風(fēng)管清潔機器人機器人創(chuàng)新設(shè)計

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1、中央空調(diào)通風(fēng)管清潔機器人 機器人創(chuàng)新設(shè)計 機制083 沈鑫 108011074 隨著我國國民經(jīng)濟和城市建設(shè)的快速發(fā)展，中央空調(diào)已成為改善人們工作與生活環(huán)境的必備設(shè)施目前全國共有上百萬臺中央空調(diào)亟待清潔保養(yǎng)，其中相當(dāng)一部分中央空調(diào)的通風(fēng)系統(tǒng)從未進(jìn)行過徹底的清潔，清潔面積大且縱橫交錯的中央空調(diào)通風(fēng)管道已經(jīng)成為長期的衛(wèi)生死角，由此造成的室內(nèi)空氣污染問題嚴(yán)重影響著人們的身體健康尤其在非典、禽流感、H1N1等疫情發(fā)生之后， 人們對這一問題更加關(guān)注，政府也陸續(xù)出臺了相關(guān)的清潔規(guī)范，費時費力且清潔效果不佳的傳統(tǒng)人工清潔方式已不能滿足現(xiàn)實的需要，利用機器人進(jìn)行清潔的空調(diào)清潔業(yè)正在悄然興起，但就目前

2、而言，中央空調(diào)風(fēng)道清潔機器人市場卻基本上被價格昂貴的外國產(chǎn)品占據(jù)，這些外國產(chǎn)品動輒幾十萬，多則上百萬，使一般的企業(yè)難于承受。因此自主研發(fā)高性價比的中央空調(diào)風(fēng)道清潔機器人對促進(jìn)我國中央空調(diào)風(fēng)道清洗行業(yè)的發(fā)展，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量 提高人民生活和健康水平等具有積極的意義。 在西方一些發(fā)達(dá)國家，中央空調(diào)清潔業(yè)已發(fā)展了幾十年，形成了一個巨大的產(chǎn)業(yè)，有著比較成熟的清潔機器人技術(shù)。盡管國外清洗機器人技術(shù)先進(jìn) 性能優(yōu)良，但由于不是針對國內(nèi)風(fēng)道狀況而設(shè)計，在清潔國內(nèi)的風(fēng)道時往往效果不甚理想。國內(nèi)一些單位提出了自己的中央空調(diào)風(fēng)道清潔機器人設(shè)計及方案，但面對國內(nèi)尺寸規(guī)格變化萬千的風(fēng)道，在適應(yīng)性和清潔的徹底性方面還顯

3、欠缺 針對上述實際問題，文中提出了一種新型的清潔機器人系統(tǒng)。 1 機器人總體方案 1.1 系統(tǒng)清潔方案設(shè)計 為節(jié)約建筑面積，國內(nèi)建筑物的中央空調(diào)風(fēng)道絕大部分設(shè)計成扁平矩形截面，且尺寸規(guī)格屬非標(biāo)產(chǎn)品，給風(fēng)道清潔帶來困難。在進(jìn)行風(fēng)道清潔作業(yè)時，目前的清潔機器人需要經(jīng)常更換不同尺寸的毛刷，操作繁瑣，而且在兩種不同尺寸風(fēng)道的過渡處遇到毛刷與風(fēng)道寬度不同的情況時必然會存在清洗死角，影響清潔效果文中設(shè)計的清潔方案采用橫向 俯仰二維運動擬合矩形清潔軌跡清潔風(fēng)道，改變了現(xiàn)有清潔機器人只能作毛刷一維俯仰運動的現(xiàn)狀，其工作原理如圖1所示，該方案在毛刷旋轉(zhuǎn)清潔風(fēng)道時，如圖1a中step1和step3所示，可以

