自動(dòng)擦黑板機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作

1、自動(dòng)擦黑板機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作摘要：本文介紹了一種結(jié)構(gòu)簡單但性能優(yōu)良的自動(dòng)擦黑板機(jī)器人。在黑板橫方向的兩側(cè)鋪設(shè)軌道，上側(cè)配置一臺(tái)可左右移動(dòng)的電機(jī)，中間由一條滑軌相連。在滑軌上裝設(shè)一臺(tái)可上下移動(dòng)的電機(jī)，并帶有黑板擦，黑板擦可通過蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)與黑板之間的高度，通過遙控器控制機(jī)器人使其達(dá)到指定位置并進(jìn)行擦拭，或者通過矩陣遍歷的方式擦拭整個(gè)黑板。關(guān)鍵詞：黑板；遠(yuǎn)程自動(dòng)控制；機(jī)器人前言教師常需在黑板上書寫、繪圖進(jìn)行講解。在4050分鐘的一節(jié)課里，就要擦寫數(shù)次，往往手上、袖子上，甚至頭發(fā)、肩膀上都留下一層白色粉筆灰。天天如此，年復(fù)一年，工作2030年后，消磨數(shù)以萬計(jì)的粉筆。本文設(shè)計(jì)并制作出能通過遠(yuǎn)程操控

2、清潔黑板的機(jī)器設(shè)備，通過單片機(jī)遠(yuǎn)距離操控擦拭黑板，減少粉筆灰對教師健康的危害；其次此設(shè)備可以通過調(diào)節(jié)長度從而適用所有黑板。1 主要結(jié)構(gòu)與工作原理1.1主要結(jié)構(gòu)自動(dòng)擦黑板機(jī)器人，就是在一般黑板擦的基礎(chǔ)之上，利用當(dāng)前科技知識(shí)及理論而研究的一種現(xiàn)代自動(dòng)設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖所示：其橫向傳動(dòng)采用了蝸輪蝸桿形式，縱向傳動(dòng)采用了齒輪齒條形式，擦字結(jié)構(gòu)采用了下壓板擦蝸輪蝸桿形式電機(jī)機(jī)構(gòu)。整體用8031單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。主要特點(diǎn)有：（1）遠(yuǎn)程控制定位、擦字；按鈕操作，方便快捷；擦字、定位等智能化；運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確，有良好的運(yùn)動(dòng)特性；（2）機(jī)構(gòu)易懂，加工工藝簡單，安裝方便，有很高的經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)的工作過程：首

3、先，控制單片機(jī)通電，之后操作按鈕按下，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按程序控制的方向（所需求方向）旋轉(zhuǎn)，按步數(shù)到達(dá)所要擦區(qū)域的左上角，即定位完成。單片機(jī)控制下壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿帶動(dòng)黑板擦體壓在黑板面上，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，蝸桿帶動(dòng)黑板擦體縱向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，蝸桿驅(qū)動(dòng)蝸輪，定位及擦字機(jī)構(gòu)工作。按步數(shù)到達(dá)下邊界后，電機(jī)反轉(zhuǎn)，復(fù)位于定位點(diǎn)，即往復(fù)擦字一次。橫向傳動(dòng)工作，右移一個(gè)位移，再實(shí)現(xiàn)以上過程。依次實(shí)現(xiàn)上述過程，到所要求工作的右邊界，黑板擦復(fù)位到最開始位置。各個(gè)所選區(qū)域都有一個(gè)子程序，分別實(shí)現(xiàn)。區(qū)域的選擇可通過遠(yuǎn)程控制定位后，從控制面板上選出，進(jìn)行小范圍人工定位擦拭。1.2工作原理控制單片機(jī)通電后，按下操作

