CN105856926B - 擦黑板机器人及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种擦黑板机器人，包含:第一控制电路、磁吸附轮式运动机构、电源、位置姿态标记、擦灰装置、吸灰装置，第一控制电路包含第一MCU、驱动模块、第一通信模块、电源管理模块、红外对管；磁吸附轮式运动机构包含电机、减速机构、磁轮；擦灰装置包含可伸缩的支架和擦灰滚筒；吸灰装置包含风扇、集尘袋；电源分别与第一控制电路、电机、擦灰装置、吸灰装置相连以为之供电；电源与电源管理模块相连；第一MCU分别与驱动模块、第一通信模块、电源管理模块、红外对管相连；驱动模块与电机、擦灰装置、吸灰装置相连。本发明还提出擦黑板机器人系统。通过本发明的擦黑板机器人及其系统，实现对黑板的智能、高效、环保的擦拭。

Description

擦黑板机器人及其系统

技术领域

本发明涉及一种擦黑板装置及系统，尤其涉及一种擦黑板机器人及其系统。

背景技术

目前广泛应用于教学环境的黑板擦主要是人工黑板擦，虽然使用简单，但存在很多问题。人工黑板擦无法控制粉笔灰漂浮于空气带来的的污染，不绿色环保，严重影响了教师和学生的健康。普通黑板擦质量差，易坏，坏掉之后无法循环使用，只能整块丢掉，不符合可持续发展理念。黑板擦绒布上的灰尘难于清洁，清洁过程中会带来二次环境污染，影响清洁者的健康。人工黑板擦无法自动擦拭、增加人类劳动强度。

爬壁机器人被广泛应用在工业等领域，但其体积较大，质量较重，不适合在教学环境中使用，且一般爬壁机器人结构极其复杂，使用材料特殊，开发成本很高，很少有高的性价比，这也是其难以市场化的主要原因之一。大多数爬壁机器人因电源问题需要带缆作业，严重影响了机器人的移动灵活性，同时限定了机器人的使用范围。目前的爬壁机器人智能化水平还不够，并不能在外界不干预的情况下正确处理突发状况，在自我保护的前提下完成任务。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种擦黑板机器人及其系统，实现对黑板的智能、高效、环保的擦拭。

为实现本发明的目的，本发明的擦黑板机器人包含:第一控制电路、磁吸附轮式运动机构、电源、位置姿态标记、擦灰装置、吸灰装置，其特征在于，第一控制电路包含第一MCU、驱动模块、第一通信模块、电源管理模块、红外对管；磁吸附轮式运动机构包含电机、减速机构、磁轮；擦灰装置包含可伸缩的支架和擦灰滚筒；吸灰装置包含风扇、集尘袋；电源分别与第一控制电路、电机、擦灰装置、以及吸灰装置相连以为之供电；电源还与电源管理模块相连；第一控制电路的第一MCU分别与驱动模块、第一通信模块、电源管理模块、红外对管相连；第一控制电路的驱动模块与电机、擦灰装置、吸灰装置相连。

进一步地，擦黑板机器人还包含一安全外设，安全外设为固定于擦黑板机器人外围的玻璃钢护架或慢回弹材料。

进一步地，位置姿态标记为位于擦黑板机器人机身上的图形标记。

进一步地，擦黑板机器人包含四个磁轮，磁轮的圆周外缘上固定有一圈磁铁条，且覆有橡胶层，磁铁条成对出现且为强磁永磁铁，相邻磁铁条之间磁场方向相反。

进一步地，磁铁条由Nb-Fe-B钕铁硼稀土材料磁体制成。

进一步地，擦黑板机器人的自我保护控制步骤为：红外对管检测擦黑板机器人相对于黑板面的垂直距离，当垂直距离超出了擦黑板机器人在黑板面上的平稳移动距离，第一MCU发信号给驱动模块控制电机停止、减速或转向安全区域移动。

本发明的擦黑板机器人能够在擦灰的同时有效地吸取粉尘，防止粉尘漂浮于空气中造成污染，符合绿色环保理念，优化了教学环境，有益于广大师生健康。

为实现本发明的目的，本发明的擦黑板机器人系统包含：一上述擦黑板机器人、一自动控制的视觉监控单元、一人工控制的移动终端，其特征在于，视觉监控单元包含摄像头和第二控制电路，第二控制电路包含第二MCU、第二通信模块；移动终端包含HMI、第三控制电路，第三控制电路包含第三MCU、第三通信模块；第一MCU通过第一通信模块与视觉监控单元和移动终端通信；第一通信模块、第二通信模块、第三通信模块为无线通信模块。

