擦黑板機器人及其系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種擦黑板機器人，包含:第一控制電路、磁吸附輪式運動機構(gòu)、電源、位置姿態(tài)標記、擦灰裝置、吸灰裝置，第一控制電路包含第一MCU、驅(qū)動模塊、第一通信模塊、電源管理模塊、紅外對管；磁吸附輪式運動機構(gòu)包含電機、減速機構(gòu)、磁輪；擦灰裝置包含可伸縮的支架和擦灰滾筒；吸灰裝置包含風扇、集塵袋；電源分別與第一控制電路、電機、擦灰裝置、吸灰裝置相連以為之供電；電源與電源管理模塊相連；第一MCU分別與驅(qū)動模塊、第一通信模塊、電源管理模塊、紅外對管相連；驅(qū)動模塊與電機、擦灰裝置、吸灰裝置相連。本發(fā)明還提出擦黑板機器人系統(tǒng)。通過本發(fā)明的擦黑板機器人及其系統(tǒng)，實現(xiàn)對黑板的智能、高效、環(huán)保的擦拭。
【專利說明】
擦黑板機器人及其系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種擦黑板裝置及系統(tǒng)，尤其涉及一種擦黑板機器人及其系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前廣泛應(yīng)用于教學環(huán)境的黑板擦主要是人工黑板擦，雖然使用簡單，但存在很 多問題。人工黑板擦無法控制粉筆灰漂浮于空氣帶來的的污染，不綠色環(huán)保，嚴重影響了教 師和學生的健康。普通黑板擦質(zhì)量差，易壞，壞掉之后無法循環(huán)使用，只能整塊丟掉，不符合 可持續(xù)發(fā)展理念。黑板擦絨布上的灰塵難于清潔，清潔過程中會帶來二次環(huán)境污染，影響清 潔者的健康。人工黑板擦無法自動擦拭、增加人類勞動強度。
[0003] 爬壁機器人被廣泛應(yīng)用在工業(yè)等領(lǐng)域，但其體積較大，質(zhì)量較重，不適合在教學環(huán) 境中使用，且一般爬壁機器人結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，使用材料特殊，開發(fā)成本很高，很少有高的性 價比，這也是其難以市場化的主要原因之一。大多數(shù)爬壁機器人因電源問題需要帶纜作業(yè)， 嚴重影響了機器人的移動靈活性，同時限定了機器人的使用范圍。目前的爬壁機器人智能 化水平還不夠，并不能在外界不干預(yù)的情況下正確處理突發(fā)狀況，在自我保護的前提下完 成任務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種擦黑板機器人及其系統(tǒng)，實現(xiàn)對 黑板的智能、高效、環(huán)保的擦拭。
[0005] 為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的擦黑板機器人包含:第一控制電路、磁吸附輪式運 動機構(gòu)、電源、位置姿態(tài)標記、擦灰裝置、吸灰裝置，其特征在于，第一控制電路包含第一 MC U、驅(qū)動模塊、第一通信模塊、電源管理模塊、紅外對管;磁吸附輪式運動機構(gòu)包含電機、減 速機構(gòu)、磁輪;擦灰裝置包含可伸縮的支架和擦灰滾筒;吸灰裝置包含風扇、集塵袋;電源分 別與第一控制電路、電機、擦灰裝置、以及吸灰裝置相連以為之供電；電源還與電源管理模 塊相連;第一控制電路的第一 MCU分別與驅(qū)動模塊、第一通信模塊、電源管理模塊、紅外對管 相連;第一控制電路的驅(qū)動模塊與電機、擦灰裝置、吸灰裝置相連。
[0006] 進一步地，擦黑板機器人還包含一安全外設(shè)，安全外設(shè)為固定于擦黑板機器人外 圍的玻璃鋼護架或慢回彈材料。
[0007] 進一步地，位置姿態(tài)標記為位于擦黑板機器人機身上的圖形標記。
[0008] 進一步地，擦黑板機器人包含四個磁輪，磁輪的圓周外緣上固定有一圈磁鐵條，且 覆有橡膠層，磁鐵條成對出現(xiàn)且為強磁永磁鐵，相鄰磁鐵條之間磁場方向相反。
[0009] 進一步地，磁鐵條由Nb-Fe-B釹鐵硼稀土材料磁體制成。
[0010] 進一步地，擦黑板機器人的自我保護控制步驟為:紅外對管檢測擦黑板機器人相 對于黑板面的垂直距離，當垂直距離超出了擦黑板機器人在黑板面上的平穩(wěn)移動距離，第 一 MCU發(fā)信號給驅(qū)動模塊控制電機停止、減速或轉(zhuǎn)向安全區(qū)域移動。
[0011] 本發(fā)明的擦黑板機器人能夠在擦灰的同時有效地吸取粉塵，防止粉塵漂浮于空氣 中造成污染，符合綠色環(huán)保理念，優(yōu)化了教學環(huán)境，有益于廣大師生健康。
[0012] 為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的擦黑板機器人系統(tǒng)包含:一上述擦黑板機器人、一 自動控制的視覺監(jiān)控單元、一人工控制的移動終端，其特征在于，視覺監(jiān)控單元包含攝像頭 和第二控制電路，第二控制電路包含第二MCU、第二通信模塊;移動終端包含HMI、第三控制 電路，第三控制電路包含第三Μ⑶、第三通信模塊;第一 MCU通過第一通信模塊與視覺監(jiān)控單 元和移動終端通信;第一通信模塊、第二通信模塊、第三通信模塊為無線通信模塊。
