滚刷式智能机器人黑板擦机理研究

　　摘要：创新性地提出了教学辅助滚刷式智能机器人黑板擦，包括三部分：控制系统是智能手柄控制器，执行系统是滚筒擦除设备和吸尘器组成，三者有机地组合成一体。根据生产需求，低成本地提出了滚刷式智能机器人黑板擦总体设计和擦除机理。从而实现了高效快捷，使用方便和经济安全的擦除；省时省力，智能便捷，操作简单，清洁黑板和低碳环保的目标。

　　关键词：刷式；智能；黑板擦；机理

　　中图分类号：TP23文献标识码：A

　　智能化是计算机网络、多媒体、智能白板等高端教学设备的必然发展，也是全球新技术发展的趋势和重要方向，但授课的效果和高价成本[1，2]，还不能取代传统的黑板教学。本论文的滚刷式智能机器人黑板擦，就是为了提升传统的黑板教学、师生交流便利性的关键技术。粉笔板书是常用传统教学的主要方式，但在擦黑板的过程中，费力，不方便，粉笔末等均给师生带来麻烦。根据研究表明：为了规避人力擦黑板的繁琐，目前有些新技术发明不断涌现，但均没有取得令师生满意的效果。

　　因此，本论文提出了滚刷式的、智能便捷、具备识别功能的机器人黑板擦：使用者控制手柄控制器的开启，根据擦除区域，调整滚筒擦除设备的速度和扭矩，贴近黑板，旋转的滚筒擦除设备，便可将不需要的粉笔书写区擦掉，产生的粉尘由吸尘器吸收，吸尘器的驱动系统由离心式驱动电机带动，通过吸尘风扇将粉尘吸入吸尘囊，累积多的粉尘从排尘口倒出，因而减少粉尘飞扬，降低危害。在擦黑板时，按照黑板上擦除区域的大小，通过改变滚筒擦除设备的档位：高速、中速及低速，实现高效快捷，使用方便和经济安全的擦除。从而实现了省时省力，智能便捷，操作简单，清洁黑板和低碳环保的目标。

　　1滚刷式智能机器人黑板擦总体设计

　　滚刷式智能机器人黑板擦的主要由控制系统装置、执行系统装置和吸尘器装置三部分构成。控制系统装置属于智能机器人的大脑，包含控制器CPU，要根据市场需求，属于该智能机器人的核心部分。执行系统装置中的滚筒擦除设备是新提出的结构设备，属于该智能机器人执行和实现操作者意图的关键部件。吸尘器装置中的“鳄鱼嘴”式的吸尘口装置，粉尘测试传感器、粉尘控制单元等属于清理除尘的主要部分。

　　1.1总体布置

　　根据功能需求，滚刷式智能机器人黑板擦的总体布置如图1所示，主要由三部分构成，分别是：控制系统装置、执行系统装置和吸尘器装置。

　　控制系统装置部分，属于黑板擦的操作主体，包含壳体的手持面，对滚刷动力控制的中央控制模块和需要启停擦刷的开关按键。

　　执行系统装置部分，属于具体执行擦除任务的机构，通过在黑板擦的擦刷面设置滚刷，根据中央控制模块指令驱动电机、泵吸部件、粉尘传感器以及图像感应模块，实现对黑板擦的擦刷工作的自动化智能控制，提供用户的使用效果；并使滚刷的一端与驱动电机动力连接，形成动力滚刷，从而实现黑板擦自动擦刷功能。

　　吸尘器装置，属于后处理装置机构。在擦除过程中产生的粉尘，由置于黑板擦后端的吸尘器吸收，其中吸尘器与黑板擦的中空腔体相连通，且所述吸尘器的腔口设有泵吸部件，通过所述泵吸部件，擦除时，扬起的粉尘，通过布置在旋转滚筒边的“鳄鱼嘴”式吸尘口吸入，如图1所示，经吸尘管吸入置于壳体的后端设有的吸尘器，如图2所示。“鳄鱼嘴”式的吸塵口中布置检测吸入的粉尘测试传感器，根据吸入粉尘量，设定阈值，由粉尘控制单元分析，吸尘器的工作状态。当吸入的粉尘超过设定的阈值，便报警，通知要清理吸尘器中的粉尘了。

