CN108417117A - 演示“汉诺塔”算法的机构及控制接口 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种演示“汉诺塔”算法的机构及控制接口，包括以汉诺塔模型与简易二维机械臂为基础的机械机构、机械伸臂、步进电机、传感器系统和具有多项功能的控制接口板；汉诺塔模型包括塔座和塔盘，塔座上设有A、B和C三个指定位置；机械机构包括水平运动机构和竖直运动机构，且均使用步进电机为其提供稳定的驱动动力；传感器系统包括第一行程开关、第二行程开关、接近开关传感器、位置开关传感器和加速度监测模块；控制接口板，主要功能是将控制器的控制信号转变成执行元件的输入信号，将所述传感器系统各装置和执行元件的输出信号转变成所述控制器的输入反馈信号。本发明能够满足汉诺塔游戏规则。
Description
技术领域
本发明涉及软件算法编程练习实验教学器具领域，特别是涉及一种演示“汉诺塔”算法的机构及控制接口。
背景技术
汉诺塔作为一种古老的数学问题演变到今天的一种益智开发游戏以及典型算法的案例，除了在难度上有所降低其它并没有太大的改进。如今汉诺塔算法的表现形式主要是：实物益智玩具和运用Java、C、C++、VB以及汇编语言等诸多计算机语言编写出来的纯软件系统。
随着科技的发展，自动化技术已经被广泛的应用于机械制造、电力、建筑、交通运输、信息技术等领域，人工智能已然成为了现代世界一门新的技术科学。“人工智能”一词最初是在1956年达特茅斯(Dartmouth)学会上提出的。从那以后，研究者们发展了众多理论和原理，人工智能的概念也随之扩展。人工智能是一门极富挑战性的科学，从事这项工作的人必须懂得计算机知识，心理学和哲学。人工智能是包括十分广泛的科学，它由不同的领域组成，如机器学习，计算机视觉等等，总的说来，人工智能研究的一个主要目标是使机器能够胜任一些通常需要人类智能才能完成的复杂工作。
2016年一位名叫Yosef Mirsky的实习生成功完成了他在公司的首个项目——编写程序，使用UR5机械臂来解决汉诺塔问题。这也是人类首次将人工智能与汉诺塔问题相结合，至此以后在网络上可以找到很多各种各样的的使用机械臂解决汉诺塔问题的视频。通过传统的实物玩具与自动化设备相结合，既令汉诺塔得到改进，同时又拥有时代特色。但目前所出现的机械臂算法演示方式却存在着机械手臂制作成本高或精度不够等问题，高精度的机械臂通常使用球坐标机械手或关节式机械手，因其自由度较多结构复杂，所以制作成本超高、可编程操控性的难度也极大。例如利用UR5实现汉诺塔演示功能，虽然精度高，但是其成本却远远超出了学生甚至学校实验室的可接受范围。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种演示“汉诺塔”算法的机构及控制接口，解决使用球坐标机械手或关节式机械手演示汉诺塔算法的高成本与操控难度大的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种演示“汉诺塔”算法的机构及控制接口，包括以汉诺塔模型与简易二维机械臂为基础的机械机构、机械伸臂、步进电机、传感器系统和具有多项功能的控制接口板；
所述汉诺塔模型包括塔座和塔盘，塔座上设有A位置、B位置和C位置三个指定位置，所述塔盘数量根据要求放置于塔座A或C位置处，且按自上而下直径逐渐增大顺序摆放；
所述机械机构包括水平运动机构和竖直运动机构；所述机械机构均使用步进电机为其提供稳定的驱动动力，且在两个方向上的运动机构均能实现自锁进行位置固定；
所述水平运动机构包括两根光轴导轨、齿条和水平载物台，水平载物台安装在两根平行的光轴导轨上，并用其作为运动导向和支撑；齿条安装在两根光轴导轨之间与水平载物台下安装的齿轮配合作为传动件；
