课业成果 | 《工业设计科学基础》课程作品线上展
《工业设计科学基础》是工业设计专业大二学生的一门专业必修课，任课老师为孙帙博士。本课程是工业设计交叉课程体系的实践型创新教学课程，旨在让学生掌握智能硬件的设计开发方法，包括学习开源电子原型、硬件开发平台、软件开发平台等相关知识，将工业设计前沿技术引入到学生课程学习中，不仅有利于学生掌握最新的产品设计方法，设计出符合时代的产品，同时提高学生的动手能力和综合能力。课程主要以Arduino开发板和配套的编程平台为学习对象，要求学生掌握标准编程语言及开发环境的基本设置、常用命令及基本操作，能够设计开发电路和程序，并掌握在开发板上运行烧录程序的方法和技巧。
本学期该课程选课学生为工业设计专业2017级学生，课程教学以教师讲授、操作演示和学生练习并行进行，让学生在边学习边实践过程中，掌握基本命令和编程方法。课程考核以小组为单位，以设计电路和程序为核心，最终设计一款智能创新产品，并在课程结束后举行课程作品的展示。
6月20日，2017级工业设计专业46名学生向公众展示了本课程的学习成果，设计作品包括流水线加工机械臂、石中剑、皮影·现代、啊啊啊网络暴力、汽车安全保障系统、智能导盲机器人、趣味密码箱、FOR NATURE、密码门系统、智能垃圾桶、手势控制小车、计数发光机器人、智能快递配送车、行走盒子等14个作品，显示出“未来设计师”们对于产品和智能相结合的思考，从人文、经济、技术的角度，提出了合理美好的解决方案。
以下为本课程的课业成果，敬请批评指教。
作品名称：流水线加工自由度机械臂
小组成员：方之博 周格格 吴梦婧 吴奥
作品简介：本作品设计灵感来源于抓娃娃机与工厂流水线加工的机械动作，选定抓娃娃机核心部件中的机械臂、机械抓手和流水线的传送装置，利用Arduino开发板、转接板和编程，操控机械臂抓取物品，并控制舵机转盘源源不断地传送待加工物品，最大程度地还原流水线加工。本作品将枯燥的重复的流水线加工动作赋予科技，同时将物品设计“戴帽子的小人”，以增强趣味性。
本作品包括机械臂和舵机转盘两个模块。机械臂模块由抓取手柄、舵机、开发板、转接板、机械臂组成，可通过电脑操作机械臂四个舵机活动，控制机械臂的伸缩、弯曲、以及机械爪的松紧，实现抓取物品（例如帽）的功能。此外，机械臂具有记忆功能，通过奇点机器人软件记忆调试好的自由度具体位置，即可实现更快更流畅地重复执行操作。舵机转盘模块控制圆盘每45秒转动60度，将未加工的物品（小人）转到机械臂可操作区域范围，其他物品等待加工，从而以小见大，运用到工厂实践中，实现流水线加工的高效工作。
作品名称：石中剑
小组成员：王郑畅、李伟恒、刘洋、潘坤、舒培智
作品简介：本作品灵感来源于英国童话故事《The sword in the stone》，只有拔出象征王权“石中剑”的人，才是国王。
本作品利用Arduino开发板和编程还原宝剑从石头拔出的场景。剑柄上设有两个压力传感器，剑一侧带有凹槽，凹槽中装有电磁铁；“石头”底座中设置有配合电磁铁协同工作的弹簧-铁块装置。只有同时按住两个压力传感器，才能解除电磁铁和铁块的吸附力，顺利将剑拔出，否则剑将牢牢吸附在石头中。剑拔出同时启动“石头”底座中的开关，控制底座中灯光亮起，最大程度上还原《石中剑》童话故事。
作品名称： 皮影·现代
小组成员： 曹中淏 舒子谦 安然 吴琼
作品简介：本作品设计灵感来源于中国传统文化“皮影戏”，选定深入人心的“马里奥”游戏形象，利用Arduino开发板和编程控制马里奥做特定表演，最大程度还原游戏效果，增加作品趣味性的同时，实现传统文化“皮影”与现代科技的融合，弘扬民族传统的皮影文化。
