自动擦黑板机器人的设计与制作

自动擦黑板机器人的设计与制作

摘要：本文介绍了一种结构简单但性能优良的自动擦黑板机器人。在黑板横方向的两侧铺设轨道，上侧配置一台可左右移动的电机，中间由一条滑轨相连。在滑轨上装设一台可上下移动的电机，并带有黑板擦，黑板擦可通过蜗轮蜗杆结构调节与黑板之间的高度，通过遥控器控制机器人使其达到指定位置并进行擦拭，或者通过矩阵遍历的方式擦拭整个黑板。

关键词：黑板；远程自动控制；机器人

前言

教师常需在黑板上书写、绘图进行讲解。在40～50分钟的一节课里，就要擦写数次，往往手上、袖子上，甚至头发、肩膀上都留下一层白色粉笔灰。天天如此，年复一年，工作20～30年后，消磨数以万计的粉笔。本文设计并制作出能通过远程操控清洁黑板的机器设备，通过单片机远距离操控擦拭黑板，减少粉笔灰对教师健康的危害；其次此设备可以通过调节长度从而适用所有黑板。

1 主要结构与工作原理

1.1主要结构

自动擦黑板机器人，就是在一般黑板擦的基础之上，利用当前科技知识及理论而研究的一种现代自动设备，其结构如图所示：

其横向传动采用了蜗轮蜗杆形式，纵向传动采用了齿轮齿条形式，擦字结构采用了下压板擦蜗轮蜗杆形式电机机构。整体用8031单片机控制步进电动机驱动。

主要特点有：

（1）远程控制定位、擦字；按钮操作，方便快捷；擦字、定位等智能化；运动平稳，定位准确，有良好的运动特性；

（2）机构易懂，加工工艺简单，安装方便，有很高的经济性。

系统的工作过程：

首先，控制单片机通电，之后操作按钮按下，单片机发出信号，驱动步进电动机按程序控制的方向（所需求方向）旋转，按步数到达所要擦区域的左上角，即定位完成。单片机控制下压电机驱动蜗杆带动黑板擦体压在黑板面上，步进电动机旋转，蜗杆带动黑板擦体纵向运动，同时，蜗杆驱动蜗轮，定位及擦字机构工作。按步数到达下边界后，电机反转，复位于定位点，即往复擦字一次。横向

传动工作，右移一个位移，再实现以上过程。依次实现上述过程，到所要求工作的右边界，黑板擦复位到最开始位置。各个所选区域都有一个子程序，分别实现。区域的选择可通过远程控制定位后，从控制面板上选出，进行小范围人工定位擦拭。

1.2工作原理

控制单片机通电后，按下操作按键，单片机发出信号，步进电机按程序控制的速度与方向旋转。此时黑板可视为一平面直角坐标系，控制竖直方向的y轴电机和横向的x轴电机位置即可使黑板擦达到要擦除的区域。定位后，控制单片机连接的第三个z轴电机（此电机连接黑板擦）向黑板内的方向移动从而使板擦产生一定的对黑板的压力。按下矩阵上的“擦除键”，装置以小正方形的轨迹带动板擦，擦除指定区域。擦拭完成后，通过按键使z轴电机解除对黑板的压力。重复上述过程，直到擦除所有指定区域。功能模块划分及功能如表1所示：

1.3步进电机驱动设计

（1）脉冲分配

本装置共三个步进电机，并使用8031系列单片机控制电机，可用软件实现脉冲分配。软件法是按照给定的通电换相顺序，通过单片机的I/O口驱动电路发出脉冲。程序中将几个控制字依次送到P1口步进电机就会转过一个齿距角。单片机通过多个串口以及矩阵按键同时控制三个步进电机。

（2）步进电机的步进控制

步进控制通过控制单片机发出的步进脉冲频率来实现，这里采用定时器中断的方法。在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器高低位（TH0和TL0）的满溢上限（定时常数）可实现步进调整。根据给定的脉冲频率和单片机的机器周期来计算定时常数，此常数决定了定时时间。当定时器溢出时发生中断，在中断子程序中改变相应的端口的电平，这样就可以得到一个给定频率的方波输出。改变此满溢上限，就可以改变电平变换的频率，从而实现步进的调整。

（3）电机方向确定

黑板擦执行功能时需要正向、反向均能正常工作，故在单片机上采用矩阵中不同的两个按键，并在程序中赋予其不同键值，使按键被按下时程序通过高低电平来控制电机方向。

2 工作过程及特点

2.1 工作过程：

（1）正反转

黑板擦执行功能时需要正向、反向均能正常工作，且有较好的起停能力，以实现定位及移动方向的正确选择与执行。

（2）调速

黑板擦的纵向移动靠齿轮齿条传动机构，而齿轮又直接安装于步进电动机的输出轴上，与步进电动机转速相同。

（3）定位和下压控制

为实现黑板擦对黑板整个区域进行选择区域性擦字这一智能功能，对步进电动机的控制要求有准确的定位要求。以上分析可知，这里可以采用大多数人所熟识的单片机及其相关软硬件对步进电动机进行控制，机电一体化系统框图，如图所示：

2.2 扩展应用：

利用机器人进行自动化擦黑板，在大型广告牌上配置此设备，进行维护和清洁，增强清洁效率，节约成本。将板擦替换为粉笔，通过远程操控让机器人在黑板上精确作图（尤其在较大的板面上）。在高层建筑的外墙玻璃上安装此装置，替代人工操作，进行清理，减少事故发生。同时，本方案可利用平行四边形不稳定性做出一个可以调节成矩形的平行四边形，根据可以调高这一方法，设置力控。除此之外，在黑板擦侧面安装吸尘器或喷水器可以使清理更彻底，效果更完美。

3 结束语

本文是针对教学生活中粉笔灰尘影响广大师生身心健康这一问题提出的。在黑板横方向的两侧铺设轨道，上侧配置一台可左右移动的电机，中间由一条滑轨相连。在滑轨上装设一台可上下移动的电机，并带有黑板擦。通过远程控制机器人使其达到指定位置并进行擦拭，可控制力度大小。本装置具有较广阔的推广应用空间，例如，在大型广告牌或高层建筑的外墙玻璃上配置此设备，进行维护和清洁时，保证工作安全可靠，增强了清洁效率；将板擦替换为粉笔，通过远程操控可以让机器人在黑板上精确作图；加上一个平板电脑可以利用网络远程遥控擦黑板。