所述竖直运动机构包括竖板、两根方形直线导轨、滚珠丝杠和固定传动件的安装板，竖板安装固定在水平载物台上，两根方形直线导轨相互平行地安装在竖板上，滚珠丝杠在两根方形直线导轨之间安装在竖板上，固定传动件的安装板以两根方形直线导轨作为导向和支撑，且与滚珠丝杠螺纹配合，滚珠丝杠旋转带动固定传动件的安装板沿两根方形直线导轨上下运动；
所述机械伸臂以与光轴导轨和方形直线导轨相垂直向安装在固定传动件的安装板上，在机械伸壁伸出端的下侧安装有电磁铁；所述机械伸臂作为取物装置，并且依靠电磁铁可以对塔盘进行吸取、运输与放置；
所述步进电机安装在竖板的上部，其输出轴与滚珠丝杠和水平载物台下的齿轮同轴连接；
所述传感器系统包括第一行程开关、第二行程开关、接近开关传感器、位置开关传感器和加速度监测模块；
所述第一、二行程开关分别用于限制机械伸臂水平方向和竖直方向的运动范围；所述接近开关传感器用于判断电磁铁与塔盘之间的距离，在电磁铁与塔盘发生接触时发出信号使所述机械机构停止运动，为电磁铁的吸取效果提供保障；所述位置开关用于判断所述机械伸臂在水平方向是否运动到A位置、B位置、C位置三个指定位置中的一个指定位置，当到达该指定位置时，所述位置开关会发出信号使所述机械机构在该指定位置停止；所述加速度监测模块主要功能为：在所述机械机构运行过程中，一旦水平与竖直方向上的加速度超过设定的阈值便会分别通过黄色和红色LED闪烁的方式报警，同时在不同加速度范围时，所述加速度监测模块也会输出不同频率的方波反馈信号给所述控制器；
所述控制接口板，主要功能是将控制器的控制信号转变成执行元件的输入信号，将所述传感器系统各装置和执行元件的输出信号转变成所述控制器的输入反馈信号；所述控制接口板上设有所述控制器输入端口、所述传感器系统各装置信号输出端口、执行元件控制信号输出端口、所述控制器控制信号输入端口和直流电源输出端口；所述控制器控制信号输入端口完全兼容各种微处理器/控制器、FPGA/CPLD和PLC等控制器的连接；所述传感器系统各装置输出信号经过控制接口板上的电压电流匹配电路或者整波电路后再由相对应的传感器输出端口进行输出，使所述控制器接收到的信号为有效信号；所述控制接口板具有线性直流稳压电源电路，能够输出多种规格的直流电为所述传感器系统各装置、执行元件和控制器供电；所述控制接口板在控制器输入端口与所述控制接口板内其他电路之间设有电气隔离电路，用来保护控制器不会受到外部信号的干扰；
所述控制接口板上还有继电器模块，所述继电器模块用来控制电磁铁电源的通断，从而实现对塔盘的吸取与放置。
所述步进电机上放置有码盘，用来进行步进电机的步数计量。
所述汉诺塔模型还包括第一塔柱、第二塔柱和第三塔柱，第一塔柱位于A位置、第二塔柱位于B位置，第三塔柱位于C位置。
本发明的有益效果是：本发明能够实现将塔盘从塔座的A位置以B位置为中转站移动到C位置，且移动后的塔盘大小排列顺序不变，即满足汉诺塔游戏规则。且大大降低了使用球坐标机械手或关节式机械手演示汉诺塔算法的成本与操控难度，而且具有体积小、重量轻以及零件的组装与拆卸简单等特点。可用于加强学生C语言的“汉诺塔”算法演示，以及对各种微处理器/控制器、FPGA/CPLD和PLC等控制器的编程练习。
附图说明
图1是本发明一种演示“汉诺塔”算法的机构及控制接口一较佳实施例的立体结构示意图；
图2是图1所示一种演示“汉诺塔”算法的机构及控制接口的分解示意图。
图中各部件的标记如下：1、A位置；2、B位置；3、塔盘；4、C位置；5、塔座；6、齿条；7、光轴导轨；8、步进电机；9、方形直线导轨；10、加速度监测模块；11、固定传动件的竖直板；12、水平载物台；13、滚珠丝杠；14、机械伸臂；15、电磁铁；16、竖板，17、码盘。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细说明本发明。
本发明一种演示“汉诺塔”算法的机构及控制接口的较佳实施例，如图1和2所示，包括以汉诺塔模型与简易二维机械臂为基础的机械机构、机械伸臂14、步进电机8、传感器系统和具有多项功能的控制接口板；