进一步地，擦黑板机器人的控制优先级设定为：擦黑板机器人的自我保护控制优先级最高，通过移动终端的人工控制优先级次之，视觉监控单元的自动控制优先级最低。

进一步地，擦黑板机器人的自我保护控制步骤为：红外对管检测擦黑板机器人相对于黑板面的垂直距离，当垂直距离出现超出了擦黑板机器人在黑板面上的平稳移动距离，第一MCU发信号给驱动模块控制电机停止、减速或转向安全区域移动。

进一步地，视觉监控单元的摄像头捕捉并识别位置姿态标记并将擦黑板机器人的运动数据传送到视觉监控单元的第二控制电路的第二MCU，再通过第二通信模块和第一通信模块之间的通信将视觉监控单元的控制信息发送给第一MCU；当使用者通过移动终端中的HMI输入人工控制信息给第三MCU，经第三MCU处理后，通过第三通信模块和第一通信模块、第二通信模块之间的通信将人工控制信息分别传递给第一MCU和第二MCU。

本发明将擦黑板机器人、视觉监控单元和移动终端结合到一起的系统在保证擦黑板机器人既能够自动运行，又能服从人工指挥，很好地体现了机器人为人类提供服务的宗旨，提高了擦黑板的效率，减轻了人的劳动强度。擦黑板机器人、视觉监控单元和移动终端之间全部采用无线通信的方式，采用轮式磁吸附四轮驱动，符合无缆化的要求，简化了擦黑板机器人的结构、减轻了重量、增强了擦黑板机器人的灵活性，扩大了活动空间，使对擦黑板机器人的控制更为便捷，避免视觉模块安装于机器人易产生视觉盲区和增加控制难度，利于节能和无缆化等。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描写和阐述。

图1是本发明首选实施方式的擦黑板机器人系统的结构框图。

图2是本发明首选实施方式的擦黑板机器人的擦黑板机器人的可靠吸附静力学示意图。

图3是本发明首选实施方式的擦黑板机器人的车轮结构示意图。

图中：

1、擦黑板机器人；11、第一控制电路；12、磁吸附轮式运动机构；13、安全外设；14、电源；15、位置姿态标记；16、擦灰装置；17、吸灰装置；111、第一MCU； 112、驱动模块；113、第一通信模块；114、电源管理模块；115、红外对管；121、电机；122、减速机构；123、磁轮；124、磁铁条；125、橡胶层；161、支架；162、擦灰滚筒；171、风扇；172、集尘袋；

2、视觉监控单元；21、摄像头；22、第二控制电路；221、第二MCU；222、第二通信模块；

3、移动终端；31、HMI(人机界面)；32、第三控制电路；321、第三MCU；322、第三通信模块。

N11，N12，N21，N22分别为黑板对四个车轮的正压力；G为擦黑板机器人负载及自身的重力；F11，F12，F21，F22为黑板对四个车轮的静摩擦力；L1为机器人前后车轮之间的轴距；L2为机器人重心距离黑板面的高度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细阐述。

本发明的首选实施方式的擦黑板机器人系统包含一擦黑板机器人1，视觉监控单元2和移动终端3。

本首选实施方式中的擦黑板机器人1包含第一控制电路11、磁吸附轮式运动机构12、安全外设13、电源14、位置姿态标记15、擦灰装置16和吸灰装置17。优选地，第一控制电路11包含第一MCU(MCU：微控制单元)111、驱动模块112、第一通信模块113、电源管理模块114和红外对管115；磁吸附轮式运动机构12包含电机121、减速机构122和磁轮123；擦灰装置16包含可伸缩的固定支架161和擦灰滚筒162；吸灰装置17包含风扇171和集尘袋172。其中电机121和减速机构122可以是相互独立的两个模块相连，也可以采用市场上现有的一体化成品。

本首选实施方式中的视觉监控单元2包含摄像头21和第二控制电路22，第二控制电路22包含第二MCU221和第二通信模块222。

本首选实施方式中的移动终端3包含HMI(人机界面)31和第三控制电路32，第三控制电路32包含第三MCU321和第三通信模块322。移动终端3可以是单独为擦黑板机器人1配置的移动控制器，也可以借用现有智能手机或平板电脑等智能终端的硬件载体安装专用于擦黑板机器人1的控制应用程序。