4、實現(xiàn)清潔臂的俯仰運動，同時還可以實現(xiàn)橫向運動，如圖1a中step2和step4所示。因而如圖1b所示，機器人可根據(jù)風(fēng)道大小對清潔臂俯仰和橫向兩個運動進(jìn)行軌跡擬合，形成矩形清潔軌跡這樣就使得清潔機器人在不更換毛刷的情況下，實現(xiàn)對不同尺寸風(fēng)道的無死角清潔在保證風(fēng)道內(nèi)部4個面上的每一個點均能被清潔毛刷清潔至少一次的前提下，將矩形清潔軌跡與機器人行進(jìn)驅(qū)動電機的運動再進(jìn)行擬合，如圖1 所示，在橫向 俯仰二維運動擬合矩形清潔軌跡的一個周期內(nèi)，保證機器人行走距離s小于毛刷清潔寬度d，形成漸進(jìn)式矩形螺旋清潔軌跡，實現(xiàn)對風(fēng)道的無死角清潔。 1.2系統(tǒng)組成 中央空調(diào)風(fēng)道清潔機器人由清潔機器人本體電控系統(tǒng)和

5、控制軟件3部分組成，如圖2所示，電控系統(tǒng)又包括工控機和電控箱。 1.2.1清潔機器人本體 清潔機器人本體用于對風(fēng)道實施清潔，并收集清潔下來的污物，同時將清潔的過程和效果通過實時視頻監(jiān)控向用戶進(jìn)行反饋 清潔機器人本體包括移動機構(gòu)清潔機構(gòu)檢測和消毒裝置，實現(xiàn)了對風(fēng)道進(jìn)行清潔檢測和消毒的一體化作業(yè)，具有功能齊全運動靈活操作簡便的特點。 1.2.2電控系統(tǒng) 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，由工控機與電控箱組成，其中工控機部分由工業(yè)PC，PCI總線運動控制卡和視頻采集卡組成，電控箱部分由開關(guān)電源和各電機驅(qū)動器組成在工作過程中，電控系統(tǒng)根據(jù)控制指令控制機器人行進(jìn)驅(qū)動電機二維運動平臺驅(qū)動電機清潔毛刷驅(qū)動

6、電機和攝像頭驅(qū)動電機進(jìn)行相應(yīng)的運動，同時計數(shù)除清潔毛刷驅(qū)動電機外各電機上編碼器的脈沖信號，將數(shù)值存儲在相應(yīng)的寄存器中，并將攝像頭視頻信號和二維運動平臺位置傳感器信號反饋給控制軟件，從而實現(xiàn)清潔機器人各種預(yù)定的運動。 1.2.3控制軟件 控制軟件采用編程，界面友好，操作方便，實現(xiàn)了對清潔機器人的實時控制 軟件界面能將攝像頭反饋的視頻信號進(jìn)行實時顯示，通過觀察視頻圖像，操作人員可以對清潔機器人所處狀態(tài)進(jìn)行判斷，從而控制清潔機器人進(jìn)行前進(jìn)、后退、差速轉(zhuǎn)向、二維運動平臺橫向俯仰單步運動，自動擬合矩形螺旋清潔軌跡，自動導(dǎo)向，攝像頭旋轉(zhuǎn)和擺動搜索等運動。 2 清潔機器人本體設(shè)計 清潔機器人本體

7、，其采用模塊化設(shè)計，主要包括: 移動機構(gòu)、清潔機構(gòu)、檢測裝置和消毒裝置。 2.1 移動機構(gòu)設(shè)計 國內(nèi)的中央空調(diào)風(fēng)道內(nèi)部底面絕大部分為堅硬平坦且較為粗糙的水泥表面，僅在不同尺寸規(guī)格風(fēng)道間的過渡處會有斜坡面出現(xiàn)，所以清潔機器人的移動機構(gòu)采用簡便易行的四輪結(jié)構(gòu)，前輪為主動輪，采用獨立驅(qū)動，即由兩個步進(jìn)電機分別驅(qū)動左右兩個前輪，使得清潔機器人能夠靈活地實現(xiàn)前進(jìn)和兩輪差速轉(zhuǎn)彎，控制簡單；后輪采用萬向輪式結(jié)構(gòu)，使得清潔機器人能夠在風(fēng)道內(nèi)靈活地實現(xiàn)后退 車輪采用防滑橡膠輪，可以達(dá)到清潔機器人在風(fēng)道內(nèi)自由移動而不至于打滑的要求。 2.2 清潔機構(gòu)設(shè)計 清潔機構(gòu)是清潔機器人的核心部分，包括矩形螺旋清掃裝

