智能電磁擦黑板機器人的研制

李國基

摘 要 黑板是教師上課的主要教學工具，為高效、環(huán)保地擦除黑板上的字跡，保障教師和學生的身心健康，研制一種智能電磁擦黑板機器人，機器人包括本體、行走機構和擦除機構，以及與行走機構和擦除機構相連接的控制系統(tǒng)。整個過程由控制系統(tǒng)自動控制，可以高效地完成黑板的清潔工作，且無揚塵產(chǎn)生，利于環(huán)保。

關鍵詞 黑板；智能電磁擦黑板機器人；黑板擦；電動黑板擦；機器人

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）01-0042-05

1 前言

智慧型機器人掃地機能夠在無人操控的情況下將地板擦得干干凈凈，通過觀察它的神奇效果，筆者想到可以設計一款類似的智能機器人，代替學生和教師去擦黑板，節(jié)省勞動力和上課時間，從而更好地提高教學效率。經(jīng)過不斷努力，筆者研發(fā)出一種智能電磁擦黑板機器人，并獲得國家發(fā)明專利。

2 研究背景和目的

在學校，教師每上完一節(jié)課，學生都要輪流值日擦黑板。傳統(tǒng)的擦黑板方式就是用小小的黑板擦直接擦除，既費工、費時，也不利于身心健康。后來出現(xiàn)一種電動黑板擦[1]，其底部安裝一支架，支架上裝有毛刷，黑板上下各設有一橫桿來固定支架，通過手動或電動驅動支架，使板擦在黑板上行走而達到擦除黑板字跡的目的[2]。此種方法的弊端就是毛刷與黑板的接觸面不夠緊密，字跡擦除不太干凈而且粉塵飛揚。為了解決這些問題，嘗試研制一種智能電磁擦黑板機器人。

3 研究內(nèi)容及工作原理

1）積塵盒在電磁鐵的作用下發(fā)生高速振動，使毛刷面與黑板面發(fā)生快速摩擦，將粉筆痕跡擦除。

2）擦除下來的粉塵顆粒在風機的作用下，從微通道進至積塵盒的容腔內(nèi)，并被過濾網(wǎng)攔截。

3）機器人在黑板面上做蛇形移動，并最終將整面黑板擦除干凈，收集下來的粉塵可以通過拆下積塵盒倒掉。

4）系統(tǒng)由控制系統(tǒng)自動控制，可以高效地完成黑板的清潔工作，且無揚塵產(chǎn)生，利于環(huán)保。

4 研究方法和結果

黑板準備 選擇整體鐵質(zhì)底板的磁性黑板。

機器人機械系統(tǒng)

1）機器人本體吸附在黑板上，本體上設有行走機構和擦除機構，以及與行走機構和擦除機構連接的控制系統(tǒng)。

2）擦除機構包括安裝在本體上的積塵盒、與積塵盒相連接的容腔。

3）驅動積塵盒相對本體移動的動力裝置。

4）設置在本體上，與積塵盒容腔相連通的風道，風道內(nèi)設有使容腔產(chǎn)生負壓的風機。

5）積塵盒的至少一面為毛刷面，且該毛刷面上設有貫通至容腔的微通道。

6）機器人的底部設有滑腔，積塵盒可滑動地安裝在滑腔內(nèi)；容腔的一側為敞開口，并與風道相連通；在容腔的敞開口一側安裝有過濾網(wǎng)，過濾網(wǎng)至少將敞開口完全覆蓋。

7）動力裝置為電磁鐵，積塵盒的至少一側設有與電磁鐵配合的銜鐵，在電磁鐵與銜鐵之間還設有一彈簧。

8）滑腔的至少一側設有開口，積塵盒的一側設有穿過開口的U形架，銜鐵為平板狀，并固定在U形架上；電磁鐵通過一固定座安裝在本體上彈簧套在U形架上，其一端與固定座接觸，另一端與銜鐵接觸。

9）本體上的滑腔為兩個，并對稱設置；擦除機構為兩

個，并與滑腔對應設置。

10）滑腔的兩端還設有永磁鐵，永磁鐵固定連接在滑腔壁上并對稱分布。

11）本體的中心設有一圓筒形風機固定座，風機設置在風機固定座內(nèi)；風道的一端與滑腔連接，另一端與風機固定座連接；滑腔與風道的連接處設有貫通滑腔壁的進風口；風機固定座的上部為敞開口，為出風口。

12）微通道為多個均勻分布的貫穿容腔壁的小孔，毛刷面上設有刷毛。

機器人控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)包括微處理器、與微處理器連接的電機驅動芯片、傳感器、電源裝置。

機器人行走系統(tǒng) 行走系統(tǒng)包括：設置在本體兩側的行走輪；與行走輪連接的驅動電機；微處理器通過電機驅動芯片與驅動電機連接；傳感器設置在本體邊緣，包括多個光電開關；電源裝置與擦除機構的動力裝置連接；本體的頂端設有一外殼，外殼的中心設有多個通風孔。