电源14和第一控制电路11相连，电源14能够给第一控制电路11提供电能，第一控制电路11又能控制电源14对其它电路供电的通断；擦黑板机器人1中的电源14 又分别与电机121、擦灰装置16和吸灰装置17相连，为其提供电能。例如，电源可以锂离子电池组、或者其他型号、其他类型的移动电源等。

第一控制电路11中的第一MCU111与驱动模块112、第一通信模块113、电源管理模块114和红外对管115相连，第一通信模块113中的数据、红外对管115检测数据和电源管理模块114检测数据经过第一MCU111处理后控制驱动模块112和电源管理模块114，第一MCU111把需要传输的数据通过第一通信模块113传输给视觉监控单元 2和/或移动终端3。

第一控制电路11中的驱动模块112与电机121、擦灰装置16和吸灰装置17相连，根据第一MCU111给出的控制信号，控制电机121、擦灰装置16和吸灰装置17。电源管理模块114与电源14相连，检测电源14的电量情况，并通过第一MCU111控制电源 14的充放电。安全外设13作为机械保护装置，用于减轻意外事故对擦黑板机器人造成的损伤。优选地，在本首选实施方式中，安全外设13为固定于擦黑板机器人外围的玻璃钢护架或慢回弹材料。在其他实施方式中，安全外设还可以是其他合适形式的能够缓解撞击冲击或跌落冲击的材料和结构。

优选地，擦黑板机器人1与视觉监控单元2之间、视觉监控单元2与移动终端3 之间、以及移动终端3与擦黑板机器人1之间，通过无线数据传输方式连接，以实现相互间的数据通信

优选地，视觉监控单元2中的摄像头21采集擦黑板机器人1位置姿态标记15的图像信号和黑板区域及黑板上的粉笔笔迹图像。优选地，位置姿态标记15可以是擦黑板机器人背部的醒目箭头图形，或是其他形式的图形标记，还可以处在擦黑板机器人的其他位置。优选地，摄像头21与第二控制电路22中的第二MCU221相连，并将采集的数据传送给第二MCU221。第二MCU221还与第二通信模块222相连，第二通信模块 222把接收到的需要处理的数据送给第二MCU221处理，第二MCU221把处理完的数据回传给第二通信模块222发送出去。

移动终端3中的第三控制电路32中的第三MCU321与第三通信模块322相连，第三通信模块322把接收到的需要处理的数据送给第三MCU321处理，第三MCU321把处理完的数据回传给第三通信模块322发送出去。第三MCU321还与HMI31相连，HMI31 接收操作者的操作指令，并将操作指令数据送给第三MCU321处理，第三MCU321将处理过的数据以及实时信息传送给HMI31以便于直观的反映擦黑板机器人1的实时信息。

本发明中的擦黑板机器人1需要在铁制磁吸黑板上进行工作，并且能够承受运动过程中可能遇到的冲击和振动，设计时必须对安全加以考虑，所以磁轮要能够保证给机器人提供足够可靠的吸附力。如果磁轮吸附力达不到要求，擦黑板机器人1不能稳定运行甚至会从黑板上坠落；而吸附力过大又给机器人电机的输出转矩将更大，从而增加了电机体积和质量，也增加了能耗。因此，在满足机器人可靠吸附的条件下，尽可能在提高机器人灵活性的同时减少能耗。各参数之间有时存在矛盾，就需要抓住主要矛盾，折中考虑。

本发明中的擦黑板机器人在黑板上的静力学分析是根据擦黑板机器人的结构研究磁轮产生的吸附力与负载之间的关系以及对机器人的可靠性吸附条件进行计算。从而为确定具体的吸附力，设计恰当的吸附装置，提供理论依据。

为简化设计，优选的，擦黑板机器人1结构对称，前后轮轴距与左右轮间距相等，黑板平面内机器人重心与形心重合，四个磁轮结构相同，磁轮提供的吸附力均匀分布，忽略擦灰滚筒与黑板间的作用力；进行静力学分析时只考虑擦黑板机器人两前轮或两后轮轴线水平状态下的情况，若该情况下能可靠吸附于黑板表面并移动，则其它吸附姿态下也能可靠吸附并移动；只通过静力学分析进行设计，通过调整相关安全系数来满足动力学要求。则擦黑板机器人静止在黑板上时需要满足在垂直黑板面方向和竖直方向上的所受合力均为零。擦黑板机器人吸附在黑板上不翻转，要满足重力和黑板对机器人上方的两车轮的正压力的合力矩与黑板对机器人下方的两车轮的正压力的合力矩相互抵消，同时为保证机器人在黑板上能可靠吸附，必须满足黑板对机器人上方的两车轮的正压力大于零。

