基于自动化技术的黑板清洁方案研究

左大利+周锐强

摘要：粉笔和黑板为人类教育事业做出了重大贡献，然而传统的清洁方式污染教室环境，加速现代教学仪器和设备的老化，危害到师生的身心健康。利用自动化技术研究新的黑板清洁方案，提高黑板清洁的自动化程度，既保留了传统的粉笔和黑板的优势，又避免了环境污染，延长了现代化教学仪器和设备的使用寿命，确保了师生的身心健康。

关键词：粉笔；黑板；粉尘；自动化技术；黑板清洁方案 文献标识码：A

中图分类号：TH122 文章编号：1009-2374（2016）36-0019-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.36.010

1 粉笔的“功”与“过”

粉笔和黑板是从小学课堂到大学课堂的必备教学工具，它从诞生之日起就为人类教育事业的发展做出了巨大贡献，尽管现在出现了各种各样的现代化的教学工具和设备，但是粉笔和黑板仍然是不可替代的。

当然，粉笔和黑板给人类教育事业做出巨大贡献的同时，也给教室环境、师生的身心健康等方面带来了巨大的危害，主要原因是传统的黑板擦和擦黑板的方法存在诸多不足：

1.1 效率低

传统黑板擦虽然小巧、使用方便灵活，然而正因为其占地面积小，导致擦拭整个黑板所需要的时间长，效率低下。

1.2 劳动强度大

黑板使用时间一长，黑板的擦拭效果就会越来越差，如果写在黑板上的字迹不及时擦除，粉尘就会沉积在黑板表面，导致很难擦除，经常需要使用较大的力度去擦除陈旧的字迹，很消耗体力。

1.3 擦不干净

黑板擦使用时间一长，毛刷表面就会沉积很多粉尘，导致擦拭黑板的时候，虽然把字迹擦除掉了，但是却留下很多粉尘在黑板表面，导致黑板出现“大花脸”现象，从而影响书写效果和观看效果。

1.4 污染环境

擦拭黑板产生的粉尘“满天飞舞”，而且漂浮在空中的时间长，落得满地都是，尤其是黑板下面的凸台，经常堆满了粉尘也无人清除，严重污染了环境。

1.5 影响设备使用寿命

粉尘像空气一样，无孔不入，它沉积在电脑、投影仪及其他教学设备和实验仪器上，严重影响了这些设备和仪器的使用寿命。

1.6 影响师生的身心健康

教师在擦拭黑板的过程中，手上、手臂上、身上都沾满了粉尘，整个人都“笼罩”在粉尘当中，极易引起尘肺以及其他慢性呼吸道疾病，就是我们所熟知的“职业病”。除了教师之外，坐在靠前排的学生也深受其害。

2 黑板清洁方案现状

为了缓解上述矛盾，部分同学在老师的指导下进行了黑板清洁方案的研究，主要包含两个方面：

2.1 对无尘黑板的探索

武昌工学院的夏凡等同学、内蒙古工业大学的彭亚洲等同学将原来的硬板黑板设计成软体黑板，在书写过后，可以将软体黑板有字的一面转到另一边清除粉尘，清除完毕后再转回原位使用。江南大学的熊雪梅等同学设计了箱式无尘黑板，黑板书写以后，整个粉尘的清除过程在密闭的箱体里面完成，以此来减少粉尘污染问题。除此之外，还有其他一些类似的处理方案。无尘黑板的设计考虑到了擦拭黑板这一最主要功能，也防止了粉尘的“漫天飞舞”，但是这些设计方案都是需要黑板本身发生运动，且结构类似于一个箱体，因此体积较大，如果装在墙上，会显得比较突出，将会占据教室相对较大的空间，可能不太美觀。

2.2 对黑板擦的创新

贵州理工学院的林栋同学依据吸尘器的原理设计了一种可以擦拭黑板并吸收粉尘的黑板擦。南京科技职业学院的杨伟伟设计了一款擦拭黑板和吸收粉尘的自动黑板擦清理器的基本结构。西南科技大学的王佳佳等同学设计了一种智能吸尘黑板刷，可以通过遥控使得黑板刷在黑板上自由游走，从而擦拭黑板并吸收粉尘。这些关于黑板清洁方案的研究都涉及到了擦拭黑板和吸收粉尘两个主要功能，但是有的仅停留在设计阶段，有的付之实施，但是效果还未可知。

总的来说，市场上暂未见上述处理方案的产品出现，说明这些方案还不成熟，还需要继续深入研究，从而为黑板清洁提出一个切实可行的解决方案，彻底改变目前教学条件的现状，为师生创造一个清新的学习环境。

