滾刷式智能機器人黑板擦機理研究

史成蔭

摘 要：創(chuàng)新性地提出了教學輔助滾刷式智能機器人黑板擦，包括三部分：控制系統(tǒng)是智能手柄控制器，執(zhí)行系統(tǒng)是滾筒擦除設(shè)備和吸塵器組成，三者有機地組合成一體。根據(jù)生產(chǎn)需求，低成本地提出了滾刷式智能機器人黑板擦總體設(shè)計和擦除機理。從而實現(xiàn)了高效快捷，使用方便和經(jīng)濟安全的擦除；省時省力，智能便捷，操作簡單，清潔黑板和低碳環(huán)保的目標。

關(guān)鍵詞：刷式；智能；黑板擦；機理

中圖分類號：TP23文獻標識碼：A

The Mechanism of Intelligent Roller Type Robot Blackboard Eraser

Shi Chengyin

Wuhan Three Senior School Hu Bei Wu Han430050

Abstract：Intelligent roller type robot blackboard eraser which is for teaching assistance is innovatively proposed. It consists of three parts， including intelligent handle controller， the executive system is roller erasing device and dust collector， which organically combined into a whole. According to the manufacture requirement， general design and erasing mechanism of the intelligent roller type robot blackboard eraser is proposed at a low cost. Thus， the efficient and convenient erasing is realized cheaply and safely. In addition， the goal of time and effort saving， intelligent， simple operation， lowcarbon and environmentallyfriendly also come true in blackboard cleaning.

Key Words：Roller type；Intelligent；The blackboard eraser；Mechanism

智能化是計算機網(wǎng)絡(luò)、多媒體、智能白板等高端教學設(shè)備的必然發(fā)展，也是全球新技術(shù)發(fā)展的趨勢和重要方向，但授課的效果和高價成本[1，2]，還不能取代傳統(tǒng)的黑板教學。本論文的滾刷式智能機器人黑板擦，就是為了提升傳統(tǒng)的黑板教學、師生交流便利性的關(guān)鍵技術(shù)。粉筆板書是常用傳統(tǒng)教學的主要方式，但在擦黑板的過程中，費力，不方便，粉筆末等均給師生帶來麻煩。根據(jù)研究表明：為了規(guī)避人力擦黑板的繁瑣，目前有些新技術(shù)發(fā)明不斷涌現(xiàn)，但均沒有取得令師生滿意的效果。

因此，本論文提出了滾刷式的、智能便捷、具備識別功能的機器人黑板擦：使用者控制手柄控制器的開啟，根據(jù)擦除區(qū)域，調(diào)整滾筒擦除設(shè)備的速度和扭矩，貼近黑板，旋轉(zhuǎn)的滾筒擦除設(shè)備，便可將不需要的粉筆書寫區(qū)擦掉，產(chǎn)生的粉塵由吸塵器吸收，吸塵器的驅(qū)動系統(tǒng)由離心式驅(qū)動電機帶動，通過吸塵風扇將粉塵吸入吸塵囊，累積多的粉塵從排塵口倒出，因而減少粉塵飛揚，降低危害。在擦黑板時，按照黑板上擦除區(qū)域的大小，通過改變滾筒擦除設(shè)備的檔位：高速、中速及低速，實現(xiàn)高效快捷，使用方便和經(jīng)濟安全的擦除。從而實現(xiàn)了省時省力，智能便捷，操作簡單，清潔黑板和低碳環(huán)保的目標。

1 滾刷式智能機器人黑板擦總體設(shè)計

滾刷式智能機器人黑板擦的主要由控制系統(tǒng)裝置、執(zhí)行系統(tǒng)裝置和吸塵器裝置三部分構(gòu)成。控制系統(tǒng)裝置屬于智能機器人的大腦，包含控制器CPU，要根據(jù)市場需求，屬于該智能機器人的核心部分。執(zhí)行系統(tǒng)裝置中的滾筒擦除設(shè)備是新提出的結(jié)構(gòu)設(shè)備，屬于該智能機器人執(zhí)行和實現(xiàn)操作者意圖的關(guān)鍵部件。吸塵器裝置中的“鱷魚嘴”式的吸塵口裝置，粉塵測試傳感器、粉塵控制單元等屬于清理除塵的主要部分。

1.1 總體布置

根據(jù)功能需求，滾刷式智能機器人黑板擦的總體布置如圖1所示，主要由三部分構(gòu)成，分別是：控制系統(tǒng)裝置、執(zhí)行系統(tǒng)裝置和吸塵器裝置。