[0013] 進一步地，擦黑板機器人的控制優(yōu)先級設(shè)定為:擦黑板機器人的自我保護控制優(yōu) 先級最高，通過移動終端的人工控制優(yōu)先級次之，視覺監(jiān)控單元的自動控制優(yōu)先級最低。
[0014] 進一步地，擦黑板機器人的自我保護控制步驟為:紅外對管檢測擦黑板機器人相 對于黑板面的垂直距離，當垂直距離出現(xiàn)超出了擦黑板機器人在黑板面上的平穩(wěn)移動距 離，第一 MCU發(fā)信號給驅(qū)動模塊控制電機停止、減速或轉(zhuǎn)向安全區(qū)域移動。
[0015] 進一步地，視覺監(jiān)控單元的攝像頭捕捉并識別位置姿態(tài)標記并將擦黑板機器人的 運動數(shù)據(jù)傳送到視覺監(jiān)控單元的第二控制電路的第二MCU，再通過第二通信模塊和第一通 信模塊之間的通信將視覺監(jiān)控單元的控制信息發(fā)送給第一MCU;當使用者通過移動終端中 的ΗΜΙ輸入人工控制信息給第三MCU，經(jīng)第三Μ⑶處理后，通過第三通信模塊和第一通信模 塊、第二通信模塊之間的通信將人工控制信息分別傳遞給第一 MCU和第二MCU。
[0016] 本發(fā)明將擦黑板機器人、視覺監(jiān)控單元和移動終端結(jié)合到一起的系統(tǒng)在保證擦黑 板機器人既能夠自動運行，又能服從人工指揮，很好地體現(xiàn)了機器人為人類提供服務(wù)的宗 旨，提高了擦黑板的效率，減輕了人的勞動強度。擦黑板機器人、視覺監(jiān)控單元和移動終端 之間全部采用無線通信的方式，采用輪式磁吸附四輪驅(qū)動，符合無纜化的要求，簡化了擦黑 板機器人的結(jié)構(gòu)、減輕了重量、增強了擦黑板機器人的靈活性，擴大了活動空間，使對擦黑 板機器人的控制更為便捷，避免視覺模塊安裝于機器人易產(chǎn)生視覺盲區(qū)和增加控制難度， 利于節(jié)能和無纜化等。
【附圖說明】
[0017] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描寫和闡述。
[0018] 圖1是本發(fā)明首選實施方式的擦黑板機器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0019] 圖2是本發(fā)明首選實施方式的擦黑板機器人的擦黑板機器人的可靠吸附靜力學示 意圖。
[0020] 圖3是本發(fā)明首選實施方式的擦黑板機器人的車輪結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖中：
[0022] 1、擦黑板機器人；11、第一控制電路；12、磁吸附輪式運動機構(gòu)；13、安全外設(shè)；14、 電源；15、位置姿態(tài)標記；16、擦灰裝置；17、吸灰裝置；111、第一 MCU; 112、驅(qū)動模塊；113、第 一通信模塊；114、電源管理模塊；115、紅外對管；121、電機；122、減速機構(gòu)；123、磁輪；124、 磁鐵條;125、橡膠層；161、支架；162、擦灰滾筒；171、風扇；172、集塵袋；
[0023] 2、視覺監(jiān)控單元；21、攝像頭；22、第二控制電路；221、第二MCU; 222、第二通信模 塊；
[0024] 3、移動終端；31、ΗΜΙ (人機界面）；32、第三控制電路;321、第三MCU; 322、第三通信 模塊。
[0025] N11，N12，N21，N22分別為黑板對四個車輪的正壓力;G為擦黑板機器人負載及自身 的重力;？11^12^21^22為黑板對四個車輪的靜摩擦力江1為機器人前后車輪之間的軸 距;L2為機器人重心距離黑板面的高度。
【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做詳細闡述。
[0027] 本發(fā)明的首選實施方式的擦黑板機器人系統(tǒng)包含一擦黑板機器人1，視覺監(jiān)控單 兀2和移動終?而3。
[0028] 本首選實施方式中的擦黑板機器人1包含第一控制電路11、磁吸附輪式運動機構(gòu) 12、安全外設(shè)13、電源14、位置姿態(tài)標記15、擦灰裝置16和吸灰裝置17。優(yōu)選地，第一控制電 路11包含第一MCU(MCU:微控制單元）111、驅(qū)動模塊112、第一通信模塊113、電源管理模塊 114和紅外對管115;磁吸附輪式運動機構(gòu)12包含電機121、減速機構(gòu)122和磁輪123;擦灰裝 置16包含可伸縮的固定支架161和擦灰滾筒162;吸灰裝置17包含風扇171和集塵袋172。其 中電機121和減速機構(gòu)122可以是相互獨立的兩個模塊相連，也可以采用市場上現(xiàn)有的一體 化成品。
[0029] 本首選實施方式中的視覺監(jiān)控單元2包含攝像頭21和第二控制電路22,第二控制 電路22包含第二MCU221和第二通信模塊222。
[0030] 本首選實施方式中的移動終端3包含ΗΜΙ (人機界面)31和第三控制電路32,第三控 制電路32包含第三MCU321和第三通信模塊322。移動終端3可以是單獨為擦黑板機器人1配 置的移動控制器，也可以借用現(xiàn)有智能手機或平板電腦等智能終端的硬件載體安裝專用于 擦黑板機器人1的控制應(yīng)用程序。