5 實施方案

擦黑板機器人效果圖（圖1、圖2）

擦黑板機器人具體實施方案 下面結合附圖對擦黑板機器人的具體實施方案做進一步詳細的描述。

1）如圖3和圖4所示，擦黑板機器人包括：一個本體1，其上設有用于驅動本體1移動的行走機構2，用于清除黑板上粉筆痕跡的擦除機構4，以及與行走機構2和擦除機構4相連接的控制系統(tǒng)。

2）在本體1的底部固定安裝有多個永磁鐵14，永磁鐵14與黑板面產(chǎn)生吸附力，使本體1抓牢在黑板面上。在控制系統(tǒng)的控制下，行走機構2驅動本體1在黑板上做蛇形移動，并通過擦除機構4將黑板上的粉筆痕跡清理干凈。

3）結合圖3、圖4和圖5所示，驅動擦除機構4，將粉塵落在本體1底部的積塵盒41。

4）如圖6和圖7所示，驅動本體1的動力裝置，啟動風機33，粉塵經(jīng)過風道3進入積塵盒41。

5）如圖4和圖5所示，本體1底部設有內(nèi)凹的滑腔10，積塵盒41為方盒形，其兩側和頂部分別與滑腔10內(nèi)壁相接觸，積塵盒41的底部設有毛刷面，并凸出于滑腔10以與黑板面接觸，積塵盒41可在動力裝置的驅動下在滑腔10內(nèi)來回滑動，以與黑板面摩擦將粉筆痕跡清除。

6）如圖6和圖7所示，為了收集清除下的粉塵，積塵盒41的中間具有一容腔411，用于盛裝粉塵，容腔411的一側為敞開口，并與風道3相連通；在容腔411的敞開口一側還安裝有過濾網(wǎng)46，過濾網(wǎng)46至少將敞開口完全覆蓋，以防止粉塵從敞開口一側漏出；在積塵盒41的毛刷面上設有貫通至容腔411的微通道412，粉塵經(jīng)毛刷面擦除后，在風機33產(chǎn)生的負壓作用下，粉塵顆粒通過微通道412進入容腔411內(nèi)，并被過濾網(wǎng)46攔截留在所述容腔411內(nèi)。endprint

7）如圖4、圖6和圖7所示，敞開口位于積塵盒41上側，敞開口的邊緣貼合在滑腔10內(nèi)壁上。本體1的中心設有一圓筒形的風機固定座13，風機33設置在風機固定座13內(nèi)；風道3的一端與滑腔10外壁連接，另一端與風機固定座13連接；滑腔10與風道3的連接處設有貫通滑腔壁的進風口31，進風口31與積塵盒41敞開口的位置相對應；風機固定座13與風道3相連通，風機固定座13的上部為敞開口；作為出風口32，風機33為離心風機，風機33旋轉時將風機固定座13和風道3內(nèi)的空氣通過出風口32排出，進而使得積塵盒41的容腔411產(chǎn)生負壓環(huán)境，并通過微通道412將粉塵收集。

8）如圖6所示，微通道412為多個均勻分布的貫穿容腔壁的小孔，毛刷面上設有刷毛413，小孔的直徑控制在3～5 mm之間，以防止小孔被粉塵顆粒堵塞。

9）如圖6和圖7所示，過濾網(wǎng)46的大小與敞開口相配，可方便地安裝在積塵盒41上；當積塵盒41內(nèi)的粉塵裝滿

時，可以拆掉過濾網(wǎng)46，將粉塵從敞開口倒掉，并安裝新的過濾網(wǎng)46。

10）如圖4、圖6和圖7所示，動力裝置為電磁鐵42，積塵盒41的至少一側設有與電磁鐵42配合的銜鐵45，在電磁鐵42與銜鐵45之間還設有一彈簧44。

11）如圖4和圖7所示，滑腔10至少一側設有開口11，積塵盒41的一側設有穿過開口11的U形架43；銜鐵45為平板狀，并固定在U形架43上；電磁鐵42通過一固定座12安裝在本體1上；彈簧44套在U形架43上，其一端與固定座12接觸，另一端與銜鐵45接觸。當電磁鐵42不通電時，在彈簧44彈力作用下，銜鐵45遠離電磁鐵42，即積塵盒41位于滑腔10的一端；當電磁鐵42通電時，銜鐵45在磁力作用下壓縮彈簧44并靠近電磁鐵42，帶動積塵盒41向滑腔10的另一端運動，產(chǎn)生相對黑板面的滑動摩擦；當電磁鐵42通入高頻脈沖電時，銜鐵45將不斷重復靠近和遠離電磁鐵42的動作，使積塵盒41發(fā)生高速振動，與黑板面產(chǎn)生快速摩擦，達到高效擦除黑板的目的。