控制系統(tǒng)裝置部分，屬于黑板擦的操作主體，包含殼體的手持面，對滾刷動力控制的中央控制模塊和需要啟停擦刷的開關(guān)按鍵。

執(zhí)行系統(tǒng)裝置部分，屬于具體執(zhí)行擦除任務(wù)的機構(gòu)，通過在黑板擦的擦刷面設(shè)置滾刷，根據(jù)中央控制模塊指令驅(qū)動電機、泵吸部件、粉塵傳感器以及圖像感應模塊，實現(xiàn)對黑板擦的擦刷工作的自動化智能控制，提供用戶的使用效果；并使?jié)L刷的一端與驅(qū)動電機動力連接，形成動力滾刷，從而實現(xiàn)黑板擦自動擦刷功能。

吸塵器裝置，屬于后處理裝置機構(gòu)。在擦除過程中產(chǎn)生的粉塵，由置于黑板擦后端的吸塵器吸收，其中吸塵器與黑板擦的中空腔體相連通，且所述吸塵器的腔口設(shè)有泵吸部件，通過所述泵吸部件，擦除時，揚起的粉塵，通過布置在旋轉(zhuǎn)滾筒邊的“鱷魚嘴”式吸塵口吸入，如圖1所示，經(jīng)吸塵管吸入置于殼體的后端設(shè)有的吸塵器，如圖2所示。“鱷魚嘴”式的吸塵口中布置檢測吸入的粉塵測試傳感器，根據(jù)吸入粉塵量，設(shè)定閾值，由粉塵控制單元分析，吸塵器的工作狀態(tài)。當吸入的粉塵超過設(shè)定的閾值，便報警，通知要清理吸塵器中的粉塵了。

1.2 設(shè)計思路

滾刷式智能機器人黑板擦，根據(jù)設(shè)計的成本和方便制造，智能手柄控制器設(shè)計成光滑的塑料殼體，把容易磨手的棱角均設(shè)計成圓弧過渡；啟停擦刷的開關(guān)按鍵置于便于操作的手柄下方；電源集成管理器也設(shè)計在方便充電的殼體邊上。

擦除設(shè)計的部件主要由旋轉(zhuǎn)滾筒、旋轉(zhuǎn)毛刷，支撐執(zhí)行部件的軸承及軸承座及驅(qū)動旋轉(zhuǎn)毛刷的電機控制架構(gòu)出。根據(jù)中央控制模塊指令驅(qū)動電機，內(nèi)置于空腔體中的4個驅(qū)動電機；一端與所述驅(qū)動電機動力連接的滾刷，滾刷的刷毛根據(jù)需求，擦除黑板上的字；實現(xiàn)對黑板擦的擦刷工作的自動化智能控制，提供用戶的使用效果；并使?jié)L刷的一端與驅(qū)動電機動力連接，形成動力滾刷，從而實現(xiàn)黑板擦自動擦刷功能。

2 滾刷式智能機器人黑板擦擦除機理

滾刷式智能機器人黑板擦裝置，主要由控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和吸塵器三部分有機地組合成一體?？刂葡到y(tǒng)屬于智能機器人的大腦，包含控制器CPU，根據(jù)設(shè)定的擦除區(qū)域，識別、判斷和決策擦除的速度和力矩，吸塵的流量和吸塵風扇的轉(zhuǎn)速等，置于操縱手柄中；執(zhí)行系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)控制器CPU發(fā)出的信息，由執(zhí)行控制單元操縱電機驅(qū)動模塊，執(zhí)行電機的啟停狀態(tài)，滾筒擦除設(shè)備根據(jù)指令，識別出擦除區(qū)域[2]，判斷需要擦除的黑板粉筆字，并實施已決策的速度、力矩等；吸塵器屬于關(guān)鍵輔助機構(gòu)。智能機器人黑板擦記憶每次的擦除區(qū)域，擦除量的大小，粉塵測試傳感器測試吸入的粉塵量等參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)便識別、判斷和決策新的任務(wù)量，從而執(zhí)行更高效、更節(jié)能地執(zhí)行擦除工作。

2.1 擦除機理

智能手柄控制器由操縱手柄，電源集成管理器，驅(qū)動控制器，通信接口模塊構(gòu)成；滾筒擦除設(shè)備由驅(qū)動模塊與電機，電機控制架，旋轉(zhuǎn)滾筒等構(gòu)成；吸塵器由吸塵風扇、吸塵囊，排塵口等構(gòu)成。滾筒擦除設(shè)備由固定毛刷旋轉(zhuǎn)軸，軸承及軸承座，驅(qū)動電機，動力傳動裝置，旋轉(zhuǎn)滾筒，旋轉(zhuǎn)毛刷，電機控制架等新發(fā)明設(shè)備構(gòu)成；黑板的擦除潔凈程度，主要是由固定毛刷旋轉(zhuǎn)軸的直徑和毛刷的致密度決定的。與滾筒擦除設(shè)備相匹配的吸塵器，“鱷魚嘴”式的吸塵口中布置檢測吸入的粉塵測試傳感器，根據(jù)吸入粉塵量，設(shè)定閾值，由粉塵控制單元分析，吸塵器的工作狀態(tài)。

