智能电磁擦黑板机器人的研制

2018-02-27李国基

中国教育技术装备 2018年1期

李国基

摘要黑板是教师上课的主要教学工具，为高效、环保地擦除黑板上的字迹，保障教师和学生的身心健康，研制一种智能电磁擦黑板机器人，机器人包括本体、行走机构和擦除机构，以及与行走机构和擦除机构相连接的控制系统。整个过程由控制系统自动控制，可以高效地完成黑板的清洁工作，且无扬尘产生，利于环保。

关键词黑板；智能电磁擦黑板机器人；黑板擦；电动黑板擦；机器人

中图分类号：TP242.6 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）01-0042-05

1 前言

智慧型机器人扫地机能够在无人操控的情况下将地板擦得干干净净，通过观察它的神奇效果，笔者想到可以设计一款类似的智能机器人，代替学生和教师去擦黑板，节省劳动力和上课时间，从而更好地提高教学效率。经过不断努力，笔者研发出一种智能电磁擦黑板机器人，并获得国家发明专利。

2 研究背景和目的

在学校，教师每上完一节课，学生都要轮流值日擦黑板。传统的擦黑板方式就是用小小的黑板擦直接擦除，既费工、费时，也不利于身心健康。后来出现一种电动黑板擦[1]，其底部安装一支架，支架上装有毛刷，黑板上下各设有一横杆来固定支架，通过手动或电动驱动支架，使板擦在黑板上行走而达到擦除黑板字迹的目的[2]。此种方法的弊端就是毛刷与黑板的接触面不够紧密，字迹擦除不太干净而且粉尘飞扬。为了解决这些问题，尝试研制一种智能电磁擦黑板机器人。

3 研究内容及工作原理

1）积尘盒在电磁铁的作用下发生高速振动，使毛刷面与黑板面发生快速摩擦，将粉笔痕迹擦除。

2）擦除下来的粉尘颗粒在风机的作用下，从微通道进至积尘盒的容腔内，并被过滤网拦截。

3）机器人在黑板面上做蛇形移动，并最终将整面黑板擦除干净，收集下来的粉尘可以通过拆下积尘盒倒掉。

4）系统由控制系统自动控制，可以高效地完成黑板的清洁工作，且无扬尘产生，利于环保。

4 研究方法和结果

黑板准备选择整体铁质底板的磁性黑板。

机器人机械系统

1）机器人本体吸附在黑板上，本体上设有行走机构和擦除机构，以及与行走机构和擦除机构连接的控制系统。

2）擦除机构包括安裝在本体上的积尘盒、与积尘盒相连接的容腔。

3）驱动积尘盒相对本体移动的动力装置。

4）设置在本体上，与积尘盒容腔相连通的风道，风道内设有使容腔产生负压的风机。

5）积尘盒的至少一面为毛刷面，且该毛刷面上设有贯通至容腔的微通道。

6）机器人的底部设有滑腔，积尘盒可滑动地安装在滑腔内；容腔的一侧为敞开口，并与风道相连通；在容腔的敞开口一侧安装有过滤网，过滤网至少将敞开口完全覆盖。

7）动力装置为电磁铁，积尘盒的至少一侧设有与电磁铁配合的衔铁，在电磁铁与衔铁之间还设有一弹簧。

8）滑腔的至少一侧设有开口，积尘盒的一侧设有穿过开口的U形架，衔铁为平板状，并固定在U形架上；电磁铁通过一固定座安装在本体上弹簧套在U形架上，其一端与固定座接触，另一端与衔铁接触。

9）本体上的滑腔为两个，并对称设置；擦除机构为两

个，并与滑腔对应设置。

10）滑腔的两端还设有永磁铁，永磁铁固定连接在滑腔壁上并对称分布。

11）本体的中心设有一圆筒形风机固定座，风机设置在风机固定座内；风道的一端与滑腔连接，另一端与风机固定座连接；滑腔与风道的连接处设有贯通滑腔壁的进风口；风机固定座的上部为敞开口，为出风口。