结合图2进行静力学分析如下：

则擦黑板机器人静止在黑板上时的力平衡方程为：

X轴方向的合力ΣX＝0，即

T-N₁₁-N₁₂-N₂₁-N₂₂＝0 (1)

Y轴方向的合力ΣY＝0，即

G-F₁₁-F₁₂-F₂₁F₂₂＝0 (2)

F₁₁≤μ·N₁₁ (3)

F₁₂≤μ·N₁₂ (4)

F₂₁≤μ·N₂₁ (5)

F₂₂≤μ·N₂₂ (6)

其中，T是磁轮给机器人提供的吸力；μ为车轮与黑板之间的静摩擦系数。

优选的，擦黑板机器人1静止在黑板上时，车轮被电机制动或传动机构自锁而不会绕轴自由旋转，这避免了机器人因为车轮沿黑板滚动滑下的情况。在这种情况下，仅仅需要考虑机器人与壁黑板之间存在相对滑动而引起机器人滑落这一种情况。根据对称性假设有：

N₁₁＝N₁₂

所以设：N₁＝N₁₁＝N₁₂

N₂＝N₂₁＝N₂₂

则T＝2N₁+2N₂ (7)

由式(1)—(7)可得出：

2N₁·μ+2N₂·μ≥G (8)

得：

优选的，由式(9)可知，擦黑板机器人1车体应尽量采用轻质材料，这样可以减小重力，增强机器人的带负载能力，减小所要提供的磁力，降低磁轮123的设计难度，另外要选择防滑材料，增加车轮接触面与黑板表面的静摩擦系数。

要使机器人在黑板上不翻转，就要满足：合力矩ΣM_A＝0，即：

其中，L1为机器人前后车轮之间的距离；L2为机器人距离黑板面的高度。则，上式可化简为：

N₁·L₁-N₂·L₁＝G·L₂ (11)

由式(7)、(12)得出：

机器人在黑板上能可靠吸附，必须满足N2大于0，所以

即：

由式(14)可知：在设计擦黑板机器人1时，要尽量减少机器人重心与黑板面的距离，即L2要尽量小；在考虑小型化的同时尽量加长L1的长度，即尽量拉开车轮之间的距离。

由式(8)、(14)得出：

其中，k1为安全系数，可根据小车运行的最大加速度、工作环境、制造精度等进行经验选取。

由式(12)，(13)可得出：

图2所示小车向上前进时下面两只电机需提供的力矩最大，为了确保机器人能够在黑板上行走，电机的驱动力矩M要满足公式：

其中，k2为安全系数，根据小车运行的最大加速度、工作环境、制造精度等进行经验选取；R为车轮半径；n为减速比；η为传动效率。以上，式(15)、(16)、(17) 即为可靠吸附与移动条件公式。此处忽略了擦拭滚筒与黑板作用时的排斥力和力矩，经试验该排斥力和力矩较小，也可通过试验调整k1、k2两个安全系数来满足要求。

本发明首选实施方式中的擦黑板机器人1选用强磁永磁铁制作磁轮123，进行磁轮吸附分析，根据磁铁的性能参数，计算出每块磁铁所应提供的磁力。

优选的，磁轮123结构示意图如图3所示。磁轮123的制作上，为了使磁铁发挥出最大的磁力，必须使充磁方向与黑板面垂直。所以，在安置磁铁的时候需特别注意方向问题。此外，相邻磁铁之间的磁场方向必须相反，这样能够保证磁铁之间的相互干扰最小，且对驱动电机磁场干扰也较小。

优选的，磁轮123的制作需要进行制模并加工成型，从而得到圆滑的车轮以有利于机器人稳定地运动。为了保证磁场分布均匀，提供给机器人可靠的吸附力。制作过程中，在磁轮外缘，即磁轮本体外缘上均匀镶嵌上一圈长方体强磁铁条124以提供磁力，并粘结牢固。所用磁铁条124与黑板接触面的沿车轮圆周方向的宽度较小，磁铁条124要有一定的数量，这样有利于使磁轮外表面更圆滑、受力均匀，便于在黑板面上行驶。另外，在镶嵌过磁铁条124的车轮圆周表面裹一层薄薄的耐磨、防滑橡胶层 125，这样有利于增加擦黑板机器人与黑板面的摩擦系数，安全系数得以提高，既防止磁轮打滑、又对黑板面进行保护，也不至于过多降低磁铁对黑板的吸附力。