[0031] 電源14和第一控制電路11相連，電源14能夠給第一控制電路11提供電能，第一控 制電路11又能控制電源14對其它電路供電的通斷;擦黑板機器人1中的電源14又分別與電 機121、擦灰裝置16和吸灰裝置17相連，為其提供電能。例如，電源可以鋰離子電池組、或者 其他型號、其他類型的移動電源等。
[0032]第一控制電路11中的第一 MCU111與驅(qū)動模塊112、第一通信模塊113、電源管理模 塊114和紅外對管115相連，第一通信模塊113中的數(shù)據(jù)、紅外對管115檢測數(shù)據(jù)和電源管理 模塊114檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過第一MCU111處理后控制驅(qū)動模塊112和電源管理模塊114，第一 MCU111把需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過第一通信模塊113傳輸給視覺監(jiān)控單元2和/或移動終端3。
[0033] 第一控制電路11中的驅(qū)動模塊112與電機121、擦灰裝置16和吸灰裝置17相連，根 據(jù)第一MCU111給出的控制信號，控制電機121、擦灰裝置16和吸灰裝置17。電源管理模塊114 與電源14相連，檢測電源14的電量情況，并通過第一 Μ⑶111控制電源14的充放電。安全外設(shè) 13作為機械保護裝置，用于減輕意外事故對擦黑板機器人造成的損傷。優(yōu)選地，在本首選實 施方式中，安全外設(shè)13為固定于擦黑板機器人外圍的玻璃鋼護架或慢回彈材料。在其他實 施方式中，安全外設(shè)還可以是其他合適形式的能夠緩解撞擊沖擊或跌落沖擊的材料和結(jié) 構(gòu)。
[0034] 優(yōu)選地，擦黑板機器人1與視覺監(jiān)控單元2之間、視覺監(jiān)控單元2與移動終端3之間、 以及移動終端3與擦黑板機器人1之間，通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式連接，以實現(xiàn)相互間的數(shù)據(jù) 通信
[0035]優(yōu)選地，視覺監(jiān)控單元2中的攝像頭21采集擦黑板機器人1位置姿態(tài)標記15的圖像 信號和黑板區(qū)域及黑板上的粉筆筆跡圖像。優(yōu)選地，位置姿態(tài)標記15可以是擦黑板機器人 背部的醒目箭頭圖形，或是其他形式的圖形標記，還可以處在擦黑板機器人的其他位置。優(yōu) 選地，攝像頭21與第二控制電路22中的第二MCU221相連，并將采集的數(shù)據(jù)傳送給第二 Μ⑶221。第二MCU221還與第二通信模塊222相連，第二通信模塊222把接收到的需要處理的 數(shù)據(jù)送給第二MCU221處理，第二MCU221把處理完的數(shù)據(jù)回傳給第二通信模塊222發(fā)送出去。 [0036] 移動終端3中的第三控制電路32中的第三MCU321與第三通信模塊322相連，第三通 信模塊322把接收到的需要處理的數(shù)據(jù)送給第三MCU321處理，第三MCU321把處理完的數(shù)據(jù) 回傳給第三通信模塊322發(fā)送出去。第三Μ⑶321還與ΗΜΙ31相連，ΗΜΙ31接收操作者的操作指 令，并將操作指令數(shù)據(jù)送給第三MCU321處理，第三MCU321將處理過的數(shù)據(jù)以及實時信息傳 送給ΗΜΙ31以便于直觀的反映擦黑板機器人1的實時信息。
[0037] 本發(fā)明中的擦黑板機器人1需要在鐵制磁吸黑板上進行工作，并且能夠承受運動 過程中可能遇到的沖擊和振動，設(shè)計時必須對安全加以考慮，所以磁輪要能夠保證給機器 人提供足夠可靠的吸附力。如果磁輪吸附力達不到要求，擦黑板機器人1不能穩(wěn)定運行甚至 會從黑板上墜落;而吸附力過大又給機器人電機的輸出轉(zhuǎn)矩將更大，從而增加了電機體積 和質(zhì)量，也增加了能耗。因此，在滿足機器人可靠吸附的條件下，盡可能在提高機器人靈活 性的同時減少能耗。各參數(shù)之間有時存在矛盾，就需要抓住主要矛盾，折中考慮。
[0038] 本發(fā)明中的擦黑板機器人在黑板上的靜力學分析是根據(jù)擦黑板機器人的結(jié)構(gòu)研 究磁輪產(chǎn)生的吸附力與負載之間的關(guān)系以及對機器人的可靠性吸附條件進行計算。從而為 確定具體的吸附力，設(shè)計恰當?shù)奈窖b置，提供理論依據(jù)。
[0039]為簡化設(shè)計，優(yōu)選的，擦黑板機器人1結(jié)構(gòu)對稱，前后輪軸距與左右輪間距相等，黑 板平面內(nèi)機器人重心與形心重合，四個磁輪結(jié)構(gòu)相同，磁輪提供的吸附力均勻分布，忽略擦 灰滾筒與黑板間的作用力;進行靜力學分析時只考慮擦黑板機器人兩前輪或兩后輪軸線水 平狀態(tài)下的情況，若該情況下能可靠吸附于黑板表面并移動，則其它吸附姿態(tài)下也能可靠 吸附并移動；只通過靜力學分析進行設(shè)計，通過調(diào)整相關(guān)安全系數(shù)來滿足動力學要求。則擦 黑板機器人靜止在黑板上時需要滿足在垂直黑板面方向和豎直方向上的所受合力均為零。 擦黑板機器人吸附在黑板上不翻轉(zhuǎn)，要滿足重力和黑板對機器人上方的兩車輪的正壓力的 合力矩與黑板對機器人下方的兩車輪的正壓力的合力矩相互抵消，同時為保證機器人在黑 板上能可靠吸附，必須滿足黑板對機器人上方的兩車輪的正壓力大于零。