擦除時，黑板根據(jù)需要擦除的區(qū)域用紅色的粉筆圈出，設(shè)置于黑板擦上的圖像感應模塊，采集到紅色線狀圖像，則即向中央控制模塊發(fā)出區(qū)域指令，中央控制模塊收到區(qū)域指令后，控制驅(qū)動電機進入工作狀態(tài)，開始擦除。當圖像感應模塊，識別出黑板擦移動至紅色粉筆的邊界時，則使?jié)L刷停止擦刷工作，避免擦除標記區(qū)域以外的內(nèi)容。根據(jù)設(shè)定，圖像感應模塊還能夠感應其他顏色或其他的特殊標記。

在黑板擦移動的同時，所述圖像感應模塊，還實時檢測黑板擦當前擦除區(qū)域的內(nèi)容疏密程度，通過現(xiàn)有的二值化識別技術(shù)[3]，分析得到白色粉筆在當前黑板擦除區(qū)域內(nèi)的疏密程度[4，5]，當圖像感應模塊感應到當前擦除區(qū)域需要擦除的內(nèi)容較為密集，則向中央控制模塊發(fā)送密集信號[6]，中央控制模塊接收密集信號后，增大驅(qū)動電機的力矩及轉(zhuǎn)動速率，從而增大滾刷的擦除效率，當圖像感應模塊感應到當前擦除區(qū)域需要擦除的內(nèi)容較為稀疏[7]，則向中央控制模塊發(fā)送稀疏信號，中央控制模塊接收稀疏信號后，減小驅(qū)動電機的力矩及轉(zhuǎn)動速率，從而降低滾刷的擦除效率，減少黑板擦的電能損耗。

為了操作者的擦除方便，也可以用手動按鈕進行操作。

2.2 控制策略

滾刷式智能機器人黑板擦的控制策略，根據(jù)擦除需求，擦除區(qū)域識別策略和粉塵收集需求，進行自適應調(diào)節(jié)，驅(qū)動4個MCU滾刷電機進行工作，見圖3所示。

智能機器人黑板擦的驅(qū)動控制策略由中央控制模塊發(fā)出指令，根據(jù)設(shè)定感應特殊標記或設(shè)定顏色的擦除區(qū)域，由圖像感應模塊，按照擦除區(qū)域識別策略，感應擦除圖像，確定力矩驅(qū)動策略、滾刷電機力矩控制策略和考慮擦除內(nèi)容力矩速度分配策略，移動黑板擦，使4個MCU滾刷電機執(zhí)行指令[8]。

粉塵傳感器用于檢測滾刷揚起的灰塵含量，所述粉塵傳感器與所述中央控制模塊電性連接，所述中央控制模塊，根據(jù)粉塵傳感器檢測的灰塵含量，控制泵吸部件的泵吸速率，當粉塵傳感器檢測的灰塵含量較大時，所述中央控制模塊控制泵吸部件的泵吸速率加快，當粉塵傳感器檢測的灰塵含量較小時，所述中央控制模塊控制泵吸部件的泵吸速率減慢，節(jié)約電力成本。

3 結(jié)語

本文創(chuàng)新性地提出了教學輔助滾刷式智能機器人黑板擦，包括三部分：控制系統(tǒng)是智能手柄控制器，執(zhí)行系統(tǒng)是滾筒擦除設(shè)備和吸塵器組成，三者有機地組合成一體。智能手柄控制器由操縱手柄，電源集成管理器，驅(qū)動控制器，通信接口模塊構(gòu)成；滾筒擦除設(shè)備由驅(qū)動模塊與電機，電機控制架，旋轉(zhuǎn)滾筒等構(gòu)成；吸塵器由吸塵風扇、吸塵囊，排塵口等構(gòu)成。

根據(jù)生產(chǎn)需求，低成本地提出了滾刷式智能機器人黑板擦總體設(shè)計和擦除機理，控制系統(tǒng)裝置屬于智能機器人的大腦，包含控制器CUP，是創(chuàng)新性的內(nèi)容，要根據(jù)市場需求，重點開發(fā)。執(zhí)行系統(tǒng)裝置中的滾筒擦除設(shè)備是新提出的結(jié)構(gòu)設(shè)備，是本論文的關(guān)鍵部件，需要重點開發(fā)。吸塵器裝置中的“鱷魚嘴”式的吸塵口裝置需重新開發(fā)，粉塵測試傳感器、粉塵控制單元需要重新開發(fā)，吸塵風扇和吸塵囊等可采購市場中現(xiàn)有的產(chǎn)品，無需增加成本。從而實現(xiàn)了高效快捷，使用方便和經(jīng)濟安全的擦除；省時省力，智能便捷，操作簡單，清潔黑板和低碳環(huán)保的目標。

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