优选的，本发明首选实施方式中的擦黑板机器人1要以轮式磁吸附的方式在竖直的黑板面上移动，采用相同的四个带大减速比减速箱的直流电机驱动机器人前进、后退、左转和右转。当四个电机转速相等且同向旋转时，机器人前进或者后退；当同速的左侧两个驱动电机与同速的右侧驱动电机有速度差时，机器人向左或向右偏转移动。

优选的，本发明首选实施方式中的擦黑板机器人1的擦灰装置16，使用可伸缩的固定支架161和擦灰滚筒162实现。可伸缩的固定支架161的伸缩动作由步进电机或伺服电机所驱动。优选地，擦灰滚筒162的轴线与车轮轴线平行，擦灰作业时不至于使小车发生偏转而难于控制。擦灰滚筒162外层采用一定厚度的海绵等弹性物包裹，增大擦灰接触面，提高适应性；擦灰滚筒162的最外层擦布通过尼龙搭扣的设计可方便实现更换、清洗，确保了擦灰装置16的可循环使用。

优选的，本发明首选实施方式中的擦黑板机器人1的吸灰装置17，使用小型风扇171和集尘袋172实现。小型风扇171通过风叶旋转产生负压，将擦灰滚筒162擦灰产生的漂浮粉尘随空气一起吸入集尘袋172，经集尘袋过滤，排出干净空气，收集粉尘垃圾。

优选的，在擦黑板机器人安全保护方面，除了需要在控制程序部分要充分考虑外，还必须采用机械硬件保护，达到双重保护的效果。这样，即使出现意外，擦黑板机器人从黑板上脱离，仍然可以依赖机械硬件保护实现最后一道保护。优选地，本发明首选实施方式中的安全外设13为在擦黑板机器人的外围增加玻璃钢护架或者慢回弹材料，在车轮车轴处安装减震，对瞬间的冲击力进行缓冲，可以有效地减少冲撞对擦黑板机器人1本体造成的损伤。

本发明首选实施方式中的擦黑板机器人1可以使用视觉监控单元2自动遥控，也可以由使用者使用移动终端3进行人工遥控，还具备最基本的自我保护控制。优选地，对擦黑板机器人系统的控制优先级进行设定。擦黑板机器人1的自我保护控制优先级最高，防止擦黑板机器人1在失去视觉监控单元2的自动控制和移动终端3的人工控制之后意外造成不可逆转的损坏。擦黑板机器人1一旦检测到即将越过黑板边缘，会立即停止或者转向安全区域，实现自我保护。通过移动终端3的人工控制的优先级是第二位的，即使视觉监控单元2处于对擦黑板机器人1的控制状态，使用者仍然能够通过移动终端3把控制权夺回来实现人工控制。视觉监控单元2对擦黑板机器人1的自动控制优先级是最低的，它主要是在使用者允许的情况下，实现擦黑板机器人1对黑板的自动擦拭。

擦黑板机器人1的第一通信模块113在接收到控制信号后，自动将控制信号传送到第一MCU111，第一MCU111输出控制信号给驱动模块112来驱动电机121、擦灰装置 16和吸灰装置17。

优选的，对擦灰滚筒162的控制可通过步进电机或伺服电机驱动可伸缩的固定支架161来回旋转实现而伸缩。当机器人需要擦黑板时，通过擦黑板机器人1第一控制电路11中的第一MCU111发出信号，控制步进电机或伺服电机旋转打开支架161，使擦灰滚筒162与黑板面接触；无需擦黑板时，控制步进电机或伺服电机旋转收回支架 161，使擦灰滚筒162与黑板面脱离。步进电机或伺服电机根据实际情况通过调整旋转角的大小，也可调节擦灰滚筒162的擦拭压力，从而更好地实现粉笔痕迹的擦除，该转角大小可通过示教存储到第一MCU111的EEPROM或数据Flash中。

优选的，电机12通过第一MCU111发出的PWM波控制；PWM波通过改变占空比进而改变电机12电枢两端的平均电压实现调速的目的；擦灰装置16和吸灰装置17由第一MCU111控制三极管的通断从而控制继电器的通断来实现对擦灰滚筒162和风扇171 的启停控制。

