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摘 要：慧鱼创意组合模型是一种技术含量较高的工程技术类拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具。基于慧鱼技术设计了一种全智能化黑板，针对传统黑板的不足进行了创新性设计，赋予了黑板新教具的使用智能化、多功能化、实用化、舒适化等多重功能，从而满足现代化课堂教学的需要。
关键词：黑板；智能化；慧鱼创意组合模型
中图分类号：TB472文献标识码：A文章编号：2095-7394（2015）02-0047-04
随着人们生活水平的提高，新型智能化的产品正渗透到生活中的方方面面。目前，多数学校依旧在使用传统的老式教学设施（简单的黑板、黑板擦、粉笔组合）。显然这些东西跟不上现代化教学的要求，不能够为老师、学生提供最大化便利，达不到优质化的教学环境。例如，个子矮的老师想要在黑板高处写字的时候，需要高举手臂，甚至踮起脚尖，显然会很累，也不方便。若只在黑板下部分写字，则整个黑板的利用率会大大降低，飞舞的粉尘也给师生们的健康带来危害；同时，传统黑板用久了表面会变光滑，易反光。因此，现代教学需要一种新型的黑板来改变这一切！
国内一些学者也就传统的黑板、黑板擦等问题进行了改造和升级，然而都是在原有基础上简单地对外观、无粉尘化、自动擦拭中的某一单项功能进行改造，达不到全自动化、无粉尘化、舒适化、多功能化的新要求，故至今尚未见较新颖的智能黑板得到推广。
因此，从多功能化、舒适、环保等角度综合考虑，智能化黑板的创新设计能弥补现有教学设施的诸多不足，它的多功能化可更好地改善教学环境。
1 慧鱼模型简介
慧鱼创意组合模型是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。[1]它有体现不同学科知识点的各种组合包，主要有教学模型、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基本构件，辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，可以实现任何技术过程的还原。此模型有助于提高大学生的创新能力与实践能力。[2]利用慧鱼模型进行智能化黑板的设计，简化了该装置各个机构的设计制作过程，并有利于进行多次拆卸与改进。
2 设计特点及装置功能
2.1 设计特点
（1）机电结合。“智能化黑板”通过使用微机电结合的自动化操作方式，减少老师上课的不便（如需要亲自擦黑板，需要高举手、踮起脚尖写字），提高了老师讲课的效率，更具有现代化气息。
（2）传动精准自如。本设计采用特殊的塑料薄膜代替原有的黑板，在微电机驱动下，带动杆系传动，从而实现黑板的自动升降，使老师更方便地在任意位置书写并调整内容的位置，大大提高黑板利用率。
（3）多功能化。改造后的黑板可直接充当投影仪的投影幕布，集升降、擦拭、转动等多功能于一体。
（4）自动擦拭。当黑板上书写满时，可实现自动擦拭已使用的板面的功能。
（5）无粉尘化。
2.2 装置功能
（1）传动功能。智能化黑板的传动利用了涡轮蜗杆的传动、齿轮齿条的传动、齿轮与齿轮之间的传动等传动机构。其中涡轮蜗杆装置传动平稳，其传动比大，结构紧凑且噪声小。齿轮齿条传动实现了轴线的平移，使黑板擦更为平稳的到达指定位置，并且具有寿命长，效率高等优点。齿轮与齿轮的传动具有可靠且稳定的优点。
（2）清洁功能。黑板板面采用特殊薄膜质材料，具有便于书写，便于擦拭等优点且表面不易反光，更换方便。黑板擦则采用特殊棉材料，具有较强的吸附灰尘杂质的特性，便于清洗。
3 基于慧鱼模型的机械系统方案设计
本设计充分考虑使用黑板过程中的需要，通过传动装置实现黑板的上、下任意移动（即通过轴转动带动黑板上下移动）；通过升降装置实现黑板擦的复位与擦拭功能；外加LED灯，解决反光问题。通过整体的优化设计，使传动装置、升降装置统一于一体，实现一键化操作擦拭、复位等功能。通过外加的升降开关，可任意调节黑板的升或降。
3.1传动装置