[0040]結(jié)合圖2進行靜力學分析如下：
[0041 ]則擦黑板機器人靜止在黑板上時的力平衡方程為：
[0042] X軸方向的合力ΣΧ = 〇,即
[0043] Τ-Νιι-Ν?2-Ν2?-Ν22 = 0 (1)
[0044] Υ軸方向的合力ΣΥ = 〇,即
[0045] G-Fii_Fi2_F2iF22 = 0 (2)
[0046] Fn<y*Nn (3)
[0047] F12 < μ · Ν?2 (4)
[0048] F21 < μ · Ν2? (5)
[0049] F22 < μ · Ν22 (6)
[0050]其中，T是磁輪給機器人提供的吸力;μ為車輪與黑板之間的靜摩擦系數(shù)。
[0051 ]優(yōu)選的，擦黑板機器人1靜止在黑板上時，車輪被電機制動或傳動機構(gòu)自鎖而不會 繞軸自由旋轉(zhuǎn)，這避免了機器人因為車輪沿黑板滾動滑下的情況。在這種情況下，僅僅需要 考慮機器人與壁黑板之間存在相對滑動而引起機器人滑落這一種情況。根據(jù)對稱性假設(shè) 有：
[0052] Νιι = Ν?2
[0053] 所以設(shè)：n：l = Nii = Ni2
[0054] N2 = N21 = N22
[0055] 貝丨JT = 2Ni+2N2 (7)
[0056] 由式（D一(7)可得出：
[0057] 2Νι · μ+2Ν2 · μ > G (8)
[0058] (9)
[0059] 優(yōu)選的，由式(9)可知，擦黑板機器人1車體應(yīng)盡量采用輕質(zhì)材料，這樣可以減小重 力，增強機器人的帶負載能力，減小所要提供的磁力，降低磁輪123的設(shè)計難度，另外要選擇 防滑材料，增加車輪接觸面與黑板表面的靜摩擦系數(shù)。
[0060] 要使機器人在黑板上不翻轉(zhuǎn)，就要滿足:合力矩Σ Μα=0，即：
[0061]
[0062]其中，L1為機器人前后車輪之間的距離;L2為機器人距離黑板面的高度。則，上式 可化簡為：
[0063]
[0064] (12)
[0065] 由式(7)、（12)得出：
[0066] (13)
[0067] 機器人在黑板上能可靠吸附，必須滿足Ν2大于0,所t
[0068] 即：
[0069] (14)
[0070] 由式（14)可知：在設(shè)計擦黑板機器人1時，要盡量減少機器人重心與黑板面的距 離，即L2要盡量小;在考慮小型化的同時盡量加長L1的長度，即盡量拉開車輪之間的距離。
[0071] 由式(8)、（14)得出：
[0072] (15)
[0073]其中，kl為安全系數(shù)，可根據(jù)小車運行的最大加速度、工作環(huán)境、制造精度等進行 經(jīng)驗選取。
[0074]由式（12)，（13)可得出：
[0075] (16)
[0076] 圖2所示小車向上前進時下面兩只電機需提供的力矩最大，為了確保機器人能夠 在黑板上行走，電機的驅(qū)動力矩Μ要滿足公式：
[0077] (17)
[0078]其中，k2為安全系數(shù)，根據(jù)小車運行的最大加速度、工作環(huán)境、制造精度等進行經(jīng) 驗選取;R為車輪半徑;η為減速比;η為傳動效率。以上，式（15)、（16)、（17)即為可靠吸附與 移動條件公式。此處忽略了擦拭滾筒與黑板作用時的排斥力和力矩，經(jīng)試驗該排斥力和力 矩較小，也可通過試驗調(diào)整kl、k2兩個安全系數(shù)來滿足要求。
[0079]本發(fā)明首選實施方式中的擦黑板機器人1選用強磁永磁鐵制作磁輪123,進行磁輪 吸附分析，根據(jù)磁鐵的性能參數(shù)，計算出每塊磁鐵所應(yīng)提供的磁力。
[0080] 優(yōu)選的，磁輪123結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。磁輪123的制作上，為了使磁鐵發(fā)揮出最 大的磁力，必須使充磁方向與黑板面垂直。所以，在安置磁鐵的時候需特別注意方向問題。 此外，相鄰磁鐵之間的磁場方向必須相反，這樣能夠保證磁鐵之間的相互干擾最小，且對驅(qū) 動電機磁場干擾也較小。
[0081] 優(yōu)選的，磁輪123的制作需要進行制模并加工成型，從而得到圓滑的車輪以有利于 機器人穩(wěn)定地運動。為了保證磁場分布均勻，提供給機器人可靠的吸附力。制作過程中，在 磁輪外緣，即磁輪本體外緣上均勻鑲嵌上一圈長方體強磁鐵條124以提供磁力，并粘結(jié)牢 固。所用磁鐵條124與黑板接觸面的沿車輪圓周方向的寬度較小，磁鐵條124要有一定的數(shù) 量，這樣有利于使磁輪外表面更圓滑、受力均勻，便于在黑板面上行駛。另外，在鑲嵌過磁鐵 條124的車輪圓周表面裹一層薄薄的耐磨、防滑橡膠層125,這樣有利于增加擦黑板機器人 與黑板面的摩擦系數(shù)，安全系數(shù)得以提高，既防止磁輪打滑、又對黑板面進行保護，也不至 于過多降低磁鐵對黑板的吸附力。