所述汉诺塔模型包括塔座5和塔盘3，塔座5上设有A位置1、B位置2和C位置4三个指定位置，所述塔盘3数量根据要求放置于塔座A位置1或C位置4处，且按自上而下直径逐渐增大顺序摆放；
所述汉诺塔模型还包括第一塔柱、第二塔柱和第三塔柱，第一塔柱位于A位置1、第二塔柱位于B位置2，第三塔柱位于C位置4。塔柱可以根据规则难度要求来选择是否进行安装：在难度为低等级的情况下，塔柱不进行安装，只需将塔盘3运送到A位置、B位置、C位置三个位置中的指定区域便可。在难度为高等级的情况下，需要安装塔柱，并且要将塔盘3精准地运送到塔柱处。
所述机械机构包括水平运动机构和竖直运动机构；所述机械机构均使用步进电机8为其提供稳定的驱动动力，且在两个方向上的运动机构均能实现自锁进行位置固定；
所述水平运动机构包括两根光轴导轨7、齿条6和水平载物台12，水平载物台12安装在两根平行的光轴导轨7上，并用其作为运动导向和支撑；齿条6安装在两根光轴导轨7之间与水平载物台12下安装的齿轮配合作为传动件；
所述竖直运动机构包括竖板16、两根方形直线导轨9、滚珠丝杠13和固定传动件的安装板11，竖板16安装固定在水平载物台12上，两根方形直线导轨9相互平行地安装在竖板16上，滚珠丝杠13在两根方形直线导轨9之间安装在竖板16上，固定传动件的安装板11以两根方形直线导轨9作为导向和支撑，且与滚珠丝杠13螺纹配合，滚珠丝杠13旋转带动固定传动件的安装板11沿两根直线方形导轨9上下运动；
所述机械伸臂14以与光轴导轨7和方形直线导轨9相垂直向安装在固定传动件的安装板11上，在机械伸壁14伸出端的下侧安装有电磁铁15；所述机械伸臂14作为取物装置，并且依靠电磁铁15可以对塔盘3进行吸取、运输与放置；
所述步进电机8安装在竖板16的上部，其输出轴与滚珠丝杠13和水平载物台12下的齿轮同轴连接；
所述传感器系统包括第一行程开关、第二行程开关、接近开关传感器、位置开关传感器和加速度监测模块10；
所述第一、二行程开关分别用于限制机械伸臂14水平方向和竖直方向的运动范围；所述接近开关传感器用于判断电磁铁15与塔盘3之间的距离，在电磁铁15与塔盘3发生接触时发出信号使所述机械机构停止运动，为电磁铁15的吸取效果提供保障；所述位置开关用于判断机械伸臂14在水平方向是否运动到A位置、B位置、C位置三个指定位置中的一个指定位置，当到达该指定位置时，所述位置开关会发出信号使所述机械机构在该指定位置停止；所述加速度监测模块10主要功能为：在所述机械机构运行过程中，一旦水平与竖直方向上的加速度超过设定的阈值便会分别通过黄色和红色LED闪烁的方式报警，同时在不同加速度范围时，所述加速度监测模块10也会输出不同频率的方波反馈信号给所述控制器；
所述控制接口板，主要功能是将控制器的控制信号转变成执行元件的输入信号，将所述传感器系统各装置和执行元件的输出信号转变成所述控制器的输入反馈信号；所述控制接口板上设有所述控制器输入端口、所述传感器系统各装置信号输出端口、执行元件控制信号输出端口、所述控制器控制信号输入端口和直流电源输出端口；所述控制器控制信号输入端口完全兼容各种微处理器/控制器、FPGA/CPLD和PLC等控制器的连接；所述传感器系统各装置输出信号经过控制接口板上的电压电流匹配电路或者整波电路后再由相对应的传感器输出端口进行输出，使所述控制器接收到的信号为有效信号；所述控制接口板具有线性直流稳压电源电路，能够输出多种规格的直流电为所述传感器系统各装置、执行元件和控制器供电；所述控制接口板在控制器输入端口与所述控制接口板内其他电路之间设有电气隔离电路；
所述控制接口板上还有继电器模块，所述继电器模块用来控制电磁铁电源的通断，从而实现对塔盘的吸取与放置；
所述步进电机上放置有码盘17，用来进行步进电机的步数计量；