12）微通道为多个均匀分布的贯穿容腔壁的小孔，毛刷面上设有刷毛。

机器人控制系统控制系统包括微处理器、与微处理器连接的电机驱动芯片、传感器、电源装置。

机器人行走系统行走系统包括：设置在本体两侧的行走轮；与行走轮连接的驱动电机；微处理器通过电机驱动芯片与驱动电机连接；传感器设置在本体边缘，包括多个光电开关；电源装置与擦除机构的动力装置连接；本体的顶端设有一外壳，外壳的中心设有多个通风孔。

5 实施方案

擦黑板机器人效果图（图1、图2）

擦黑板机器人具体实施方案下面结合附图对擦黑板机器人的具体实施方案做进一步详细的描述。

1）如图3和图4所示，擦黑板机器人包括：一个本体1，其上设有用于驱动本体1移动的行走机构2，用于清除黑板上粉笔痕迹的擦除机构4，以及与行走机构2和擦除机构4相连接的控制系统。

2）在本体1的底部固定安装有多个永磁铁14，永磁铁14与黑板面产生吸附力，使本体1抓牢在黑板面上。在控制系统的控制下，行走机构2驱动本体1在黑板上做蛇形移动，并通过擦除机构4将黑板上的粉笔痕迹清理干净。

3）结合图3、图4和图5所示，驱动擦除机构4，将粉尘落在本体1底部的积尘盒41。

4）如图6和图7所示，驱动本体1的动力装置，启动风机33，粉尘经过风道3进入积尘盒41。

5）如图4和图5所示，本体1底部设有内凹的滑腔10，积尘盒41为方盒形，其两侧和顶部分别与滑腔10内壁相接触，积尘盒41的底部设有毛刷面，并凸出于滑腔10以与黑板面接触，积尘盒41可在动力装置的驱动下在滑腔10内来回滑动，以与黑板面摩擦将粉笔痕迹清除。

6）如图6和图7所示，为了收集清除下的粉尘，积尘盒41的中间具有一容腔411，用于盛装粉尘，容腔411的一侧为敞开口，并与风道3相连通；在容腔411的敞开口一侧还安装有过滤网46，过滤网46至少将敞开口完全覆盖，以防止粉尘从敞开口一侧漏出；在积尘盒41的毛刷面上设有贯通至容腔411的微通道412，粉尘经毛刷面擦除后，在风机33产生的负压作用下，粉尘颗粒通过微通道412进入容腔411内，并被过滤网46拦截留在所述容腔411内。endprint

7）如图4、图6和图7所示，敞开口位于积尘盒41上侧，敞开口的边缘贴合在滑腔10内壁上。本体1的中心设有一圆筒形的风机固定座13，风机33设置在风机固定座13内；风道3的一端与滑腔10外壁连接，另一端与风机固定座13连接；滑腔10与风道3的连接处设有贯通滑腔壁的进风口31，进风口31与积尘盒41敞开口的位置相对应；风机固定座13与风道3相连通，风机固定座13的上部为敞开口；作为出风口32，风机33为离心风机，风机33旋转时将风机固定座13和风道3内的空气通过出风口32排出，进而使得积尘盒41的容腔411产生负压环境，并通过微通道412将粉尘收集。

8）如图6所示，微通道412为多个均匀分布的贯穿容腔壁的小孔，毛刷面上设有刷毛413，小孔的直径控制在3～5 mm之间，以防止小孔被粉尘颗粒堵塞。

9）如图6和图7所示，过滤网46的大小与敞开口相配，可方便地安装在积尘盒41上；当积尘盒41内的粉尘装满

时，可以拆掉过滤网46，将粉尘从敞开口倒掉，并安装新的过滤网46。

10）如图4、图6和图7所示，动力装置为电磁铁42，积尘盒41的至少一侧设有与电磁铁42配合的衔铁45，在电磁铁42与衔铁45之间还设有一弹簧44。

11）如图4和图7所示，滑腔10至少一侧设有开口11，积尘盒41的一侧设有穿过开口11的U形架43；衔铁45为平板状，并固定在U形架43上；电磁铁42通过一固定座12安装在本体1上；弹簧44套在U形架43上，其一端与固定座12接触，另一端与衔铁45接触。当电磁铁42不通电时，在弹簧44弹力作用下，衔铁45远离电磁铁42，即积尘盒41位于滑腔10的一端；当电磁铁42通电时，衔铁45在磁力作用下压缩弹簧44并靠近电磁铁42，带动积尘盒41向滑腔10的另一端运动，产生相对黑板面的滑动摩擦；当电磁铁42通入高频脉冲电时，衔铁45将不断重复靠近和远离电磁铁42的动作，使积尘盒41发生高速振动，与黑板面产生快速摩擦，达到高效擦除黑板的目的。