[0082] 優(yōu)選的，本發(fā)明首選實施方式中的擦黑板機器人1要以輪式磁吸附的方式在豎直 的黑板面上移動，采用相同的四個帶大減速比減速箱的直流電機驅(qū)動機器人前進、后退、左 轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。當四個電機轉(zhuǎn)速相等且同向旋轉(zhuǎn)時，機器人前進或者后退；當同速的左側(cè)兩個驅(qū) 動電機與同速的右側(cè)驅(qū)動電機有速度差時，機器人向左或向右偏轉(zhuǎn)移動。
[0083] 優(yōu)選的，本發(fā)明首選實施方式中的擦黑板機器人1的擦灰裝置16,使用可伸縮的固 定支架161和擦灰滾筒162實現(xiàn)。可伸縮的固定支架161的伸縮動作由步進電機或伺服電機 所驅(qū)動。優(yōu)選地，擦灰滾筒162的軸線與車輪軸線平行，擦灰作業(yè)時不至于使小車發(fā)生偏轉(zhuǎn) 而難于控制。擦灰滾筒162外層采用一定厚度的海綿等彈性物包裹，增大擦灰接觸面，提高 適應(yīng)性;擦灰滾筒162的最外層擦布通過尼龍搭扣的設(shè)計可方便實現(xiàn)更換、清洗，確保了擦 灰裝置16的可循環(huán)使用。
[0084] 優(yōu)選的，本發(fā)明首選實施方式中的擦黑板機器人1的吸灰裝置17,使用小型風扇 171和集塵袋172實現(xiàn)。小型風扇171通過風葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負壓，將擦灰滾筒162擦灰產(chǎn)生的漂 浮粉塵隨空氣一起吸入集塵袋172,經(jīng)集塵袋過濾，排出干凈空氣，收集粉塵垃圾。
[0085] 優(yōu)選的，在擦黑板機器人安全保護方面，除了需要在控制程序部分要充分考慮外， 還必須采用機械硬件保護，達到雙重保護的效果。這樣，即使出現(xiàn)意外，擦黑板機器人從黑 板上脫離，仍然可以依賴機械硬件保護實現(xiàn)最后一道保護。優(yōu)選地，本發(fā)明首選實施方式中 的安全外設(shè)13為在擦黑板機器人的外圍增加玻璃鋼護架或者慢回彈材料，在車輪車軸處安 裝減震，對瞬間的沖擊力進行緩沖，可以有效地減少沖撞對擦黑板機器人1本體造成的損 傷。
[0086] 本發(fā)明首選實施方式中的擦黑板機器人1可以使用視覺監(jiān)控單元2自動遙控，也可 以由使用者使用移動終端3進行人工遙控，還具備最基本的自我保護控制。優(yōu)選地，對擦黑 板機器人系統(tǒng)的控制優(yōu)先級進行設(shè)定。擦黑板機器人1的自我保護控制優(yōu)先級最高，防止擦 黑板機器人1在失去視覺監(jiān)控單元2的自動控制和移動終端3的人工控制之后意外造成不可 逆轉(zhuǎn)的損壞。擦黑板機器人1 一旦檢測到即將越過黑板邊緣，會立即停止或者轉(zhuǎn)向安全區(qū) 域，實現(xiàn)自我保護。通過移動終端3的人工控制的優(yōu)先級是第二位的，即使視覺監(jiān)控單元2處 于對擦黑板機器人1的控制狀態(tài)，使用者仍然能夠通過移動終端3把控制權(quán)奪回來實現(xiàn)人工 控制。視覺監(jiān)控單元2對擦黑板機器人1的自動控制優(yōu)先級是最低的，它主要是在使用者允 許的情況下，實現(xiàn)擦黑板機器人1對黑板的自動擦拭。
[0087]擦黑板機器人1的第一通信模塊113在接收到控制信號后，自動將控制信號傳送到 第一 Μ⑶111，第一 MCU111輸出控制信號給驅(qū)動模塊112來驅(qū)動電機121、擦灰裝置16和吸灰 裝置17。
[0088]優(yōu)選的，對擦灰滾筒162的控制可通過步進電機或伺服電機驅(qū)動可伸縮的固定支 架161來回旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)而伸縮。當機器人需要擦黑板時，通過擦黑板機器人1第一控制電路11 中的第一 MCU111發(fā)出信號，控制步進電機或伺服電機旋轉(zhuǎn)打開支架161，使擦灰滾筒162與 黑板面接觸;無需擦黑板時，控制步進電機或伺服電機旋轉(zhuǎn)收回支架161，使擦灰滾筒162與 黑板面脫離。步進電機或伺服電機根據(jù)實際情況通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)角的大小，也可調(diào)節(jié)擦灰滾 筒162的擦拭壓力，從而更好地實現(xiàn)粉筆痕跡的擦除，該轉(zhuǎn)角大小可通過示教存儲到第一 MCU111 的 EEPR0M 或數(shù)據(jù) Flash 中。
[0089] 優(yōu)選的，電機12通過第一MCU111發(fā)出的P麗波控制;P麗波通過改變占空比進而改 變電機12電樞兩端的平均電壓實現(xiàn)調(diào)速的目的;擦灰裝置16和吸灰裝置17由第一MCU111控 制三極管的通斷從而控制繼電器的通斷來實現(xiàn)對擦灰滾筒162和風扇171的啟停控制。