本作品包含背景音乐、人物动作、背景传送带和表演舞台四个模块，基本实现马里奥游戏场景的还原。背景音乐模块以超级玛丽游戏背景音乐为基础，由小组成员独立进行解谱和编程，还原度极高；人物动作模块通过编程控制舵机，进而控制马里奥的身体及四肢运动，控制马里奥完成行走、跳跃等动作；背景模块运用背景传送带，充分利用有限空间，采用背景与马里奥相对运动的方式完成场景的无限循环与切换；表演舞台利用手工制作的幕布和纸盒，构建富有皮影特色的表演舞台，同时满足便携的要求。
作品名称：啊啊啊网络暴力
小组成员：阮婷婷 徐泓瑾 王毓婧 王子鸣
作品简介：本装置艺术设计运用Arduino开发板和编程，模拟网络暴力中各路“声音”使受害者心慌神乱、意冷心灰的场景，用直观的方法让体验者体会到网络暴力对人造成的伤害，呼吁人们在网络中“口下留情”。
本作品采用声音传感器和舵机等装置，话筒中设有声音传感器检测声音大小，其中纹样设计和小人模样分别象征着各样网络暴力语言和各色键盘侠，这些语言和人汇聚起来集中在一根线上，连接着由“不听、不看、不说”人形组成的心形，心形代表着承受网络暴力人的心脏，底部设有舵机控制心脏跳动，心脏旁设置表示心情的LED灯。
体验者可以用高低不同的喊声控制LED灯光亮度和电机的震动频率及震动角度，喊声越大，心脏颤抖得越剧烈，组成心形的各个LED灯亮度越暗，直到熄灭，模拟网络暴力声音给人带来的伤害。此外，本作品还配有网络暴力公益广告宣传车，小车采用双循线传感器配合控制小车方向，让小车可以沿设定路线行走。
作品名称：汽车安全保障系统
小组成员：晏泽华 唐治政 程润清
作品简介：本作品的设计灵感来源于对车辆在行驶过程中车内出现危险气体这一问题的思考，选用危险气体传感器为输入信号，利用Arduino开发板和编程控制舵机等信号输出。气体传感器为本作品增添新意，而LED灯、风扇、马达、蜂鸣器的作用则体现了对这个问题的全方位思考。
本作品由由危险气体传感器、舵机、LED灯、风扇、小车、底盘马达、蜂鸣器、转接板等部件构成。如展示所示，小车在运行过程中，利用传感器检测到危险气体后，小车会停止前进，同时开启LED灯，打开换气风扇，引起蜂鸣器发声，当危险气体浓度变低时，小车继续前进，同时关闭LED灯，停止换气风扇工作，蜂鸣器静音。本装置可实际运用于小车的安全保障中，如车内一氧化碳中毒的防范，此想法将给人们提供一个可能性去解决某个特定环境中出现危险气体带来的问题。
作品名称：智能导盲机器人
小组成员：张羽 彭乔 李进
作品简介：本作品设计目的是针对盲人出行遇到的问题，提出合理的解决方案。首先，对于盲人来说，本该是最安全的盲道，却由于盲道上自行车等障碍物占道、或者突然消失的井盖、路面施工等各种各样的原因，如今变成了最“危险”的存在，从而影响盲人出行；其次，对于悬挂半空中的障碍物，如交通指示牌等，普通的避障工具并不能及时有效地为盲人进行导航，避开障碍物；最后，当盲人经过红绿灯路口时，由于不能识别到红绿灯的变化，也无法单独过马路。为了给盲人出行提供无障碍服务，我们进行了智能导盲机器人的设计。
本作品包括红外识别、超声波识别、红外发射、红外接收四个模块，进而实现导盲功能。机器人主体上装有红外识别装置，通过红外传感器识别前方的障碍物，做出避障行为，避开障碍物前行。与机器人连接的棍上装有超声波传感器，通过超声波传感器识别到悬挂在半空中的障碍物，发出警报，当与障碍物在20cm-100cm之间时，随着距离变近，警报声变得急促，小于20cm时，警报声长鸣。在自制的红绿灯上安装有红外发射器，当绿灯切换到红灯亮时，发射特定的信号；机器人主体上的红外接收器接收特定信号后，发出警报，作为红灯的提醒。