12）如图4和图8所示，为提高擦除黑板的速度，本体1底部设有两个内凹的滑腔10，两滑腔10分布在本体1两侧且平行设置；擦除机构4为两个，与滑腔10对应设置。

13）如图4和图5所示，永磁铁14固定在滑腔10的两端，永磁铁14固定连接在滑腔10内壁上，并对称分布。

14）如图9所示，控制系统包括微处理器7、与微处理器7连接的电机驱动芯片8、传感器9和电源装置6。

15）如图4、图5、图6、图8和图9所示，行走机构2包括：设置在本体1两侧的行走轮21，与行走轮21连接的驱动电机22；微处理器7安装在本体1上的电控盒5内，并通过电机驱动芯片8与之连接；两个驱动电机22分别由微处理器7单独控制，并通过差速转动实现转弯动作；为使本体1保持平衡，在两行走轮21之间还设有一万向轮23，万向轮23与两行走轮21构成三点支撑，使本体1保持平衡；传感器9设置在本体1的边缘，包括多个光电开关，当本体1运动至黑板边缘时，光电开关接收到的光信号将发生变化，微处理器7接收到该信号后将自动控制行走机构2转弯掉头；电源装置6还与擦除机构4的动力装置连接，为电磁铁42供电。

16）如图9所示，微处理器7可以选用单片机，并通过编程控制使本体1做蛇形移动；电机驱动芯片8可以选用L298N电机驱动芯片，电源装置6为可充电电池。

17）如图6和图10所示，本体1的顶端设有一与之相配的外壳15，外壳15的中心设有多个通风孔16，风道3的出风口32与通风孔16相连通。

6 分析和讨论

随着当今机器人产业的飞速发展，社会各个领域越来越离不开智能化产品，同时，各种智能化设备在不断地更新换代，传统的设备逐步要退出历史舞台，随之要被智能化的、网络化的、先进的产品所替代。智能电磁擦黑板机器人的诞生，将是智能产品的杰出代表，对社会的进步将产生积极的促进作用。

智能电磁擦黑板机器人的研究得到教师和专家的精心指导，在此，笔者衷心地向教师和专家表示感谢，下一步还要与海尔的专家和研发团队进一步合作，虚心向他们学习，对机器人做出进一步的改进。

智能电磁擦黑板机器人具有广泛的市场前景，从目前幼儿园、小学、中学以及大学的教学使用量来看，就有无比广阔的使用空间。传统的教学工具必将随着时代的发展而被新生的、先进的、智能化的、网络化的新产品所取代，机器人时代的来临必将带来一场革命。

发明专利基于智能电磁擦黑板机器人独特的构思和巧妙的设计理念，笔者于2016年1月26日向国家知识产权局提交发明专利申请，经过层层严格审查，于2017年3月8日收到国家知识产权局下发的发明专利证书（专利号：ZL201610049809.2）。

发明创意智能电磁擦黑板机器人有三点发明创意：

1）具有新颖性，首次采用电磁原理作为驱动动力，有效地擦除黑板板面；

2）具有创造性，首创完全无尘处理系统，实现教室环境的绿色环保；

3）具有实用性，彻底改变了传统擦黑板的模式，且达到高效、干净地擦除黑板的技术效果。

研究结论智能电磁擦黑板机器人通过控制系统自动完成整面黑板的清洁工作，其擦除机构的毛刷以高频振动的方式与黑板面发生摩擦，不仅工作效率高，擦除效果好，而且通过积尘盒自动收集粉尘，可以极大地减轻教师和学生的劳動负担，减少室内污染，有利于师生的身体健康。