[0090] 優(yōu)選的，電源管理模塊114,可通過差分放大器和擦黑板機器人1中的第一Μ⑶111 的AD采樣實現(xiàn)對于電池電壓的實時檢測。當電池電壓低于限制電壓時，電源管理模塊114會 自動報警并切斷電路，對電池進行保護，在有些實施方式中，還可以控制對電池進行自動充 電。為了節(jié)約能源，軟件上可以采用定時使擦黑板機器人1進入休眠狀態(tài)、發(fā)送控制信號可 以喚醒的控制方法。
[0091] 優(yōu)選的，本發(fā)明首選實施方式中的擦黑板機器人的自我保護控制通過紅外線距離 檢測實現(xiàn)。通常，黑板安裝于墻壁表面并突出于墻壁，在黑板上行走的機器人與墻壁是存在 一定的垂直距離。把紅外對管115(含紅外線發(fā)射器和紅外線接收器)做成"探頭"的樣式，伸 出擦黑板機器人的車身邊緣。擦黑板機器人運動時，紅外對管115不斷發(fā)送和接收紅外線從 而檢測擦黑板機器人1與黑板面之間的垂直距離并將含有該距離信息的信號發(fā)送給第一 Μ⑶111，當擦黑板機器人1在黑板的安全區(qū)域內(nèi)，紅外對管115檢測到的距離穩(wěn)定在一定范 圍內(nèi)，稱之為平穩(wěn)移動距離；當擦黑板機器人即將跑出黑板邊緣時，伸出的紅外對管115會 先檢測到垂直距離產(chǎn)生了較大變化，此時的垂直距離超出了擦黑板機器人在黑板面上的平 穩(wěn)移動距離。一旦第一 MCU111判斷出垂直距離變化超出了為擦黑板機器人1設(shè)定的容許值 范圍之外，立即作出反應(yīng)，發(fā)出控制信號，擦黑板機器人1立刻停止或返回安全區(qū)域，實現(xiàn)自 我保護。
[0092] 攝像頭21可以在黑板區(qū)域范圍建立坐標系，由于攝像頭21是固定的，黑板也是固 定的，坐標系建立之后，相對位置固定有利于粉筆筆跡和擦黑板機器人1的定位?？赏ㄟ^常 規(guī)方法進行相機標定。
[0093] 本發(fā)明首選實施方式中使用的位置姿態(tài)標記15固定在擦黑板機器人1的特定部 位，它向視覺監(jiān)控單元2提供擦黑板機器人所處的位置和姿態(tài)信息，建立模型后，可實現(xiàn)檢 測和跟蹤;攝像頭21負責捕捉、識別標記的位置姿態(tài)信號并負責將運動數(shù)據(jù)快速準確地傳 送到第二MCU221進行處理。
[0094] 視覺監(jiān)控單元2得到人工允許的擦拭指令后，發(fā)出指令喚醒擦黑板機器人1，控制 擦黑板機器人1運動并擦拭黑板上的粉筆筆跡，第二MCU221同時對黑板的圖像的灰度進行 對比，采用閾值分割法對閾值進行選取，通過濾波、邊緣檢測等預(yù)處理從而對采集的圖像進 行二值化處理，與原先建立的坐標系比對，可以計算出黑板上粉筆筆跡的坐標，進一步的， 將機器人的坐標和粉筆筆跡的坐標進行對比等數(shù)據(jù)處理，算出具體的目標點(粉筆筆跡)與 擦黑板機器人實時位置的距離和兩者連線與擦黑板機器人姿態(tài)夾角，通過第二通信模塊 222將控制信息發(fā)送給擦黑板機器人1，擦黑板機器人1據(jù)此調(diào)整車輪與連線的夾角，使其最 小，在此方向上前進并最終精確定位擦灰;在擦黑板機器人1擦灰過程中，攝像頭21仍然需 要不斷捕捉機器人的實時位置姿態(tài)信息，系統(tǒng)不斷進行動態(tài)修正并做出下一步的指令，使 擦黑板機器人1前進方向正確，。擦拭完畢后，視覺監(jiān)控單元2向擦黑板機器人1發(fā)出指令信 號，引導(dǎo)擦黑板機器人1回到黑板邊緣設(shè)定位置停止并休眠。此情況下，視覺監(jiān)控單元2為通 信網(wǎng)絡(luò)的主站，擦黑板機器人1為通信網(wǎng)絡(luò)的從站。
[0095] 視覺監(jiān)視單元2根據(jù)建立好的黑板坐標系，結(jié)合擦黑板機器人1的具體尺寸和采集 到的擦黑板機器人1中的位置姿態(tài)標記15實際圖像位置和姿態(tài)，計算出擦黑板機器人1在黑 板坐標系中的安全區(qū)域，位置姿態(tài)標記15必須在該安全區(qū)域內(nèi)，一旦位置姿態(tài)標記15超出 安全區(qū)域邊界，或者預(yù)測擦黑板機器人1可能會超出安全區(qū)域，第二MCU221通過第二通信模 塊222給擦黑板機器人1的第一通信模塊113發(fā)送控制信號，擦黑板機器人1的第一通信模塊 113將該控制信號傳給第一MCU111，控制擦黑板機器人1向安全區(qū)域移動，進一步避免擦黑 板機器人1沖出黑板區(qū)域而掉落損壞。
[0096] 在其他實施方式中，還可以增強機器人路徑規(guī)劃能力，采用相應(yīng)控制算法對機器 人的路線進行優(yōu)化，以又快又好地完成擦黑板任務(wù)。
[0097] 本發(fā)明首選實施方式中的移動終端3保證了人工控制較高的控制優(yōu)先級，使用者 通過移動終端3中的ΗΜΙ31輸入控制信號給第三Μ⑶321，經(jīng)過第三Μ⑶321的處理后通過通信 模塊322以無線信號的方式發(fā)送給擦黑板機器人1中的通信模塊113和視覺監(jiān)控單元2中的 第二通信模塊222,經(jīng)過第一Μ⑶111和第二MCU221的處理后分別控制擦黑板機器人1和視覺 監(jiān)控單元2。此情況下，移動終端為通信網(wǎng)絡(luò)的主站，視覺監(jiān)控單元和擦黑板機器人為通信 網(wǎng)絡(luò)的從站。