4、按鍵，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)按程序控制的速度與方向旋轉(zhuǎn)。此時(shí)黑板可視為一平面直角坐標(biāo)系，控制豎直方向的y軸電機(jī)和橫向的x軸電機(jī)位置即可使黑板擦達(dá)到要擦除的區(qū)域。定位后，控制單片機(jī)連接的第三個(gè)z軸電機(jī)（此電機(jī)連接黑板擦）向黑板內(nèi)的方向移動(dòng)從而使板擦產(chǎn)生一定的對黑板的壓力。按下矩陣上的“擦除鍵”，裝置以小正方形的軌跡帶動(dòng)板擦，擦除指定區(qū)域。擦拭完成后，通過按鍵使z軸電機(jī)解除對黑板的壓力。重復(fù)上述過程，直到擦除所有指定區(qū)域。功能模塊劃分及功能如表1所示：1.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)（1）脈沖分配本裝置共三個(gè)步進(jìn)電機(jī)，并使用8031系列單片機(jī)控制電機(jī)，可用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配。軟件法是按照給定的通電換相順序，

5、通過單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出脈沖。程序中將幾個(gè)控制字依次送到P1口步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角。單片機(jī)通過多個(gè)串口以及矩陣按鍵同時(shí)控制三個(gè)步進(jìn)電機(jī)。（2）步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)控制步進(jìn)控制通過控制單片機(jī)發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)，這里采用定時(shí)器中斷的方法。在中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行脈沖輸出操作，調(diào)整定時(shí)器高低位（TH0和TL0）的滿溢上限（定時(shí)常數(shù)）可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)調(diào)整。根據(jù)給定的脈沖頻率和單片機(jī)的機(jī)器周期來計(jì)算定時(shí)常數(shù)，此常數(shù)決定了定時(shí)時(shí)間。當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí)發(fā)生中斷，在中斷子程序中改變相應(yīng)的端口的電平，這樣就可以得到一個(gè)給定頻率的方波輸出。改變此滿溢上限，就可以改變電平變換的頻率，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)的調(diào)整。（3）電機(jī)

6、方向確定黑板擦執(zhí)行功能時(shí)需要正向、反向均能正常工作，故在單片機(jī)上采用矩陣中不同的兩個(gè)按鍵，并在程序中賦予其不同鍵值，使按鍵被按下時(shí)程序通過高低電平來控制電機(jī)方向。2 工作過程及特點(diǎn)2.1 工作過程：（1）正反轉(zhuǎn)黑板擦執(zhí)行功能時(shí)需要正向、反向均能正常工作，且有較好的起停能力，以實(shí)現(xiàn)定位及移動(dòng)方向的正確選擇與執(zhí)行。（2）調(diào)速黑板擦的縱向移動(dòng)靠齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而齒輪又直接安裝于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸上，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同。（3）定位和下壓控制為實(shí)現(xiàn)黑板擦對黑板整個(gè)區(qū)域進(jìn)行選擇區(qū)域性擦字這一智能功能，對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制要求有準(zhǔn)確的定位要求。以上分析可知，這里可以采用大多數(shù)人所熟識(shí)的單片機(jī)及其相關(guān)軟硬件

7、對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，機(jī)電一體化系統(tǒng)框圖，如圖 所示：2.2 擴(kuò)展應(yīng)用：利用機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化擦黑板，在大型廣告牌上配置此設(shè)備，進(jìn)行維護(hù)和清潔，增強(qiáng)清潔效率，節(jié)約成本。將板擦替換為粉筆，通過遠(yuǎn)程操控讓機(jī)器人在黑板上精確作圖（尤其在較大的板面上）。在高層建筑的外墻玻璃上安裝此裝置，替代人工操作，進(jìn)行清理，減少事故發(fā)生。同時(shí)，本方案可利用平行四邊形不穩(wěn)定性做出一個(gè)可以調(diào)節(jié)成矩形的平行四邊形，根據(jù)可以調(diào)高這一方法，設(shè)置力控。除此之外，在黑板擦側(cè)面安裝吸塵器或噴水器可以使清理更徹底，效果更完美。3 結(jié)束語本文是針對教學(xué)生活中粉筆灰塵影響廣大師生身心健康這一問題提出的。在黑板橫方向的兩側(cè)鋪設(shè)軌道，上側(cè)配置一臺(tái)可左右移動(dòng)的電機(jī)，中間由一條滑軌相連。在滑軌上裝設(shè)一臺(tái)可上下移動(dòng)的電機(jī)，并帶有黑板擦。通過遠(yuǎn)程控制機(jī)器人使其達(dá)到指定位置并進(jìn)行擦拭，可控制力度大小。本裝置具有較