8、置。程控往復(fù)式吸塵 清障裝置和清潔毛刷，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同尺寸的矩形風(fēng)道進(jìn)行無死角清潔，并能收集清潔下來的污物和灰塵，以便進(jìn)行統(tǒng)一處理。 2.2.1 矩形螺旋清掃裝置設(shè)計 矩形螺旋式清掃裝置用于擬合矩形清潔軌跡，如圖6 所示，由橫向運動平臺和俯仰運動平臺組成橫向運動平臺由齒輪、齒條、橫向驅(qū)動電機、滾動導(dǎo)軌組成，其中滾動導(dǎo)軌和齒條固定在清潔機器人機架上，直齒輪與齒條嚙合，并通過D形孔與橫向驅(qū)動電機輸出軸相連，橫向驅(qū)動電機安裝在橫向移動平臺架上，通過帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了移動平臺橫向運動清潔臂俯仰運動平臺由滑輪、繞線輪、柔性拉索俯仰驅(qū)動電機、清潔臂和清潔臂轉(zhuǎn)軸組成。其中俯仰驅(qū)動電機通過D形孔與繞線輪

9、相連，繞線輪通過滑輪纏繞柔性拉索，使清潔臂繞清潔臂轉(zhuǎn)動軸做俯仰運動，實現(xiàn)了清潔毛刷俯仰運動。 2.2.2 程控往復(fù)式吸塵 清障裝置設(shè)計 往復(fù)式吸塵清障裝置，主要包括撮箕和吸塵器兩部分，其中撮箕與二維運動機構(gòu)中的橫向運動平臺架通過螺釘固聯(lián)，在清潔機器人擬合矩形螺旋清潔軌跡清潔風(fēng)道時，撮箕隨清潔毛刷同步左右往復(fù)運動。 通過毛刷驅(qū)動電機帶動毛刷旋轉(zhuǎn)可將風(fēng)道內(nèi)清潔下來的污物掃入撮箕中，如果中途遇到較大的污物，如老鼠尸體等，清潔機器人可以像推土機一樣，用撮箕將污物由風(fēng)道出風(fēng)口推出，克服了現(xiàn)有清潔機器人難于清理風(fēng)道內(nèi)較大污物的弊端 清潔機器人后部裝有吸塵器，撮箕后方設(shè)有隨撮箕同步運動的吸塵口，可

10、以與清潔毛刷同步運動，將清潔下來的灰塵吸入，實現(xiàn)吸塵功能 基于以上功能，清潔機器人實現(xiàn)了對風(fēng)道內(nèi)不同種類污物的收集 2.2.3 清潔毛刷設(shè)計 清潔毛刷如圖8 所示，其安裝在清潔臂前端，采用圓柱形設(shè)計，端面采用碗狀曲面，以提高毛刷的清潔效果，毛刷采用220 V 雙軸交流電機直接驅(qū)動，毛刷與電機輸出軸間采用 D 形孔連接，并安裝有3根調(diào)整螺釘，以調(diào)整毛刷與電機軸的同軸度 該設(shè)計保證了清潔毛刷在清潔風(fēng)道壁時轉(zhuǎn)速與輸出力矩間有較大的剛度，使得毛刷能在不同清潔阻力的作用下轉(zhuǎn)速變化不大，即在風(fēng)道內(nèi)管壁積灰程度不同的情況下依然能保證毛刷良好的清潔效果，同時去掉了毛刷與驅(qū)動電機間的動力傳動裝置，簡化了設(shè)計

11、，考慮到清潔臂的平衡問題，清潔臂后端應(yīng)加適當(dāng)配重。 3 矩形螺旋軌跡自動擬合和自動導(dǎo)向 為了增強清潔機器人的適應(yīng)能力和通用性，必須使其能夠?qū)Σ煌叽顼L(fēng)道自適應(yīng)，由于清潔機器人采用了矩形螺旋清潔方式清潔風(fēng)道，因此必須要解決矩形螺旋的自動擬合問題和機器人在風(fēng)道內(nèi)部的自動導(dǎo)向問題。 自動導(dǎo)向功能的實現(xiàn) 清潔機器人自動導(dǎo)向功能分為微調(diào)整和粗調(diào)整兩個部分。 1微調(diào)整 微調(diào)整主要用于直道情況，由控制軟件定時查詢計數(shù)移動機構(gòu)兩驅(qū)動電機編碼器脈沖的寄存器的數(shù)值，如兩數(shù)值偏差大于一閾值n時，則控制軟件向數(shù)值較小的寄存器對應(yīng)的電機多發(fā)送n個脈沖，從而保證兩驅(qū)動輪行走距離相同。 2粗調(diào)整