[0098]優(yōu)選的，移動終端3具有一鍵功能，通過按鍵選擇可以自動全部擦除黑板粉筆筆 跡，并返回建立好的坐標系設(shè)定的最終停靠點，該停靠點坐標和?？孔藨B(tài)也可通過示教存 儲到第二MCU221的EEPR0M或數(shù)據(jù)Flash中；可以在視覺監(jiān)控單元2不工作時，直接通過人工 手動遙控擦黑板機器人1進行工作;移動終端3也可以通過按鍵在視覺監(jiān)控單元2工作時奪 取控制優(yōu)先權(quán)，使第二MCU221處于待機狀態(tài)，第二MCU221中的所有進程被掛起，此時就可通 過移動終端3中的HMI31人工控制擦黑板機器人1;移動終端3可以通過HMI31遙控停止或喚 醒擦黑板機器人1和視覺監(jiān)視單元2的工作。
[0099] 在本發(fā)明的另一個實施方式中，擦黑板機器人電源采用220〇11^11，40(：，11.3￥鋰離 子電池組、位置姿態(tài)標記為擦黑板機器人背部的醒目箭頭圖；視覺監(jiān)控單元的攝像頭采用 大恒MER12530UML型工業(yè)相機，有效像素1292 X 964，索尼CCD傳感器，USB接口，C0MPUTAR系 列Ml 214MP型光學鏡頭。
[0100] 第一控制電路的第一 MCU采用STC12C5604AD單片機，驅(qū)動模塊以L298N為芯片為主 要器件，第一通信模塊采用HC05主從機一體藍牙模塊，電源管理模塊包含電源電壓檢測、充 放電控制等功能電路;紅外對管采用5V紅外對管模塊，檢測距離lcm至60cm可調(diào);擦黑板機 器人的磁吸附輪式運動機構(gòu)的電機和減速機構(gòu)采用電機、減速機一體化成品，減速比1: 120,額定電壓12V，額定電流300mA，轉(zhuǎn)速90r/min，轉(zhuǎn)矩0.024N.m，噪聲小于65dB，重量50g; 擦黑板機器人的擦灰裝置的可伸縮固定支架為飛機起落架式，控制伸縮的驅(qū)動選擇15BY型 步進減速電機（2相，步距角18°，減速比1:50)，擦灰滾筒的驅(qū)動減速電機型號為GA12N20 (DC12V，負載轉(zhuǎn)速96r/min，額定電流150mA，額定轉(zhuǎn)矩kgf. cm，減速比1:250);吸灰裝置的風 扇帶電機(額定電壓12V，額定電流0.26A，風量23CFM，噪聲28dB，轉(zhuǎn)速3000r/min)，集塵袋采 用無紡布制作;視覺監(jiān)控單元的第二控制電路的第二MCU采用意法半導(dǎo)體STM32F107型微控 制器，第二通信模塊采用HC05主從機一體藍牙模塊等。
[0101] 擦黑板機器人、視覺監(jiān)控單元、移動終端通過藍牙通訊技術(shù)實現(xiàn)相互間的無線數(shù) 據(jù)通信。這樣即使沒有例如1正1、26、36、46等通訊網(wǎng)絡(luò)存在，也可以實現(xiàn)擦黑板機器人系統(tǒng) 的無線通訊。
[0102] 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解到，除了藍牙之外，紅外通信技術(shù)也可以用在本 發(fā)明的擦黑板機器人系統(tǒng)中。
[0103] 在該另一個實施方式中，采用新型4WD智能小車本體，尺寸28cmX 15cmX 6.5cm，車 身采用高強度亞克力板，車輪直徑65mm。擦黑板機器人質(zhì)量約為2kg，磁輪提供的吸力為Τ，μ 為靜摩擦系數(shù)，根據(jù)以上式（15)、（16)、（17)可靠吸附與移動條件的結(jié)論，符合式（15)的條 件，機器人則能夠可靠吸附，根據(jù)實際，取4 = 〇.2，1^1=1^2=1.5，則1^1取25〇111111兒2取5〇111111，代 入得到:Τ2 150Ν。所以，要求磁輪要給機器人提供大于150Ν的磁性吸附力。
[0104]鑒于Nb-Fe-B釹鐵硼稀土材料磁體的較高的性價比，磁輪設(shè)計時選它作為永磁材 料，選用牌號N-35磁鐵，磁鐵條尺寸25.4mm X 3.175mm X 3.175mm，工作溫度最大80 °C，鎳銅 鎳鍍層，表磁大小12000Gs。設(shè)與磁通密度正交的面積為S，已知，磁鐵條長為2.54cm，寬 0.3175cm，則
[0105] S = 2.54X0.3175 = 0.80645cm2；
[0106] 又已知磁鐵表磁大小為12000GS，代入公式
[0107]
[0108] 設(shè)總吸力為F總，，小車有四輪，運動時平均有4塊磁鐵與黑板表面接觸，則
[0109] f總=4F = 4X46.17 = 184.67N
[0110] 由以上靜力分析和可靠吸附條件可知磁鐵必須提供給擦黑板機器人大于150N的 力，通過這種驗證，確認該尺寸的N-35釹鐵硼永磁鐵能夠滿足擦黑板機器人的可靠吸附與 移動要求。
[0111] 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解到，在其他實施方式中，也可以采用其他設(shè)計參 數(shù)作為上述實施方式中參數(shù)的替代、變換等，這并不影響本發(fā)明的本質(zhì)。
