、掌握软件编程中编译马达、轨迹传感器、超声波距离传感器、温度传感器和蜂鸣器

的工作原理；





颜色识

别机

探索者


60

营救机

器人

4.5 机器人创新设计实验

从功能角度来讲，机械系统一般有原动机、执行系统、传动系统、辅助系统和控制系统

等几部分组成，经过以上 58 学时的基础实验和机器人技术实验学习和实践，学生全面系统

的掌握了机电一体化系统设计的各知识点。机器人创新设计实验将安排 8 学时开展综合实

验，学生 2-3 人组成小组开展活动，设计出功能完善的机械系统，实验安排如下：

1、在老师的指导下，各小组自拟题目提交设计方案；

2、方案可行性论证，根据自设方案，搭建设计模型；

4、设计、编制和调试自动控制程序；

5、撰写实验报告，并进行汇报演示。

创新设计实验要求：

1、新颖性：模型的构思要新颖独特；

2、实用性：模型要有一定的实际意义，最好能从生活中选题；

3、功能性：模型实现的功能具有一定的可靠性；

4、巧妙性：某些地方能够体现巧妙的构思。

第五章工业控制技术实验

本课程的教学目的是让学生熟悉电气控制系统，具有电气控制系统分析和设计的基本能

力；掌握可编程控制器原理及编程方法，具备一定的 PLC 程序设计和 PLC 应用能力。本课程

的突出特征是理论教学与实际训练并重，要求理论必须与操作密切结合，强调技术应用。熟

悉常用低压电器的结构、工作原理、特性及应用；掌握继电接触器控制系统基本分析和设计


61

能力，特别是掌握典型电气控制电路的分析和设计能力；掌握可编程控制器的工作原理及结

构特点；熟练掌握基本逻辑指令的应用，熟练掌握步进顺控指令编程方法及应用；掌握功能

指令基本规则，重点掌握常用功能指令的应用。

5.1 可编程逻辑控制器（PLC）

“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采

用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算

等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可

编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原

则设计”。美国 AB、GE、MODICON、TI，日本 OMRON、三菱、富士，德国西门子等厂家的

产品不断进入我国，并在各行各业的工控系统中占据重要地位，慧鱼工业模型多采用台达、

西门子、三菱 PLC 控制模型。PLC 具有如下特点：

• 通用性强，使用方便

• 功能强，适应面广

• 可靠性高，抗干扰能力强

• 控制程序可变具有很好的柔性

• 编程方法简单，容易掌握

• PLC 控制系统的设计、安装、调试和维修工作少.极为方便。控制程序变化方便.具有

很好的柔性。

• 体积小、重量轻、功耗低

现代化工业生产控制中，自动化技术起着越来越重要的作用。从气动、液压、传感器到

可编程控制器和现场总线技术，直到过程控制系统，都被广泛地应用。慧鱼工业模型是机电

一体化教学培训系统理想教具，面向各类大中专院校和公司开展职业技术培训，它具备完整

柔性制造系统的所有关键加工顺序。工业模型将机械结构和传动，可编程控制，传感器技术

和机器人技术有机结合，使学生通过系统的学习，在机电一体化方面实践能力全面提高。

5.2 PLC 控制应用实例

本课程的教学目的是让学生熟悉电气控制系统的基本控制电路，具有电气控制系统分析


62

和设计的基本能力；掌握可编程控制器原理及编程方法，具备一定的 PLC 程序设计和 PLC 应

用能力。

学生通过各工业生产流水线模型的演示，可以深刻了解现代工厂的各种生产工艺流程，

并且可以通过亲身参与生产流水线的设计，慧鱼工业模型的每个控制单元可以加入最新模块

实现功能的扩展，使学生能够很快熟悉工业过程及物流模块的同时，还能激发他们的创新能

力，鼓励他们对生产流水线进行改造，以适应实际生产工艺的需要。可根据实际情况选取教

学内容，以下为慧鱼工业模型产品目录及功能介绍：

序号货号名称功能简介外形尺寸(mm)

1 502001

小型传输带

此模型模拟了带有准确起

始位置和终点位置的传输

单元，它在电动门系列产

品的生产中广泛应用。此

传输线由带有开始和结束

按钮的传输带和识别物块

的传感系统组成。

350×200×120

2 502002

小型传送分类流水线

此模型模拟将货物进行分

类的过程，它应用于包裹

分配运输等事务中。它由

带推杆的进料处，传送带，

两个电动推杆和三个出料

口组成

550×270×250

3 502003

小型柔性加工线

整个过程模拟了工件从进

料处被运送到各台机床进

行加工然后从出料处取出

这一加工过程。 550×270×270

4 502004

小型洗车线

此模型模拟了在车库和加

油站中应用的汽车自动清

洗单元。它由可沿 X 轴方

向运动的横梁以及安装在

其上的一个水平刷子和两

个竖直刷子组成。

540×390×400


63

5 502005

小型立体仓库

此模型模拟了自动工作的

立体仓库系统，它应用在

工业领域的许多方面。它

由一个 3×3 的货架和可沿

X 轴灵活移动货架运输车

组成。在货架运输车上装

有一个可沿 Z 轴运动的笼

架，在其中包含一个可沿Y

轴方向伸缩的物块运送托

台。小型立体仓库适合与

其它的模块或组合模型结

合使用。

550×300×470

6 502006

吸盘搬运机

此模型包含传输带模块，

一个 2 轴入口和一个临时

存储区。此生产线是一个

组合模型，是模块化设计

而成的系统。将不同模块

的软硬件合理的结合在一

起，可以构成一个工作组

来完成任务。

405×550×260

7 502007

气动分选机

此模型包含传输带模块，

气动分选单元。盘子由传

送带传送经过分选单元。

分选单元存储着物块，并

且用这些物块将盘子填

满。根据盘子上的信息编

码进行填充直至结束。装

满物块的盘子被传送到传

输带的末端。此生产线是

一个组合模型，是模块化

设计而成的系统。将不同

模块的软硬件合理的结合

在一起，可以构成一个工

作组来完成任务。

270×550×200

8 502008

带机加工传输带

此模型包含传送带模块和

一个带有加工头的机械。

物块被传送带传输到加工

机械的工作区域内，经加

工后继续传送。此生产线

是一个组合模型，是模块

化设计而成的系统。将不

同模块的软硬件合理的结

合在一起，可以构成一个

405×550×180


64

工作组来完成任务。

9 502009

可翻转传输带,旋转台和滑台

此模型包含可翻转传输

带，旋转台和滑台模块。

此生产线是一个组合模

型，是模块化设计而成的

系统。将不同模块的软硬

件合理的结合在一起，可

以构成一个工作组来完成

任务。

405×550×180

10 502010

带两个推杆装置的传输带

模型由传送带模块，两个

电动推杆和一个储物台组

成。传送带在几个储物台

边上运送物块。物块的编

码可由任一储物台识别，

如所需要的物块与编码一

致，推杆将其推入储物台

中。此生产线是一个组合

模型，是模块化设计而成

的系统。将不同模块的软

硬件合理的结合在一起，

可以构成一个工作组来完

成任务。

270×550×200

11 502011

料仓与仓储传输带

此模型由仓储模块和传输

带组成。储存在仓储库中

的物块被移出并被传送到

传送带的末端，此生产线

是一个组合模型，是模块

化设计而成的系统。将不

同模块的软硬件合理的结

合在一起，可以构成一个

工作组来完成任务。

300×550×270

12 502012

五自由度机械手

该机械手工作范围为一个

半径大约 35厘米的半球范

围。它能够抓取的最大工

件重量为 50 克。该机械手

的 5 轴运动包括三个水平

轴和一个垂直轴旋转运

动，外加一百八十度旋转

的夹手。

540x390x540


65

13 502013

传送与分类流水线

此模型由一个自带链式传

输带的进料口，一条传输

带，两个电子驱动的推杆

和三个出料口组成。模型

可与三轴门架模型组合使

用。

270×550×200

14 502014

洗车线

洗车流水线模型是对全自

动洗涤、烘干汽车设备的

模仿，就象很多洗车厂里

安装的那样。

1100×750×600

15 502015

立体仓库

该模型模拟了一个自动高

层货架系统，就象在许多

工业企业中应用的那样。

模型由一个 5×10货架的高

层货架，一个在 X 方向可

动的货架运输车，两个进

出货处组成。在货架运输

车上装有一个可沿 Z 方向

上下运动的笼架，在其中

包含一个可沿 Y 方向伸缩

的托盘。

1290×470×600

16 502016

装配流水线(西门子兼容)

模拟过程分布展现了一个

不同的部件最终结合为一

个成品的简化的装配过

程：通过按键，传送带开

始工作。散件运送至工作

台，而电感式接近开关或

单向光传感器则探知了部

件是否到达了正确的装配

位置。而安装步骤则由发

光二级管展示出来。

675×390×130

17 502017 冲压机(西门子兼容)

该模型模拟了一个门架式

机械冲压机，应用于金属

成行工业中。模型由一个

门架式机械冲压机，进料

口及推杆组成。

390×270×260


66

18 502018

加工单元(SIDAC 配套)

该模型模拟一个带循环转

运器的加工中心金属切割

过程。此模型由一个立式

铣床，三个传送带，二个

旋转台（自带链式传送

带），一个有轨运输车组

成。它们组成了一个封闭

的运输加工系统。限位开

关控制传送单元的最终位

置。传送带上工件的位置

由电感式接近开关鉴别。

600×550×330

19 502019

加工流水线(Rendsburg 配套)

模型由一个磨床，三个传

送带，一个旋转台（带链

式传送带及自动送件装

置）。在模拟过程中工件

首先被放至进料口，然后

推杆将其推上传送带，并

被送到各加工单元，在那

儿进行不同的分步加工，

最后通过旋转台送至出料

口

650×350×330

20 502020

气候箱

此模型模拟了控制单元温

度调节系统。它是由可调

大小的加热室，温度测量

设备，加热装置和交流供

电的可变速风扇组成。

540x390x350

21 502021

加工中心

此模型模拟了应用多种焊

接技术的自动焊接流水

线，它应用于汽车工业中

连接大片金属。

焊接站由点焊设备，缝焊

设备，两个储存站，一个

两轴入口，一个的可逆行

的带有三个载货台的往返

车和一个卸货站组成，其

600×550×500


67

中包括一个转动设备和一

个线性传送带。

22 502022

自动门

此模型模拟了用作工厂生

产车间大门电动门设备，

它包含工厂检查人员所要

求的主要安全部分。大门

由两面滑动门页，信号灯，

通风设备，以及安装在两

侧的操作设备和保证安全

的设备组成。

400×350×270

23 502023

三轴门架

模型由三台机床，三条传

送带，一个推杆组成。整

个过程模拟了工件从进料

处被运送到各台机床进行

加工然后从出料处取出这

一加工过程。

660x540x450

24 502024

三轴门架(带柔性加工流水线)