智能化黑板传动装置如图1所示，左部圆锥齿轮啮合，在电动机带动下，圆锥齿轮啮合，带动蜗杆左右移动，蜗轮实现左右移动的同时带动滑块一起移动，当移动到最左方的时候触发限位开关，开关触发齿轮齿条开始工作，电机带动齿轮转动实现板擦的上、下移动。
3.2 清洁装置
在图2中，触发限位开关4，电动机1，2开启，通过减速机中齿轮的转动从而带动黑板擦向下移动。黑板擦接触到黑板板面时，限位开关1，2被碰触，该电动机停止转动，另一电动机4开始转动，黑板板面开始上、下移动，实现黑板的擦拭任务，直至擦拭完毕。
3.3 复位装置
黑板擦拭完毕，复位动作自动开始。黑板反方向移动复位的同时电动机1、2带动减速器中齿轮逆时针旋转远离黑板板面，到达指定位置后碰触相应的上端限位开关，一切动作停止。复位机构及上、下限位开关如图3所示。
4 基于慧鱼软件的控制系统设计方案
该智能化黑板装置动作都是由程序自动控制，在开发环境LLWin3.0下[3]，设计其控制系统程序如图4所示。当按下总开关I8，电动机M4开始顺时针转动，左部传动装置蜗轮蜗杆开始工作，电动机带动蜗杆转动，当移动到最下方的时候触发限位开关I4，电动机M4停止转动。
电动机M1、M2带动减速器中齿轮的转动从而并带动黑板擦的上下移动。黑板擦接触到黑板面时，限位开关1、2被碰触，黑板板面在电动机4的带动下开始向上移动，实现黑板的擦拭任务，直至擦拭完毕；黑板运动到上部极限位置即右端时，碰触到限位开关I6，电动机M4停止。电动机M1、M2反向转动（即顺时针转动），带动减速器中齿轮反向转动从而带动黑板擦上升远离黑板板面直至触碰到上端限位开关I7，到达指定位置，停止工作。 各元件名称及对应功能，见表1。
5 结语
“慧鱼”创意组合模型的设计制作采用了机械构件、电气构件及控制软件等[4，5]，通过机构设计，组装搭建模型，进行软件编程实现程序控制，直流电机驱动，内置齿轮箱传动，完成了智能化黑板装置的设计、组装、调试等全过程，从而实现一系列的传动功能、清洁功能、升降功能等，以达到智能化使用黑板的教学目的，也实现了黑板与投影幕布的一体化。同时，该智能装置也解决了传统黑板粉尘对师生健康的危害，以及老式黑板反光及利用率不高等问题。
参考文献：
[1]曲凌.慧鱼创意机器人设计与实践教程[M].上海：上海交通大学出版社，2007.
[2]窦艳涛，黄豪杰，李健，等.基于慧鱼技术的家用洗碗机方案设计[J].实验室研究与探索，2013（3）：31-33.
[3]慧鱼公司.LLWin3.0操作手册[R].北京：中教仪科技有限公司，2010.
[4]刘天军，毛建秋，支波浩，等.基于“慧鱼”创意组合模型的避障机器人的设计与制作[J].常州工学院学报，2012（2）：6-9.
[5]周叙荣，刘天军，刘加南，等.基于慧鱼创意组合模型的多功能卷轴白板的设计制作[J].常州工学院学报，2014（4）：7-11.
Abstract：Fischertechnik，a technology-engineering assembled model of creative technology，is an ideal teaching aid of demonstrating scientific principles and technical process.The paper introduces the design of an automated，intelligent blackboard based on the Fischer technology.The project analyzed the disadvantages of the traditional blackboard and designed an innovative blackboard.It gives blackboard and eraser use intelligent，multi-functional，practical，comfortable and multiple connotations so as to meet the needs of modern class teaching.