[0112] 上述【具體實施方式】僅僅對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，而并非對本發(fā)明的保 護范圍進行限定。在不脫離本發(fā)明的設(shè)計構(gòu)思和精神范疇的前提下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員根據(jù)本發(fā)明所提供的文字描述、附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案所作出的各種變形、替代和改 進，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范疇。本發(fā)明的保護范圍由權(quán)利要求確定。
【主權(quán)項】
1. 一種擦黑板機器人，包含：第一控制電路、磁吸附輪式運動機構(gòu)、電源、位置姿態(tài)標 記、擦灰裝置、吸灰裝置，其特征在于，所述第一控制電路包含第一 MCU、驅(qū)動模塊、第一通信 模塊、電源管理模塊、紅外對管;所述磁吸附輪式運動機構(gòu)包含電機、減速機構(gòu)、磁輪;所述 擦灰裝置包含可伸縮的支架和擦灰滾筒;所述吸灰裝置包含風扇、集塵袋;所述電源分別與 所述第一控制電路、所述電機、所述擦灰裝置、以及所述吸灰裝置相連以為之供電；所述電 源還與所述電源管理模塊相連;所述第一控制電路的第一 MCU分別與所述驅(qū)動模塊、所述第 一通信模塊、所述電源管理模塊、所述紅外對管相連;所述第一控制電路的驅(qū)動模塊與所述 電機、所述擦灰裝置、所述吸灰裝置相連。2. 如權(quán)利要求1所述的擦黑板機器人，其特征在于，所述擦黑板機器人還包含一安全外 設(shè)，所述安全外設(shè)為固定于擦黑板機器人外圍的玻璃鋼護架或慢回彈材料。3. 如權(quán)利要求1所述的擦黑板機器人，其特征在于，所述位置姿態(tài)標記為位于所述擦黑 板機器人機身上的圖形標記。4. 如權(quán)利要求1-3中任一項所述的擦黑板機器人，其特征在于，所述擦黑板機器人包含 四個磁輪，所述磁輪的圓周外緣上固定有一圈磁鐵條，且覆有橡膠層，所述磁鐵條成對出現(xiàn) 且為強磁永磁鐵，相鄰所述磁鐵條之間磁場方向相反。5. 如權(quán)利要求4所述的擦黑板機器人，其特征在于，所述磁鐵條由Nb-Fe-B釹鐵硼稀土 材料磁體制成。6. 如權(quán)利要求1-3中任一項所述的擦黑板機器人，其特征在于，所述擦黑板機器人的自 我保護控制步驟為:所述紅外對管檢測所述擦黑板機器人相對于黑板面的垂直距離，當所 述垂直距離超出了所述擦黑板機器人在所述黑板面上的平穩(wěn)移動距離，所述第一 MCU發(fā)信 號給所述驅(qū)動模塊控制所述電機停止、減速或轉(zhuǎn)向安全區(qū)域移動。7. -種擦黑板機器人系統(tǒng)，包含:一如權(quán)利要求1所述的擦黑板機器人、一自動控制的 視覺監(jiān)控單元、一人工控制的移動終端，其特征在于，所述視覺監(jiān)控單元包含攝像頭和第二 控制電路，所述第二控制電路包含第二MCU、第二通信模塊;所述移動終端包含HMI、第三控 制電路，所述第三控制電路包含第三MCU、第三通信模塊;所述第一 MCU通過所述第一通信模 塊與所述視覺監(jiān)控單元和所述移動終端通信;所述第一通信模塊、所述第二通信模塊、所述 第三通信模塊為無線通信模塊。8. 如權(quán)利要求7所述的擦黑板機器人系統(tǒng)，其特征在于，所述擦黑板機器人的控制優(yōu)先 級設(shè)定為:所述擦黑板機器人的自我保護控制優(yōu)先級最高，通過移動終端的人工控制優(yōu)先 級次之，所述視覺監(jiān)控單元的自動控制優(yōu)先級最低。9. 如權(quán)利要求7所述的擦黑板機器人系統(tǒng)，其特征在于，所述擦黑板機器人的自我保護 控制步驟為:所述紅外對管檢測所述擦黑板機器人相對于黑板面的垂直距離，當所述垂直 距離超出了所述擦黑板機器人在所述黑板面上的平穩(wěn)移動距離，所述第一 MCU發(fā)信號給所 述驅(qū)動模塊控制所述電機停止、減速或轉(zhuǎn)向安全區(qū)域移動。10. 如權(quán)利要求7所述的擦黑板機器人系統(tǒng)，其特征在于，所述視覺監(jiān)控單元的所述攝 像頭捕捉并識別所述位置姿態(tài)標記并將所述擦黑板機器人的運動數(shù)據(jù)傳送到所述視覺監(jiān) 控單元的第二控制電路的第二MCU，再通過所述第二通信模塊和所述第一通信模塊之間的 通信將所述視覺監(jiān)控單元的控制信息發(fā)送給所述第一MCU;當使用者通過所述移動終端中 的HMI輸入人工控制信息給所述第三Μ⑶，經(jīng)所述第三MCU處理后，通過所述第三通信模塊和 所述第一通信模塊、所述第二通信模塊之間的通信將所述人工控制信息分別傳遞給所述第 一 MCU和所述第二MCU。
【文檔編號】B43L12/02GK105856926SQ201610225203
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月12日
【發(fā)明人】熊田忠, 周雨松, 孫承志, 吉順平, 黃其新, 陸朱衛(wèi), 陳春, 俞娟, 路明, 常恒, 楊正理, 張家海, 杜逸鳴
【申請人】三江學院