張育林，王 娜，王久洪，陳俊百，于書汀

（1.西安交通大學實踐教學中心，陜西 西安 710049；2.西安交通大學機械工程學院，陜西 西安 710049；3.西安交通大學電氣工程學院，陜西 西安 710049）

紙牌游戲是全民體育休閑娛樂的一種重要游戲[1]，因其便攜性和玩法多樣性等特點廣受大眾喜愛。紙牌游戲的基本步驟是洗牌、發(fā)牌（分牌）、按照玩法規(guī)則出牌、計算勝負。洗牌和發(fā)牌作為準備工作通常需要進行多次，人工操作不僅浪費時間，效率低下，而且在這些過程中可能出現控牌作弊[2-3]，難以保證公平性。因此，自動洗牌發(fā)牌機開始出現。但目前市場上的自動洗牌發(fā)牌機存在的問題使其不能滿足大眾娛樂的需求，具體表現在：①價格昂貴；②體積笨重；③功能單一且固定，比如只有洗牌功能、只有發(fā)牌功能且發(fā)牌數目或順序固定；④大多數是大型機器，對活動場地有特殊要求。已有一些改進的嘗試[4-5]，但并未完全解決問題。

中國是最早發(fā)明紙牌游戲的國家[6]，但中國的紙牌游戲輔助工具遠落后于娛樂需求，因此，擬設計一種符合大眾娛樂需求的、簡單便攜的自動洗牌發(fā)牌機。該系統(tǒng)采用開放式結構，便于擴展。在綜合機電系統(tǒng)項目實踐中，以源于生活的自動洗牌發(fā)牌機作為任務場景，可以充分激發(fā)學生的興趣，有利于提升學生的參與度，充分發(fā)揮其主觀能動性和創(chuàng)造力。

慧魚創(chuàng)意組合模型是技術含量很高的工程技術類智趣拼裝模型[7-8]，它由各類機械構件、電器構件、傳感器、氣動元件、電腦接口板及控制軟件等組成，通過構件的組合拼裝，創(chuàng)意設計與實現，形成不同功能不同種類的產品。為使用者提供了自主性、綜合性、創(chuàng)新性的高效直觀且綠色節(jié)約的實踐平臺[9]。已被用于工業(yè)生產和大型機械設備操作的模擬[10]，還被廣泛用于教育教學[11-12]中，并已成為培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和動手實踐能力的重要載體之一[13-14]。本文基于慧魚技術設計并制作了一種自動洗牌發(fā)牌機，主要對自動洗牌發(fā)牌機的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了設計與實現。并以此作為綜合機電實踐項目的題目，學生在項目中可以開展機械結構的創(chuàng)新設計與搭建、傳感器選型與信息處理、電機與運動結構的控制，從而完成自動洗牌發(fā)牌。在此過程中，學生可以方便地了解和學習整個流程和機電系統(tǒng)運動，系統(tǒng)綜合性強，寓教于樂。

1 機械系統(tǒng)設計方案

自動洗牌發(fā)牌機模擬人們紙牌娛樂時的步驟，兼具洗牌和發(fā)牌的功能，功能實用且操作簡單。在使用中，洗牌和發(fā)牌聯(lián)動需要配合良好，從而保證功能實現的同時兼顧效率。另外，大眾娛樂的多樣性需求要求洗牌次數、發(fā)牌數目和順序不能固定，而是可自選。

根據以上功能目標，自動洗牌發(fā)牌機的機械系統(tǒng)主要有切牌機構、洗牌機構、發(fā)牌機構以及行走和轉向機構等4大部分組成，實物模型如圖1所示。圖中，左上部分為洗牌機構的可移動牌盒，右上部分為洗牌機構的固定牌盒及切牌結構，中下部分為發(fā)牌機構，最下面部分為行走和轉向機構。

圖1 自動洗牌發(fā)牌機實物模型

1.1 切牌機構

人工洗牌時通常先把紙牌分成2份，兩手配合進行洗牌，設計切牌結構能實現這個過程，如圖2所示。絲杠螺母機構具有帶動推牌機構進行切牌，把一副牌分成2堆，2堆牌分別準確置于2個牌盒中的功能。絲杠螺母傳動的優(yōu)點[15]能夠保證切牌動作運行平穩(wěn)，轉速傳感器和限位電鍵的配合使用保證動作行程的精確控制。同時推牌機構的調節(jié)性能良好，可以適應各種紙牌游戲要求。