Key words：blackboard；intelligence；fischertechnik
责任编辑 祁秀春
关键词：黑板；智能化；慧鱼创意组合模型
中图分类号：TB472文献标识码：A文章编号：2095-7394（2015）02-0047-04
随着人们生活水平的提高，新型智能化的产品正渗透到生活中的方方面面。目前，多数学校依旧在使用传统的老式教学设施（简单的黑板、黑板擦、粉笔组合）。显然这些东西跟不上现代化教学的要求，不能够为老师、学生提供最大化便利，达不到优质化的教学环境。例如，个子矮的老师想要在黑板高处写字的时候，需要高举手臂，甚至踮起脚尖，显然会很累，也不方便。若只在黑板下部分写字，则整个黑板的利用率会大大降低，飞舞的粉尘也给师生们的健康带来危害；同时，传统黑板用久了表面会变光滑，易反光。因此，现代教学需要一种新型的黑板来改变这一切！
国内一些学者也就传统的黑板、黑板擦等问题进行了改造和升级，然而都是在原有基础上简单地对外观、无粉尘化、自动擦拭中的某一单项功能进行改造，达不到全自动化、无粉尘化、舒适化、多功能化的新要求，故至今尚未见较新颖的智能黑板得到推广。
因此，从多功能化、舒适、环保等角度综合考虑，智能化黑板的创新设计能弥补现有教学设施的诸多不足，它的多功能化可更好地改善教学环境。
1 慧鱼模型简介
慧鱼创意组合模型是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。[1]它有体现不同学科知识点的各种组合包，主要有教学模型、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基本构件，辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，可以实现任何技术过程的还原。此模型有助于提高大学生的创新能力与实践能力。[2]利用慧鱼模型进行智能化黑板的设计，简化了该装置各个机构的设计制作过程，并有利于进行多次拆卸与改进。
2 设计特点及装置功能
2.1 设计特点
（1）机电结合。“智能化黑板”通过使用微机电结合的自动化操作方式，减少老师上课的不便（如需要亲自擦黑板，需要高举手、踮起脚尖写字），提高了老师讲课的效率，更具有现代化气息。
（2）传动精准自如。本设计采用特殊的塑料薄膜代替原有的黑板，在微电机驱动下，带动杆系传动，从而实现黑板的自动升降，使老师更方便地在任意位置书写并调整内容的位置，大大提高黑板利用率。
（3）多功能化。改造后的黑板可直接充当投影仪的投影幕布，集升降、擦拭、转动等多功能于一体。
（4）自动擦拭。当黑板上书写满时，可实现自动擦拭已使用的板面的功能。
（5）无粉尘化。
2.2 装置功能
（1）传动功能。智能化黑板的传动利用了涡轮蜗杆的传动、齿轮齿条的传动、齿轮与齿轮之间的传动等传动机构。其中涡轮蜗杆装置传动平稳，其传动比大，结构紧凑且噪声小。齿轮齿条传动实现了轴线的平移，使黑板擦更为平稳的到达指定位置，并且具有寿命长，效率高等优点。齿轮与齿轮的传动具有可靠且稳定的优点。
（2）清洁功能。黑板板面采用特殊薄膜质材料，具有便于书写，便于擦拭等优点且表面不易反光，更换方便。黑板擦则采用特殊棉材料，具有较强的吸附灰尘杂质的特性，便于清洗。
3 基于慧鱼模型的机械系统方案设计
本设计充分考虑使用黑板过程中的需要，通过传动装置实现黑板的上、下任意移动（即通过轴转动带动黑板上下移动）；通过升降装置实现黑板擦的复位与擦拭功能；外加LED灯，解决反光问题。通过整体的优化设计，使传动装置、升降装置统一于一体，实现一键化操作擦拭、复位等功能。通过外加的升降开关，可任意调节黑板的升或降。
3.1传动装置
智能化黑板传动装置如图1所示，左部圆锥齿轮啮合，在电动机带动下，圆锥齿轮啮合，带动蜗杆左右移动，蜗轮实现左右移动的同时带动滑块一起移动，当移动到最左方的时候触发限位开关，开关触发齿轮齿条开始工作，电机带动齿轮转动实现板擦的上、下移动。
3.2 清洁装置