作品名称：趣味密码箱
小组成员：刘娇娇 周睿卿 杨丹妮
作品简介：本作品运用Arduino开发板、4*4矩阵按键、舵机、LED灯和蜂鸣器等材料，结合课上所学编程和电路知识，设计一套趣味密码箱，通过情节和道具提示，引导体验者一个个打开箱子，以主人公视角体验故事情节。故事以东野圭吾小说“从前我死去的家”为故事背景，围绕“家庭暴力”展开，开箱过程即为寻找真相过程。通过寻找伤害来源，让人们学会面对伤害，与自己和解。
本游戏设置四个关卡，每个关卡需要根据情节提示输入正确密码才能打开。密码箱通过编程实现按键读取、密码识别、LED灯亮灭、舵机转动、蜂鸣器的输出。
其中，4*4矩阵按键作密码盘，舵机作为密码锁，通过程序控制舵机转动，进而控制箱子关闭或打开，并控制LED红绿灯的亮灭和蜂鸣器音乐的播放，作为正确或错误回答的提示。若回答正确则蜂鸣器响起“两只老虎”音乐同时亮起绿灯，并开启箱子，箱子内存放有下一关密码的提示道具；若回答错误，则蜂鸣器发出警报，同时亮起红灯，若错误三次，将锁定密码盘1分钟，不能继续输入。体验者对四个封闭箱子进行层层探险，正是慢慢探索和正视自己的内心的过程。
作品名称：FOR NATURE
小组成员：林新尧 牛岁清 林嘉辉 候洁茹
作品简介：“生活不止眼前的苟且，还有诗和远方”--本作品设计灵感来源于当下城市生活状态，如今，大多数人都想要逃离城市的喧嚣，避开人群的人情世故，寻找一个可以沉静心灵的地方，感受大自然的鬼斧神工。
FOR NATURE机器人以渴望自由，向往自然的城市人为原型，在机缘巧合下发现一片神秘而美丽的森林，在好奇心驱使下，渐渐走进森林的入口。
本作品通过Arduino编程控制机器人行走、跳跃等特定动作，最大程度模拟城市人寻找心灵净土的旅途。体验者通过红外遥控器向机器人上的红外接收器发射信号，进而控制机器人腿上的四个舵机，完成机器人的各个动作。机器人形象生动可爱，积极阳光，增加了体验者的代入感，能尽情地享受奇妙的旅程，感受自然的无穷魅力，平静一颗浮躁的心。
作品名称：密码门系统
小组成员：廖振华 危宇 黄家亮
作品简介：随着科技和人们的生活水平的提高，如何实现家庭防盗这一问题也变得尤其突出，传统机械锁由于构造简单，被撬事件屡见不鲜；电子锁保密性高，使用灵活，安全系数高，更多的用户进行尝试。
本作品利用Arduino开发板和编程设计密码门系统，通过步进电机的旋转控制密码门的打开与关闭。本作品运用了4*4矩阵键盘、步进电机、LCD灯等部件，通过将编好的程序烧录到Arduino开发板，控制步进电机的运动。如图所示，通过键盘输入初始密码1234之后，LCD上会显示所输入的字符，并且显示出success，步进电机转动，将门打开，几秒后重置；若输入密码错误，则显示error，门无法打开，重置。
作品名称：智能垃圾桶Arduino-Xpro
小组成员：严家豪 丁逾新 唐佳明
作品简介：Arduino-Xpro为智能垃圾桶的结构原型，本作品利用Arduino开发板和编程，设计智能垃圾桶，根据所需环境自动生成行动轨迹，具有近距离自动开启、夜间近距离亮灯、垃圾装满警示等功能。
如图所示，本作品可以通过超声波检测到人或物时，控制舵机运动，进而打开垃圾桶盖，在人或物离开10s后，能够自动关闭。本小组组主要编写超声波传感器控制舵机的旋转的程序，连接线路，搭建作品结构。