　　1.2设计思路

　　滚刷式智能机器人黑板擦，根据设计的成本和方便制造，智能手柄控制器设计成光滑的塑料壳体，把容易磨手的棱角均设计成圆弧过渡；启停擦刷的开关按键置于便于操作的手柄下方；电源集成管理器也设计在方便充电的壳体边上。

　　擦除设计的部件主要由旋转滚筒、旋转毛刷，支撑执行部件的轴承及轴承座及驱动旋转毛刷的电机控制架构出。根据中央控制模块指令驱动电机，内置于空腔体中的4个驱动电机；一端与所述驱动电机动力连接的滚刷，滚刷的刷毛根据需求，擦除黑板上的字；实现对黑板擦的擦刷工作的自动化智能控制，提供用户的使用效果；并使滚刷的一端与驱动电机动力连接，形成动力滚刷，从而实现黑板擦自动擦刷功能。

　　2滚刷式智能机器人黑板擦擦除机理

　　滚刷式智能机器人黑板擦装置，主要由控制系统、执行系统和吸尘器三部分有机地组合成一体。控制系统属于智能机器人的大脑，包含控制器CPU，根据设定的擦除区域，识别、判断和决策擦除的速度和力矩，吸尘的流量和吸尘风扇的转速等，置于操纵手柄中；执行系统根据控制系统控制器CPU发出的信息，由执行控制单元操纵电机驱动模块，执行电机的启停状态，滚筒擦除设备根据指令，识别出擦除区域[2]，判断需要擦除的黑板粉笔字，并实施已决策的速度、力矩等；吸尘器属于关键辅助机构。智能机器人黑板擦记忆每次的擦除区域，擦除量的大小，粉尘测试传感器测试吸入的粉尘量等参数，根据这些参数便识别、判断和决策新的任务量，从而执行更高效、更节能地执行擦除工作。

　　2.1擦除机理

　　智能手柄控制器由操纵手柄，电源集成管理器，驱动控制器，通信接口模块构成；滚筒擦除设备由驱动模块与电机，电机控制架，旋转滚筒等构成；吸尘器由吸尘风扇、吸尘囊，排尘口等构成。滚筒擦除设备由固定毛刷旋转轴，轴承及轴承座，驱动电机，动力传动装置，旋转滚筒，旋转毛刷，电机控制架等新发明设备构成；黑板的擦除洁净程度，主要是由固定毛刷旋转轴的直径和毛刷的致密度决定的。与滚筒擦除设备相匹配的吸尘器，“鳄鱼嘴”式的吸尘口中布置检测吸入的粉尘测试传感器，根据吸入粉尘量，设定阈值，由粉尘控制单元分析，吸尘器的工作状态。

　　擦除时，黑板根据需要擦除的区域用红色的粉笔圈出，设置于黑板擦上的图像感应模块，采集到红色线状图像，则即向中央控制模块发出区域指令，中央控制模块收到区域指令后，控制驱动电机进入工作状态，开始擦除。当图像感应模块，识别出黑板擦移动至红色粉笔的边界时，则使滚刷停止擦刷工作，避免擦除标记区域以外的内容。根据设定，图像感应模块还能够感应其他颜色或其他的特殊标记。

　　在黑板擦移动的同时，所述图像感应模块，还实时检测黑板擦当前擦除区域的内容疏密程度，通过现有的二值化识别技术[3]，分析得到白色粉笔在当前黑板擦除区域内的疏密程度[4，5]，当图像感应模块感应到当前擦除区域需要擦除的内容较为密集，则向中央控制模块发送密集信号[6]，中央控制模块接收密集信号后，增大驱动电机的力矩及转动速率，从而增大滚刷的擦除效率，当图像感应模块感应到当前擦除区域需要擦除的内容较为稀疏[7]，则向中央控制模块发送稀疏信号，中央控制模块接收稀疏信号后，减小驱动电机的力矩及转动速率，从而降低滚刷的擦除效率，减少黑板擦的电能损耗。