优选的，电源管理模块114，可通过差分放大器和擦黑板机器人1中的第一MCU111的AD采样实现对于电池电压的实时检测。当电池电压低于限制电压时，电源管理模块 114会自动报警并切断电路，对电池进行保护，在有些实施方式中，还可以控制对电池进行自动充电。为了节约能源，软件上可以采用定时使擦黑板机器人1进入休眠状态、发送控制信号可以唤醒的控制方法。

优选的，本发明首选实施方式中的擦黑板机器人的自我保护控制通过红外线距离检测实现。通常，黑板安装于墙壁表面并突出于墙壁，在黑板上行走的机器人与墙壁是存在一定的垂直距离。把红外对管115(含红外线发射器和红外线接收器)做成“探头”的样式，伸出擦黑板机器人的车身边缘。擦黑板机器人运动时，红外对管115不断发送和接收红外线从而检测擦黑板机器人1与黑板面之间的垂直距离并将含有该距离信息的信号发送给第一MCU111，当擦黑板机器人1在黑板的安全区域内，红外对管 115检测到的距离稳定在一定范围内，称之为平稳移动距离；当擦黑板机器人即将跑出黑板边缘时，伸出的红外对管115会先检测到垂直距离产生了较大变化，此时的垂直距离超出了擦黑板机器人在黑板面上的平稳移动距离。一旦第一MCU111判断出垂直距离变化超出了为擦黑板机器人1设定的容许值范围之外，立即作出反应，发出控制信号，擦黑板机器人1立刻停止或返回安全区域，实现自我保护。

摄像头21可以在黑板区域范围建立坐标系，由于摄像头21是固定的，黑板也是固定的，坐标系建立之后，相对位置固定有利于粉笔笔迹和擦黑板机器人1的定位。可通过常规方法进行相机标定。

本发明首选实施方式中使用的位置姿态标记15固定在擦黑板机器人1的特定部位，它向视觉监控单元2提供擦黑板机器人所处的位置和姿态信息，建立模型后，可实现检测和跟踪；摄像头21负责捕捉、识别标记的位置姿态信号并负责将运动数据快速准确地传送到第二MCU221进行处理。

视觉监控单元2得到人工允许的擦拭指令后，发出指令唤醒擦黑板机器人1，控制擦黑板机器人1运动并擦拭黑板上的粉笔笔迹，第二MCU221同时对黑板的图像的灰度进行对比，采用阈值分割法对阈值进行选取，通过滤波、边缘检测等预处理从而对采集的图像进行二值化处理，与原先建立的坐标系比对，可以计算出黑板上粉笔笔迹的坐标，进一步的，将机器人的坐标和粉笔笔迹的坐标进行对比等数据处理，算出具体的目标点(粉笔笔迹)与擦黑板机器人实时位置的距离和两者连线与擦黑板机器人姿态夹角，通过第二通信模块222将控制信息发送给擦黑板机器人1，擦黑板机器人1 据此调整车轮与连线的夹角，使其最小，在此方向上前进并最终精确定位擦灰；在擦黑板机器人1擦灰过程中，摄像头21仍然需要不断捕捉机器人的实时位置姿态信息，系统不断进行动态修正并做出下一步的指令，使擦黑板机器人1前进方向正确，。擦拭完毕后，视觉监控单元2向擦黑板机器人1发出指令信号，引导擦黑板机器人1回到黑板边缘设定位置停止并休眠。此情况下，视觉监控单元2为通信网络的主站，擦黑板机器人1为通信网络的从站。

视觉监视单元2根据建立好的黑板坐标系，结合擦黑板机器人1的具体尺寸和采集到的擦黑板机器人1中的位置姿态标记15实际图像位置和姿态，计算出擦黑板机器人1在黑板坐标系中的安全区域，位置姿态标记15必须在该安全区域内，一旦位置姿态标记15超出安全区域边界，或者预测擦黑板机器人1可能会超出安全区域，第二 MCU221通过第二通信模块222给擦黑板机器人1的第一通信模块113发送控制信号，擦黑板机器人1的第一通信模块113将该控制信号传给第一MCU111，控制擦黑板机器人1向安全区域移动，进一步避免擦黑板机器人1冲出黑板区域而掉落损坏。

在其他实施方式中，还可以增强机器人路径规划能力，采用相应控制算法对机器人的路线进行优化，以又快又好地完成擦黑板任务。

本发明首选实施方式中的移动终端3保证了人工控制较高的控制优先级，使用者通过移动终端3中的HMI31输入控制信号给第三MCU321，经过第三MCU321的处理后通过通信模块322以无线信号的方式发送给擦黑板机器人1中的通信模块113和视觉监控单元2中的第二通信模块222，经过第一MCU111和第二MCU221的处理后分别控制擦黑板机器人1和视觉监控单元2。此情况下，移动终端为通信网络的主站，视觉监控单元和擦黑板机器人为通信网络的从站。