在图2中，触发限位开关4，电动机1，2开启，通过减速机中齿轮的转动从而带动黑板擦向下移动。黑板擦接触到黑板板面时，限位开关1，2被碰触，该电动机停止转动，另一电动机4开始转动，黑板板面开始上、下移动，实现黑板的擦拭任务，直至擦拭完毕。
3.3 复位装置
黑板擦拭完毕，复位动作自动开始。黑板反方向移动复位的同时电动机1、2带动减速器中齿轮逆时针旋转远离黑板板面，到达指定位置后碰触相应的上端限位开关，一切动作停止。复位机构及上、下限位开关如图3所示。
4 基于慧鱼软件的控制系统设计方案
该智能化黑板装置动作都是由程序自动控制，在开发环境LLWin3.0下[3]，设计其控制系统程序如图4所示。当按下总开关I8，电动机M4开始顺时针转动，左部传动装置蜗轮蜗杆开始工作，电动机带动蜗杆转动，当移动到最下方的时候触发限位开关I4，电动机M4停止转动。
电动机M1、M2带动减速器中齿轮的转动从而并带动黑板擦的上下移动。黑板擦接触到黑板面时，限位开关1、2被碰触，黑板板面在电动机4的带动下开始向上移动，实现黑板的擦拭任务，直至擦拭完毕；黑板运动到上部极限位置即右端时，碰触到限位开关I6，电动机M4停止。电动机M1、M2反向转动（即顺时针转动），带动减速器中齿轮反向转动从而带动黑板擦上升远离黑板板面直至触碰到上端限位开关I7，到达指定位置，停止工作。 各元件名称及对应功能，见表1。
5 结语
“慧鱼”创意组合模型的设计制作采用了机械构件、电气构件及控制软件等[4，5]，通过机构设计，组装搭建模型，进行软件编程实现程序控制，直流电机驱动，内置齿轮箱传动，完成了智能化黑板装置的设计、组装、调试等全过程，从而实现一系列的传动功能、清洁功能、升降功能等，以达到智能化使用黑板的教学目的，也实现了黑板与投影幕布的一体化。同时，该智能装置也解决了传统黑板粉尘对师生健康的危害，以及老式黑板反光及利用率不高等问题。
参考文献：
[1]曲凌.慧鱼创意机器人设计与实践教程[M].上海：上海交通大学出版社，2007.
[2]窦艳涛，黄豪杰，李健，等.基于慧鱼技术的家用洗碗机方案设计[J].实验室研究与探索，2013（3）：31-33.
[3]慧鱼公司.LLWin3.0操作手册[R].北京：中教仪科技有限公司，2010.
[4]刘天军，毛建秋，支波浩，等.基于“慧鱼”创意组合模型的避障机器人的设计与制作[J].常州工学院学报，2012（2）：6-9.
[5]周叙荣，刘天军，刘加南，等.基于慧鱼创意组合模型的多功能卷轴白板的设计制作[J].常州工学院学报，2014（4）：7-11.
Abstract：Fischertechnik，a technology-engineering assembled model of creative technology，is an ideal teaching aid of demonstrating scientific principles and technical process.The paper introduces the design of an automated，intelligent blackboard based on the Fischer technology.The project analyzed the disadvantages of the traditional blackboard and designed an innovative blackboard.It gives blackboard and eraser use intelligent，multi-functional，practical，comfortable and multiple connotations so as to meet the needs of modern class teaching.
Key words：blackboard；intelligence；fischertechnik
责任编辑 祁秀春