送带，一个推杆组成。整

个过程模拟了工件从进料

处被运送到各台机床进行

加工然后从出料处取出这

一加工过程。具体过程详

见指导手册。

860x450x450

25 502025

柔性加工流水线


送带，一个推杆组成。

整个过程模拟了工件从进

料处被运送到各台机床进

行加工然后从出料处取出

这一加工过程

860×450×270

26 502026

三层电梯

模型由一个带平衡重锤的

轿箱，一个坑道和四层面

组成。每个层面都设有一

扇电动移门，呼叫按钮，

指示轿箱位置的彩灯。除

此之外，还有一个操作面

板供轿箱里的人使用，实

际上它是由一些楼层选择

按钮，报警按钮，紧急停

止按钮和操作方式选择按

钮组成。

540x390x650


68

27 502027

带三轴门架的传送与分类流水线

在此模型的模拟过程中，

流水线出料口上的工作由

三轴门架取走运回进料口

再进行传输分类处理，如

此便组成了一个循环系

统。

800×540×450

28 502028

传输带

模拟单元由三个传送带

（带增量距离测量系统）

组成。这些增量测量系统

分别通过由传送带驱动的

凸轮盘来实现的，每转动

一次就有一个开关脉冲。

390×270×90

29 502029

升降台

升降台模型由一个重力驱

动的滚轴式传送带，两个

电动履带传送带组成，一

个位置固定另一个垂直上

下可动。 390×270×215

30 502030

包裹翻转模型

包裹翻转机由一个 90度的

旋转台，一个光电传感器

系统，三个电子驱动的推

杆，一个传送带组成。包

裹是用一个木块表示的，

它的一面贴有可反射的金

属箔。在模拟过程中，包

裹会被识别，翻转至贴有

反射波的一面向上为止。

400×400×250

31 502031 堆剁流水线停产停产

32 502032

焊接加工流水线

该模型模拟了一个采用各

种焊接技术的自动化焊接

流水线。焊接站模型由一

个缝焊机，一个点焊机，

一个进料处，一个带三个

装载容器可来回运动的装

置，一个有转动设备和直

线传送带的出料处组成。

1000x1000x650

33 502033 气动加工中心

一个料仓，一个旋转工作

台，一条传送带，一套气

体压缩装置，三个气缸，

两个直流马达，两个光电

450x410x190


69

传感器，九个接触传感器，

模型组装在 fischertechnik

底板上，模型可由 9V DC

或 24V DC 变压器供电。最

适合与 3D 机器人连接。

34 502034

双工作台操作流水线

双工作台，四条传送带 U

形排列，八个直流马达，

四个终端开关，五个光电

感应器（由光电晶体管和

透镜灯泡组成），模型组

装在木板上。适合与 3D 机

器人连接。

450x410x190

35 502035

带传送带的冲床

两个直流马达，两个中断

开关，五个光电感应器（由

光电晶体管和透镜灯组

成），模型组装在

fischertechnik 底板上。模

型可由 9V DC 或 24V DC

变压器供电。最适合与 3D

机器人连接。

280x215x185

36 502036

三自由度机械手

三自由度机械手带手臂夹

子，四个直流马达可在 9V

或 24V 下工作，通过接口

板控制。四个限位开关，

四个脉冲计数器，模型定

位在稳定的木板上，规格

约为 385x270x350mm（长×

宽×高）。机械手可在三个

自由度移动并可夹取工

件，可与带传送带的冲床、

双工作台操作流水线、气

动加工中心联动。

385x270x350

37 502037

综合仓储加工系统

综合仓储加工系统模拟了

现代加工运输仓储生产流

水线的全过程，该系统包

含半成品中心、传输分选

机构，加工中心、检测机

构和 1 个 5×10 的大型货

架，产品集成度高，综合

性强，通过系统学习，能

够提升学生工艺控制、程

1300×1000×550


70

序编写和综合管理等方面

的技能。将复杂庞大的生

产流水线搬进了课堂，充

分调动学生的积极性，大

大增强了学习效果和学生

实际动手能力。

5.3 PLC 控制实验

内容与目的

本实验以德国慧鱼机电产品模型为对象，学生通过装配机电设备模型，对设备进行较

为细致的观察和分析，从而完成综合性的设计训练过程。学生选定其中一个产品进行分析研

究，对产品编程运行、检验其功能、性能等效果，初步掌握开发、设计一个产品的过程。查

阅资料，为自己设计的产品提供理论依据。

加强实践教学，培养学生的动手能力，在一定程度上改变工科教学中重理论教学，轻

实践教学的现状，使学生自主创意，较全面地掌握各类机械机构，机电一体机构，计算机编

程等基本知识。

本课程任务：在介绍各类装置之后，对指定装置进行测绘，使学生熟悉典型零件图和

模型工作过程、最后完成加工流程图和控制程序设计。设计过程中，学生可以接触到机械装

备的控制、驱动、传动技术，学习机械制造中工艺、工装、测量等知识。

实验教材与实验考核

实验教材为机械设计实验教程、实验设备供学生使用。项目学习过程中，学生要自学

西门子 PLC等控制软件，独立完成课程内容。

实验考核评分参考平时成绩和实验报告成绩，设计图纸的质量，以及答辩情况给定。

比例基本参考如下：平时成绩 10%，实验报告 10%，设计图编程图质量 40%，答辩情况 40%。

实验项目

实验前，要求学生掌握与之相关的基础知识，并在实验老师的指导下，学习相关实践

知识，熟悉所用仪器设备的正确操作方法。实验时，学生必须自己动手，完成本实验指导书

规定的实验内容。

实验学生以班为单位，6 人为一小组。每组学生在规定的学时内根据老师指定，自行

完成机械装置的模型的拼装、搭建及编程等工作。最后以电子版和书面形式提交，每小组选


71

派一名代表从机械结构设计、加工过程和编程控制等方面进行答辩，完成实验报告。

实验明细

序号实验项目名称实验内容学时属性实验设备

1 机械本体装配熟悉结构的构成和功能 2 普通慧鱼模型

2 传动机构分析分析机构的运动方式 2 普通慧鱼模型

3 驱动部件认识学习各种驱动电机 2 普通慧鱼模型

4 传感器作用分析学习各种传感器 2 普通慧鱼模型

5 控制器技术认识学习控制器技术 6 设计慧鱼模型

6 接线技术认识学习接线技术 4 设计慧鱼模型

7 编程控制程序制定轨迹规划、完成编程

控制程序

6 设计慧鱼模型

8 课程答辩完成实验报告，小组答辩 8 综合

备注：本课程设计实验总计 32 学时，安排 6 次试验，其中普通实验 25%，设计

性实验 50%，综合性实验 25%。

实验安排

实验项目名称实验内容学时教学材料

机械本体装配熟悉结构的构成和功能 2 拼装使用 PPT

传动机构分析缝隙机构的运动方式 2 工业模型介绍 PPT

驱动部件认识学习各种驱动电机 2 拼装操作

传感器作用分析学习各种传感器 2 拼装操作

控制器技术认识

学习控制器技术 2 接口板，PLC介绍

西门子、台达、三菱 2 控制软件介绍

掌握 PLC结构及功能 2 拼装操作

接线技术认识学习接线技术 2 现场演示指导传输带

学生操作 2 现场演示指导小立库

编程控制程序制定轨迹规划、完成编程控制 2 台达 PLC编程讲解


72

程序梯形图、逻辑顺序图

简单编程 2 传输带分析编程

复杂编程 2 小立库分析编程

课程答辩完成实验报告，小组答辩 8 分组答辩，现场评分

第六章慧鱼机械创新作品解析

全国大学生机械创新大赛是经教育部高等教育司批准，由教育部高等学校机械学科教学

指导委员会主办，机械基础课程教学指导分委员会、全国机械原理教学研究会、全国机械

设计教学研究会联合著名高校共同承办，面向大学生的群众性科技活动。目的在于引导高等

学校在教学中注重培养大学生的创新设计能力、综合设计能力与协作精神；加强学生动手能

力的培养和工程实践的训练，提高学生针对实际需求进行机械创新、设计、制作的实践工作

能力、吸引、鼓励广大学生踊跃参加课外科技活动，为优秀人才脱颖而出创造条件。

全国大学生机械创新设计大赛作为国内规模最大、水平最高的面向全国理工类院校学生

举办的大赛，为培养和造就当代中国优秀的工程师，为机械学科创新型人才的选拔创造了条

件。慧鱼组竞赛作为全国大学生机械创新设计大赛的专设赛事，已成功举办三届共四次，在

全国高校中具有很大影响，已成为展示慧鱼创新教学成果的重要平台。

第三届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组竞赛，主题为“绿色与环保”，内容为“环

保机械、环卫机械、厨卫机械”三类机械产品的创新设计与制作，共有 108件作品进入慧鱼

组竞赛。

第四届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组（2010）竞赛，大赛主题为 “珍爱生命，

奉献社会”；内容为“在突发灾难中，用于救援、破障、逃生、避难的机械产品的设计与制

作”，经过初评，59所院校报送的 137件作品进入慧鱼组竞赛。

第五届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组竞赛（2012）竞赛，大赛主题为“幸福生活

——今天和明天”；内容为“休闲娱乐机械和家庭用机械的设计和制作”。慧鱼组竞赛组委会

共收到 79所院校报送的 258 件作品，经过评审委员会初选，最终 71所院校报送的 187 件作

品进入慧鱼组（2012）竞赛。竞赛评审委员会共评出一等奖 40 项，二等奖 74 项，三等奖

73 项，优秀组织奖 10 项。在近 200件参赛作品中，秦腔木偶、皮影机器人等融入中国传统


73

文化的机械创新设计作品尤其令人关注。

在全国组委会的指导下，慧鱼组竞赛组委会负责组织慧鱼赛区的预赛工作，发布赛事通

知，并承担参加竞赛的相关学校的赛前指导培训。参加慧鱼组比赛的作品应符合本届大赛的

主题和内容，参赛队组成应满足“参赛条件”参赛队由所在学校统一向慧鱼组竞赛组委会报

名，作品进入全国决赛的名额确定办法与各赛区机械创新设计作品进入全国决赛的办法基本

相同。

慧鱼组竞赛作为全国大学生机械创新设计大赛的一项重要赛事，在各个高校中影响深

远，大赛根本宗旨在于培养学生的创新设计能力、综合设计能力和工程实践能力。本指导书

集收录了第三届、第四届、第五届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组（2010）竞赛部分作

品，更多的慧鱼组竞赛作品资料收录在慧鱼组竞赛组委会印刷出版的《全国大学生机械创新

设计大赛慧鱼组竞赛优秀作品集锦》中，希望能对参加各类科技创新活动的学生和教师有所

帮助。限于时间仓促，作品集疏漏和不妥之处，诚请读者批评指正。

6.1 救援、破障类机械

森林火灾消防车

设计者：吴静弦、候程伟、肖清、吕滨

指导教师：陈亚琴、唐凌岩

北京理工大学，北京 100081

摘要：针对森林火灾的火势凶猛、覆盖面广、破坏性大的特点，我们提出技术防火的理念，

设计制作了“森林火灾消防车”的慧鱼模型。该消防车由越野越障系统、隔离带开设系统、

灭火系统三大部分组成，在试验中该车出色地完成了越野、越障、定位、夹持、伐木、搬运、

除草、翻土、开沟、喷水、化学灭火等预期功能，实现了高效率、一体化的作业，具有优秀

的森林火灾救援能力，为森林火灾的遏止和扑救提供了有力的新武器。

关键词：慧鱼；机电产品；创新；森林火灾；消防车

一、背景介绍

1.1 森林火灾的定义

所谓森林火灾，是指失去人为控制，在林地内自由蔓延和扩展，对森林、森林生态系统


74

和人类带来危害和损失的林火行为。森林火灾是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困

难的自然灾害。

1.2 森林火灾的危害和形势

近年来，随着全球气候的变暖，干旱问题日益加剧，这为森林火灾的发生创造了更多的

条件。森林火灾不仅会使大量的林木被烧毁，还会给当地居民的生命和财产安全带来惨重的

损失。同时，森林火灾的恶劣影响又进一步加重了全球的温室效应，给全人类的健康生存带

来威胁。

2005 年葡萄牙森林火灾 2006年西班牙西北部森林火灾

2007年加纳利群岛森林大火 2007年中国大兴安岭森林大火

2008 年 8月 24日希腊森林火灾 2009年澳大利亚森林大火

据不完全统计，世界年均发生的森林火灾在 20 万起以上，由此造成的经济损失


75

达到上万亿元。2000 年以来，我国年均发生森林火灾 7946 起，年均受害森林面积

407624公顷，因灾伤亡 103 人。

目前，气候变化带来的干旱问题正在全球范围内蔓延，我国也面临着干旱灾情的

威胁。截止 2010 年 3 月 10 日，我国 2010 年的受旱面积已超过 9215 万亩，波及全国

15 个省、市，并且旱情还在加重。通过以上资料的解读，我们可以清晰地认识到森林火

灾危害的严重性及近年来森林防火形势的严峻性。可以说，在 21 世纪，森林火灾成为了一

个不可忽视的问题。

1.3 创新作品的提出

鉴于森林火灾形势日益严峻的背景，我们将设计的方向定位在森林火灾的救援上。我们

阅读了诸多有关森林火灾救援的资料，总结并发现：目前森林火灾救援仍多采用人力，辅助

以装甲运兵车、消防车、直升机等工具进行灭火，用时长、效率低，往往无法有效遏止火势

的蔓延，甚至会发生消防人员牺牲的惨剧。如何有效、快速、相对安全地进行森林火灾救援？

经过我们小组的反复讨论和可行性分析，我们最终将目标确定为制作一款具有优越的森林火

灾救援能力的“森林火灾消防车”。

二、作品总体介绍

我们设计的“森林火灾消防车”由越野越障系统、隔离带开设系统、灭火系统三大部

分组成。越野越障系统的开发主要征对了森林复杂的地形特点。在这一系统中，我们最大的

创新点在于框架式底盘、自适应路面履带和曲线悬挂的设计。这些创新点对于车辆的越野

性能、越障性能的提升起到了很大的作用，不仅提升了车辆底盘的高度，减轻了车体的重量，

还确保了车辆的履带能与地面保持最佳接触状态，获得更大的抓地力，从而使车辆的爬坡角

度及快速过障能力都得到大幅提升。

隔离带开设系统则是根据森林火灾救援中最有效的手段——“隔离带开设”，而专门设

计的流水式作业系统。该系统的看点在于各个工作模块的巧妙结构以及模块间灵活组合的

工作模式。该系统具有伐木、搬运、除草、翻土、开沟等功能，设计的目标是伴随着车辆

的前进过程开设出一条防火隔离带。其中，模块化的设计、组合式的搭配、流水线的作业、

一物多用的思想等优秀理念，都在我们的作品中得到了展现。

灭火系统是总结了目前森林火灾扑救中常用的两种灭火方法而开发出的一线作战平台。

它采用了物理灭火和化学灭火两种手段，通过一个四缸气体生成装置作为核心进行控制。

物理灭火即是水灭火，通过水的冷却作用、“窒息作用”、水冲击作用，对林火进行扑灭；化


76

学灭火采用了泡沫灭火的原理，通过碳酸氢钠和硫酸铝的化学作用，产生大量二氧化碳并吸

收大量的热，从而达到灭火的目的。

结合以上三个系统的设计，我们完成了“森林火灾消防车”的制作。在试验中，我们的

“森林火灾消防车” 出色地完成了越野、越障、定位、夹持、伐木、搬运、除草、翻土、

开沟、喷水、灭火等预期功能，实现了高效率、一体化的作业，为森林火灾的遏止和救援提

供了一个有力的新武器。

三、主要创新点简介

3.1 在设计理念上

3.1.1 模块化

我们采用了模块化的设计方式，针对我们所要实现的功能，分别设计了符合其功能要求

的独特结构。模块化的设计具有能提高生产效率、降低成本、便于管理等优点，它不仅给予

了产品灵活的配件选择空间、还便于进行配件的维护。

此外，采用模块化设计的车辆不会因局部的故障导致整车的瘫痪，从而保证了车辆工作

的稳定性。

3.1.2 组合

模块化的设计针对的是车辆某一部分所要实现的独特功能，它是独立的。但是，这些模

块又是车辆组成的一部分，它们需要协同起来，实现我们期待的最终目的。因此模块又是具

有一致的几何连接接口和一致的输入、输出接口的单元，相同种类的模块在产品族中可以重

用和互换，相关模块的排列组合就可以形成最终的产品。

通过伐木锯和机械臂的组合化，我们能够实现搬运树木的功能；通过隔离带开设系统各

个机构模块的组合，我们就能完成防火隔离带的开设。

1971年，德国科学家哈肯提出了系统协同学思想，就说明了模块组合化的重要性。

3.1.3 流水作业

流水作业是一种先进点的作业模式，它是以施工专业化为基础，让不同工程对象的施工

工序在统一计划的安排下,依次在各个作业面上完成指定操作的作业模式。它的特点是可以

大幅缩短作业周期，提高工作效率，充分利用各个模块的专业化功能。


77

夹取伐木搬运开沟

夹取伐木搬运破土…

夹取…

破土

图 8：森林火灾消防车流水作业原理图

如图 8 所示，是我们森林火灾消防车流水作业的原理图。通过流水式作业的设计，我

们将机械臂定位夹取目标、伐木锯砍伐树木、机械臂搬运树木、破土机除草翻土、开沟

机开沟筑墙这五个主要工序结合成为了一个整体，均衡了施工、缩短了工期、充分利用了工

作面、提高了森林火灾的救援效率。

3.1.4 一物多用

我们在设计车辆的时候提出了结构尽量简单化和性能全力最优化的要求，因此，我们在

设计过程中融入了一物多用的设计理念。

一物多用就是让某一个模块、某一种结构具有多种的用途和功能。这样不仅可以减少车

辆的模块数量，优化车体的结构空间，节约材料、减轻车重，还可以提高车辆各个部分的利

用率，达到更好的森林火灾救援效果。

在伐木锯的机构设计中，无论是针对乔木还是灌木，我们都有对应的工作模式；机械臂

除了可以对树木进行定位夹持外，还可以完成树木的搬运；破土机既实现了土壤的预疏松，

又同时除去了杂草；开沟机既开挖了防火沟，又堆筑了防火墙；灭火系统的压力罐合理地利

用了气压的原理，既能压出水，又能控制气阀的气体供给。通过采用一物多用的设计理念，

我们以较少的模块实现了较多的功能，并进一步地强化了森林火灾消防车的救援效果。实现

了有限资源的充分利用，达到效率的最大化。

3.2 在机械结构上

3.2.1 越野越障系统

越野越障系统是车辆行进的基础，其设计性能的优劣在很大程度地决定了车辆在森林火

场救援能力的高低。在这一系统中，我们主要的创新包括了框架式底盘、自适应路面履带和

曲线悬挂。

框架式底盘的设计从结构力学的角度出发，根据森林作业的需要进行车辆底盘骨架的搭

建，不仅提高了车辆底盘的高度、减轻了车体的重量、扩大了车内空间，还保持了良好的车


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体强度；自适应路面履带的设计在传统履带驱动的基础上进行了突破，实现了分段式爬坡、

仰角可调，保证了越野越障过程中履带与路面处于最佳接触状态、获得更大的抓地力，设计

了变摩擦系数的履带，并采用“凹凸交替”的结构，让车辆的越野能力得到进一步提升；曲

线悬挂是在查阅了大量关于悬挂的资料后提出的新构想，这种悬挂不只是起到避震作用，还

能缓冲掉车辆行进方向上撞上障碍所受到的冲击，经过定性的计算，这一构想是有可能实现

的。

3.2.2 隔离带开设系统

隔离带开设系统是针对森林火灾救援中最有效的手段——“隔离带开设”进行细致的研

究后提出来的一套森林火灾救援系统。其独特之处在于各个组成部分巧妙的结构设计以及，

各个组成部分流水式的作业协调。这一系统包括了机械臂、伐木机构、破土机构、开沟机

构这 4 个主要组成部分。

机械臂的创新来自于对“关节型机器人”和“码垛机器人”优点的结合，采用了“局部

关节型”的设计，其特点是自由度多，同时负重大。机械臂具有独立的气动供应系统及传感

系统的设计，在机械爪的结构上也有很大的创意。双层立体式的夹爪采用了仿生学的设计方

法，确保了夹取树木的可靠性，夹爪中间安装了“舌头”机构，可以帮助实现树木的“吞”