优选的，移动终端3具有一键功能，通过按键选择可以自动全部擦除黑板粉笔笔迹，并返回建立好的坐标系设定的最终停靠点，该停靠点坐标和停靠姿态也可通过示教存储到第二MCU221的EEPROM或数据Flash中；可以在视觉监控单元2不工作时，直接通过人工手动遥控擦黑板机器人1进行工作；移动终端3也可以通过按键在视觉监控单元2工作时夺取控制优先权，使第二MCU221处于待机状态，第二MCU221中的所有进程被挂起，此时就可通过移动终端3中的HMI31人工控制擦黑板机器人1；移动终端3可以通过HMI31遥控停止或唤醒擦黑板机器人1和视觉监视单元2的工作。

在本发明的另一个实施方式中，擦黑板机器人电源采用2200mAh，40C，11.3V锂离子电池组、位置姿态标记为擦黑板机器人背部的醒目箭头图；视觉监控单元的摄像头采用大恒MER12530UML型工业相机，有效像素1292×964，索尼CCD传感器，USB 接口，COMPUTAR系列M1214MP型光学镜头。

第一控制电路的第一MCU采用STC12C5604AD单片机，驱动模块以L298N为芯片为主要器件，第一通信模块采用HC05主从机一体蓝牙模块，电源管理模块包含电源电压检测、充放电控制等功能电路；红外对管采用5V红外对管模块，检测距离1cm至 60cm可调；擦黑板机器人的磁吸附轮式运动机构的电机和减速机构采用电机、减速机一体化成品，减速比1：120，额定电压12V，额定电流300mA，转速90r/min，转矩 0.024N.m，噪声小于65dB，重量50g；擦黑板机器人的擦灰装置的可伸缩固定支架为飞机起落架式，控制伸缩的驱动选择15BY型步进减速电机(2相，步距角18°，减速比1：50)，擦灰滚筒的驱动减速电机型号为GA12N20(DC12V，负载转速96r/min，额定电流150mA，额定转矩kgf.cm，减速比1：250)；吸灰装置的风扇带电机(额定电压12V，额定电流0.26A，风量23CFM，噪声28dB，转速3000r/min)，集尘袋采用无纺布制作；视觉监控单元的第二控制电路的第二MCU采用意法半导体STM32F107型微控制器，第二通信模块采用HC05主从机一体蓝牙模块等。

擦黑板机器人、视觉监控单元、移动终端通过蓝牙通讯技术实现相互间的无线数据通信。这样即使没有例如WIFI、2G、3G、4G等通讯网络存在，也可以实现擦黑板机器人系统的无线通讯。

本领域的普通技术人员可以理解到，除了蓝牙之外，红外通信技术也可以用在本发明的擦黑板机器人系统中。

在该另一个实施方式中，采用新型4WD智能小车本体，尺寸28cm×15cm×6.5cm，车身采用高强度亚克力板，车轮直径65mm。擦黑板机器人质量约为2kg，磁轮提供的吸力为T，μ为静摩擦系数，根据以上式(15)、(16)、(17)可靠吸附与移动条件的结论，符合式(15)的条件，机器人则能够可靠吸附，根据实际，取μ＝0.2，k1＝k2＝1.5，则L1取250mm，L2取50mm，代入得到：T≥150N。所以，要求磁轮要给机器人提供大于150N的磁性吸附力。

鉴于Nb-Fe-B钕铁硼稀土材料磁体的较高的性价比，磁轮设计时选它作为永磁材料，选用牌号N-35磁铁，磁铁条尺寸25.4mm×3.175mm×3.175mm，工作温度最大80℃，镍铜镍镀层，表磁大小12000Gs。设与磁通密度正交的面积为S，已知，磁铁条长为 2.54cm，宽0.3175cm，则

S＝2.54×0.3175＝0.80645cm²；

又已知磁铁表磁大小为12000Gs，代入公式

设总吸力为F总，小车有四轮，运动时平均有4块磁铁与黑板表面接触，则

F_总＝4F＝4×46.17＝184.67N

由以上静力分析和可靠吸附条件可知磁铁必须提供给擦黑板机器人大于150N的力，通过这种验证，确认该尺寸的N-35钕铁硼永磁铁能够满足擦黑板机器人的可靠吸附与移动要求。

