基于单片机控制的交互式3D拼图设计
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作者:肖楠 张铁成 周诗琳
摘 要：为了便于青少年，尤其是低龄儿童学习编程知识，提出了将编程与3D拼图相结合的设计方向，探讨了单片机选择、编程语言选择、交互方式选择、3D拼图造型设计、拼接方式、拼图加工方式等问题，最后设计并制作了一款具有可编程、语音控制、多种交互方式、可行走的机器人造型的3D拼图机器人。
关键词：交互式拼图; 3D拼图; 激光加工; 图形编程
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2019）06-035-002
3D拼图（立体拼图）是将经典平面拼图玩具向立体化发展，将在拼图过程中锻炼的平面化思维转向了立体化思维体验，拼装过程趣味性十足，出现了以建筑、动物等等为主题，格式各样的立体拼图，已发展为集娱乐、知识、欣赏于一体的DIY玩具;随着创客教育的发展，越来越多的儿童开始学习编程，出现了乐高教育机器人、Abilix Krypton、mBot Robot Kit等产品，现有产品大致用配套的APP、手势或语音控制，配合先进的机电一体化技术，让现有电子玩具被赋予了生命，并让孩子们寓教于乐。现有立体拼图的控制方式比较简单，与单片机结合的设计也非常少，将3D拼图与单片机、传感器等结合，将编程功能融入到拼图中，可在一定程度上扩展立体拼图产品的发展方向，增加市场竞争力。
1.单片机编程及交互控制方式
1.1单片机及编程语言的选择
目前适合青少年使用的单片机主要有树莓派、Arduino和micro：bit等，Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（ArduinoIDE），对于初学者来说，极易掌握，同时有着足够的灵活性;micro：bit是一款由英国BBC设计的ARM架构的单片机，板载蓝牙、加速度计、电子罗盘、三个按钮、5x5LED点阵。Arduino作为全球最流行的开源硬件，比较典型的产品为arduinoNANO，该款产品为基于ATmega328P的单片机开发板，因其成本低，接口丰富，尺寸小等特点，非常适合本项目。
传统的Arduino IDE使用代码的编程方式不适合青少年，尤其是儿童使用，市面出现了米思齐（Mixly）、ArduBlock、S4A（scratch for Arduino）、Mind+、MBlock等图形化编程软件，非常适合低龄儿童学习编程。Mixly For Arduino（米思齐图形化编程工具）有windows版、mac版、Python版和Android版，是一款用于中小学创意电子教学的图形化编程软件，由北京师范大学米思奇团队开发和维护，它是基于谷歌的图形化开源引擎Blockly进行的开发，现在已经成为国内重要的创客教育编程软件之一。
1.2交互方式的选择
根据现有传感器的特点及尺寸，采用了语音交互、按键交互、光敏开关、声控开关等控制方式、切斜开关、光電开关、APP蓝牙连接遥控、红外遥控器、超声波测距等控制方式，也增加了LEDRGB发光二极管、LEDRGB光带、MP3语音播放等信息输出方式，安装了舵机、电机等动力源，驱动拼图沿特定轨迹的运动。根据所需功能的不同，将单片机、电源、输入控制传感器、声光传感器、运动元件分别安装在特定的拼图盒子里，便于与拼图的其他部分的连接。
2.3D拼图设计过程
2.1单片机及传感器的收纳设计
根据拟采用单片机、电源、传感器、舵机、电机、电机控制板的尺寸，首先设计出可以集合在一起的单片机元件，统一放置在简单的盒子中，将驱动舵机、电机的控制板也单独放置在简单的盒子中，将按键等传感器单独设计，其操作的功能面尽量外露，以便于操作，发光元件也固定在特定的拼图上。
2.2 3D拼图的造型设计
根据产品所针对的目标人群，本设计以典型的动漫形象为造型来源，通过对其特征的提取，同时充分考虑3D拼图产品拼装后的造型特点，设计了一款机器人3D拼图。在设计过程中，首先在三维软件Rhino中绘制产品的整体形态，然后按照拼图产品的拼接方式，将整体形态转变为可拼装的拼图模块，通过典型的卡扣连接，将各个面连接为一个拼图单元。
2.3拼图单元的连接
在设计过程中要充分考虑各拼图单元间的连接，尤其是拼图与单片机收纳盒的连接，单片机收纳盒也要易于从拼图整体上拆卸，便于单片机的维护。
2.4 3D拼图的加工方式
将设计好的拼图在三维空间中检验设计的合理性，然后将立体的拼图零件在三维软件中通过旋转、移动等方式排放在一个平面上，将各拼图零件的直线边贴合在一起，尽量控制所占面积的大小，减少加工过程中材质的浪费。使用Rhino的Make2D命令将排布在一个平面上的拼图元件输出为dxf格式。拟采用激光雕刻机对2mm厚椴木层本进行激光切割，将输出的dxf格式文件导入到激光加工软件RDworks中，通过删除重线命令删除重复的线，设置合适的加工功率及加工速度，实现切割、雕刻等功能。
2.5 3D拼图的拼装方式
各拼图片通过片间的卡扣自动连接，如卡片间因加工造成的误差，可能存在松动现象，可适应热熔胶棒对局部进行粘贴，加强连接的牢固性。
2.6 3D拼图说明书
因拼图最终所需的拼图片至少在100片以上，各拼图片间存在形象类似，在拼装过程中不易区分，本设计通过在每一个拼图片上使用激光雕刻机雕刻了每一片的编号，便于识别各拼图片，使用图形设计软件CorelDRAW制作了详细的拼图拼装步骤立体示意图，根据示意图能找到所需的拼图片。
3.结论
根据本拼图所面向的使用人群，选择了易于上手的图形编程软件——米思齐，综合使用了声音、RGB LED、舵机、电机等传感器及显示、动力输出装置，在三维软件Rhino中构建了拼图产品的三维效果图，检验拼图内部空间的合理性、拼装过程的合理性，导出符合激光加工要求的二维文件，通过激光雕刻机切割了2mm厚椴木层板，制作了详细的拼装过程示意图。最终设计出一款具有可编程功能、能根据特定的语音来控制机器前进、后退、转弯、播放音乐等功能、可自由拼接的机器人造型的3D拼图。
基金项目：辽宁省2018年大学生创新创业训练计划项目（201811258036）
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