和“吐”的动作。

伐木机构的设计结合了齿轮-齿条及曲柄-连杆-滑块等多种传动的灵活应用，其特点在

于不工作状态能将伐木锯“藏”起来，不会对车辆行进造成影响。伐木锯采用了组装式的设

计，可以根据需要拆换，征对森林中乔木和灌木这两种不同树种，伐木锯可以调用相应的工

作模式有效完成伐木工作，同时能够避免砍伐的树木可能对伐木人员造成的人身安全威胁。

破土机构的设计是隔离带开设系统的诸多创新中最巧妙的一笔。它的实际结构简单，构

思巧妙，可以根据不同的工作区域来选择合适的破土强度。在这一机构当中，我们通过对曲

柄-连杆-滑块这一机构的巧妙利用，通过曲柄带动滑块，又可以通过滑块带动曲柄，最终完

成了破土设备的自保护功能，避免了以往的破土作业中破土设备

非常容易损坏的问题，实现了有效的除草和翻土。

开沟机构的设计采用了左右分离的思想，用两台小型开沟机来代替一台大型的开沟机。

这种设计给予了开沟机更好的应变性，提高了工作效率。开沟机斜向位的加装方式使得挖沟

的切入角度与车辆行进方向有一定的切合，方便于挖沟的进行，开沟后挖出的土壤也得到了

充分利用，会在沟的两侧堆起两道防火墙，强化了防火沟的效果。


79

3.2.3 灭火系统

灭火系统的主要创新点在于一个四缸气体生成装置的设计以及物理灭火系统和化学灭

火系统中通过气体压力对系统的巧妙控制。

四缸气体生成装置设计的灵感来源于汽车发动机的四缸结构。我们通过巧妙的设计，

最终由一副变速齿轮组将电机输出的功率传递给四个对称分布的气缸，由四个气缸来共同保

证物理和化学两个灭火系统的气体供应。四缸的设计给予了气体更大的输出量，冲程之间的

互补确保了供应的气流的稳定。

物理灭火系统和化学灭火系统均是由两个储存罐构成的，他们的工作原理是通过气体

生成装置气流的导入，改变罐内压力，实现了水的喷出和化学反应的进行。这一设计过程的

巧妙之处是我们可以借助气压来控制化学反应的反应速度和程度，在系统关闭之时，反应物

会相互分离，停止反应。

3.3 在动力和控制系统上

3.3.1 动力系统

“森林火灾消防车”可以使用柴油燃料作为动力，我们还搭载了车载电源动力。这种考

虑的出发点是为了确保车辆在氧气不足的恶劣环境下不会因为柴油发动机熄火而停止运作。

电能作为一种清洁能源，正在为时代所提倡，而且电源的更换比较方便，通过充电还可以重

复利用，节省了成本。通过燃料动力和电源动力双重动力系统的保障，确保了我们的森林火

灾消防车在进行救火作战时具有较高的可靠性和持续作战性。

3.3.2 控制系统

该车辆是以机械为主体，以计算机控制为核心，机电传感技术相结合的产品。在设计控

制系统的过程中，我们引入了哈佛结构和流水线结构，通过科学的统筹分配任务，缩短工期，

提高效率。

图 9：用二极管改装的电路


80

在通信电路的设计过程中我们也采用了一些技巧。我们在 4个电子气阀的连线中加入了

二极管，通过正反两向电压的变化，实现了一个接口可以控制两路开关的通信模式。

四、主要功能指标

4.1 越野越障性能

1）、最大爬坡角度≥37°；

2）、单边、双边越障性能稳定，越障高度较高；

3）、具有一定的跨越壕沟能力。

4.2 隔离带开设性能

1）、机械臂成功定位并夹持树木；

2）、伐木锯成功将树锯断；

3）、机械臂完成了对锯断树木的转移工作；

4）、破土机破土顺利，避开了预置的障碍，达到了自保护的效果；

5）、开沟机工作稳定，完成了防火沟开挖，并利用开沟挖出的土堆出两道防火墙。

4.3 灭火性能

1）、物理灭火成功；

2）、化学灭火成功；

3）、联合灭火成功。

五、主要结构介绍

5.1 越野越障系统

越野越障系统是车辆行进的基础，其设计性能的优劣在很大程度地决定了车辆在森林火

场救援能力的高低。

面对森林地区乔木、灌木丛生，地势复杂，起伏不定等特点，我们提出了框架式底盘、

自适应路面履带、曲线悬挂的设计，有效地解决了车辆越野坡度较小和越障高度较低的缺点。

5.1.1 框架式底盘

底盘是一辆车的骨架，其结构的设计无论对车辆的可越障高度、越野能力，还是对车体

的重量、强度、内部布局都产生着至关重要的影响。

通过《结构力学》课程的学习我们了解到：空心管的抗弯曲强度要比实心管的抗弯曲强

度高。而经过对车辆底盘受力的分析，底盘受到的主要是垂直方向的作用力，即可以理解为

弯曲力。而在森林复杂的环境中，其地形和生态特点决定了救援车辆需要具备较高的底盘来


81

保证其越野越障的性能。

因此我们提出了框架式底盘这一概念。

采用框架式结构设计的底盘，不仅具有良好的抗弯曲强度、较高的底盘高度，还增加了

车内的可利用空间，节省了材料，降低了制造的成本。采用框架作为车辆基本骨架的设计符

合绿色、科学、高效的时代需求。

下图为我们框架式底盘越障高度：

图 10：框架式底盘越障高度

5.1.2 自适应路面履带

驱动是车辆的双足，它的设计决定了车辆的行走模式和行走能力。

在车辆驱动的设计中我们选择了履带驱动的方式。履带驱动相较于轮式驱动具有以下几

个优点：单位面积的压力小、行驶过程较为平稳、能够方便地跨越壕沟、有较强的抓地力。

由于我们的车辆设计属于森林地区作业的重型车辆，因此，采用履带驱动的设计更能符合实

际的需要。

我们的设计主要实现了以下几点突破：

①分段式爬坡，遇到一个角度大的斜坡（如 60 度），履带会形成角度的爬坡段（如 30

度+30度），将一个大的爬坡度分为几部分来实现；

②履带轮的高度、位置可变，使得履带可以根据路况自行调整，得到最佳的爬坡角度、

最佳接触面积，增加越野能力；

③加装了履带上导轮，这可以防止履带松脱，保证履带驱动的稳定性；

④履带采用了“变摩擦系数”的设计和“凹凸交替”的设计，整条履带的摩擦系数交替

变化，从而获得更大的抓地力。


82

分段爬坡高度可调

上导轮

图 11：履带驱动结构侧视图

图 12：变摩擦系数的履带

通过自适应路面履带的设计，我们的消防车可以实现履带与路面之间仰角的自调整，保

持与路面的最大接触面积，获得更大的抓地力。经过试验我们发现：采用自适应路面履带设

计的森林消防车越野能力要高于采用这一设计之前的森林消防车，由此证明了这一创新设计

的可行性和有效性。

5.1.3 曲线悬挂

目前在车辆中使用的悬挂系统主要包括：非独立悬挂系统、独立悬挂系统、横臂式悬挂

系统、纵臂式悬挂系统、烛式悬挂系统、麦弗逊式悬挂系统，以及最新出现的主动悬挂系统。

在这些悬挂系统当中，基本都是采用直线型的悬挂设计。这类悬挂有一个特点，就是对车辆

上下颠簸的冲击有较好的缓冲作用，但是却无法有效缓冲车辆前进方向上受到的冲击。

我们设计车辆悬挂系统的时候，提出了曲线悬挂的概念，采用带有一定曲度的弹簧作为悬挂。

结构如下图所示（由于慧鱼材料限制，我们无法做出真正意义上的曲线悬挂，但是提出这一

构想）：


83

图 13：曲线悬挂结构

此时车辆正向右行进。当履带轮撞上某一障碍后，履带轮向左上方发生定轴转动，并压

缩弹簧。向左的运动可以缓冲车辆碰撞到障碍物所受到的冲击；向上的运动可以实现车辆越

过障碍物的效果。在悬挂的整套规避动作中，悬挂的压缩和履带轮的提升，在履带与障碍物

之间形成了一个合适的接触角度和接触面，对车辆越野和越障性能的提升具有很大意义。

对于带有曲度的弹簧，我们建立了简易的模型来进行定性的计算分析：

图 14：弹簧结构模型图图 15：压缩转角-转矩关系图

结果表明，带有曲度的弹簧具有较好的强度。采用曲线弹簧设计的悬挂，具有较好的强

度，在避震的同时能够缓冲车辆前进方向上受到的冲击。这一创新可以增加车辆的稳定性和

乘坐的舒适感，并且延长车辆的使用寿命。

5.2 隔离带开设系统

隔离带开设系统是为了有效遏止森林大火的蔓延而开发的一套流水线式的作业系统。它

包括了机械臂、伐木机构、破土机构、开沟机构这 4 主要组成部分，各个机构均进行了巧

妙的构思和设计。通过几个部分之间的相互配合与协调，能够提高防火隔离带的开设效率，

机械化的工作也避免了救援过程中可能出现的伤亡。

5.2.1 局部关节型的机械臂


84

这是一款参考了“关节型机器人”自由度多、变化灵活，以及“码垛机器人”负重大、

工作稳定的特点而创新设计的局部关节型机械臂。

图 16：关节型机器人图 17：码垛机器人

图 18：局部关节型机械臂

这款“局部关节型机械臂”可以实现前-后、上-下、旋转以及抓取姿态调整 4 个自由度

的变化，再配合以车辆的运动，能够满足伐木作业以及搬运操作的自由度需求。

这种机械臂具有以下几个特点：

②� 具有较高的自由度，并且能够负载较大重量；

②双层的“蜗杆-滑块传动”，啮合齿面为线接触，多齿啮合，传动平稳；

③三角形构架和等腰梯形连杆机构，增加了机械臂负重部分的强度；

图 19：双层的蜗杆-滑块传动

第一层蜗杆-滑块传动

第二层蜗杆-滑块传动


85

图 20：三角形构架

图 21：等腰梯形连杆机构（横截面为等腰梯形）

④仿生机械爪：

姿态调整电机可以实现机械爪的 360度旋转，用以调整夹取树木的姿态；双层气动夹爪

的设计采用了仿生学的方法，立体夹取的方式，保证了整个夹取过程的平衡；机械爪上设计

了“舌头”结构，夹取树木的时候可以作为定位，实现“吞”的功能。当机械爪要放下树木

时，可以将树木推出，实现“吐”的功能；

图 22：姿态调整电机


86

内有气缸控制爪

开合

图 23：双层气动夹爪

图 24：“舌头”

⑤有独立的气体生成装置随机械臂一起运动，确保机械爪的气体供应。

图 25：随动气体生成仪

5.2.2 伐木机构

伐木机构由传动部分及可组装的伐木锯构成。

① 传动部分的设计采用了齿轮-齿条传动、连杆-曲柄-滑块传动和双滑块齿轮-齿条传

动。

双电机齿轮-齿条传动机构安装于框架式底盘内，通过一对等功率的纵向输出电机来控

制，实现伐木机构的前后运动。双电机的控制确保了伐木机构伸出过程受力的平衡性及机构

的稳定性。


87

图 26：双电机齿轮-齿条传动

连杆-曲柄-滑块的传动设计用于实现锯的垂直-水平旋转动作。当伐木机构从底盘中伸出

以后，通过电子气阀的控制，气缸收缩，与气缸所组成的连杆-曲柄-滑块机构发生运动，将

锯放为水平状态；当伐木工作结束，伐木机构准备收回底盘内的时候，通过对电子气阀施加

反向电压，气缸伸张，在连杆-曲柄-滑块机构的作用下伐木锯由水平状态回复为垂直状态。

图 27：连杆-曲柄-滑块传动

双滑块齿轮-齿条传动的设计用于控制伐木锯在伐木过程中的横向移动。分布在电机左

右的两个对称滑块的设计，使横向运动电机在伐木锯伐木的过程中受力均匀，避免了伐木锯

伐木过程中横向电机受力不均而发生变形。

图 28：双滑块齿轮-齿条传动

②在伐木锯的设计过程中，我们决定将伐木锯的模块制作为组装式的，即伐木锯可以根


88

据需要进行更换，这就增加了抢险过程中伐木工具的多样性。这也是我们伐木机构设计的又

一个亮点。由于慧鱼材料的限制，我们只制作拉锯的模型进行演示。

我们设计的电动拉锯采用了曲柄-滑块机构，通过电机带动曲柄，进而带动滑块进行前

后移动，模拟锯树过程。这种设计结构简单，但是在试验中，我们设计的电动拉锯成功将树

的模型锯断，锯树取得成功。

针对森林中包含了乔木林、灌木林这两种不同的环境，我们给伐木机构设置了配合机械

臂进行工作的砍伐乔木模式，也同样设计了快速高效的灌木清理模式，可以根据需要调用。

配合机械臂进行的伐木作业，由于机械臂的夹持定位，确保了树木被锯断后不会自行倒下，

保障了森林火灾救援过程中伐木人员的安全。

5.2.3 破土机构

破土机构是隔离带开设系统设计中的最特别的创新亮点。我们使用简单的结构设计出了

带有自保护功能和可以调节破土强度的破土机。

图 29：破土机构内部结构一览

破土机构由曲柄、连杆、滑块和压力气缸几个部份组成，通过对滑块→连杆→曲柄以及

曲柄→连杆→滑块的灵活利用，实现了自保护的机制。如图 30 所示，破土机正处在不工作

的状态，破土机构收容于框架式底盘提供的内部空间当中，不会影响车辆的正常行驶。

图 30：不工作状态

滑块 1 压力气缸

滑块 2

连杆曲柄


89

准备开始工作前，先根据当地土壤的硬度，通过改变压力气缸中的大气压力值，来选择

一个合适的破土强度值，这就可以适应不同地区的作业面要求。

当开始工作时，由破土机构前端的电机（图 29 中的滑块 1），带动压力气缸和破土机构

的滑块 2 向前运动，滑块 2 的向前运动引起曲柄和连杆的运动：滑块→连杆→曲柄，将破土

犁放下，随着车辆的前进插入地里。此时，破土机构开始工作。

图 31：破土机构放下的状态

在工作过程中，如果破土机构撞上障碍物，此时，由曲柄带动连杆发生运动，进而推动

滑块 2 向前移动：曲柄→连杆→滑块，此时压力气缸上的连杆受到压缩，而破土机构顺着障

碍物的运动方向发生了抬升，避开障碍物。如图 32、33 所示。

图 32：撞上障碍后破土机构抬起

图 33：避障高度一览


90

破土机构越过障碍后，由于压力气缸的压力作用，气缸会推动滑块 2 向后运动，引起滑

块→连杆→曲柄，从而将犁再次放下，插进土里继续破土作业。

图 34：避障后回复原状

设计破土机构的目的是实现除草和破土，为之后开沟机的开沟工作做好预松土壤的准

备。这一机构的巧妙之处在于对曲柄-连杆-滑块机构的巧妙应用，实现了主动避障的自保护

功能，避免了以往的破土设备破土过程容易损坏的缺点，并且可以根据工作地域的不同来设

定合适的破土强度值，适用性广。

5.2.4 开沟机构

开沟机构由起降装置和两台开沟机组成。

图 35：开沟机构外观

①起降装置：

起降装置的设计采用了涡轮-滑块的传动机构，并辅助以双导轨固定方向。这种设计模

式是为了保证起降装置的承重能力和开沟机起降的稳定性。

②开沟机：

我们选择了两台小型开沟机来分别进行左、右两侧的开沟工作。选择两台小型开沟机相

比较于一台大型开沟机的好处在于：减轻了开沟机的重量，开沟的过程中不会因某一侧的障

碍而抬起整个开沟机，确保了开沟效率。


91

开沟机采用了斜向加装的方法，这样加装的优点在于可以让开沟机有一个与车辆前进的

方向相切合的切入土壤角度，有利于防火沟的挖掘。

开沟机的另一个特点就是充分利用了开沟挖出的土。由开沟机旋转产生的离心力会将开

沟挖出的土抛向沟的两边，这样在开沟的同时也就在沟的两边堆起了两道防火墙，可以达到

更好的隔火效果。这种设计实现了资源的充分利用，提高了隔火的效果。

图 36：开沟机工作过程

5.3 灭火系统

5.3.1 四缸气体生成装置

四缸气体生成装置的设计灵感来自于汽车的四缸发动机。装置构造如下图所示。

图 37：四缸气体生成装置背面图 38：四缸气体生成装置正面

如图 38 所示，该装置的正面安装有 4个小气缸，气缸上下各 2个，两两对称。这种安

装的结构确保了气缸在运作过程中生成装置的稳定性。

气缸的动力来源于一个变速比为 8:1的慧鱼电机。电动机输出的转速传递给气体生成装置背

面的变速齿轮组，如图 37 所示。经过变速齿轮组的变速和传递过程，最终将转动传递到图

37 中圈出的两个点，带动气体生成装置正面的两个偏心轴转动，从而带动气缸产生气体。

四缸联动的模式对比于普通的气缸，它有更高的气体产量、更大的气体压力和更快的气体供


92

罐 1

罐 2

A

应速度。同时，四缸联动的冲程互补，保证了生成的气体压力处于一个平稳的范围。

5.3.2 水灭火系统

图 39：水灭火系统

如图 39 所示：罐 1为储气瓶，连接着气体生成装置的输气管；罐 2为储水箱，下端连

接着出水的水阀；罐 1与罐 2 在 A处连接。当水的出口阀门关闭时，罐 1内储存了大量的气

体，气压升高。

当启用时，打开储水罐的水阀，在重力和罐 1中高压气体的作用下，水被压出，形成水

枪，通过水的冷却作用、“窒息作用”和水冲击作用，将林火扑灭。

这是水灭火系统的工作原理。

5.3.3 化学灭火系统

在采用水灭火的同时，我们还引入了化学灭火的手段，通过双管齐下来增加林火被扑灭

的可能性。

我们利用泡沫灭火器的原理，将固体的硫酸铝和液体的碳酸氢钠分别储存在上、下两个

储存罐内。下储存罐的出口 B1 与气体生成装置的输气管相连，B2 与上储存罐相连。

灭火系统工作时，气体生成装置将空气导入下储存罐中，由于气体密度比液体轻，空气浮于

下储存罐的顶部，将下储存罐中的碳酸氢钠液体压入上储存罐中，与上储存罐中的硫酸铝发

生化学反应。反应方程式如下：

Al2(SO4)3+6NaHCO3==3Na2SO4+2Al(OH)3↓+6CO2↑

生成的二氧化碳由上储存罐的出气口导出，形成高气流的二氧化碳并吸收大量的热。通

过降低周围环境的温度和减少氧气的浓度的方式进行灭火。

采用将下储存罐的液体压入上储存罐的方法，其优点在于我们可以方便地控制反应的速

度，防止反应过于剧烈导致气压过大而爆炸。当灭火系统关闭时，只要打开下储存罐的导气

口，上储存罐中的碳酸氢钠就会回到下储存罐中，与硫酸铝分离。充分地利用大气压的原理


93

进行结构设计，这也是一个创新。

图 40：化学灭火系统

六、可行性、成本及应用前景分析

我们设计的森林火灾消防车在理论上可以实现，在模拟试验中完成了我们预期的功能，

整体设计贴近实际。在设计过程中，采用的结构和部件很多在目前的市面上均能找到，不存

在太多的技术瓶颈。

目前在森林火灾救援过程中还没有出现类似我们作品的车辆，我们的设计属于首创，具

有广阔的市场空间。如果投入实际生产，森林火灾消防车的成本估计在百万以上，但是考虑

到森林火灾消防车能够遏止森林火灾所造成的上千万乃至上亿元的经济损失，百万元的投入

物有所值。

此外，本车用途广泛，除了可以进行森林火灾救援，还可适用于日常的野外巡防、林业

维护、伐木场伐木等，通过机械化、流水式的作业，既节省人力，又安全高效。不仅实现了

森林火灾时的有效救援，还可以在日常进行各种林业工作，实现经济创收。综上可知，我们

设计的森林火灾消防车应该具有良好的应用前景。

B1

1

B2

1


94

6.2 逃生、避难类机械

长途汽车碎窗逃生装置

设计者：徐宝顺、祖述琛、李晶鑫、施张杰、黄亮

指导教员：李宝峰

中国人民解放军军械工程学院，河北石家庄 050003

摘要：本文介绍了汽车碎窗装置研制的背景及意义，其中突出强调了该装置的在汽车发生交

通事故时为乘客逃离争取时间的重要作用，同时重点分析阐述了几种击针执行部分的设计方

案，最终确定了以叠氮化钠为蓄能物质的方案，并对该装置的感应控制部分及气体发生器进

行了简要叙述，最后文章指出了该装置的创新点、推广价值及扩展方向。

关键词：交通事故安全锤控制叠氮化钠

一、研究背景及意义

汽车如今已经成为我们出行的重要工具，在我们享受车辆带给我们的方便快捷时，由此

引发的交通事故越来越受到人们的关注。据有关调查表明，交通事故已经成为意外伤亡的头

号杀手。根据 2009 年 6 月 15 日，世界卫生组织发布首份《道路安全全球现状报告》，称全

球每年有至少 127 万人死于交通事故。而中国由于人口数量大，历年交通事故死亡人数官方

统计排在所有国家中的第一位。中国每年交通事故约 50 万起，因交通事故死亡人数的年均

超过 10 万人。按平均算，每 5分钟就有一人丧身于交通事故，每 1分钟都会有一人因为交

通事故而致伤残。每年因交通事故所造成的经济损失更多达数百亿元。

面对频发的交通事故，国家出台了许多相应的法律法规来抑制交通事故数量上升的趋

势。根据 2010年最新公布的统计结果可知，2009 年，中国共发生道路交通事故 23.8万起，

造成 67759 人死亡、275125 人受伤，直接财产损失 9.1 亿元，与去年同期相比，分别下降

10.1％、7.8％、9.8％和 10.7％。公安部交管局的统计数字还显示，2009 年，发生一次死

亡 10人以上特大道路交通事故 24起，同比减少 5起。全国万车死亡率为 3.6，同比减少 0.7。

可见随着国家交通管理方面制度的健全，交通事故呈现减少的趋势。但是由于交通事故的难

以遇见性，交通事故的种类也呈现出多样性。

例如，现在长途客车出于对车内舒适程度的考虑，逐渐告别了以前活动门窗的设计，取

而代之的是整体密封式门窗结构。但乘客们只能通过电气控制的车门来上下车，这就带来了

一个问题：在紧急情况发生时乘客们能及时离开车体吗？根据我们的调查在长途客车中一般


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都会乘坐 30-50人，在公共汽车上为 30-100人在正常情况下全体乘客全部离开车厢需要 2-3

分钟。如果发生紧急情况下考虑到人员拥

挤、混乱等一些情况的发生，相信乘客们

逃离所需要的时间会更长，这就带来了安

全隐患。在 2009 年 6 月 5 日发生在四川

省成都市的震惊全国的恶性事故就是个

很好的例子。当日上午 8时许，成都市三

环路川陕立交桥进城方向下桥处，一辆 9

路公交汽车突发燃烧，由于车上人员密集

无法及时疏散，造成乘客中 27 人死亡、74 人受伤。虽经事后调查这是一场人为事故。但近

几年由于车辆的密封设计和人员疏散上考虑的不周全，在事故发生后造成人员间接伤亡的例

子比比皆是。2007 年 08 月 02 日，美国桥梁坍塌 7 人由于汽车落水后无法及时逃生死亡。

2009 年 4月 12 日，浙江金华发生汽车落水事故 5人封闭车内窒息而死。2009 年 6月 29日，

广西来宾市发生一起大巴车侧翻事故多人被困车内。

在车辆发生交通事故或意外后，由于油箱泄露起火、落水等一些原因，车内容易发生二

次事故，造成间接伤害，所以车内是最不安全的，乘客们必须尽快离开车体，但是此时汽车

的密封式结构便带来了严重的安全隐患。人们逃离车体时肯定优先选择从车门逃出，但现有

车辆的车门都是由电气阀控制，电气阀的开关由司机控制，在以上发生的事件中，控制车门

的电路已经失效，车门便无法打开，即使在门能够正常工作的情况下由于情况紧急、人员拥

挤，乘客很难在短时间内疏散。在此时很多人可能想到破窗而出，但出现了这样一种情况：

由于车上安装的大多是钢化玻璃，它是为了起到密封和安全的作用，但是它们很难被打破。

专家在对 6月 5日成都公交车事故调查后得出结论，从车燃烧到完全烧毁经历了不到一

分钟时间，在这生死时刻车内浓烟大，可视度低，直到有一名乘客击碎其中一个车窗大家才

有了逃生通道。通过此事，舆论的焦点都吸引到了公交车如何逃生的问题，“怎样逃？往哪

里逃?”成了人们议论的焦点。沈阳市在 2009 年夏天取消了全市的空调线路，密封完好的车

窗更换为推拉式车窗。许多城市也将效仿之。这种方法只能应用到短途客车，在长途客车的

运行途中没有空调设施会使乘客乘坐很不适应，影响舒适度。

在现有车上为了击碎玻璃通常装有安全锤（如图 1），在发生 6 月 5 日的成都公交车焚

毁事件后，安全锤也成了热销产品，在一家网店销售记录上可以看到，一天能卖到上百把。


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许多人建议，在制度上强行规定汽车安装安全锤并进行日常维护。但是由于安全锤体积小、