1.2 洗牌機構

洗牌機構的原理是利用摩擦實現洗牌。經過切牌，2堆牌已經被準確地放置于如圖1所示的左右兩牌盒中。洗牌和發(fā)牌機構如圖3所示，考慮到本方案中發(fā)牌過程紙牌的行程較長，為了保證發(fā)牌的穩(wěn)定性，設計洗牌盒的對稱中軸線與發(fā)牌盒的對稱中軸線相互垂直。牌以寬度方向從洗牌盒出來，落入到發(fā)牌盒。洗牌盒底部的自制摩擦輪通過同步齒輪傳動帶動其旋轉，保證洗牌運行過程的穩(wěn)定性。摩擦輪正轉向發(fā)牌盒送出牌，反轉整理洗牌盒內的紙牌。洗牌盒出牌口的限位機構不僅保證牌在2個洗牌盒之間平穩(wěn)光滑過渡，并且通過調節(jié)摩擦輪的轉速以及摩擦輪與限位機構的相對位置，實現多張甚至單張紙牌的均勻連續(xù)送出。洗牌盒上部安裝可移動壓牌機構增大摩擦力，洗牌完成與否通過光電檢測判斷。

圖3 洗牌、發(fā)牌機構示意圖

1.3 發(fā)牌機構

發(fā)牌機構的原理也是利用摩擦實現發(fā)牌，如圖3所示，因為通常是發(fā)出單張牌，所以采用自制摩擦桿控制實現，桿結構增加了與牌之間的摩擦面積，提高了發(fā)牌的穩(wěn)定性，使牌更容易控制，方便調整單張牌發(fā)出。發(fā)牌盒的前后安裝擋板，目的是把掉入發(fā)牌盒的牌整理整齊。在發(fā)牌盒的底部摩擦桿的空隙內安裝光滑金屬桿起到支撐作用。發(fā)牌盒的出口處安裝可調整的檔桿，如圖4所示，通過調整檔桿與摩擦桿的間隙并控制好時間實現單張牌發(fā)出。

圖4 摩擦輪與擋桿機構示意圖

1.4 行走和轉向機構

為了實現自動洗牌發(fā)牌機的功能多樣性和靈活性，采用具有運行穩(wěn)定性優(yōu)點的履帶小車機構作為洗牌發(fā)牌機的基座，如圖5所示，在小車底部呈對角線分布著驅動電機，兩電機獨立驅動可以實現小車的直線及轉向運動，實現大范圍運動發(fā)牌，在小車上面采用渦輪蝸桿機構支撐上部整個發(fā)牌洗牌系統(tǒng)，可以實現360°轉動，從而實現多方向發(fā)牌。

圖5 小車機構示意圖

2 控制系統(tǒng)設計方案

2.1 總體運行過程

為了保證自動洗牌發(fā)牌機功能實現的同時運行效率較高，對其運行過程進行設計。具體的，可沿齒條方向移動的可移動牌盒在任意位置復位后將從初始位置運動與固定牌盒對接，此時牌放入具有推牌機構的固定牌盒中，推牌機構將固定牌盒中的上面半副牌推至可移動牌盒。推牌時，可移動牌盒中摩擦輪開始反轉，將推入的牌整理到可移動牌盒中。推牌完成后，兩牌盒摩擦輪同時反轉整理各自牌盒的牌，推牌機構與可移動牌盒同時離開以節(jié)省時間。往兩洗牌盒中間下方的發(fā)牌盒送出牌時，一個洗牌盒中的摩擦輪正向轉動將牌洗至發(fā)牌盒中，另一牌盒的摩擦輪將同時反轉整理牌。如此交替循環(huán)進行，直到洗牌完畢。當牌全部落入到發(fā)牌盒中后，默認第一次洗牌完成，使用者可以根據自己的需求進行多次洗牌。發(fā)牌是由發(fā)牌盒、滑槽、運動小車、可轉動底盤幾部分協(xié)調完成的。小車可以在桌面上運動，轉盤可以在平面內自由旋轉，小車與轉盤相互配合，朝不同方向發(fā)牌，牌通過滑槽平穩(wěn)的落到桌面。發(fā)牌完成后，退至空閑位置，以便使用者進行游戲，小車則等待再次發(fā)牌。具體工作流程如圖6所示。