　　为了操作者的擦除方便，也可以用手动按钮进行操作。

　　2.2控制策略

　　滚刷式智能机器人黑板擦的控制策略，根据擦除需求，擦除区域识别策略和粉尘收集需求，进行自适应调节，驱动4个MCU滚刷电机进行工作，见图3所示。

　　智能机器人黑板擦的驱动控制策略由中央控制模块发出指令，根据设定感应特殊标记或设定颜色的擦除区域，由图像感应模块，按照擦除区域识别策略，感应擦除图像，确定力矩驱动策略、滾刷电机力矩控制策略和考虑擦除内容力矩速度分配策略，移动黑板擦，使4个MCU滚刷电机执行指令[8]。

　　粉尘传感器用于检测滚刷扬起的灰尘含量，所述粉尘传感器与所述中央控制模块电性连接，所述中央控制模块，根据粉尘传感器检测的灰尘含量，控制泵吸部件的泵吸速率，当粉尘传感器检测的灰尘含量较大时，所述中央控制模块控制泵吸部件的泵吸速率加快，当粉尘传感器检测的灰尘含量较小时，所述中央控制模块控制泵吸部件的泵吸速率减慢，节约电力成本。

　　3结语

　　本文创新性地提出了教学辅助滚刷式智能机器人黑板擦，包括三部分：控制系统是智能手柄控制器，执行系统是滚筒擦除设备和吸尘器组成，三者有机地组合成一体。智能手柄控制器由操纵手柄，电源集成管理器，驱动控制器，通信接口模块构成；滚筒擦除设备由驱动模块与电机，电机控制架，旋转滚筒等构成；吸尘器由吸尘风扇、吸尘囊，排尘口等构成。

　　根据生产需求，低成本地提出了滚刷式智能机器人黑板擦总体设计和擦除机理，控制系统装置属于智能机器人的大脑，包含控制器CUP，是创新性的内容，要根据市场需求，重点开发。执行系统装置中的滚筒擦除设备是新提出的结构设备，是本论文的关键部件，需要重点开发。吸尘器装置中的“鳄鱼嘴”式的吸尘口装置需重新开发，粉尘测试传感器、粉尘控制单元需要重新开发，吸尘风扇和吸尘囊等可采购市场中现有的产品，无需增加成本。从而实现了高效快捷，使用方便和经济安全的擦除；省时省力，智能便捷，操作简单，清洁黑板和低碳环保的目标。

　　参考文献： 

　　[1]钟新梅，刘建生，等.基于嵌入式技术的智能擦除系统[J].计算机系统应用，2016，25（9）：260264. 

　　[2]付贵权，王宏立，杨清羽，等.新型全自动黑板擦洗系统设计[J].科技创新与应用，2014，24：17. 

　　[3]陈岩，刘谱，吴静珠，等.基于WinCE&CMOS 图像传感器的人脸图像采集系统设计[J].仪器技术与传感器，2013，12：164167. 

　　[4]刘芳.面向移动终端的前后台数据库一致性研究及实现[D].重庆：重庆大学，2011. 

　　[5]杨二豪，杨真真.基于Linux 视频传输系统的设计与实现[J].物联网技术，2014，1：4749. 

　　[6]贾继鹏，张永坚，胡延凯.基于WinCE 和ARM 的多串口扩展及485 通信设计[J].计算机系统应用，2015，24（5）：6267. 

　　[7]张鹏飞.光伏发电自动跟踪系统的设计.哈尔滨理工大学出版社，2009. 

　　[8]董涛，刘进英，蒋苏.基于单片机的智能小车的设计与制作[J].计算机测量与控制，2009，17（2）：380382. 

    作者：史成荫