容易丢失以及使用方法不正确等一系列原因，在紧急突发事件中很难物尽其用。比如在汽车

起火这类的事故中，车内能见度低，不容易找到安全锤；在交通撞击事故中，安全锤容易掉

落，人在慌乱中无法找到；安全锤的使用方法很关键，而很多人都使用不正确。以上几点就

导致了安全锤难以物尽其用。

图 1：安全锤

为此我们设计了该装置，目的就是不对现有车辆进行任何改装，直接在车窗上安装碎窗

装置，合理击碎钢化玻璃，由于钢化玻璃特性不会产生锋利切口，人可以从车窗逃生。该装

置造价低廉，不会增加营运司机的负担。在上面已经提到在政策的影响下，交通事故上升的

趋势已经得到遏制，相信如果在政府监督下安装汽车碎窗逃生装置，就可以大大提高大型车

辆的安全系数。为乘客提供舒适环境的同时降低了安全隐患。

二、设计过程及最终方案

（一）整体外观

我们要先分析一下钢化玻璃的特性和从车窗逃生的可能性。在现有车辆上特别是长途客

运汽车安装的都是钢化玻璃，它与普通玻璃相比有以下特点：

第一、强度较之普通玻璃提高数倍，抗弯强度是普通玻

璃的 3～5倍，抗冲击强度是普通玻璃 5～10倍，它提高强度

的同时亦提高了高速行驶中的安全性。

第二、使用安全，其承载能力大而且改善了普通玻璃的

易碎性，即使钢化玻璃破坏也呈无锐角的小碎片，对人体的

伤害极大地降低了。钢化玻璃的耐急冷急热性质较之普通玻璃有 2～3 倍的提高，一般可承

受 150LC以上的温差变化，对防止热炸裂有明显的效果。

所以针对钢化玻璃的特点来说，钢化玻璃很难被击碎，尤其是在一个人在受伤慌乱的情

况下，这就是为什么在大巴车上发生意外很难逃出车体的原因。但钢化玻璃也并不是坚不可


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摧的。钢化玻璃在受到集中压应力时也会被打碎，同时由于内部受拉，外部受压的应力状态，

一旦局部发生破损，便会发生应力释放，玻璃外层向被破损处膨胀，而内层却从破损处向内

收缩，迅速崩裂下来一个小块，这个小块加大了破损边界，进而导致了更多崩裂下来小块，

直到整块玻璃全部破裂成小的碎片。通过控制一定厚度玻璃内部受拉与外部受压厚度的比例

及内外层收缩率差，可控制破裂碎片的尺寸大小。就是说在钢化玻璃被击碎后会很快碎裂成

一小块一小块。根据钢化玻璃的碎片测试情况，碎片数最少在 30 片以上。玻璃的四角比较

容易破碎，因为钢化玻璃抗弯强度是普通玻璃的 5倍，要是击玻璃中央，力量会被分散吸收。

而四角受力相对不容易分散，击碎一点就会使整体破裂成不容易伤人的小玻璃珠。

首先我们的造型设计为了不影响车的整体外观，利用长途客车车窗上的空间安放我们的

装置。整个装置外形尺寸为 90×70×50（长×宽×高），为了不影响乘客实现和固定作用将

其安装在车窗内侧顶部（如图 2），将击碎部分安装在边角的原因是因为能够在较小冲击力

的作用将车窗合理击碎。同时整个装置通过螺栓固定在车窗上。在外形上可以进一步优化，

不影响到乘客视线和车的整体外观。

图 2 车窗内侧顶部

（二）击针执行部分

该部分是整个装置的核心部分。

1、我们在设计时曾提出过多种方案储存击碎车窗所用的能量，主要考虑应用弹簧的特

性来解决这个问题，总结起来由以下几种：

方案一：利用圆柱形螺旋弹簧（如图 3）。整个击碎部分被设计成圆柱形状像一个笔筒

垂直安装在玻璃上，撞针在弹簧的前方事先将弹簧压缩，在解锁后弹簧解开压缩释放弹簧的

能量。这种方法的缺点是在垂直玻璃的方向的距离太大，经过我们的计算需要 10 厘米的距

离。影响车内空间和乘客的视线。所以我们取消了这个方案。

钢化玻璃

碎窗装置


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图 3 圆柱形螺旋弹簧

方案二：利用扭转弹簧。击针被藏在车窗框内部，在解锁后画出一个圆弧轨迹击碎车窗，

这种方法的有点是节约空间不会影响视线。但是我们在随后的验证中发现，在出现侧翻的情

况时，如果在击针运动的轨迹上如果由异物会影响击碎效果，如果是人的身体部位容易造成

伤害。这种方案被否定了。

经过以上两个方案我们总结了整个装置需要满足的条件：一是不占空间，二是在有限的

空间内存储足够的击碎能量。所以我们得到了最终方案。

方案三：利用平板弹簧（如图 4）。平板弹簧可以在很小的弹性应变量中存储较大的能

量，经过我们调整除了击针外大部分装置都安装在车窗框上，不会影响玻璃视线，而且整个

激发过程不会伤害到乘客。板簧的支承方式有如图所示的两种：

图 4 平板弹簧

(a)图中3

1

48

FL

EI ，(b)图中

3

2

3

FL

EI ，在相同的条件下，简支梁产生的挠度变形 1

小于悬臂梁产生的挠度变形 2 ，节约了变形空间，而且简支梁的对称结构有利于受力的均

衡，所以我们选择了(a)图所示的支承方式。

2、另一个重要的部分是解锁装置，由于所需要的能量较大，所以解锁力也较大。在车

辆发生以外的时候车内电源多会被切断，所以我们的装置不能应用车内的能量解锁，采用独

立的电源形式，提供的能量会有限。


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主要由以下几个方案：

方案一：利用挡片。挡片被安装在击针前方，在解锁时由电机带动齿条抽出挡片随后击

发。但在整体设计时会影响结构，经过计算这种方法会产生较大的力。所以我们没有应用。

方案二：利用纯机械结构（如图 5）。当冲击加速度超过一定值时，才能实现解锁。这

种方法解锁力减小，但在车辆正常行驶过程中会产生颠簸，不能保证整个装置在这个过程中

安全稳定的锁定。

同样我们也得到了解锁装置应具备的条件：驱动力小，结构简单、易布置，在正常行

驶中保证安全性，即能自锁。

所以我们应用了以下结构：

方案三：利用螺栓预拉弹簧。当加速度传感器接收到碰撞信号后，驱动电机旋转，并经

齿轮变速箱减速，增大了电动机的扭转力矩，可将螺纹旋松，弹簧便可脱离螺栓的束缚，带

动击针击碎钢化玻璃。车正常行驶过程中，由于螺纹的自锁以及自锁电机的性质，保证了安

全性。

图 5 机械结构

经过上面分析我们得到了击针击碎装置的设计示意图（如图 6）

图 6 设计示意图


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但是上述装置的致命缺点：（1）板簧的尺寸设计困难，得利用复杂的弹性力学公式计算，

而不能简单的使用理论力学的公式近似；（2）板簧需要有一定的加速空间，否则存储的能量

不能完全释放，达不到击碎玻璃的条件；（3）板簧经长时间的大挠度变形，会产生部分塑性

变形。所以我们设计了利用气体存储能量的装置（如图 7）。

图 7 存储能量的装置

原理：当叠氮化钠（如图 8）爆炸后，产生的大量氮气迅速充满密闭仓，将隔离膜击破，

气体将通过导气管，使力作用于活塞上；此时气压控制部分发挥作用，只有当对活塞的作用

力在楔形滑动体滑动方向上的分力大于弹簧力，才能使楔形滑动体向右运动一定的距离，以

使合金击针顺利以合适的速度击碎钢化玻璃。气压控制部分的主要作用在于控制作用于活塞

的力，也就间接控制了气体压力，使击针能产生较大的加速度，在有限的距离内达到击碎钢

化玻璃所需的速度。

图 8 叠氮化钠

（三）感应控制部分

主要由信号分析电路（含电源）、扭转弹簧、微动开关、重力小球、摩擦滑道和弹簧挡

片等组成。

此部分主要用于判断击碎车窗的时机。由于在车辆所面临的交通事故主要是碰撞、侧翻。


101

在这方面的测定上我们通过参考资料得知现有车辆上主要安装的是碰撞传感器来判断汽车

是否出现了碰撞。因为车辆正常行驶的加速度和撞击产生的加速度有很大的差别（见后面理

论分析）,所以我们在设计上考虑到成本原因，用我们设计的简易检测设备也能达到检测的

目的。

首先分析感应测试部分所要具备的条件：第一，在车辆发生意外的时候要及时产生控制

信号。第二，在车辆正常行驶时保证不发生意外解锁。第三，在正常行驶途中保证安静不影

响环境。最终我们得到了感应测试部分的结构（如图 9）。

图 9 感应测试部分

1、原理：汽车正常行驶时，弹簧挡片和扭转弹簧将重力小球固定在起始位置，信号电

路不工作。当汽车受到冲撞时，惯性力促使重力小球克服弹簧的力以及摩擦滑道提供的摩擦

力，摆向微动开关，使其常开开关闭合，促使信号分析电路工作，产生电信号来触发气体发

生器。摩擦滑道能够提供的较大的摩擦力，保证在正常行驶过程中重力小球只发生小幅度摆

动。

2、扩展：为了保证感应信号更加精确，我们可以将此部分用磁电式碰撞传感器替代，

产生更加准确的碰撞信号。

磁电式传感器可以安装在车身上的任何位置，只要稍微调整一下某些参数值，使得其能

够识别峰值为 0588 m/s：和时间脉冲为 0-20ms 的碰撞加速度信号即可。只要碰撞加速度峰

值和时间脉冲宽度同时满足条件，就会向气体发生器发出触发信号，产生大量气体，以提供

击碎玻璃的压力。

传感器结构如图 10 所示，它由外壳（非磁性材料）、磁性材料、惯性体（非磁性材料）、

连接在惯性体上的软铁、支持和调节位移幅值的弹簧、安装在与外壳连接的凸柱内的永久磁

铁和绕制在软铁上的线圈及引线组成。当传感器受到碰撞加速度时，惯性体产生反向加速度，

导致通过线圈的磁通量发生变化，在线圈引线两端产生钟形脉冲信号，当调整弹簧刚度时，

可改变加速度信号的宽度。


102

传感器的信号判别电路由三部分组成：信号幅度判别电路；信号宽度判别电路；有用、

无用信号判别电路。通过对碰撞信号进行多方位的判别，可使控制装置获取的碰撞信号更全

面，发出的点火控制更准确，从而确保车窗在必要的情况下击碎。

磁电式传感器不仅电子判别电路出错率低，感应碰撞信号的可信度高而准确；而且通过

标锤落定实验可以调节它的感应范围宽度，满足汽车碰撞产生脉冲的再现，从而还可以安装

于车身上任何部位。还有就是它设计简单，价格低廉。

图 10 传感器结构

（四）能量存储部分

该部分由固体存储密闭仓、叠氮化钠（NaN3）固体、点火装置等组成。

当感应控制部分发出电信号后，触发点火装置点火，点火后叠氮化钠发生爆炸反应，产

生大量的气体（N2）和固态钠，通过控制叠氮化钠的质量来控制气体的质量，再控制气体体

积便达到了控制气体的压强的目的。

三、理论计算及说明

（一）用实验测击针击打玻璃瞬间的速度v

实验内容：在长度约为 50cm 的空间内，手握 200g 的安全锤做出击玻璃的动作，来回

20 次（锤击出时间约占收回时间的 2/3），记录所用时间，依照此法共进行四次实验，实验

数据如下表所示:

来回一次挥锤时间1 2 3 4 9.83 10.21 10.09 10.27

0.5054 20 4 20

v v v vt s

锤击出时间3 3

0.505 0.3035 5

t t s

试验次数 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

时间/s 9.83 10.21 10.09 10.27


103

锤击出加速度 2

2 2

2 2 0.510.89

0.303

Sa m s

t

击针击打玻璃瞬间的速度 10.89 0.303 3.3v at m s

（二）气压控制部分弹簧的参数选择

由上述实验，测得击针瞬时速度v =3.3m/s，由于实验的误差以及整个装置的可靠性需

要，我们取速度的修正系数 k=1.5，于是：

1.5 3.3 4.95v kv m s

由于整个装置的体积限制，加速距离应限制在 1.5cm 以内，取 1.5s cm

根据公式： 2 20 2asv v

式中： 0v 表示击针的初始速度；

a 表示击针的平均加速度。

可得：2 2 2

0 2

2

04.95816.75

2 2 1.5 10

v va m s

s

则气体对活塞的作用力 0.2 816.75 163.35F ma kg m s N

经调查，安全锤的锥角一般为 120°，则楔形滑动体的楔角 30

于是，F 在楔形滑动体滑动方向的分力 ' 163.35282.9

tan tan 30

F NNF

设弹簧需压缩的长度 l =1cm，由公式 ' klF

得，弹簧的弹性系数' 282.9

141450.02

NFk N m

l m

此弹簧的弹性系数 k 值过大，加大了弹簧的设计难度，而且弹簧的尺寸会比较大。

所以可以重新设计一下气压控制部分，如图 11

图 11 气压控制部分


104

上述设计利用了板簧弹性系数大的优点，能够很好的起到闭锁击针的作用，保证了击针

的初始加速度。

（三）计算叠氮化钠的质量

叠氮化钠的化学反应式： 23 2 32 Na NNaN

则每产生 1g 氮气需要叠氮化钠的质量2 65

1 1.553 28

m g g

设标况下，空气的压力为 P0，生成的气体产生的压力为 P，活塞的横截面积为 S，则对

活塞受力分析，可知： 0PS P S ma （当击针能够正常向前运动时，悬臂式板簧对击针

的作用力远小于气体压力，可忽略）

于是可以求出： 0ma

P PS

通过查资料可知，5

0 1.01 10P Pa

根据设计需要， 2 2 2 3 23.14 (2 10 ) 1.256 10S r m （r 为活塞的横截面积）

则5

03

163.351.01 10 231

1.256 10

maP P kPa

S

根据克拉伯龙方程式通常表示为PV nRT

式中：V 表示气体体积；n 表示物质的量；R 表示气体常数；T 表示绝对温度。所有气

体 R 值均相同，如果压强、温度和体积都采用国际单位（SI），R=8.314Pa·m3/(mol·K)

通过公式变换，克拉伯龙方程式可变为：m

PV nRT PV RTM

（Ｍ为气体的摩

尔质量）

查阅资料可知，叠氮化钠的放热分解过程中，温度的峰值 748.8mT K ，氮气的摩尔

质量 28M

固体存储密闭仓体积36 6 1.5 54V cm cm cm cm

则氮气的质量5 62.31 10 54 10 28

0.05618.314 748.8m

PVMm kg

RT

那么所需叠氮化钠的质量 1.55 1.55 56.1 86.96m m g g

取 1.1 86.96 95.7m km g （k 为修正系数）

查资料可知，叠氮化钠固体的密度是 21.85g cm ，


105

于是得出叠氮化钠固体的体积295.7

51.71.85

mV cm V

，符合条件

最终，取叠氮化钠的质量为 95.7g

四、工作原理及性能分析举例

结合该装置的三维模型图（如图 12，外壳未画出），对该作品的工作原理及性能分析举

例如下所述。

图 12 装置的三维模型

1、当汽车发生碰撞后，惯性力促使重力小球克服弹簧挡片及扭转弹簧的力以及摩擦滑

道提供的摩擦力，摆向微动开关，使其常开开关闭合，促使信号分析电路工作，产生电信号

来触发气体发生器点火。如果采用磁电式碰撞传感器，当传感器受到碰撞加速度时，惯性体

产生反向加速度，导致通过线圈的磁通量发生变化，在线圈引线两端产生钟形脉冲信号，当

信号强度大于一定值时，便可以触发点火装置点火。

2、收到点火信号后，点火装置迅速对叠氮化钠点火，叠氮化钠便迅速发生爆炸式剧烈

的分解反应，瞬时产生大量的氮气，充满整个固体存储密闭仓，将隔离膜冲破，氮气开始通

过导气管部分。

3、随着分解反应的进行，产生的氮气也越来越多，当密闭仓的气体压力大于大气压力

P0时，活塞便有向前运动的趋势，此时悬臂式板簧的力开始作用在击针上。当气体压力大于

P0和弹簧力时，击针便在气压的作用下迅速加速，达到所需的速度。整个上述过程经历的时

间特短(大约有 30ms),所以上述过程只是理想的描述，它们实际上几乎是同时进行的。

击针

活塞

板簧

点火

装置

固体存储密

闭仓

碰撞传感

器

此处紧贴

玻璃


106

4、击针撞击钢化玻璃的边角后，钢化玻璃由于应力集中，便迅速裂缝成棱状碎片，但

还是连成整体，此时乘客只要轻推钢化玻璃，便可将玻璃推破，实现从车窗处逃脱的目的。

五、创新点及应用

本作品的创新点：一是充分对比现有常规的储能方法，通过分析得到了用叠氮化钠瞬时

爆炸产生巨大的气压，推动击针击碎玻璃。二是克服了手动控制的缺点，利用汽车安全气囊

的控制思路，实现了对整个装置的自动控制。三是将整个装置微小化，并固定在车窗上，不

会对车窗产生影响。

本作品在设计初就本着以人为本的原则充分考虑乘客的安全，在保障乘客安全的同时最

大限地缩小外形，避免影响车辆的外观。同时充分考虑了司机的成本，在造价低廉的情况下

不会给运营人员带来太大的负担。在安装该装置后的车辆能给乘客带来足够的安全感，使运

营人员在竞争中得到优势。如果政府强制加以执行安装，必然会减少某事故的人员伤亡率。

所以，我们相信该装置在投放市场后会有比较广阔的市场前景。

六、扩展及补充说明

上述装置只能实现对碰撞事故的正确检测，但如果没有发生碰撞，例如成都“6·5”公

交车焚毁事件，又如美国桥梁坍塌导致汽车落水事件，等等一系列事件，该装置便无法发挥

功效。此时，我们考虑可在传感器上加入烟尘感应模块、水感应模块等等一系列模块，实现

更多的功能。如果有些特殊情况传感器实在无法识别，那么还可以在该装置上置入手控装置，

进一步提高该装置的实用系数。

参考文献

[1] 邓星钟主编.机电传动控制（第三版）.武汉：华中科技大学出版社.2001，3

[2] 余永权等编著.单片机在控制系统中的应用.北京:电子工业出版社.2003，10

[3] 杨可桢程光蕴李仲生主编.机械设计基础（第五版）.北京:高等教育出版社.2006.5

[4] 刘鸿文主编.材料力学Ⅰ、Ⅱ（第四版）.北京：高等教育出版社.2004，1（2007 重印）

[5] 王煜东主编.传感器及应用. 北京：机械工业出版社.2002，8

[6] 刘东民王生昌.现代车用安全气囊发展简介.1998,2


107

6.3 家庭用机械类

家用机械小伴侣

设计者：白迪湛张天翼汪子钦周雅晨严语

指导老师：张育林赵卫军

西安交通大学，西安 710049

摘要

根据现在社会的需求我们设计了一款应用于家庭或是宿舍内的用于小型物品整理和储

存的机器人，并且可以实现平面和立体的整理功能。另外，机器人可带着所存储的物品进行

移动，且其运动不受楼梯和门槛的限制。本机器人还可以实现低碳照明，为其供能的太阳能

电池板可以实现自动对光功能，达到实时采能最大化。装在机器人上的摄像头可以使用户对

物品进行整理和存储的远程控制。

关键词: 慧鱼创新整理存储移动

第一章创新背景

随着城市的不断发展，我们越来越希望拥有一个智能化的家居生活，于是人们不断地在

尝试将机器人带进现实生活中。相信随着科技的不断进步，我们所设想的机器人正如一开始

只出现于影视作品中的诸多高科技产品一样，最后都逐一走进我们的生活。

影视作品中的机器人

了解到现在市场上，家用服务类机器人功能比较单一，用于物品整理和存储的机器人更

是少而又少。为了满足现在的市场需求，我们设计了一款以物品存储和整理为主要功能的多

用途机器人。它可以帮助用户完成一些琐碎物品的整理任务，并能完成一些人性化的功能，


108

成为用户的家居生活小伴侣。家用机械小伴侣可以将物品存储在箱体内，然后在室内进行移

动，实现移动存储。同时它又可以将地面的物品整理到桌子或柜子这些较高平面上，实现立

体整理。另外本机器人在夜间或微光环境下可以进行照明，而为其供能的太阳能电池板可以

在白天对光源实现自动对光，达到实时采能最大化。安装在机器人身上的摄像头可以使用户

对物品进行整理和存储的远程控制。如在日常生活中，很多家庭的儿童经常乱丢玩具，若不

及时整理，玩具的尖利棱角会伤害到儿童。如果有一个上述功能的机器人，不仅能在这个方

面保护儿童，还能帮助家长减轻家务负担。将整理好的玩具放在高处的功能，能防止儿童在

无人状况下玩危险玩具。而移动存储会在很大程度上节省居室空间。基于以上，我们设计了

这样一款家用机械小伴侣。

第二章方案设计

整个机器人由底盘系统和箱体系统组成，可以实现室内全地形移动储存、物品拾取及放

置整理、自动对光能量采集、寻线照明功能、遥控执行特殊任务等 5 个功能。

2.1 系统结构框图

2.1 系统结构框图（点线为能量提供路线；虚线框内为同一物理模块）


109

2.2 各功能流程图

2.2.1 平面整理流程图

2.2 平面整理流程图


110

2.2.2 立体整理流程图

2.2 立体整理流程图


111

2.2.3 寻迹照明流程图

2.2.4 自动对光流程图

第三章创新设计与相近产品的异同

本作品与市场其他类型的机器人相比主要有以下两方面的创新点:

3.1 设计理念创新


112

a) 移动储存

现在市场上有很多储存用的机器，也有可以移动的机器人。但是既可储存又可移动的机

器人却寥寥无几。市场上有储存作用的机器人主要以娱乐为主，应用范围不广并且不能进行

移动。而市场上现有的移动机器人，虽然可以实现自由移动但是却不能进行存储功能。而本

作品可以实现在平地和楼梯的平稳运动，平地运动可以是向前、向后或左右转动。副履带在

平地运动时收起，在爬楼时通过曲柄滑块机构使其抬起放下实现重心的移动，同时主履带尾

部的铲斗与之配合实现逐级上楼的功能。

b) 立体整理

生活节奏的加快催生着家用整理型机器人的市场，然而现在市场上主要是一些清洁型机

器人，但是这些清洁型机器人并不能满足用户需求，本作品的设计正好填补了这个技术空白。

这款机器人主要是针对小型物品的移动整理设计的。这种整理分为全自动和半自动的。将物

品放入箱体可以由用户手动放入，也可由机器自动将物品收进箱体，实现了功能的多样化。

这个收起物品的功能既可保护小孩子免于被有尖角的玩具伤害，而将收起的玩具放置安全位

置的功能又可防止小孩子在无人看管的环境下自己玩有危险的玩具。此整理功能不同于以往

机器人的“平面”整理，它可以实现“立体整理”，即从地面到桌面,适用于未来的生活。

c) 实时采能最大化

本作品为实现能源利用的最大化，太阳能电池板可以通过顶门和底盘实现二维方向的转

向，进而实现自动对光功能，体现了可持续设计思想中的长效设计。这样的设计实现了实时

采能的最大化，随着太阳在全年中的每天对室内的入射角的实时变化，自动对光机构捕捉到

太阳光的最强照射角，使采集能量时的电流达到峰值，从而让本作品在有光的情况下充电量

达到最大。太阳能电池板的加入降低了供能系统对于充电电池和固定电源的依赖，同时又能

在短时间断电的情况下提供照明能源。太阳能电池板自动对光的机构占用体积较小，并且能

进行两个轴向的调节。太阳能电池板的自动对光功能将我们的设计引入了“人—机—环境”

