風(fēng)管清潔機(jī)器人機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)

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1、中央空調(diào)通風(fēng)管清潔機(jī)器人 機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì) 機(jī)制083 沈鑫 108011074 隨著我國國民經(jīng)濟(jì)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(fèi)時費(fèi)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(shí)的需要，利用機(jī)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(jī)器人市場卻基本上被價(jià)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(jià)比的中央空調(diào)風(fēng)道清潔機(jī)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(jī)器人技術(shù)。盡管國外清洗機(jī)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(jì)，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(jī)器人設(shè)計(jì)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(shí)際問題，文中提出了一種新型的清潔機(jī)器人系統(tǒng)。 1 機(jī)器人總體方案 1.1 系統(tǒng)清潔方案設(shè)計(jì) 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(jì)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(jī)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(jì)的清潔方案采用橫向 俯仰二維運(yùn)動擬合矩形清潔軌跡清潔風(fēng)道，改變了現(xiàn)有清潔機(jī)器人只能作毛刷一維俯仰運(yùn)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(shí)現(xiàn)清潔臂的俯仰運(yùn)動，同時還可以實(shí)現(xiàn)橫向運(yùn)動，如圖1a中step2和step4所示。因而如圖1b所示，機(jī)器人可根據(jù)風(fēng)道大小對清潔臂俯仰和橫向兩個運(yùn)動進(jìn)行軌跡擬合，形成矩形清潔軌跡這樣就使得清潔機(jī)器人在不更換毛刷的情況下，實(shí)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(diǎn)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(jī)器人行進(jìn)驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)動再進(jìn)行擬合，如圖1 所示，在橫向 俯仰二維運(yùn)動擬合矩形清潔軌跡的一個周期內(nèi)，保證機(jī)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(shí)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(jī)器人由清潔機(jī)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(jī)和電控箱。 1.2.1清潔機(jī)器人本體 清潔機(jī)器人本體用于對風(fēng)道實(shí)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(shí)時視頻監(jiān)控向用戶進(jìn)行反饋 清潔機(jī)器人本體包括移動機(jī)構(gòu)清潔機(jī)構(gòu)檢測和消毒裝置，實(shí)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(yùn)動靈活操作簡便的特點(diǎn)。 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(jī)與電控箱組成，其中工控機(jī)部分由工業(yè)PC，PCI總線運(yùn)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(jī)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(jī)器人行進(jìn)驅(qū)動電機(jī)二維運(yùn)動平臺驅(qū)動電機(jī)清潔毛刷驅(qū)動

6、電機(jī)和攝像頭驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動，同時計(jì)數(shù)除清潔毛刷驅(qū)動電機(jī)外各電機(jī)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(yùn)動平臺位置傳感器信號反饋給控制軟件，從而實(shí)現(xiàn)清潔機(jī)器人各種預(yù)定的運(yùn)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(shí)現(xiàn)了對清潔機(jī)器人的實(shí)時控制 軟件界面能將攝像頭反饋的視頻信號進(jìn)行實(shí)時顯示，通過觀察視頻圖像，操作人員可以對清潔機(jī)器人所處狀態(tài)進(jìn)行判斷，從而控制清潔機(jī)器人進(jìn)行前進(jìn)、后退、差速轉(zhuǎn)向、二維運(yùn)動平臺橫向俯仰單步運(yùn)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(yùn)動。 2 清潔機(jī)器人本體設(shè)計(jì) 清潔機(jī)器人本體

7、，其采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括: 移動機(jī)構(gòu)、清潔機(jī)構(gòu)、檢測裝置和消毒裝置。 2.1 移動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 國內(nèi)的中央空調(diào)風(fēng)道內(nèi)部底面絕大部分為堅(jiān)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(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)采用簡便易行的四輪結(jié)構(gòu)，前輪為主動輪，采用獨(dú)立驅(qū)動，即由兩個步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動左右兩個前輪，使得清潔機(jī)器人能夠靈活地實(shí)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(jī)器人能夠在風(fēng)道內(nèi)靈活地實(shí)現(xiàn)后退 車輪采用防滑橡膠輪，可以達(dá)到清潔機(jī)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 清潔機(jī)構(gòu)是清潔機(jī)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(jì) 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(yùn)動平臺和俯仰運(yùn)動平臺組成橫向運(yùn)動平臺由齒輪、齒條、橫向驅(qū)動電機(jī)、滾動導(dǎo)軌組成，其中滾動導(dǎo)軌和齒條固定在清潔機(jī)器人機(jī)架上，直齒輪與齒條嚙合，并通過D形孔與橫向驅(qū)動電機(jī)輸出軸相連，橫向驅(qū)動電機(jī)安裝在橫向移動平臺架上，通過帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了移動平臺橫向運(yùn)動清潔臂俯仰運(yùn)動平臺由滑輪、繞線輪、柔性拉索俯仰驅(qū)動電機(jī)、清潔臂和清潔臂轉(zhuǎn)軸組成。其中俯仰驅(qū)動電機(jī)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(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了清潔毛刷俯仰運(yùn)動。 2.2.2 程控往復(fù)式吸塵 清障裝置設(shè)計(jì) 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(yùn)動機(jī)構(gòu)中的橫向運(yùn)動平臺架通過螺釘固聯(lián)，在清潔機(jī)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(yùn)動。 通過毛刷驅(qū)動電機(jī)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(jī)器人可以像推土機(jī)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(jī)器人難于清理風(fēng)道內(nèi)較大污物的弊端 清潔機(jī)器人后部裝有吸塵器，撮箕后方設(shè)有隨撮箕同步運(yùn)動的吸塵口，可

10、以與清潔毛刷同步運(yùn)動，將清潔下來的灰塵吸入，實(shí)現(xiàn)吸塵功能 基于以上功能，清潔機(jī)器人實(shí)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(jì) 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(jì)，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(jī)直接驅(qū)動，毛刷與電機(jī)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(jī)軸的同軸度 該設(shè)計(jì)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(jī)間的動力傳動裝置，簡化了設(shè)計(jì)

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(qiáng)清潔機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn) 清潔機(jī)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(jì)數(shù)移動機(jī)構(gòu)兩驅(qū)動電機(jī)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(jī)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(jī)器人撮箕兩側(cè)碰撞開關(guān)信號和計(jì)數(shù)編碼器脈沖的寄存器的數(shù)值，進(jìn)而對清潔機(jī)器人進(jìn)行乒乓 控制如圖10 所示，當(dāng)清潔機(jī)器人處于彎道時，二維運(yùn)動機(jī)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(yùn)動機(jī)構(gòu)的橫向驅(qū)動電機(jī)反向運(yùn)動并記錄下此時計(jì)數(shù)橫向驅(qū)動電機(jī)和移動機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)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(diǎn)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(jī)構(gòu)所行走的脈沖數(shù) 清潔機(jī)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(jì)算出清潔機(jī)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(jī)器人兩驅(qū)動輪差速轉(zhuǎn)向，使得清潔機(jī)器人中心線始終跟蹤風(fēng)道中心線，實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)向。 基于清潔機(jī)器人矩形螺旋軌跡的自動擬合和自動導(dǎo)向功能，清潔機(jī)器人就可以在風(fēng)道中實(shí)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(jī)器人的移動機(jī)構(gòu) 清潔機(jī)構(gòu) 檢測裝置和消毒裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)， 并對清潔機(jī)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(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在。 風(fēng)道內(nèi)的自動清潔 通過實(shí)驗(yàn)測試證明該設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)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(jī)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(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化與工程測試［J］．工程熱物理學(xué)報(bào)，2006，27(2):328－330．