12、 粗調(diào)整由控制軟件采集清潔機器人撮箕兩側(cè)碰撞開關(guān)信號和計數(shù)編碼器脈沖的寄存器的數(shù)值，進(jìn)而對清潔機器人進(jìn)行乒乓 控制如圖10 所示，當(dāng)清潔機器人處于彎道時，二維運動機構(gòu)擬合矩形清潔軌跡， 則行進(jìn)一段距離后撮箕上的碰撞開關(guān)勢必與風(fēng)道壁碰撞，從而向控制軟件發(fā)出到位信號，控制軟件立即使二維運動機構(gòu)的橫向驅(qū)動電機反向運動并記錄下此時計數(shù)橫向驅(qū)動電機和移動機構(gòu)驅(qū)動電機編碼器脈沖的寄存器的數(shù)值n1和n2，其中n1為橫向移動平臺距離中點位置的脈沖數(shù)，n2為碰撞開關(guān)前后兩次碰撞之間移動機構(gòu)所行走的脈沖數(shù) 清潔機器人處于直道時與彎道的情況類似， 由以上分析可知，通過碰撞開關(guān)的碰撞信號和寄存器中的數(shù)

13、值能夠計算出清潔機器人偏離風(fēng)道中心線的角度信息，從而根據(jù)該角度信息控制清潔機器人兩驅(qū)動輪差速轉(zhuǎn)向，使得清潔機器人中心線始終跟蹤風(fēng)道中心線，實現(xiàn)自動導(dǎo)向。 基于清潔機器人矩形螺旋軌跡的自動擬合和自動導(dǎo)向功能，清潔機器人就可以在風(fēng)道中實現(xiàn)自動清潔。 4小結(jié) 提出了一種新型的矩形螺旋清潔方式和往復(fù)式污物收集方式對中央空調(diào)風(fēng)道進(jìn)行清潔，解決了風(fēng)道清潔作業(yè)中易遺留死角的問題 在此基礎(chǔ)上，對清潔機器人的移動機構(gòu) 清潔機構(gòu) 檢測裝置和消毒裝置進(jìn)行了設(shè)計， 并對清潔機器人矩形螺旋軌跡自動擬合和風(fēng)道內(nèi)自動導(dǎo)向問題提出了解決方案， 實現(xiàn)了機器人在。 風(fēng)道內(nèi)的自動清潔 通過實驗測試證明該設(shè)計方案符合對中

14、央空調(diào)風(fēng)道進(jìn)行清潔作業(yè)的性能要求，且機器人結(jié)構(gòu)簡單，自動化程度高，適用范圍廣，成本不到外國同類產(chǎn)品的30%，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計效果。 參考文獻(xiàn) ［1］ 孫方明，張學(xué)發(fā)，劉沛，等．中央空調(diào)通風(fēng)道系統(tǒng)的清洗［J］．清洗世界，2007，23(6):36－38． ［2］ 楊雄．風(fēng)管清洗機器人國產(chǎn)化研究及應(yīng)用［J］．清洗世界，2004，20(11):37－40． ［3］ 李德福．空調(diào)通風(fēng)清洗規(guī)范的制定和理解［J］．清洗世界，2004，20( 5):32－39． ［4］ 崔建波，高麗萍．集中空調(diào)風(fēng)道清洗現(xiàn)狀與前景分析［J］．清洗世界，2004，20(9):21－25． ［5］ 文曉希，盧耀暉，吳正洪，等．用于中央空調(diào)風(fēng)道清潔的程控矩形螺旋式清掃裝置:中國，ZL200820053999．6［P］． 2009－05－13． ［6］ 文曉希，盧耀暉，吳正洪，等．具有自動導(dǎo)向功能的程控往復(fù)式吸塵清障裝置:中國,ZL200810032010．8［P］．2009－01－14． ［7］ 李俊，唐志偉，吳玉庭，等．風(fēng)道清潔機器人系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化與工程測試［J］．工程熱物理學(xué)報，2006，27(2):328－330．