智能收作業(yè)機

為了解決收作業(yè)耗時費力的問題，利用樂高EV3主控、傳感器、電機以及FTC部件等材料，制作智能收作業(yè)機，實現(xiàn)了收集、分類和統(tǒng)計各科作業(yè)的功能。

設(shè)計背景

對于每位學(xué)生來講，早晨上學(xué)第一件事情就是交作業(yè)，其中最累的就是科代表。每天早晨，科代表都會早早地來到學(xué)校，收集、整理作業(yè)，統(tǒng)計誰交了作業(yè)誰沒有交。甚罕有時候，課問也要收作業(yè)。這種收作業(yè)的方式比較耗時費力，每個同學(xué)到校時問并不同定，科代表收作業(yè)時問也會因為最晚到校的同學(xué)而不能按時上交給老師，同時統(tǒng)計工作也經(jīng)常會山現(xiàn)差錯。

我們常常希望有一臺機器，能夠自動收集作業(yè)，科學(xué)統(tǒng)計作業(yè)上交情況，減輕科代表的工作量和煩惱。經(jīng)過與同學(xué)們、老師們充分討論與研究，我們決定設(shè)計并制作一臺智能收作業(yè)機。希望學(xué)生到校將自己的作業(yè)放到機器上時，機器可以自動識別學(xué)/和科曰，并根據(jù)科曰進行篩選，將同科曰作業(yè)收集在一起。

設(shè)計思路

要實現(xiàn)智能收作業(yè)的目標(biāo)，首先需要機器正確識別學(xué)生和科目。我們考慮到每位學(xué)生都有學(xué)號，所以利用學(xué)號就可以正確識別學(xué)生的作業(yè)了。

經(jīng)過我們的討論和驗證，決定以顏色傳感器識別色塊的方式來實現(xiàn)學(xué)號和科目的識別。我們熟悉的樂高組塊中有常見的七種顏色：紅、黃、藍、白、黑、綠、棕。識別學(xué)號我們選擇兩組色塊來實現(xiàn)，如果七種顏色都用上，就有7×7-49種學(xué)號，但是在我們試驗之后發(fā)現(xiàn)因為顏色傳感器的識別度問題，綠色和藍色容易混淆，而我們常用的作業(yè)本是棕色的，使用棕色容易造成誤判。最終我們確定了用五種顏色塊兩兩組合的方式來識別5×5=25個學(xué)號進行試驗。識別科目只需要一個色塊即可，我們選擇了黑色和白色分別代表語文和數(shù)學(xué)兩個科目。為此，我們需要制作50個檢測用作業(yè)本。

在小學(xué)階段，語文和數(shù)學(xué)是我們最主要的兩科作業(yè)。我們經(jīng)過觀察和驗證，發(fā)現(xiàn)簡單的翻板裝置就可以實現(xiàn)兩科作業(yè)的分類功能，而且占地面積小，通過電機帶動軸轉(zhuǎn)動就可以實現(xiàn)翻板左翻和右翻的功能。

在確立了設(shè)想的可行性后，我們馬上動手干了起來。通過多次試驗，在發(fā)現(xiàn)問題后，討論，改進，再發(fā)現(xiàn)問題……終于制作成功了，智能收作業(yè)機。

設(shè)計過程

這種智能收作業(yè)機的功能區(qū)主要由三部分組成：一是檢測系統(tǒng)，由翻板、3個顏色傳感器和主控組成。翻板用于擱置作業(yè)本，既堅同又實用。顏色傳感器用于掃描作業(yè)本上的顏色條碼，一個顏色傳感器用來識別學(xué)科，兩個用來識別學(xué)號，分辨出這個作業(yè)本是誰交的（每個學(xué)生對應(yīng)一個顏色條碼，2個光電傳感器最多司以識別49組條碼）。二是分類系統(tǒng)，由2個EV3電機、軸和翻板組成，當(dāng)顏色傳感器正確識別科目色塊后，通過電機帶動軸轉(zhuǎn)動，使翻板實現(xiàn)向左和向右翻轉(zhuǎn)將語文和數(shù)學(xué)兩科作業(yè)分類。三是收納系統(tǒng)，是由兩個收納筐構(gòu)成。通過翻板分類的作業(yè)本自動滑落到下方收納筐內(nèi)。

1.動作原理

同學(xué)將作業(yè)本按正確方向（有箭頭標(biāo)記）平放在檢測區(qū)上方平板上，機器識別學(xué)科和學(xué)號，電機啟動，帶動軸轉(zhuǎn)動，使翻板向左或向右翻轉(zhuǎn)將不同科目作業(yè)送入到不同的作業(yè)收納筐中。同時主控將統(tǒng)計結(jié)果顯示在屏幕上，上交作業(yè)的學(xué)號變成黑底，未交作業(yè)的學(xué)號沒有變化，統(tǒng)計結(jié)果一目了然。

2.問題及解決方案

關(guān)于翻板的設(shè)計。最初的翻板就是直接用樂高部件拼出和作業(yè)本大小相同的平板。但在第一次試驗過程中發(fā)現(xiàn)：因為材料和拼接較多等原因使翻板阻力較大，作業(yè)本在分類后不易滑動掉落到收納筐中。我們需要讓翻板更平滑，使作業(yè)本更易下落，所以在翻板上增加了一層塑料硬板。最初設(shè)計的翻板是長軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)左右翻轉(zhuǎn)，但在試驗后發(fā)現(xiàn)作業(yè)本在滑落后會散開，不利于后續(xù)作業(yè)本的整理收集。將翻板設(shè)計成短軸轉(zhuǎn)動，有效地解決了整理收集問題。

關(guān)于程序的改進。識別檢測系統(tǒng)選擇了顏色傳感器，根據(jù)我們的設(shè)計意圖，在開始編寫程序時，我們對主控程序設(shè)計使用了“檢測顏色→識別學(xué)號和科目→轉(zhuǎn)軸（左or右）→翻板”→系列的動作命令。但在第一階段進行多次試驗后發(fā)現(xiàn)，作業(yè)本還沒有放到平板上，顏色傳感器就檢測到了模糊顏色，馬上進行識別，立刻轉(zhuǎn)軸翻板。我們意識到，這是因為檢測和識別時間的問題，怎么改進程序才能完善呢？后來增加了幾個動作命令達到了這個目的，改進后的程序就成了“檢測顏色→等待2秒→發(fā)出提示音→檢測顏色→識別學(xué)號和科目→轉(zhuǎn)軸（左or右）→翻板”，其中等待2秒，是我們經(jīng)過多次試驗驗證過的合理放本時間。這個方案成功地使機器既快又準(zhǔn)地掃描到了色塊，準(zhǔn)確地將作業(yè)進行分類。

結(jié)論

經(jīng)過多次試驗，并在?？萍脊?jié)上向同學(xué)們演示驗證，本項目設(shè)計的“智能收作業(yè)機”能又快又好地實現(xiàn)兩科作業(yè)的分類統(tǒng)計工作，能夠?qū)崿F(xiàn)減輕科代表收作業(yè)和統(tǒng)計作業(yè)的工作，高效地完成任務(wù)。