的系统设计理念，既实现社会价值又利用了自然价值，是未来家用机器人供能系统的一种设

计趋势。

d) 机构协同设计

在设计过程中我们引入了机构协同工作的理念达到多个机构组合实现另一功能的目标，

完成了整机优化。比如副履带的铲斗，其除了本身功能外还能与主履带、副履带协作实现爬

楼功能。在设计箱体与两组履带的配合时，将重心位置安排在两履带之间，使爬楼过程更稳


113

定轻松。应用这种协同设计的理念可以使整体功能到达最大化。

e) 遥控与自动控制双模式工作

有很多完全自动控制的机器人都存在一个较大的不便，如在一些特殊情况下会出现设计

时未预料到的问题使运动无法多样化甚至不能完成功能。本作品在设计过程考虑到可能会遇

到特殊情况，因此在控制模式上既有自动控制模式又有手动遥控模式，而本作品在设计遥控

板时体现了人性化设计，根据人体工程学设计了全自由度控制遥控器，可以完全控制整机实

现室内的全地形运动。

f) 高利用率的模块复用理念

在设计的过程中，本作品应用一物多用的设计理念，尽力实现机构的高度集成化和机构

联动。一物多用的设计不仅可以减少整体的模块数量，优化本作品的结构空间，做到节约材

料、减轻整体重量，还可以提高整体各个模块单元的利用率。系统的高度集成化主要体现在

固定于副履带上的照明装置和摄像头布置上，可以通过副履带的俯仰运动实现不同角度的照

明和视频采集。此外，箱体上的齿轮齿条的移动机构既可实现顶门的开启和闭合，又可实现

太阳能电池板的对光调节功能从而实现联动控制。这样的设计将多个机构用一个动力源控

制，完成了整个系统的优化整合。

g) 节能与人性化设计

本作品利用太阳能供电减小了照明灯对固定电源的能量需求，充分利用了白天室内的光

能，体现了节能减排的设计理念。另外，在夜间，人们在室内行走时经常开关灯的生活行为

不仅会浪费能源、降低灯的使用寿命，更使用户在家居生活中倍感不便。为此，本作品特别

设置了寻线照明功能，能在夜间或微光情况下为用户提供移动照明。

本作品的人性化设计还体现在能承担控制终端职能的遥控器上。用户只需通过小巧的遥

控器即可与机器人实现联络，完成控制。

3.2 机构设计创新

a）全地形底盘系统

采用倒梯形设计的主履带前部可以使整个机器人轻松越过家庭中的低矮门槛或小障碍

（如笔、书等）。上楼的初步运动通过 3 对负重轮，和传动比为 16：1 的主动轮配合副履带

双丝杠下压调平底盘完成。副履带的传动比为 12：1，保证了减速增力，使整个机器人稳定

上楼。上楼的最后运动由铲斗轮下压完成重心突破台阶尖角实现辅助上楼。

b）箱体系统


114

箱体中的升降台使用蝶形布置的链传动机构，使得传动齿轮不易打滑，增大传动拉力。

升降台的四台电机通过对顶布置的方式，使电机工作时的振动互相抵消，有效减轻了电机工

作时振动对结构刚性的影响，同时保证了各丝杠在受力不一致时转数相同，避免了平台倾斜

甚至卡死的发生，保证整机运行的稳定性。同时推送臂具有双倍行程，使用这样的具有双倍

行程的结构，在不增加电机数量、不减小推送距离的条件下，将机械臂长度减小了一半，推

送速度增加了一倍，节约居室空间。顶门开闭与自动对光的联动实现了将两个自由度合二为

一且功能不变。以上这些机构实现了升降台托举物品和推送臂推送物品及顶门开闭与自动对

光功能。

第四章产品的主要功能指标以及工作原理

本机具有以下功能：室内全地形移动储存、物品拾取及放置整理、自动对光能量采集、

寻线照明功能、遥控执行特殊任务。

基本参数：

总重 4.476kg，总长 46.5cm（最短）、61.5cm（最长），总宽 30cm，总高 46.5cm

4.1 室内全地形自由移动储存功能

4.1.1 平地行走

机械管家可在室内地面自由进行前进、后退、转向。其履带由两节构成，结构如图 4.1-1。

两节履带之间由一个移动副和三个转动副组成，移动副选取为丝杠螺母，配合车架几何外形，

起到省力的作用。两节履带之间平地运动时,只有后履带着地，以便于转向并加快行进速度。

后履带由两个大功率电机经由两级齿轮传动驱动（如图 4.1-2），传动比高达 16：1，动力强

劲，同时主动轮悬空，增大了包角，减小了履带与地面接触的长度，有助于转向。

图 4.1-1 履带及其结构


115

图 4.1-2 齿轮传动简图

4.1.2 小高度越障

主履带履带前方以倒梯形布置，可以轻松越过家庭中的低矮门槛或小障碍（如笔、书等）。

（如图 4.1-3）

图 4.1-3 跨越小障碍

4.1.3 爬楼

整机可以上下楼梯，往返于楼层之间。该机可以在不调整机械结构的情况下上高度不高

于 10cm、坡度不大于 30 度的楼梯，对大部分生活中的楼梯有良好适应性。爬楼过程中，首

先由丝杠转动带动螺母向后平动，使前履带抬起，之后履带带动整机向前运动，螺母向前平

动使前履带压在台阶上，支起车身，履带转动使车身前半段压上台阶。最后后方铲斗将后车

体撑起，后履带转动，使整机重心越过台阶，完成上楼过程。（图 4.1-4、图 4.1-5）

图 4.1-4 爬楼梯机构简图


116

图 4.1-5 爬越楼梯

4.2 物品整理功能

物品整理功能主要由车上的箱子和铲斗来完成，箱子由升降台、可伸缩推送机械臂及顶

门与太阳能电池板构成。（如图 4.2-1）

图 4.2-1 机械臂及顶门

4.2.1 升降物品

升降物品由升降台上下平动完成。升降台由一块平板与支撑它的四个丝杠螺母机构组

成，驱动力由四台并联的小功率电机提供，传动机构采用蝶形布置的链传动方式。通过四台

电机对顶布置的方式，使电机工作时的振动互相抵消，有效减轻了电机工作时振动对结构刚

性的影响，同时保证了各丝杠在受力不一致时转数相同，避免了平台倾斜甚至卡死的发生，

保证整机运行的稳定性。此外，采用蝶形布置的链传动的每条链的包角都大于 180 度，使得

传动齿轮不易打滑，增大传动拉力。升降台由两个限位电键承担测量升降台上升下降位置的

任务，其升降幅度为 18cm，最大载重 2.5kg。（如图 4.2-2、图 4.2-3）


117

图 4.2-2 升降台简图

图 4.2-3 升降台实物图

4.2.2 推送物品

推送物品由两个移动副组成的可伸缩推送机械臂进行。其中一个移动副采用齿轮齿条机

构，齿轮为主动件，两个移动副由两根线经由滑轮过渡连接，推板固定于从动构件上。当主

动构件推动机械臂主体前进时，主动构件与机械臂前面固定的滑轮距离变长，线张紧拉动从

动构件相对钢导轨前进，机械臂伸长将物品推上桌面。主动构件推动机械臂主体后退时，主

动构件与机械臂后面固定的滑轮距离变长，线的张力拉动从动构件相对钢导轨后退，机械臂

收缩回到原来位置。

使用这样的可伸缩结构，在不增加电机数量、不减小推送距离的条件下，将机械臂长度

减小了一半，推送速度增加了一倍。该机械臂仅用一台小功率电机，采用一个限位电键与一

个计数电键测量伸缩位置，其在收缩状态下长 30cm，伸长时长 55cm，推送距离 50cm。（如


118

图 4.2-4）伸缩机构

图 4.2-4 伸缩机构简图

4.2.3 顶门开启与太阳能电池板自动对光

顶门与太阳能电池板分为前后两部分，前部为两个齿轮齿条机构，后部为曲柄滑块

机构，两机构共用一台电机做移动副。后部的曲柄处固定有两块太阳能电池板。当顶门前部

向前运动时，曲柄滑块机构的连杆拉动后部向后翻，顶门打开。前盖向后运动时，连杆推动

后盖前翻，顶门关闭。

前部打开时可起到在升降台与桌子之间搭桥的作用。后盖上装有太阳能电池板，兼具对

光作用。

顶门上共安装了四个限位电键。由于两个齿轮齿条的速度会有微小的差距，这样的设计

可以在每次到达极限位置时对齿轮齿条进行自动校准，避免微小的误差积累导致机构卡死。

顶门使用两部分联动开闭的方案，在兼具太阳能电池板对光作用的情况下，减少了顶门

前部的行程，节约了顶门打开的时间。前部与后部通过连杆联动，从而减少了一个自由度，

节约了一个电机。这样既减轻了机构重量又简化了控制的复杂程度，同时兼具两个功能。（如

图 4.2-5）


119

图 4.2-5 联动开闭机构及机构简图

4.2.4 拾取地面小体积物体

拾取地面小体积物体由铲斗和底盘移动协同完成。铲斗由一组丝杠螺母和连杆带动，同

时具有将地面物品铲上平台和在上楼过程中支起后车身的功能。

移动副选取丝杠螺母机构，使铲斗具有强大的动力，足以铲举普通小玩具、手机等物品，

并且在上楼过程中支起底盘主履带部分完成协同上楼的功能。同时该机构将驱动电机前置，

这有利于整机重心前移。

当要拾取物品时，铲斗放下，底盘倒退，铲斗将物品推至墙脚处盛入物品。底盘前进，

同时铲斗升起将物品翻到在升降台上，完成拾取物品功能。（如图 4.2-6）


120

如图 4.2-6 拾取机构及机构简图

4.2.5 室内物品整理功能

本机具有物品整理功能，用户可以将放错地方的物品或使用过的工具放置于升降台上或

让机器人到指定区域自行拾取地面上的小物品，并由机器人自动放回。

在这一过程中，首先顶门打开，升降台升起，便于用户将物品放在平台上，然后升降台

降下，顶门关闭，机器人移动到指定地点，机械臂将物品推送到桌面上或柜子里。

通过升降台、机械臂以及底盘的巧妙配合，在不增加自由度的情况下，本机可以将顶门

上的物品分多批推送到不同的地方。

4.3 太阳能供电及照明功能

4.3.1 自动对光功能

本机顶门后部装有两个电动势为 2V 的太阳能电池板与四个光感三极管。平行于行进方

向的太阳能电池板的调节是由齿轮齿条带动滑块，利用曲柄滑块机构将附有太阳能电池板的

顶门抬升到最佳角度，接收到最大光强，而垂直于行进方向的调节则由底盘的转向机构进行。

这样，在不增加冗余自由度的情况下，实现了两个轴向的自动对光，即完成在地面上对光能

最强处的实时追踪锁定，保证太阳能电池板总能接受到最大光强。（如图 4.3-1）

图 4.3-1 顶门结构实物图

4.3.2 寻线照明


121

本功能主要用于夜间或微光情况下为用户提供移动照明。其供电系统由太阳能电池板和

大电容组成。照明灯由 6 个聚光灯泡并联构成并固联于副履带上，通过副履带的俯仰运动带

动照明灯可实现对不同角度的照明。主履带下侧装有寻线传感器，其可对走廊和房间内预置

好的与地板颜色形成对比色的条带（或同色含磁的标记条带）进行实时识别，从而沿线迹向

设定的方向移动。（如图 4.3-2）

图 4.3-2 照明寻线机构

4.4 遥控功能

除了自动工作模式外，本作品同样可以由用户直接遥控来完成自动无法完成的工作。副

履带前方装有一个摄像头，通过视频传输，用户可以实时获取机器人前方环境的信息，从而

实现无人工作有人控制。遥控器上装有凸轮模式切换器，不仅能用 8 个电键控制 14 种运行

状态，还可以有效防止撞击带来的误操作，甚至直接切换到自动模式。因此，本作品的遥控

器实际上是一个操作终端。用户只需通过遥控器即可与机器人实现联络，完成控制。（如图

4.4-1）

图 4.4-1 遥控装置

第五章作品的运动分析以及动力分析

5.1 运动分析

5.1.1 顶门


122

顶门前部：

=VV 动前部 V动：齿轮齿条机构上齿轮箱移动速度；

后部速度由瞬心法知：

角速度：

5.1.2 副履带

动系：固连于机架

动点：螺母

牵连速度：大小等于机架静止时丝杠螺母的移动速度，方向沿蜗杆方向

相对速度：大小未知，方向与垂直


123

绝对速度：大小待求，方向与成角

速度分析如图

故

副履带旋转角速度；

其中大小为机架静止时丝杠螺母的移动速度。

5.1.3 铲斗

速度分析如图，其中等于蜗杆静止时螺母的移动速度。

由速度投影法，将与向 AB 方向投影，有

由瞬心法，有

由以上两式，知铲斗运动速度：

5.1.4 可伸缩机械臂


124

机械臂滑块速度（即推送速度）

5.2 动力分析

5.2.1 顶门

由于大小恒定，且

对时间 t 求导可知后部角加速度

由于方程过于复杂，需用矩阵法计算，在此省略计算结果。

5.2.2 铲斗

角速度：

其中大小为蜗杆静止时螺母的移动速度。

设为 90 度时为时间起始点，即 t=0，故

由正弦定理：

且


125

以及

联立以上各式，可得铲斗运动所能承受的最大力与丝杠螺母提供的最大力的关系。由于

计算过于复杂，需要使用专门的软件，在此省略计算结果。

5.2.3 可伸缩机械臂

由于机械臂启动后加速阶段极短，可认为机械臂运动过程中滑块为匀速直线运动，设整

个滑块运动时与导轨的摩擦力大小为，滑轮两端的线绷紧时滑轮对线摩擦力大小为，齿

轮齿条机构上齿轮箱提供的动力大小为 F，滑块上推板受到的阻力大小为，滑轮处受力

分析如图：

则有：

故


126

第六章实用化可能性和应用前景

我们所设计的这款机器人主要针对有整理以及移动储存功能要求的家庭或宿舍。现在有

相当一部分家庭，是老人或是忙碌的年轻父母在照顾学龄前儿童，特别是 2 岁以下的儿童，

需要投入大量的精力照顾，要考虑孩子舒适，健康，还有在父母视线之外的安全问题，所以

拥有一个能帮助儿童及时整理和储存玩具的机器人对于这样的家庭来说是很有必要的。而那

些没有学龄前儿童的家庭则可以利用本作品进行移动收纳物品和立体整理小体积物品。这样

既可以节省居室空间又可以减轻家务负担。

考虑到现在的市场越来越要求能源的合理应用，所以本作品特有的对光装置恰好贴合了

现在我们所提倡的低碳生活的理念。而以上所提到的功能虽然市场上都有类似产品，但将这

些实用化的功能集为一体的机器人寥寥无几，在设计过程中我们用到了很多创新结构，使低

成本与实用性完美结合。

同时装置设计的过程中，我们力求充分考虑装置实用化的可能性，做到用慧鱼材料尽量

模拟实物的工作原理。如果实现商品化，可以应用当今比较成熟的视觉识别和空间三维扫描

技术，从而能更好的实现功能。

另一方面，本作品的外观设计由于慧鱼零件的局限性并没有达到最好，但是在投入

生产后，其外观的美学设计也将会是吸引消费者的一个重要方面。

综合以上我们的作品具有很大的实用可能性，不仅如此如果脱离出固定零件的限制我们

还可以将该作品中的箱体和底盘分离，箱体也可以用在地面运动，这样通过对箱体的功能改

进可以使本机器人进行更多更复杂的功能，比如清洁地面或是帮助人拿取物品。本作品现在

装载在副履带上的摄像头也可通过改进变为感应陌生人的感应装置，实现防盗功能。相信我

们现在所设计的整理储存机器人只是一个基本雏形，在未来的生活中它会变得更强大。

我们设计的实际初衷就是打造一个更便捷更轻松的家居生活，同时力图展现一个实用而

现代化的家用机器人图景，让机器人慢慢走近我们的家居生活，让电影中的关于家用机器人

的假想成为事实。将机器人朋友带进我们平时的生活中，成为我们的得力助手！

参考资料

[1] 高洪峰. 2005 年世界机器人调查 [N]. 中国机电出口指南,2006-6-7

[2] 郭洪亮，孙志宏.机械原理 [M].北京：北京大学出版社，2011-7

[3] 陈晓南，杨培林.机械设计基础 [M].北京：科学出版社，2011-1


127

家用自动洗鞋机

设计者：袁洋、马路、邓帅、杜思超、陈涛

指导教师：付晓莉、张伟杰

（中原工学院机电学院郑州 450007）

摘要：以简便、实用、清洁，能解决洗鞋过程鞋子清洁除菌问题设备为研究对象，提出横向

刷洗机构，竖向刷洗机构，鞋底刷洗机构，鞋内刷洗机构等四种刷洗机构，再结合空水、挤

水机构，设计了一种家用洗鞋机，实验结果表明，设备工作稳定，性能可靠，功能实现效果

良好。

关键词：洗鞋；家用洗鞋机；清洁

1 研制背景及意义

据世界卫生机构调查，全世界有 74.6%的人对鞋的卫生程度不在意，这是影响人体健康

的主要因素，经常洗鞋可以预防脚气，防止细菌滋生，有效保护脚部健康。对鞋的清洗是重

要的，是消费者所急需的。

通过调研和查阅资料我们发现，国内市场的洗鞋机较大型化，主要满足商业需求，价格

昂贵，占用空间较大，不适于一般家庭使用。且普遍存在自动化程度不高、刷洗不干净、对

鞋造成损伤等缺陷。目前市场上洗鞋机，多为滚筒式和波轮式两种，通过旋转摩擦达到清洗

目的，此种刷洗方式，仅能对鞋子外部进行刷洗，且大量鞋底污泥溶于洗涤水中，对鞋内部

较干净部分造成二次污染，同时旋转摩擦的刷洗方式还会对鞋体本身造成一定的损伤。人工

手洗虽具有较高的灵活性，但耗费体力，且刷洗完成后，无法将鞋帮内水分完全挤出，导致

洗涤剂残留，影响穿着舒适度及人体健康。

经过我们创新设计成员对所存在问题认真分析，我们认为应该考虑如下几点：

1）采用鞋子不动，刷子动的方式，解决鞋底污物形成污水对鞋子造成二次污染以及鞋

体翻转损伤问题。

2）鞋子形状面多且不规则，为使刷洗快捷、到位，需要进行动作分解。

3）鞋子刷洗完成后需要进行空水和挤干，需要加入空水和挤水机构。

4）产品小型化，智能化，以适合家用。


128

此家用自动洗鞋机旨在解决鞋子清洗难题，以简便、实用、清洁为原则，设计过程中应

结合实际，做到以人为本，结合慧鱼构件，对比论证，合理巧妙选用机构，在功能上突出自

动化，智能化以及功能的集成化。

2 设计方案

家用自动洗鞋机由六大部分构成，分别是外侧清洗部分（鞋底刷洗机构、横向刷洗机构、

竖向刷洗机构）、空水及内部刷洗机构、挤水机构、烘干杀菌部分、气动装置、智能控制部

分以及一些辅助部件等。

2.1 撑鞋机构

撑鞋机构（图 1）主要负责鞋的撑起固定。该机构由气动装置提供动力，分别由气缸 1

和气缸 2将撑杆 1和撑杆 2撑起，达到固定鞋子的目的。

图 1 撑鞋机构机构简图

2.2 外侧清洗部分

清洗部分，由横向刷洗机构、竖向刷洗机构和鞋底刷洗机构组成，对鞋子外侧进行全方

位的刷洗，使刷洗简便、快捷。


129

图 2 鞋子示意图

2.2.1 横向刷洗机构

横向刷洗机构（图 3）主要负责对鞋子鞋面的刷洗。该机构由电机（电机 1）驱动，通

过链条驱动双丝杠螺母进行运动，再带动横向刷子做竖直方向的运动，使刷子能贴合鞋子倾

斜的鞋面进行刷洗。气缸带动机构沿导轨做横向移动，刷子在旋转刷洗的同时做往复摆动的

刷洗，从而使刷洗更加干净。工作完成后（鞋面刷洗完成），横向刷洗机构复位，为下一次

刷洗做准备。

图 3 横向刷洗机构机构简图


130

图 4 横向刷洗机构三维零件建模示意图

2.2.2 竖向刷洗机构

竖向刷洗机构（图 5）主要负责对鞋子两外侧面的刷洗。水平位移电机通过变速齿轮箱

在齿条导轨上做往复移动，使刷子贴合鞋面，竖直刷洗电机带动刷子旋转，对鞋侧面进行刷

洗，机构上部固接于水平移动架，带动竖向刷洗机构沿鞋体两外侧面进行从前到后的刷洗。

工作完成后（鞋两侧面刷洗完成），竖向刷洗机构复位，为下一次刷洗做准备。

图 5 竖向刷洗机构示意图

2.2.3 鞋底刷洗机构

鞋底刷洗机构（图 6）主要负责对鞋底以及对鞋跟一部分竖向刷洗机构清洗不到的部分


131

进行清洗。该机构固接于升降机构，由电机驱动，通过输出轴带动链轮 1、2、3和一个大齿

轮 1进行运动，这一对主动链轮 1、2、3通过链条带动从动链轮 4、5、6运动，刷毛固定于

链条上，从而形成一个大刷子对鞋底进行刷洗。大齿轮 1 带动从动齿轮 2进行运动，使得横

向固定刷子对鞋跟进行旋转刷洗。

图 6 鞋底刷洗机构

2.3 空水及内部刷洗机构

空水及内部刷洗机构（图 7）主要负责使鞋子在进入工作位置后进行空水和内部刷洗等

功能。由蜗杆带动齿轮，使机构旋转，图示位置即为洗鞋工作位置，蜗杆带动齿轮旋转 180

度，使鞋与水平面翻转一定角度，实现空水。内部刷洗，由电机驱动通过齿轮带动刷子旋转，

对鞋内刷洗。

初始状态下，机构处于空水位置，程序运行，机构翻转 180度，鞋子进入工作位置，电

机启动，刷子对鞋内进行清洗，同时外测清洗部分启动，对鞋外侧进行刷洗。清洗完成，各

刷洗机构刷子停止，复位。空水及内部刷洗机构再次翻转 180度，鞋子回到空水位置，进行

空水。空水完毕，机构复位，进行下一步骤，同时为下一次刷洗做准备。


132

图 7 空水及内部刷洗机构

图 8 空水及内部刷洗机构三维零件建模示意图

2.4 挤水机构

挤水机构（图 9）主要负责实现对鞋帮水分挤出。该机构固接于升降机构，由气缸带动

实现机构的顶出和拉回，电机通过减速齿轮箱带动凸轮，推动夹板对鞋帮进行挤压，复位弹

簧对夹板进行复位，与凸轮配合，从而实现对鞋帮的反复挤压。挤水阶段，气缸将机构推至

鞋帮两侧，电机运转，对鞋帮进行挤水，挤水完毕，气缸将机构拉出置初始位置，工作完毕。

图 9 挤水机构


133

图 10 挤水机构三维零件建模示意图

2.5 升降机构

升降机构（图 8）主要负责使底部刷洗机构与鞋底贴合以及将挤水机构送至鞋帮两侧等

工作。该机构由电机驱动，由蜗杆通过惰轮（齿轮 1）带动齿轮 2运动，将动力传递给丝杠，

丝杠带动螺母做竖直方向运动，实现升降。鞋底刷洗机构一端与螺母相连，另一端与机架相

连，由升降机构带动升降。

图 11 升降机构

2.6 烘干、杀菌部分

洗鞋机底部安装热风烘干系统和红外杀菌系统，以保证将鞋快速烘干和消灭细菌，达到

保护脚的目的。烘干采用内热循环气流，冷热风交替排除鞋子本身的湿度，从而达到均匀烘

干效果，有效果避免了鞋子在阳光下晾晒或风筒吹干对鞋子造成的损伤。杀菌采用臭氧发生

器与内循环气液结合，对每个角落进行全面杀菌。

2.7 智能控制部分


134

智能控制部分：慧鱼二代编程接口板基于 Windows7 环境下 ROBOpro 编程控制。在工作

时,当接通工作开关后程序自动运行，各个部分无需单独操作。计数齿轮与限位开关联配合

使用,实现对各部件运动的精确控制。

3 运动、动力分析

3.1 运动分析

3.1.1 撑鞋机构分析计算

图 12 气动回路示意图

储气罐输出气压至各气缸，由能量守恒P V P V 储气罐储气罐气缸气缸可知储气罐内储存

的能量。

图 13 气缸内部受力示意图

由 1 0P S P S F

得出力 ( 1 0)F P P S


135

1P ——气缸气体压强

0P ——大气压强

S ——气缸截面面积

牛顿第三定律，推杆力和反推力是一对作用力和反作用力，故F F

图 14 撑鞋受力分析图

由受力分析可知：

*12

FF

2 1F F COS

3 2F F COS

联立得：*3

2F COS COSF

摩擦力克服重力，使得鞋子被固定而不会掉下，即： 3F G

G ——鞋子重量

——摩擦系数

即要满足设计要求所需参数：


136

( 1 0)

2

P P S COS COSG

3.1.2 横向刷洗机构分析计算

机构自由度计算如下：

图 15 机构自由度

如图示，空间活动构件 5n ,五级副 45 p ，四级副 24 p ，一级副 11 p ，由公式：

6 5 5 4 4 3 3 2 2 1F n p p p p p 得

6 5 5 4 4 2 1 1F

运动链的自由度大于零，且等于原动件的数目，此运动链能构成一个合理机构。

计算螺杆螺母升速，由 2

S l

2

60

n t

联立得 60

S l n

tV

l ——螺杆导程

——螺杆转动角度

S ——螺母升程

n——螺杆转速

3.1.3 刷洗力计算分析


137

图 16 齿轮箱传动示意图

电机额定功率 0P ,转速 0N ,减速箱部分齿轮传动比:

1 3 5 1 11 11 121

2 4 6 14 20 28 7760

Z Z Z

Z Z Zi

毛刷的转速 0N N i

毛刷的功率 0P P

——传动效率

由转矩计算公式 69.55 10 P

NT

关于合理选择刷洗力的计算，毛刷在转动的过程中，主要是靠毛刷和鞋面的摩擦力，而

摩擦力的计算可简化为毛刷的圆周力F ，在已知毛刷转矩T 和毛刷杆半径R 的情况下，易

求得： TR

F ，在实际洗刷过程中，只需毛刷圆周力满足： 0 01.2 1.5f F f ，即满足

了刷洗干净的要求，又避免了刷力过大损坏鞋子。

3.1.4 空水及内部刷洗机构强度分析计算

受力分析：

图 17 受力分析图

0Xi : sin 0AX G


138

得： sinAX G

其剪力图如下：

图 18 X 方向剪力图

0Yi : cos 0AY G

得： cosAY G

其剪力图如下：

图 19 Y 方向剪力图

( ) 0AM Fi : cos 0AM x G

得： cosAM x G

其弯矩图如下：


139

图 20 弯矩图

对于高为h ,宽为b的矩形截面其抗弯模量Wz 计算如下：

图 21 抗弯模量计算图

3 2

max

/12

/ 2 6

Iz bh bhWz

y h

满足设计强度要求需：

max [ ]Z

M

W

即设计参数需满足：2

6 cos[ ]

Gl

bh

G ——鞋子重量

l ——悬臂梁外伸长度

——悬臂梁倾斜角度


140

b——截面宽度

h——截面高度

[ ] ——弯曲许用应力

3.1.5 挤水机构分析计算

图 22 凸轮推力受力分析图

绝对运动：板做摆线运动；

相对运动：沿凸轮外廓的曲线运动；

牵连运动：凸轮绕转动中心 O的转动。

作速度平行四边形，由集合关系知：

Va Ve Vr

sin sinVa Ve h w

凸轮受力分析计算：


141

图 23 弹簧作用受力图

弹簧形变量 2 1L L L

弹簧拉力 =F K L弹簧

力矩平衡有： 2 2K L O M F O N

得：2 1 2

2

( )K L L O MF

O N

推

K ——弹簧劲度系数

Pro/ENGINEER 下运动仿真得夹板运动曲线图如下：

图 24 夹板位置曲线


142

图 25 夹板角速度曲线

图 26 夹板角加速度曲线

3.1.6 升降机构分析计算

原动件传动到螺杆，依次由减速箱固定装置（小齿轮组），减速传动装置（蜗杆，齿轮

1，齿轮 2）减速，其传动比：

7760

121

28

11

20

11

14

11 i

10

1

10

15

15

1

3

2

2

12

z

z

z

zi

77600

121

10

1

7760

12121 iii

电机转速经过减速装置，速度降为： 0n n i

电机功率经过传动装置，功率变为： 0 1 2 3P P


143

由转矩计算公式： 69.55 10 p

nT 得螺杆转矩T

由此转矩而产生的升力：tan( )

T

RF

图 27 升降受力分析图

满足顺利升起倾斜的工作平面重量G ，需有 : F L G S

得： tan( )G S R

LT

参数：

0n ——电机转速

0p ——电机功率

1 ——减速箱传动效率

2 ——蜗杆蜗轮传动效率

3 ——齿轮传动效率

R——螺杆半径

——螺旋升角

——当量摩擦角

3.2 动力分析

本作品主要采用蜗杆蜗轮机构、螺旋传动机构、气压传动机构、齿轮齿条机构、链传动

机构、摇杆滑块机构等多种机构，构成具有各种功能的模块。作品的动力供应主要采用蓄电

池或 220V 交流电源。


144

自动洗鞋机在工作过程中由电动机提供动力，主要由 9 伏电动机通过过齿轮减速箱将动

力提供给各运动机构，以实现各个机构动作。

气动动力装置由电机提供动力，通过皮带轮带动曲柄使气缸的活塞作往复运动，实现吸

气、压气，达到提高气体压力的目的。压缩的气体首先送入储气罐中，储气罐的作用是储存

一定压力的空气，保证气动回路压力的稳定，电磁阀控制气体的流动方向，从而驱动各个机

构完成动作。

图 28 气动动力装置示意图

4 工作原理及主要功能指标

4.1 工作原理

1）刷洗原理：通过横向刷洗机构，竖向刷洗机构，鞋底刷洗机构和鞋内刷洗机构，分别对

鞋子的各个表面进行全方位的刷洗。刷洗原理示意图如图所示：

图 29 刷洗原理示意图

2）空水原理：由特殊结构蜗杆齿轮组成与悬挂架组成，蜗杆齿轮中间平面与水平面成角度，

悬挂架与水平面平行。蜗杆带动齿轮旋转，鞋子翻转 180 度，使鞋子与水平面成角度，

鞋内积水空出。由几何关系可知 2180 o。


145

图 30 空水原理示意图

3）挤水原理：凸轮推动夹板，使夹板压向鞋帮，对鞋帮施加压力 F1，同时撑鞋机构撑杆对

鞋帮施加力 F2，F1和 F2同时作用，将鞋内水分挤出。

图 31 挤水原理示意图

4.2 主要功能指标

刷洗力刷洗速度刷洗时间

20～30N 40mm/min 15～25min

5 控制设计

洗鞋机控制系统由一个主控接口板和三个扩展板组成，及若干个限位开关，通过程序控

制各个机构运动。其运动流程图如图所示：


146

图 32 工作流程图

将鞋放入洗鞋机内支架

按动开关启动工作

开始刷洗

鞋面鞋跟鞋内刷洗完成

各刷洗机构开始工作

升降机构开始工作

刷洗机构复位

空水机构开始工作

空水

挤水机构工作

刷洗、空水机构定位

撑鞋机构展开

洗刷完成，各机构复位


147

控制程序如下：

刷洗阶段子程序

空水挤水阶段子程序


148

初始化子程序

6 创新点


149

1）小型化，家庭化。使得大众家庭足不出户就能享受到洗鞋服务；

2）通过横向刷洗机构、竖向刷洗机构、鞋底刷洗机构、鞋内刷洗机构等机构组成清洗部分，

对鞋子进行全方位的刷洗，使刷洗更加到位，快捷；

3）鞋底刷洗机构，采用传送带式刷子，对鞋底进行大面积清洗，确保鞋底刷洗干净；鞋底

泥污从洗鞋机底部流出，使得污水不会对鞋子造成二次污染；

4）加入内部刷洗机构，对鞋内进行刷洗，解决鞋内不便刷洗问题；

5）加入挤水机构，使得平时不好挤出的鞋帮中的水得以挤出，重复的漂洗加挤水，使得鞋

中无残留；

6）刷子加入简单的气动构件，使得刷子在旋转刷洗的同时可以做往复摆动的刷洗，使得清

洗更加洁净。

7 应用前景

7.1 模型成本

自动洗鞋机模型所用材料主要为各种慧鱼创意组合模型的相关构件，以及制作作品展示

台和其它相关辅助材料。

自动洗鞋机模型的合计成本：5000 元左右

7.2 实际成本估算

本模型转化为实际产品需要的主要部件有：数个电机、控制电路板、定位传感器、钢架

结构用来固定各部分组件、金属或熟料外壳以及其它相关材料。

根据市场上现有产品和相关设备及材料价格作为参考，以及我们产品的设计指标性能需

求进行综合分析，家用自动洗鞋机整套设备单件造价约为 2000元左右，实际大批量生产制

造成本约为 500-600元左右。

7.3 应用前景

全国的学生大约有 3.6 亿，还有广大的运动爱好者，以及长期在路途奔波的人群，这些

人群脚部出汗多，容易滋生细菌，威胁脚部健康，鞋子的清洗就显得尤为重要。本家用自动

洗鞋机清洗快捷，全过程无需人为操作，省时省力。该产品小型化、家庭化，可放于家庭内、


150

学校宿舍内，足不出户即可享受到专业的洗鞋服务，市场前景十分广阔。

参考文献

[1] 濮良贵纪明刚编，机械设计，北京：高等教育出版社，2008

[2] 申永胜编，机械原理教程，北京：清华大学出版社，1999

[3] 孟宪源姜琪编，机构构型与应用，北京：机械工业出版社，2004

[4] 邹慧君编，机械运动方案设计手册，上海：上海交通大学出版社，1994

[5] Neil Sclater,Nicholas P.Chironis 编,邹平译，机械设计实用机构与装置图册，北京：

机械工业出版社，2008

[6]胡仁喜编，Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 中文版从入门到精通，北京：机械工业出版社，