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种演示“汉诺塔”算法的机构及控制接口，一种演示“汉诺塔”算法的机构及控制接口，包括以汉诺塔模型与简易二维机械臂为基础的机械机构、机械伸臂、步进电机、传感器系统和具有多项功能的控制接口板；
所述汉诺塔模型包括塔座和塔盘，塔座上设有A位置、B位置和C位置三个指定位置，所述塔盘数量根据要求放置于塔座A或C位置处，且按自上而下直径逐渐增大顺序摆放；
所述机械机构包括水平运动机构和竖直运动机构；所述机械机构均使用步进电机为其提供稳定的驱动动力，且在两个方向上的运动机构均能实现自锁进行位置固定；
所述水平运动机构包括两根光轴导轨、齿条和水平载物台，水平载物台安装在两根平行的光轴导轨上，并用其作为运动导向和支撑；齿条安装在两根光轴导轨之间与水平载物台下安装的齿轮配合作为传动件；
所述竖直运动机构包括竖板、两根方形直线导轨、滚珠丝杠和固定传动件的安装板，竖板安装固定在水平载物台上，两根方形直线导轨相互平行地安装在竖板上，滚珠丝杠在两根方形直线导轨之间安装在竖板上，固定传动件的安装板以两根方形直线导轨作为导向和支撑，且与滚珠丝杠螺纹配合，滚珠丝杠旋转带动固定传动件的安装板沿两根方形直线导轨上下运动；
所述机械伸臂以与光轴导轨和方形直线导轨相垂直向安装在固定传动件的安装板上，在机械伸壁伸出端的下侧安装有电磁铁；所述机械伸臂作为取物装置，并且依靠电磁铁可以对塔盘进行吸取、运输与放置；
所述步进电机安装在竖板的上部，其输出轴与滚珠丝杠和水平载物台下的齿轮同轴连接；
所述传感器系统包括第一行程开关、第二行程开关、接近开关传感器、位置开关传感器和加速度监测模块；
所述第一、二行程开关分别用于限制机械伸臂水平方向和竖直方向的运动范围；所述接近开关传感器用于判断电磁铁与塔盘之间的距离，在电磁铁与塔盘发生接触时发出信号使所述机械机构停止运动，为电磁铁的吸取效果提供保障；所述位置开关用于判断所述机械伸臂在水平方向是否运动到A位置、B位置、C位置三个指定位置中的一个指定位置，当到达该指定位置时，所述位置开关会发出信号使所述机械机构在该指定位置停止；所述加速度监测模块主要功能为：在所述机械机构运行过程中，一旦水平与竖直方向上的加速度超过设定的阈值便会分别通过黄色和红色LED闪烁的方式报警，同时在不同加速度范围时，所述加速度监测模块也会输出不同频率的方波反馈信号给所述控制器；
所述控制接口板，主要功能是将控制器的控制信号转变成执行元件的输入信号，将所述传感器系统各装置和执行元件的输出信号转变成所述控制器的输入反馈信号；所述控制接口板上设有所述控制器输入端口、所述传感器系统各装置信号输出端口、执行元件控制信号输出端口、所述控制器控制信号输入端口和直流电源输出端口；所述控制器控制信号输入端口完全兼容各种微处理器/控制器、FPGA/CPLD和PLC等控制器的连接；所述传感器系统各装置输出信号经过控制接口板上的电压电流匹配电路或者整波电路后再由相对应的传感器输出端口进行输出，使所述控制器接收到的信号为有效信号；所述控制接口板具有线性直流稳压电源电路，能够输出多种规格的直流电为所述传感器系统各装置、执行元件和控制器供电；所述控制接口板在控制器输入端口与所述控制接口板内其他电路之间设有电气隔离电路；
所述控制接口板上还有继电器模块，所述继电器模块用来控制电磁铁电源的通断，从而实现对塔盘的吸取与放置。
2.根据权利要求1所述的一种演示“汉诺塔”算法的机构及控制接口，其特征在于：所述汉诺塔模型还包括第一塔柱、第二塔柱和第三塔柱，第一塔柱位于A位置、第二塔柱位于B位置，第三塔柱位于C位置。
3.根据权利要求1或2所述的一种演示“汉诺塔”算法的机构及控制接口，其特征在于：所述步进电机上放置有码盘，用来进行步进电机的步数计量。
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