作品名称：手势控制小车
小组成员：郭欣 李琳玲 李雨辰 王家璇
作品简介：本作品通过Arduino开发板以及其他模块实现手势控制小车运动的场景，包括小车运动模块和手势控制模块两部分。
手套上的电路装置由一块Arduino RF-RF-NANO主控板、mini 面包板、MPU6050模块构成，由一块12V的电池提供电力供给，其中MPU6050模块计算重力加速度和角速度测控手势的变化，经NRF无线控制模块将这种变化传递到小车的主控板中，进而控制小车上舵机转动，从而控制小车行进的方向，实现手势控制小车前进、后退、转弯等功能。小车通过后轮驱动，后轮既是动力轮也是转向轮。两个轮子连接电机驱动芯片，左右轮两个电机转速的配合就可以实现小车的前进、倒、退、转弯等功能。当通过手势控制向右旋转时，右轮为定轴，左轮提供旋转的动力以达到向右旋转的目的。向左旋转与之相反。
作品名称：计数发光机器人--阿楞
小组成员：文艾嘉 侯嘉怡 雷佳慧
作品简介：我是一个聪明可爱的机器人，每天注视着来来往往的行人。我身边的计数牌记录着每天经过的有趣的人的数量。如果我有幸获得你的驻足，你每一次掌声都会让我怦然心动，让我心获得光明。
本作品包括人数检测计数模块和声控光模块。其中人数检测计数模块利用红外发光管发射红外线信号，红外接收管接收此信号，当有人或物挡住红外光时，将这个电平信号送入单片机进行控制并计数，使数码显示屏显示当前计数的数值，得到要统计的人或物的数量。同时将计数值和报警值进行大小比较，当计数值大于设置的报警值时，启动声光报警进行提醒。此外声控光电路使用了驻极体话筒、光敏电阻、电磁继电器和单片机等元件，通过接收外界的声音（掌声），控制LED灯发光。
作品名称：两岸号-快递仓智能快递配送车
小组成员：金昇 郭宇 李佑宽 侯奇 吴亮
作品简介：鉴于现代物流的发展对快递分类有很高的要求，两岸号可用于协助快递点的快递分类，减少快递分类中的人工操作及成本，节省快递分类时间，保证了快递的安全配送。
本作品利用Arduino开发板和编程，控制小车定点移动和快递运输，含循迹导航、避障以及舵机驱动三个模块。小车通过循迹模块控制快递沿规定路线行走，并将快递配送至指定地点进行分类；避障模块在多辆小车相遇时检测到障碍物，向小车发出停止指令，以避开其他车辆，待其余车辆通过后再次启动，以保证整套运输系统通畅运行。
作品名称：行走盒子
小组成员：曾龙富 杨永康 刘益嘉
作品简介：本作品设计灵感来源于“机器狗”，或者叫仿生运动机械结构。本组选定仿生四足行走系统，通过结构衔接、舵机调试等技术模仿“机器狗”。多达八个舵机的周期性信号输出对程序架构有很高的挑战性，在考验课业能力的同时，也让本小组反复思考简单动作背后的复杂机理，深入探讨了生命体运动的机能结构。
本作品由八个舵机、一块单片机、一个移动电源以及诸多小零件构成，全身由约40根排线进行调度，躯干均为自主设计、3D打印。它能够模拟四足动物行走动作，进行周期性的移动，但是由于材料限制、舵机驱动力不足等原因，没能完全实现独立行走。本作品模仿了慢走、快跑、原地跳等多种四足活动的动作，在无载荷的情况下能够顺滑运行。在动力输出模组中，上肢舵机每个都需要单独控制，而下肢舵机则两两一组进行控制，总共六组信号源。代码由小组成员自行编写，很开心最后能有很棒的演示效果。
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