2008

[7]博创设计坊编，PRO/ENGINEER Wildfire4.0装配与产品设计，北京：清华大学出版社，

2008

[8]二代龙震工作室，PRO/ENGINEER Wildfire5.0 工程图设计，北京：清华大学出版社，2010


151

附录一：作品实物照片

图 10 家用自动洗鞋机整机示意图

横向刷洗机构控制接口板竖向刷洗机构气动动力装置

升降机构鞋底刷洗机构挤水机构空水及鞋内刷洗机构


152

6.4 休闲娱乐机械类

“秦腔木偶”

设计者：王欣伟麻晓龙郑少南王子鸣牛亮

指导教师：张育林赵卫军

（西安交通大学西安 710049）

第一章设计背景

在中华浩浩汤汤五千年的历史长河中，出现了无数世人瞩目的文化瑰宝，秦腔和木偶戏

即是其中十分璀璨的的两种艺术形式。

秦腔又称乱，源于西秦腔，流行于我国西北的陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆等地，又

因其以枣木梆子为击节乐器，所以又叫“梆子腔”。秦腔是一种相当古老的剧种，很多剧目

都是表现我国历史上反侵略战争、忠奸斗争、反压迫斗争等重大的或富有生活情趣的

题材。2006 年 5 月 20 日，秦腔被列入第一批国家级非物质文化遗产名录。

图 1.1 秦腔剧照

提线木偶，又名“吊线子戏”，也是一门古老而珍稀戏种。表演时，艺人用线牵引木偶表

演动作，数百年形成了一套稳定而完整的演出规制和 700 余出传统剧目。

图 1.2 提线木偶照

作为中国传统文化的两个经典组成部分，秦腔和木偶艺术都有着悠久的发展历史。但随

着时间的流逝，这些古老的艺术形式已渐渐淡出观众的视野。以秦腔为例，秦腔所演的剧目

http://baike.baidu.com/view/6510.htm











153

超过 1 万本，剧目之丰富，居我国三百多剧种之首，但因时代久远，散佚颇多，据现在统计，

仅存约 4700 多个，而且这些剧目目前还正以惊人的速度继续流失。这其中很重要的一个原

因便是传统艺术在现代国人中不断下降的认知度。如果不能采取有效措施，历代人民用心血

创造的宝贵文化遗产将永诀于世。

综上，让传统艺术走进现代生活，重新走进千家万户显得尤为必要。

第二章创新构思

1、思路创新：本设计独创性地填补了“机电—秦腔—木偶”这一领域的空白。作品将现

代机电系统与秦腔、提线木偶两种传统的艺术形式巧妙结合，用现代诠释传统，力求使经典

再回人们生活。“秦腔木偶”的设计，能够使普通百姓在轻松娱乐中感受古老艺术的魅力，从

而提高民众保护、发扬和继承文化遗产的意识，为保护继承发扬传统文化开辟一条蹊径。

2、机构创新：作品自主设计了自动卡线结构和自协调模块，使木偶动作完成更加灵活

精确；另外，为使木偶表现更生动，添加了振颤等新颖模块；

3、模式创新：考虑到观众可能想参与到表演的意愿，本设计特意设置了“自主表演”和“家

庭互动”两个模式，使用者可同时兼任观众和导演两种角色。选择自动表演模式，产品可以

自行表演，具有较高的观赏性；选择家庭模式，家庭成员可以协力探索并完成木偶的表演过

程，促进沟通，营造和睦氛围，富有趣味性。

总之，用现代诠释传统是一个很有效的抢救方式。本“秦腔木偶”实际上实现了用现代机

械与计算机结合实现对提线木偶进行控制的过程，并结合秦腔的具体曲目进行实际表演，更

加入家庭互动模式，使得家庭成员在齐心协作的同时，感受到传统经典的独特魅力。

第三章创新设计的工作原理及运动分析

从整体上看，“秦腔木偶”由基座、提线木偶、运动机构三部分构成，其空间位置分别

主要占据了作品的下部、中部以及后部，总质量为 4.7kg。作品动力由 13 组共 15 个电机提

供，运动机构则分为转向模块、振颤模块、踢腿模块、手臂升降、手臂平动以及自协调机构

等六个模块，其中包含了丝杠螺母结构、齿轮齿条结构、平行四连杆结构等机械结构。这三

部分六模块之间需要通过不同机构及编程加以协调，最终实现了机械控制提线木偶的目的。

以下将就作品工作原理和运动分析做具体阐述。

3.1 基座及舞台美化

作品基座采用前开放式结构，以便向使用者呈现最佳的视觉效果。其结构图如图 3.1。


154

图 3.1 “秦腔木偶”基座结构图

基座搭建的关键是“两个重心”的设置。其一是提线木偶重心，由于提线木偶需要悬挂

在装置上，其 300g 的质量会作用在装置上。由于悬挂架构部分自身重量和悬挂物重量影响，

使整体架构出现变形。为减缓这一变形，特采用图 3.2 两种架构，使其作用尽量分摊到主要

承重柱上。其二是装置整体重心，针对主要机械结构集中于后部的情形，延伸了后部底盘，

防止作品倾倒被破坏。

架构 1 架构 2

图 3.2 缓解扭转架构

为增强秦腔木偶的表演效果，在舞台后方设计了可变化场景的幕布。幕布的动力由电机

提供。控制结构主要为上下两根长轴，电机通过链条带动长轴，利用长轴同幕布之间存在的

摩擦力实现幕布切换。为增大轴与幕布之间的摩擦，长轴上特别加装了胶皮套，使得幕布的

运动更加均匀稳定，满足了舞台整体协调美观的需要。

作品幕布的左上角均书有“秦腔木偶”字样，背景图案分别为久经风雨的古城墙和兵呼马

啸的古战场（如图 3.3），既符合关羽人物形象，又带有浓厚的古典气息，给观众带去强烈的

视觉冲击。


155

换景幕布一换景幕布二

图 3.3 换景幕布

3.2 提线木偶

提线木偶选取家喻户晓的三国人物—武帝关羽，做工精细，造型生动。木偶长 42cm，

宽 20cm，重约 300g，共有 8 条提线，引线部位分别是头部、肩部、手臂、腿部。其具体数

量和控制情况如表 3.1。

表 3.1 引线部位、数量及控制情况一览

引线部位引线数量控制功能

头部 1 固定木偶中心；

肩部

左肩 1

旋转木偶；右肩 1

手臂

左手 2 控制左手上下、左右运动；

右手 2 控制左手上下、左右运动；

腿部（右腿） 1 控制右腿抬起、落下；

3.3 运动机构

“秦腔木偶”的运动机构主要分为转向模块、振颤模块、踢腿模块、手臂升降、手臂平

动以及自协调机构等六个模块，各个模块拥有各自独立的运动机构，同时不同模块间也存在

紧密联系。例如，自协调机构模块是为消除转向模块对手臂升降不利影响而特别设计的机械

结构。六个模块之间的关系图如图 3.4。


156

图 3.4 “秦腔木偶”模块关系图

以下将分别就各个模块的工作原理及运动情况进行详细说明。

3.3.1 转向模块

顾名思义，设置转向模块的目的是完成木偶的转向功能，出于最佳效果的演出需要，

设定木偶的转向极限角度为 45 （以正面面向观众为 0 度并作为初始位置）。参照传统木

偶技艺，设计采用如下结构（图 3.5、图 3.6）控制转向。其具体的运动过程是：

㈠电机转动，并通过齿轮结构带动链条产生运动；

㈡链条带动悬挂木偶的大齿轮转动，使得双肩提线围绕头部提线转动，完成转向；

㈢通过改变电机转向来控制木偶转向。

图 3.5 转向模块原理图图 3.6 转向模块实际图

利用上图的转向结构的优点在于：头部提线和肩部提线一方面能够用作木偶的主要承重

线，另一方面又可用作木偶的转向控制线，一举两得，巧妙利用了资源。

3.3.2 振颤模块

在秦腔中有一种常见动作—抖，用以表现人物激动或是愤怒的心情。为更生动的表现

这一艺术形式，作品中设置了振颤模块。其运动原理为：


157

㈠利用图中小滑轮的上下运动，使提线上下运动；

㈡由于提线一头固定在手臂升降模块上，另一头固定在手臂，该部位提线长度发生周

期性变化；

㈢手臂因提线长度的变化出现周期性上下振颤。

图 3.7 振颤模块原理图图 3.8 振颤模块实际图

手臂振颤幅度可以通过计算确定。如图 3.9，其中 r 表示旋转轮圆心 o 距 C 点距离，s

表示两滑轮 A、B 两点之间的距离，根据勾股定理，可以得到：

2

2=22

sr s

手臂振颤幅度

测量知 r=3.5cm，s=15.0cm，那手臂振颤幅度为 1.55cm。

图 3.9 振颤幅度量化图示意

该模块最大的特点是运用最精简的结构完成变化相当快的动作，而且仅由一个电机提

供动力，一个转轮完成动作，实现了设计上部结构承重量的最小化，另外在不工作状态时也

能够保证其本身不妨碍手臂提起落下及其他动作的顺利完成。

3.3.3 踢腿模块

踢腿动作在表演中是一个相对独立的动作，该动作模块同样使用电机作为动力源。其

工作原理如下：

㈠通过电机带动齿轮，使齿轮齿条在 5.5cm 的距离范围内水平运动；


158

㈡齿轮齿条部分连接腿部提线，牵引提线拉升或放下，从而完成踢腿动作。

其模块原理图及实物图如图 3.10、图 3.11。

图 3.10 提腿模块原理图图 3.11 踢腿模块实际图

由于木偶的腿隐藏在铠甲之下，完成其提起动作需要较大拉力，因此采用齿轮齿条结

构，能够快速完成踢腿动作，并且保证足够力度。

3.3.4 手臂升降

手臂动作是本作品功能实现中最为关键的部分，不同的表演信息需要不同的动作幅度、

多变的动作速度才能折射出来。因此，作品要求手臂升降在幅度、速度上都要求可控。本设

计采用卷线器来进行收放线，通过控制电机转速来调节收线放线速度，利用程序运行时间进

行幅度控制，从而实现动作目标。

具体实现方法和过程是：

㈠通过电机带动卷线器，使得提线实际长度缩短或增长；

㈡电机顺时针转动，手臂抬起；电机逆时针转动，手臂放下。

图 3.12 手臂升降模块原理图图 3.13 手臂升降模块实际图

3.3.5 手臂平动

为增加手臂动作的多样性，并考虑到关公作为武生对于武打动作的要求，在机构中设

置了手臂平动模块。其工作原理如下：

㈠装配一固定提线结构，在动作需要时可以拉动提线；

㈡设置一横向运动机构，使其带动固定提线结构横向运动，使提线被水平拉动，使手


159

臂水平方向上平动；

㈢左右侧对称地安装两个可沿导轨上下移动的机构，该机构由齿轮齿条实现。电机转动

带动齿轮箱沿着竖直固定安装的齿条上升或者下降，将固定体现机构固连在升降结构上，从

而带着两个固连在一起的结构做相应变化，使得自动卡线结构能够整体同手臂升降模块同步

运动，在手臂升降时，自动卡线机构同步升降，这样手臂水平平动的提线不会阻碍手臂升降

动作的实现。

该模块的原理图以及实际图如下：

图 3.14 手臂平动模块原理图图 3.15 手臂平动模块实际图

这一模块的创新之处在于：设计了自动卡线机构，并充分考虑到木偶转向的问题。在木

偶转向过程中，左右手臂均跟随运动，但同时左右手臂会受到偃月刀的影响，因此，倘若左

右手臂水平提线皆已固定，势必出现诸如左线松右线紧之类的情况，这会对木偶转向造成较

大影响。

3.3.6 自协调机构模块

自协调机构模块是本作品中一个创新的机构设计，其作用是消除由于转向过程所致手臂

高度的轻微变化。

问题分析：要保证转向过程中左右手臂竖直方向高度不变，提线长度的变化情况有如下

规律。

如图 3.16，假设经过 θ角度的转向后，手臂提线由初始位置最终变化到 AC 状态（A 点

为作品上方提线经过的滑轮所在位置）。根据余弦定理和勾股定理可以得到，其长度伸长量

为：

2 22 1 cosl r h h


160

图 3.16 手臂提线长度变化图

经测量，r=7.5cm，h∈（18cm，38cm），θ∈（ 45 ， 45 ），则最大长度伸长量为 0.89cm。

而自协调机构模块工作原理如下：

㈠首先电机带动丝杠螺母运动，产生位移；

㈡丝杠螺母的位移带动平行四连杆结构发生形变，使得非固定的下方框架向左（向右）

移动；

㈢手臂升降提线固定在平行四连杆下方的两个顶点上，随着平行四连杆结构的形变，

其提线长度得到补偿。

图 3.17 自协调机构模块原理图图 3.18 自协调机构模块实际图

其补偿原理如下：

图 3.19 自协调机构模块补偿图


161

如图 3.19，C 点是作品后部上方提线经过滑轮的位置。以自协调机构的 OB 边为例，其

实际上做的是圆周运动。假设其转动 β角度后到达 OA 位置，利用余弦定理、勾股定理可求

得，其补偿长度（即提线 AC 长度较 BC 长度变化量）为：

2 2 2 cosa a r a r ar

经测量，a=47cm，r=7.5cm，7

cos7.5

，则 a =0.71cm≈0.89cm，经编程调节可以

基本补偿由于转向过程中所致的手臂轻微高度变化。

自协调机构的程序图（含转向）为：

图 3.20 自协调机构的程序图（左侧为左转向部分）

第四章模式设计

为增添趣味性，作品设计了两种娱乐模式：表演模式和家庭模式。在“初始归位”以后，

可通过娱乐手柄自由选择模式。为避免操作过程中误按模式选择键，特将切换键设计在控制

器的后部，同时也节约了空间。选择模式后即进入表演模式或家庭模式。

其流程图如下：

开始

初始归位


162

家庭模式

选择

表演模式

动作动作

结束结束

图 4.1 作品流程图

4.1 表演模式

表演模式通过原有程序来控制人物动作，不同的程序下，木偶结合秦腔曲牌和唱词，

惟妙惟肖地完成转刀、刺刀、提腿等一系列连续动作，最大限度地贴近真实秦腔表演。

4.2 家庭模式

与其说家庭模式的设计单单是为了增强作品的趣味性，倒不如说家庭模式是在前者的基

础上，希望通过家庭互动参与，满足操作者作为“观众”欣赏之余想要参与表演、“客串”演员

的愿望。选择家庭互动模式后，家庭成员可通过三个娱乐手柄来完成对木偶的控制。娱乐手

柄（图 4.2 及图 4.3）的外形符合人体工程学，既兼顾舒适又保证美观，能为参与者带来更

多的娱乐趣味。

图 4.2 左侧娱乐手柄图 4.3 右侧娱乐手柄

其娱乐手柄能够控制的情况见表 4.1。

表 4.1 娱乐手柄完成动作一览：

控制器

按键一号手柄二号手柄三号手柄


163

一号键左手上移左转身踢脚

二号键左手下移右转身落脚

三号键右手上移换幕布振颤

四号键右手下移切换模式

事实上作品设计家庭模式的目的绝不仅仅如此，其设计还有更大的“期望”。纵观当今

中国家庭，“代沟差异”逐渐分明，父母往往缺少合适的机会同子女进行有效的沟通和交流。

我们的作品设计了三个相对独立的娱乐手柄，任何一个成员单单控制一个手柄是不能完成表

演过程的。而且即便三个人同时参与，如果缺乏有效的沟通交流也是不能完成一个协调美观

的表演过程的。因此，使用“秦腔木偶”，是能够在很大程度上营造和睦家庭氛围的，同时这

也是之前其他设计忽视或者不具备的，在这方面“秦腔木偶”可谓独树一帜。

第五章应用前景展望

对我们机械和自动控制与两种传统艺术形式结合是一次大胆尝试，我们希望能将这种新

型甚至有些新奇的产品进一步推广。

5.1 产品自身改进及完善

在投入实际应用的过程中，产品还需做进一步的改进和完善。首先，在人物动作上，可

以增加木偶人物其他身体部位的提线，来充分调动木偶完成更多更具难度的复杂动作，增加

可观性和趣味性。比如可以增加头部的动作，如用摇头点头等动作表现人物的心理活动，使

人物更有感染力，引起观众即家庭成员的共鸣，吸引他们更好地参与。其次，在人物数目及

演出规模上，完全可以把单个木偶（关羽）的表演扩展到几个甚至几十个人的集体演出，如

可以加入刘备张飞二人来演绎桃园结义的故事，进而给家庭带来更多充满乐趣的体验。在形

式上，既可以将秦腔艺术换为京戏、评戏等其他的中国传统艺术形式；又可以加入西方元素，

来完成歌剧、话剧等的表演。可谓作品具备很强的通用性。

5.2 推广价值

前文已经提到秦腔及木偶这两种艺术形式的现状，正不断地湮没在日新月异的现代生活

中，越来越多的人已经无暇甚至无心顾及这些渐渐流逝的传统艺术，这不得不说是我们现代

人的损失。而本设计的目的正在于此，把传统艺术与现代机械结合起来走进家庭，不仅可以

作为一种家庭娱乐设施来增添欢乐，更能在不经意之间唤醒现代人对传统艺术的理解和关

注。何况此设计新颖活泼，一般情况下能引起孩子们的好奇和注意，进而培养下一代对传统


164

艺术的兴趣，从而起到了传承优秀传统文化的作用，倘若优秀传统艺术文化能薪火相传，民

族幸甚。此外，作品特有的家庭娱乐模式更能增进家庭成员间的交流和沟通，促进和谐。

5.3 成本因素

考虑了自身完善和推广价值，产品的成本也是必须考虑的问题。本设计原理简明易懂，

原料方便易得，除框架及木偶本身外，主要部分仅用小型电机和小型电键构成，如能加以推

广并批量生产，成本还会将会进一步降低。此外，作为不仅仅用来消费的产品，本设计还可

以看作是一种文化投资的选择。如此之高的性价比将会为产品的进一步推广创造条件。

5.4 综合前景

随着现代人对传统文化的逐渐重视，市场上与传统相关的产品也越来越多，我们的设计

也正符合这种趋势，正所谓“传承文化就是积累财富”，这种以传统文化为内涵的产品也正是

最佳的方式，正因如此，市场上的文化产品往往会有相当不错的成绩。“秦腔木偶”植根于传

统艺术，着眼于家庭娱乐，既顾及市场的需求，又致力于文化的传承，同时成本较低，利于

普及，有很强的推广优势。

最后，我们想说，这只是一次尝试，我们将通过进一步的努力使设计成熟化、完善化。

我们希望通过我们的尝试和不断努力，能为优秀传统文化的传承和发扬做出一点贡献，当然，

我们更希望会有越来越多的人能重视传统文化，为传承和发扬传统文化提出自己的创意、做

出自己的努力，能让我们共同的精神财富永存，让我们的后代也能欣赏到这种美，体会到某

种不同寻常的乐趣所在。

第六章作品资料

表 6.1 主要零件数目统计

编号数目（个）编号数目（个）编号数目（个）编号数目（个）

31010 11 31011 4 31021 2 31022 1

35031 4 35058 4 31022 1 31426 2

31436 8 31915 1 31981 4 32064 10

32879 78 32881 26 32882 10 35049 8