3 黑板清洁方案功能需求分析

根据前述目前黑板清洁方式带来的危害性及亲身经历，针对黑板的自动清洁方案应该至少包含以下三个方面的功能：

3.1 黑板擦拭功能

在课堂上，黑板书写以后，如何快速干净地擦掉粉尘，以供老师再次板书，是最为基本最为重要的功能，因此必须将黑板擦拭功能放在首位考虑，确保能够快速干净地清除粉尘。

3.2 粉尘收集功能

正如上述分析，擦拭黑板的过程必然造成粉尘的“漫天飞舞”现象，这也是危害根源。因此，在擦拭黑板的同时，必须考虑如何将粉尘限定在一个封闭的区域内，并收集到一个容器当中，防止出现粉尘“漫天飞舞”的场面，确保教室有一个清新的环境。

3.3 黑板清洗功能

在黑板实际的使用过程中发现，经过长期书写的黑板会出现粉尘沉积难以清除的现象，从而导致黑板出现“大花脸”。因此为进一步强化粉尘清除的力度，确保黑板一直处于最佳的使用状态，可以设计一个自动清洗功能。该功能只在晚上、周末等相对较长时间不使用黑板的时候开启，用水将黑板彻底清洗干净，尽量延长黑板的使用寿命，提高使用效果。

4 黑板清洁方案设计

根据上述功能需求分析，并综合考虑黑板本身的结构尺寸和安装方式等因素，项目组初步确定了基于自动化技术的黑板清洁方案：设计一种黑板擦拭机器人实现黑板清洁过程中的三大主要功能，并对该装置的总体结构、机械系统和控制系统等三大主要功能模块分别进行了设计。

4.1 总体结构设计

总体结构设计及安装如图1所示。以黑板纵向尺寸为基本设计尺寸，将黑板擦拭机器人设计成一个长方体结构。擦拭黑板、收集粉尘、清洗黑板等主要功能都集成在这里面。整个系统由机械系统和控制系统两大部分组成。

4.2 机械系统设计

机械系统主要由行走机构、擦拭机构、粉尘收集机构、清洗机构等部分组成。

行走机构由齿轮齿条传动、由步进电机驱动，完成黑板擦拭机器人的左右来回行走动作；擦拭机构采用三角柱体结构，三角柱体三面均安装有可拆卸的毛刷，可以实现转位擦拭，也由步进电机驱动。毛刷可以清洗也可以更换；确保毛刷本身不沉积粉尘，从而保证擦拭黑板的效果；粉尘收集机构采用轴流风扇配过滤袋的方式，擦拭时自动开启风扇吸收粉尘，并将粉尘输送到容器中存储起来，以防粉尘随风漂流，污染环境；清洗机构采用水箱储水、水泵供水，毛刷刷洗的结构。但上课时间不用，以防黑板不能及时晾干，影响书写而出现“大花脸”的现象。只有在周末等较长时间不使用黑板时，才进行喷水彻底清洗，并留够充足的时间让黑板自行晾干，以尽可能保证黑板的使用效果。

4.3 控制系统设计

控制系统主体采用PLC的控制方式。其中操作界面采用电容式彩色触摸屏，并搭配急停开关等按钮的控制模式；控制软件采用PLC梯形图的方式，整个系统稳定可靠、操作简单。

5 结语

该项目是一个典型的机电一体化系统，既可以作为高职院校机电一体化技术专业、机器人专业项目化教学的实施案例，又可以解决教学中的实际问题。研制出的样机经过测试合格后可以批量生产而应用于实践当中，从而实现产业化产生经济效益和社会效益。从目前各类学校对黑板的使用情况可知，全国大、中、小学以及其他培训场所使用的粉笔和黑板的数量是非常可观的，若全部配上自动擦拭黑板的机器人，将产生极大的经济效益。除此之外，擦拭黑板的机器人本身是为了解决粉尘污染环境、影响教学设备及仪器的使用寿命、伤害师生身心健康的问题而开发的，这些价值也至关重要，而且是用金钱无法购买的。

参考文献

[1] 夏凡，李铭，张融，等.自动无尘黑板关键技术的研 究[J].机械工程与自动化，2015，（5）.

[2] 彭亚洲，刘庆，王亚茹，等.自动清理无尘黑板的设 计研究[J].中小企业管理与科技，2016，（21）.

[3] 熊雪梅，许兴竹，朱立佳，等.箱式无尘黑板[J].机 械工程师，2014，（10）.

[4] 林棟.一种无尘黑板擦的设计研究[J].科技传播， 2016，1（下）.

[5] 杨伟伟.基于UG软件的自动黑板擦清理器设计方案 探讨[J].中国新技术新产品，2016，2（下）.

[6] 王佳佳，唐雪梅，高远.一种新型智能吸尘黑板刷 [J].机械，2014，（8）.

基金项目：2016年度广东省大学生科技创新培育专项资金项目“一种自动擦拭黑板的机器人”（编号：pdjh2016b0801）。

作者简介：左大利（1982-），男，湖北人，东莞职业技术学院讲师，研究方向：数控技术及高等职业教育；周锐强（1995-），男，广东人，东莞职业技术学院大三学生。

（责任编辑：黄银芳）