滚刷式智能机器人黑板擦机理研究

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  • 更新时间2018-05-22
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  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