12）如圖4和圖8所示，為提高擦除黑板的速度，本體1底部設有兩個內(nèi)凹的滑腔10，兩滑腔10分布在本體1兩側且平行設置；擦除機構4為兩個，與滑腔10對應設置。

13）如圖4和圖5所示，永磁鐵14固定在滑腔10的兩端，永磁鐵14固定連接在滑腔10內(nèi)壁上，并對稱分布。

14）如圖9所示，控制系統(tǒng)包括微處理器7、與微處理器7連接的電機驅動芯片8、傳感器9和電源裝置6。

15）如圖4、圖5、圖6、圖8和圖9所示，行走機構2包括：設置在本體1兩側的行走輪21，與行走輪21連接的驅動電機22；微處理器7安裝在本體1上的電控盒5內(nèi)，并通過電機驅動芯片8與之連接；兩個驅動電機22分別由微處理器7單獨控制，并通過差速轉動實現(xiàn)轉彎動作；為使本體1保持平衡，在兩行走輪21之間還設有一萬向輪23，萬向輪23與兩行走輪21構成三點支撐，使本體1保持平衡；傳感器9設置在本體1的邊緣，包括多個光電開關，當本體1運動至黑板邊緣時，光電開關接收到的光信號將發(fā)生變化，微處理器7接收到該信號后將自動控制行走機構2轉彎掉頭；電源裝置6還與擦除機構4的動力裝置連接，為電磁鐵42供電。

16）如圖9所示，微處理器7可以選用單片機，并通過編程控制使本體1做蛇形移動；電機驅動芯片8可以選用L298N電機驅動芯片，電源裝置6為可充電電池。

17）如圖6和圖10所示，本體1的頂端設有一與之相配的外殼15，外殼15的中心設有多個通風孔16，風道3的出風口32與通風孔16相連通。

6 分析和討論

隨著當今機器人產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，社會各個領域越來越離不開智能化產(chǎn)品，同時，各種智能化設備在不斷地更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的設備逐步要退出歷史舞臺，隨之要被智能化的、網(wǎng)絡化的、先進的產(chǎn)品所替代。智能電磁擦黑板機器人的誕生，將是智能產(chǎn)品的杰出代表，對社會的進步將產(chǎn)生積極的促進作用。

智能電磁擦黑板機器人的研究得到教師和專家的精心指導，在此，筆者衷心地向教師和專家表示感謝，下一步還要與海爾的專家和研發(fā)團隊進一步合作，虛心向他們學習，對機器人做出進一步的改進。

智能電磁擦黑板機器人具有廣泛的市場前景，從目前幼兒園、小學、中學以及大學的教學使用量來看，就有無比廣闊的使用空間。傳統(tǒng)的教學工具必將隨著時代的發(fā)展而被新生的、先進的、智能化的、網(wǎng)絡化的新產(chǎn)品所取代，機器人時代的來臨必將帶來一場革命。

發(fā)明專利 基于智能電磁擦黑板機器人獨特的構思和巧妙的設計理念，筆者于2016年1月26日向國家知識產(chǎn)權局提交發(fā)明專利申請，經(jīng)過層層嚴格審查，于2017年3月8日收到國家知識產(chǎn)權局下發(fā)的發(fā)明專利證書（專利號：ZL201610049809.2）。

發(fā)明創(chuàng)意 智能電磁擦黑板機器人有三點發(fā)明創(chuàng)意：

1）具有新穎性，首次采用電磁原理作為驅動動力，有效地擦除黑板板面；

2）具有創(chuàng)造性，首創(chuàng)完全無塵處理系統(tǒng)，實現(xiàn)教室環(huán)境的綠色環(huán)保；

3）具有實用性，徹底改變了傳統(tǒng)擦黑板的模式，且達到高效、干凈地擦除黑板的技術效果。

研究結論 智能電磁擦黑板機器人通過控制系統(tǒng)自動完成整面黑板的清潔工作，其擦除機構的毛刷以高頻振動的方式與黑板面發(fā)生摩擦，不僅工作效率高，擦除效果好，而且通過積塵盒自動收集粉塵，可以極大地減輕教師和學生的勞動負擔，減少室內(nèi)污染，有利于師生的身體健康。

改進思路 此項技術是筆者的初步發(fā)明，下一階段有三點設想做進一步研究：

1）外觀設計美觀大方，增加美感；

2）尋求合作人實現(xiàn)產(chǎn)品轉化，服務于教學系統(tǒng)；

3）采用遙控器裝置，操作更加方便，有效地擦除黑板字跡。

參考文獻

[1]宋金鵬，郭超麗.自動擦黑板刷的設計[J].機電信息，2009（30）：164-165.

[2]雷曉鈞，李金鐸.新型防塵黑板擦的研制[J].科技傳播，2013（6）：92，74.endprint