圖6 總體工作流程圖

2.2 各分機構控制方案

按照自動洗牌發(fā)牌機工作流程圖，使用ROBO PRO軟件進行程序的編制，由程序自動控制自動洗牌發(fā)牌機的每個動作，各元件的名稱與對應的功能如表1所示。

表1 元件名稱及相應功能

2.2.1 切牌功能

開始切牌時M1正轉，實現兩牌盒對接，當I3被按下時，對接完成，M1停止轉動。M2正轉帶動絲杠旋轉，推牌機構向前推牌將牌分為2份，同時，M3反轉整理牌，當碰到I1時M2停止轉動。之后M3和M4同時反轉整理分到各自牌盒中的牌。接著M2反轉，推牌機構回到初始位置，碰到I2時停止，同時M1反轉，牌盒分開，當碰到I4時停止，切牌完成。

2.2.2 洗牌功能

按下I7開始洗牌。M7動作實現壓牌，M8發(fā)光表示洗牌開始。洗牌采用交互式運行，即M3正轉向發(fā)牌盒送出牌的同時，M4反轉整理洗牌盒內的紙牌；M4正轉向發(fā)牌盒送出牌的同時，M3反轉整理對應牌盒內的紙牌。這樣做的目的是節(jié)省洗牌時間，同時提高運行效率，并且避免兩方向同時送出牌發(fā)生沖突，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。完成后停止轉動。I5若未接收到M8發(fā)出的光則重復洗牌操作；若已接收到，說明洗牌完成，則M8熄滅，子程序運行結束。

2.2.3 發(fā)牌功能

發(fā)牌前首先由玩家選擇游戲模式，按下I8即選擇人數模式，否則為自由模式。若選擇人數模式，根據預先設置的人數和發(fā)牌順序發(fā)牌。具體發(fā)牌時，M5正轉將牌發(fā)出，然后反轉整理牌以便下次發(fā)牌。發(fā)牌位置的確定由轉盤轉過預先設定的角度實現。M6正轉實現轉盤轉動，轉盤轉過的角度由預先設定的M6轉動圈數決定，由I6計數完成圈數統(tǒng)計，達到設定值后M6停止轉動，此時達到發(fā)牌位置。若選擇自由模式，使用者根據需要按鍵獲得發(fā)牌，配合小車的行走轉動，可以把紙牌發(fā)到任意位置，發(fā)牌的數量、順序都靈活可選。

3 實踐教學效果

在以往的機電類綜合實踐環(huán)節(jié)，通常采用一些現有的自動化流水線、機器人套裝等，這些系統(tǒng)綜合性較強，在培養(yǎng)學生學科交叉能力方面起到了重要的作用。但低年級的學生缺乏對系統(tǒng)背景的了解，無法激發(fā)學生的興趣，調動學生的主觀能動性，學生對項目的創(chuàng)新設計和功能改進積極性不高。經過多年的實踐教學探索，采用以自動洗牌發(fā)牌機為典型應用場景的機電綜合系統(tǒng)，可以大大激發(fā)學生的興趣和參與度。項目具有綜合性強、貼合生活、易于學生創(chuàng)新拓展等特點，在開放實驗的過程中，采用多層次、多元化考核評價方法，可以提升學生的團隊協(xié)作能力、溝通表達能力、學科交叉能力、綜合應用能力。

依托本項目以及相關訓練項目，以開放實驗課的形式培養(yǎng)了大量的學生，并為學生競賽團隊發(fā)掘和輸送了優(yōu)秀的隊員。近5年來，所指導的學生競賽團隊共申請獲得各級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目6項；獲得全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽國家級一等獎6項，二等獎3項；申請和授權專利7項。

4 結語

本項目以貼近生活的紙牌游戲作為場景，設計和實現了功能完整的自動洗牌發(fā)牌機，實現了對紙牌游戲前期手動步驟的模擬，系統(tǒng)兼顧穩(wěn)定性和運行效率，提供了靈活可選的游戲模式。系統(tǒng)采用開放式的結構，方便地了解和學習整個流程和機電系統(tǒng)運動?；谠擁椖浚_設綜合機電開放實驗課程，在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、綜合設計與應用能力、團隊協(xié)作能力中發(fā)揮了重要的作用。