本领域的普通技术人员可以理解到，在其他实施方式中，也可以采用其他设计参数作为上述实施方式中参数的替代、变换等，这并不影响本发明的本质。

上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明的设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。本发明的保护范围由权利要求确定。

Claims (10)

1.一种擦黑板机器人，包含：第一控制电路、磁吸附轮式运动机构、电源、位于所述擦黑板机器人机身上的位置姿态标记、擦灰装置、吸灰装置，其特征在于，所述第一控制电路包含第一MCU、驱动模块、第一通信模块、电源管理模块、红外对管；所述磁吸附轮式运动机构包含电机、减速机构、磁轮；所述擦灰装置包含可伸缩的支架和擦灰滚筒；所述吸灰装置包含风扇、集尘袋；所述电源分别与所述第一控制电路、所述电机、所述擦灰装置、以及所述吸灰装置相连以为之供电；所述电源还与所述电源管理模块相连；所述第一控制电路的第一MCU分别与所述驱动模块、所述第一通信模块、所述电源管理模块、所述红外对管相连；所述第一控制电路的驱动模块与所述电机、所述擦灰装置、所述吸灰装置相连。

2.如权利要求1所述的擦黑板机器人，其特征在于，所述擦黑板机器人还包含一安全外设，所述安全外设为固定于擦黑板机器人外围的玻璃钢护架或慢回弹材料。

3.如权利要求1所述的擦黑板机器人，其特征在于，所述位置姿态标记为位于所述擦黑板机器人机身上的图形标记。

4.如权利要求1-3中任一项所述的擦黑板机器人，其特征在于，所述擦黑板机器人包含四个磁轮，所述磁轮的圆周外缘上固定有一圈磁铁条，且覆有橡胶层，所述磁铁条成对出现且为强磁永磁铁，相邻所述磁铁条之间磁场方向相反。

5.如权利要求4所述的擦黑板机器人，其特征在于，所述磁铁条由Nb-Fe-B钕铁硼稀土材料磁体制成。

6.如权利要求1-3中任一项所述的擦黑板机器人，其特征在于，所述擦黑板机器人的自我保护控制步骤为：所述红外对管检测所述擦黑板机器人相对于黑板面的垂直距离，当所述垂直距离超出了所述擦黑板机器人在所述黑板面上的平稳移动距离，所述第一MCU发信号给所述驱动模块控制所述电机停止、减速或转向安全区域移动。

7.一种擦黑板机器人系统，包含：一如权利要求1所述的擦黑板机器人、一自动控制的视觉监控单元、一人工控制的移动终端，其特征在于，所述视觉监控单元包含相对于黑板位置固定、捕捉并识别所述位于所述擦黑板机器人机身上的位置姿态标记的摄像头和第二控制电路，所述第二控制电路包含第二MCU、第二通信模块；所述移动终端包含HMI、第三控制电路，所述第三控制电路包含第三MCU、第三通信模块；所述第一MCU通过所述第一通信模块与所述视觉监控单元和所述移动终端通信；所述第一通信模块、所述第二通信模块、所述第三通信模块为无线通信模块。

8.如权利要求7所述的擦黑板机器人系统，其特征在于，所述擦黑板机器人的控制优先级设定为：所述擦黑板机器人的自我保护控制优先级最高，通过移动终端的人工控制优先级次之，所述视觉监控单元的自动控制优先级最低。

9.如权利要求7所述的擦黑板机器人系统，其特征在于，所述擦黑板机器人的自我保护控制步骤为：所述红外对管检测所述擦黑板机器人相对于黑板面的垂直距离，当所述垂直距离超出了所述擦黑板机器人在所述黑板面上的平稳移动距离，所述第一MCU发信号给所述驱动模块控制所述电机停止、减速或转向安全区域移动。

10.如权利要求7所述的擦黑板机器人系统，其特征在于，所述视觉监控单元的所述摄像头捕捉并识别所述位置姿态标记并将所述擦黑板机器人的运动数据传送到所述视觉监控单元的第二控制电路的第二MCU，再通过所述第二通信模块和所述第一通信模块之间的通信将所述视觉监控单元的控制信息发送给所述第一MCU；当使用者通过所述移动终端中的HMI输入人工控制信息给所述第三MCU，经所述第三MCU处理后，通过所述第三通信模块和所述第一通信模块、所述第二通信模块之间的通信将所述人工控制信息分别传递给所述第一MCU和所述第二MCU。