35058 4 35063 5 35053 4 35073 3

35129 2 35797 5 36248 152 35945 11

36294 4 36297 10 36299 6 36334 12

36912 8 26953 8 37237 15 37468 4


165

37638 7 37858 1 37925 1 37926 1

38240 2 38241 6 38245 7 38246 9

38423 4 38428 5 32293 14 37783 17

37527 2 31030 2 31078 10 93294 3

图 6.1 动作程序图示例

参考文献

[1] 冀福记陈昆峰卢恺《品评秦腔》太白文艺出版社 2010 年 12 月第一版

[2] 甄陵《吼出的文化》太白文艺出版社 2009 年 3 月第一版

[3] 甄业史耀增《秦腔习俗》太白文艺出版社 2010 年 8 月第一版

[4] 许德宝《秦腔音乐》太白文艺出版社 2010 年 8 月第一版

[5] 黄少龙王景贤《泉州提线木偶戏》浙江人民出版社 2007 年 8 月第一版

[6] 王保易王芷华《梨园行歌》三秦出版社 2010 年 3 月第一版

[7] 曲凌《慧鱼创意机器人设计与实践教程》上海交通大学出版社

2007 年 8 月第一版

[8] 赵卫军王晶姜琪《机械原理》西安交通大学出版社 2003 年 4 月第一版

[9] 刘翀《拯救秦腔：继承与背离》华商报 2008-06-30 09:40:15

资料来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_5970773701009q59.html

[10] 宋佳伦《当心“咖啡”--中国传统文化现状之我见》二七教育信息网 2011.12.01 来源：

http://www.eqedu.net.cn/wjl/xsbk/2011/12/01/27630.html


166

全自动沏茶机

设计者: 杜婷、张国鹏、赵剑博、贾博、张冰

指导教师：李卫国、杨学军

（太原理工大学工程训练中心太原 030024）

前言

茶文化历史悠久，文化底蕴深厚，风靡全世界。喝茶对人体有益，品茶又能给人们带来

无穷的乐趣。茶叶要优质，茶具要精致，茶水要美泉，沏茶更要讲究环境和工序。

沏茶工序分为：

烫壶：去除异味、有助于挥发茶香；

温杯：烫壶之热水倒入茶盅内，保持茶杯温度；

置茶：选择适量茶叶拨入壶中，茶量以壶之三分之一为度；

高冲：冲泡茶叶的水壶，自高点下注，使茶叶在壶内翻滚，散开，以更充分泡出茶味；

低泡：泡好的茶汤近距离倒入茶盅

图一：茶壶图二：茶海

图三：茶漏图四：茶杯

一、创作思路、作品构思

1.1、创作思路

中国历来就有“客来敬茶”的习惯。如今饮茶已逐渐融入我们的日常生活，但沏茶的过

程比较繁琐，我们设计了一款集注水、热水、选茶叶、分茶水、送茶杯等一系列动作于一体


167

的全自动沏茶机，该沏茶机可根据不同种类的茶叶选择不同的沏茶方式，使人们充分享受到

品茶的乐趣。

1.2、作品构思

结合慧鱼模型的实际特点，通过比较与论证，选用科学合理的机构，在功能上突出沏茶

机的操作自动化、功能模块化。

沏茶机划分为五大系统:

1）热水及温控系统:水泵从水箱输送适量的水至热水器，热水器将水加热至 100 摄氏度。

根据不同茶叶对水温的要求，若所需的水温若低于 100 摄氏度时，温控系统启动，同时避免

千沸水的产生。

2）自动选择茶叶及导槽取茶系统: 沏茶机可以选择多种茶叶（本作品设定为三种），

分别储存在各茶桶中，按下对应的按键，选出该种茶叶。非工作状态时，茶桶密闭，防止茶

叶串味及受潮。

3）洗茶系统：洗茶是饮茶必不可少的一步，它可去除茶叶表面有害物质同时使茶叶舒

展和茶汁浸出。将热水注入茶壶后，装有茶叶的茶壶左右摇摆多次后，移动到指定位置，将

水倒掉，达到洗茶目的。

4）自动倒茶水系统：沏好茶水后，茶壶对准茶海翻转一定角度，将茶水注入茶海。茶

海平移并依据茶海中茶水的余量设定相应的翻转角度，为各茶杯注满茶水。

5)自动送茶杯轨道系统：在茶盘四周设有按键，按下按键，空茶杯自动传送到茶海前

方，待茶水注入后，再将茶杯传送到客人面前。该过程可单独重复，实现续茶功能。

二、创新设计、产品比较

2.1、市场产品分析

通过市场调查和查阅资料，我们发现市场上的同类产品自动化程度较低，操作较复杂。

其注水、取茶叶和分茶水等步骤均需人工完成，导致沏茶过程十分繁琐。

图五：已有的沏茶机


168

2.2、作品创新点

作品在制作过程中,注重采用机电一体化的设计思路与方法，在总结市场上各种相关产

品的基础上，综合考虑各种因素，使作品具备较高的自动化操作水平与模块化功能。与市场

上已有的产品相比，该自动沏茶机新增以下功能：

1、整个沏茶过程中，注水、热水、取茶叶、分茶水、送茶杯等一系列动作均可以自动

完成。

2、在沏茶过程中充分考虑了茶艺演示，包括烫杯、置茶、洗茶、冲水、敬茶，使人更

好地领略品茶的滋味。

3、茶盘的自动传送茶杯的功能，加大了自动沏茶机的工作范围。

4、充分使用了智能控制系统，从而能够精确控制水、茶叶、茶水等用量。

三、工作流程

自动沏茶可以使沏茶的每个工序自动完成并且工序之间相互配合，以工业化的流程实现

整个泡茶过程。其流程图如下：

四、各部分结构与工作原理

自动沏茶机由九大部分组成：控制器部分、热水器升降装置、冷却装置、自动选择茶叶

及导槽取茶装置、洗茶及倾倒装置、揭壶盖装置、茶漏过滤装置、茶海倾倒及平移装置、茶

将茶汤倒至茶海内

煮茶

洗茶

注入适宜温度的水

分茶水、传茶杯

茶叶选择

沸水烫壶

水泵抽水至热水壶中，并

加热、温控

启动按钮，开始工作


169

杯传送轨道装置。

4.1 智能控制部分

由 5 块慧鱼编程接口板和计算机联合控制。在工作的时候,当接通工作开关后程序启动，

各个部分无需单独操作。利用计数器与限位开关联合工作,实行精确控制。

图六：控制器图七：总体图

4.2 热水器升降装置

如图八，热水壶内置加热装置和温度传感器。热水器的入水口和水泵相连，可自动加

水。出水口由电机带动可自行升降，达到向茶壶注入热水的目的。

如图九，电机带动丝杠转动，丝母和热水器工作台上移，从而使热水器内液面高于茶

壶口。非工作状态，热水器下降，以节约空间。

图八：热水器装置图九：热水器升降装置

4.3 冷却装置

热水器外壁上绕有冷却管，冷却管通过如图十的散热装置散热。茶叶对水温有要求，当

所需温度低于 100 摄氏度时冷却系统启动，使其快速达到所需温度后保温。


170

图十：冷却箱图十一：冷却风扇

4.4 自动选择茶叶及导槽取茶装置

如图十二，两个电机相连，电机 1 通过齿轮箱在导轨上移动，使电机 2 上的齿轮分别与

各个选茶齿轮啮合，之后，选茶丝杠转动，带动丝母上升，通过连杆使茶桶内茶叶上升。

图十二：选茶驱动电机图十三：选茶装置

如图十四，电机带动齿轮转动，使茶桶盖打开，上升的茶叶通过导槽进入茶壶。

图十四：出茶装置

4.5 洗茶及倾倒装置

洗茶：洗茶是饮茶必不可少的一部分，它在清除茶叶表明有害物质的同时使茶汁浸出。

如图十五，电机带动齿轮 1转动，使茶壶底盘以丝杠为轴心左右摇摆，实现洗茶功能。


171

图十五：茶壶工作区三维图

倾倒装置：如图十六、图十七，电机转动，使导轨向后移动，应用杠杆原理使茶壶翻转，

实现倾倒茶水的功能。

图十六：茶壶平置图十七：茶壶翻转

4.6 揭壶盖装置

如图十六，茶壶在丝杠的带动下可以左右移动。如图十八、图十九，壶盖钩放下，茶壶

后移，转动壶盖钩使壶盖揭起。

图十八：揭壶盖简图图十九：揭壶盖装置

4.7 茶漏过滤装置


172

如图二十，在电机的带动下，通过齿轮传动，使茶漏提起或放下。电机带动丝杠转动，

使茶海平移，如图二十一。使用茶漏时，茶海移动到茶漏下方，茶漏放下，茶海移出，同时

带动茶漏移出，此时茶壶将茶水注入茶海，过滤茶水。茶漏用过后实行相反流程使茶漏放回。

图二十：茶漏放下图二十一：茶海倾倒及平移装置

4.8 茶海倾倒及平移装置

如图二十二，电机带动齿轮转动，通过支撑板使茶海翻转，从而将过滤后的茶水倒入各

个茶杯。

图二十二、茶海翻转

4.9 茶杯自动传送轨道装置

如图二十三，在茶盘的反面设置电机、丝杠、齿轮等组成可移动的齿轮相互啮合的轨道

传送装置。


173

图二十三、茶盘底部

如图二十四，茶盘上的齿轮和红色滑轮同轴转动，为茶杯传送提供动力。

图二十四：茶盘侧面

如图二十五，滑轮转动，通过皮带（实物中用白棉线代替）实现传送茶杯功能。


174

图二十五：自动传茶装置

五、智能控制系统

智能控制系统由 ROBOPro 控制软件、接口板和传感器组成。

限位开关用途:利用限位开关检测机构运行的位置，控制机器运行、停止或计数，把数

字量的结果 0、1值返回给控制器。

限位开关特点：电机运行的时间不用延时来控制，而是采用在合适位置装有限位开关来

精确控制，提高系统运行的可靠性和稳定性，较其它类型的传感器而言更方便使用。

限位开关说明:之前采用延时来控制电机运行的时间，比如在传茶的时候，电机的延迟

时间不够准确，齿轮就不能很好的啮合，会出现空转的现象，导致不能完成传茶的过程，而

且程序也将会断开。所以限位开关更能保证系统运行的稳定性。

控制系统 :ROBOPro 控制软件、接口板和传感器组成控制系统，对注水、烫杯、选茶

叶、洗茶、倒茶水、分茶杯等步骤进行控制。着重强调的是，针对 ROBOPro 接口板，我们

小组对接口板进行了扩展操作，双向马达接口由原来的 4 个变成 20个，同时 I/O口的数量

也扩展为原来的五倍，保证作品所需的电源、输入信号、输出信号都可以连入控制器中，控

制自动沏茶机完成所有的动作。控制器对各电机、传感器的运行状态进行监控，进一步保证

了沏茶机运行的可靠性。

六、应用价值


175

该全自动沏茶机安全、便捷、高效、省时、省力，从入水到出茶水，一键解决，应用机

电一体化的精确性可沏出上好佳饮，在品茶的同时享受精致生活。它顺应家电智能化的发展，

适合现代人需求，市场前景广阔。

参考资料

[1] 濮良贵纪明刚主编机械设计高等教育出版社，2008

[2] 张忠将李敏主编 SolidWorks 2010 机械工业出版社，2011

[3] 周祖德唐永红主编机电一体化第一版华中科技大学出版社，2002

[4] 范增平著生活茶艺馆吉林科学技术出版社

[5] 余悦著中国茶韵中央民族大学出版社


176

附录一作品图

附图 1：全自动沏茶机整体图

茶海倾倒及平移装置

茶杯传送轨道装置

自动选择茶叶

及导槽取装置

选茶按键控制器部分

洗茶及倾倒装置

热水器装置

揭壶盖装置

冷却装置

取茶杯按键


177

附录二程序图

附图 2：总程序

附图 3：洗茶


178

附图 4：分茶水


179

第七章慧鱼机械创新设计实验报告

实验名称

学号姓名

同组人日期

1、模型功能及传动机构说明：

2、模型设计的新颖新和创新点：

3、模型的应用背景：

4、模型机构的总体简图（可另附图纸）

要求：标出传感器、行程开关、电机等控制元件的位置

4、模型的电路简图（可另附图纸）

要求：该模型采用了哪些控制元件？各有什么作用？

5、模型控制程序简图（可另附图纸）

要求：画出程序流程图，说明模型是怎么实现控制的？

6、实验体会及模型改进建议：


180

第八章慧鱼创新实验室建设管理建议

8.1 ROBO Pro 软件升级兼容问题

由于目前许多用户依旧使用基于 ROBO Interface 接口板编写的程序，但是 ROBO

Interface 接口板已经停产，新接口板 ROBO TX 控制器的软件编译环境较 ROBO Interface

接口板进行了升级，有些信号输入端模块发生了改变，因此老程序在 ROBO TX 控制器上

运行需要进行相应的转换，这里针对这个问题进行解答。

8.1.1 ROBO TX 控制器与 ROBO Interface 接口板

在 ROBO Interface 接口板中，有 D1，D2 ，A1 ，A2 ，AX ，AY 五个信号输入端与

ROBO TX 控制器的信号输入端不同，其中 D1 与 D2 端用于接收超声波的输入电信号，A1

与 A2 用于接收模拟量的 10V 电压信号，AX 与 AY 用于接收模拟量的 5 kOhm 信号，

其余 I1 – I8 八个通用输入端用于接收数字量信号。我们在对接口板进行连接，点击工具

栏上“测试”按钮，出现以下测试窗口：

在左侧可以清楚看到几个输入端的不同。

而 ROBO TX 控制器上有 C1 – C4 四个特有的信号输入端，这四个输入端用于快速


181

计数，其余八个通用信号输入端可以接收数字量信号和各种模拟量信号，相对于 BOBO

Interface 接口板功能更加强大。点击工具栏上“测试”按钮，出现以下测试窗口：

在左上方的通用输入端的下拉选项中可以改变输入端信号需要对应的信号属性（数字

量，模拟量）。

8.1.2 改变软件编译环境

当我们将 ROBO Pro 软件升级到 3.13 版本后，菜单栏上多出一个 Environment 选项，

点击后有三个选项可供选择，分别是 ROBO Interface ，ROBO TX Controller ，Convert

inputs 。

如果点击第一个选项，出现下面对话框：


182

对话框中内容为：

注意：这项功能并不改变接口板的物理连接方式，物理连接方式通过点击 COM/USB 按

钮改变。这项功能改变图形编译环境，也就是，输入指令的属性对话框展示了针对于特殊接

口板的设置。

因此，通过点击这个按钮，我们将软件的编译环境设置为匹配 ROBO Interface 接口板，

这样，我们编写的程序可以在 ROBO Interface 接口板上运行。

如果点击 ROBO TX Controller 选项，会出现与点击 ROBO Interface 相同的对话框。

点击这个按钮，我们将软件的编译环境设置为匹配 ROBO TX Controller ，这样，我们编写

的程序可以在 ROBO TX 控制器上运行。

Convert Inputs 选项是对我们已经编写的程序进行控制命令的转换，例如，点击选项，

可以将我们编写的用于 ROBO Interface 的程序转换成适用于 ROBO TX 控制器的程序。这

样可以实现一键转化，但是自动转换之后，相应的信号输入端编号会改变，需要对应修改接

线，带来极大不便，下面讲述如何快速手动修改。

8.1.3 手动修改指令环境

如果 ROBO Pro 软件的版本升级到最新的 3.13 版本，打开 ROBO Pro 软件，默认以

ROBO TX Controller 作为接口板进行编译，这样编写出的程序都是适用于 ROBO TX 控制

器的。但是对于我们将版本升级后，以往的针对于 ROBO Interface 接口板的老程序，就需

要进行改动，下面我们通过具体例子讲解。

首先我们打开一个应用于 ROBO Interface 接口板的老程序，例如移动机器人（ROBO

Mobile Set）中的 Obstacle 1 程序。


183

在默认环境，也就是 ROBO TX Controller 编译环境中，老程序中不相符指令模块都以

红色图框出现，如上图所示。但是也有不太明显的，例如变量模块的橙色图框与红色图框就

极为相似，例如下图中的 I3 ，I4 指令框。

如果我们不进行转换，程序在新环境中就无法运行。转换时，对红框的指令单击右键，

出现以下对话框：

对话框中内容为：

这个输入指令是基于 ROBO Interface 接口板的编译环境，但是现在的编译环境为


184

ROBO TX Controller 的编译环境。点击“确定”进行转换，如果你先要改变编译环境，点

击“取消”，并在菜单环境中选择“ROBO Interface”。

这里我们单击“确定”进行手动转化，确定之后，出现以下对话框，同时指令编号发生

改变，如图所示，其中左图为转换之前指令：

从图中我们可以看到，转换后指令 I3 编号变为 I7 ，相当于指令编号加 4 ，需要我

们手动将 I7 改回 I3，进行如下操作，改完之后的指令如下图所示：


185

从图中看到，I3 的图框颜色回复为深蓝色，表示现在该指令为适用于 ROBO TX

Controller 的编译环境，可以运行。

另外，C1D 与 M1E 都表示 C1 端口，两者等价，只是 M1E 只用于步进电机计数。

同时需要注意，从信号输入端指令的编号出发，C1D – C4D 为相当于 I9 – I12 ，例如 I7

在转换后会变为 C3D ，其余类似，要记得改回原来编号。

小技巧：

在将老程序转换时，由于接口板只有信号输入端有所不同，输出端完全相同，对应的程

序中指令也是只有输入端指令需要转换，输出端指令都不需要转换。

在进行转换时，由于转换后所有输入端指令编号都会加 4 ，例如 I1 在转换后变为

I5 ，一旦忘记在转换后将编号改为 I1 ，而 I5 转换后改回 I5 ，这样 I1 就与 I5 端重名，

造成程序错误，为了避免郑重情况出现。一方面需要时刻铭记在转换后将编号改回原来编号，

另一方面可以采用小技巧，先转换编号较大的输入指令，这样即使忘记修改先转换指令的编

号，由于编号变大，就不会重名。

总结：

老程序应用于新接口板是用户在使用的过度阶段中所面临的问题，以上讲解了如何进行

老程序指令的转换。当然此方法同样适用于将新程序用于老的接口板，由于这种情况很少，

这里就不进行详细说明。

最后希望大家能够在使用慧鱼时享受快乐，有问题请联系我们。

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