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

1、風(fēng)管清潔機(jī)器人機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化管理部編碼-99968T-6889628-J68568-1689N J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沈龕隨著我國國民經(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H前全國共有上右萬臺(tái)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(cuò)的中央空調(diào)通風(fēng)管道已經(jīng)成 為長期的衛(wèi)生死角，山此造成的室內(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、Hll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(tái)了相關(guān) 的清潔規(guī)范，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且清潔效果不佳的傳統(tǒng)人工清潔方式已不

2、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H前而言，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(dòng)輒兒十萬，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)展了兒十年，形成了一個(gè)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，但山于不是 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(shí)往往效果不其理想。國內(nèi)一些單位提出 7自己的中央空調(diào)風(fēng)道清潔機(jī)器

3、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(shí)，LI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(shí)必然會(huì)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(dòng)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(dòng)的現(xiàn)狀，其工作原理如圖1所

4、示，該方案在毛刷旋轉(zhuǎn)清潔風(fēng)道時(shí)，如圖13中 stepl和step3所示，可以實(shí)現(xiàn)清潔臂的俯仰運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)橫向運(yùn)動(dòng)，如圖 中step2和step4所示。因而如圖lb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(gè)運(yùn)動(dòng)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悄況 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(gè)面上的每一個(gè)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(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)再進(jìn)行擬 合，如圖1所示，在橫向俯仰二維運(yùn)動(dòng)擬合矩形清潔軌跡的一個(gè)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

5、清 專士 f 口 O12系統(tǒng)組成中央空調(diào)風(fēng)道清潔機(jī)器人山清潔機(jī)器人本體電控系統(tǒng)和控制軟件3部分組成，如圖2 所示，電控系統(tǒng)乂包括工控機(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(shí)將清潔的過程 和效果通過實(shí)時(shí)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(dòng)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(dòng)靈活操 作簡便的特點(diǎn)。12. 2電控系統(tǒng)電控系統(tǒng)結(jié)必如圖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(dòng)控制卡和視頻采集卡組成，電控箱部分山開關(guān)電源和各電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成在工作 過程中，電

6、控系統(tǒng)根據(jù)控制指令控制機(jī)器人行進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)清潔毛 刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)和攝像頭驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)計(jì)數(shù)除清潔毛刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)外各電機(jī) 上編碼器的脈沖信號(hào)，將數(shù)值存儲(chǔ)在相應(yīng)的寄存器中，并將攝像頭視頻信號(hào)和二維運(yùn)動(dòng) 平臺(tái)位置傳感器信號(hào)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(dòng)。1.2.3控制軟件控制軟件釆用編程，界面友好，操作方便，實(shí)現(xiàn)了對清潔機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制軟件界 面能將攝像頭反饋的視頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(dòng) 平臺(tái)橫向俯仰單步運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)擬合矩形螺旋清潔軌跡，自動(dòng)導(dǎo)向，攝

7、像頭旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)搜 索等運(yùn)動(dòng)。2清潔機(jī)器人本體設(shè)計(jì)清潔機(jī)器人本體，其采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括:移動(dòng)機(jī)構(gòu)、清潔機(jī)構(gòu)、檢測裝置和 消毒裝置。2.1移動(dòng)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(huì)有斜坡面出現(xiàn)，所以清潔機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用簡便易行 的四輪結(jié)構(gòu)，前輪為主動(dòng)輪，采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，即山兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)左右兩個(gè)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)自山移動(dòng)而不至于打滑的要求。2. 2清潔機(jī)構(gòu)設(shè)

8、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，山橫向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和俯仰 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組成橫向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)山齒輪、齒條、橫向驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滾動(dòng)導(dǎo)軌組成，其中滾動(dòng)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(dòng)電機(jī) 輸出軸相連，橫向驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在橫向移動(dòng)平臺(tái)架上，通過帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng) 平臺(tái)橫向運(yùn)動(dòng)清潔臂俯仰運(yùn)動(dòng)平臺(tái)山滑輪、繞線輪、柔性拉索俯仰驅(qū)動(dòng)電機(jī)、清潔

9、臂和 清潔臂轉(zhuǎn)軸組成。其中俯仰驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過D形孔與繞線輪相連，繞線輪通過滑輪纏繞柔 性拉索，使清潔臂繞清潔臂轉(zhuǎn)動(dòng)軸做俯仰運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了清潔毛刷俯仰運(yùn)動(dòng)。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(dòng)機(jī)構(gòu)中 的橫向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(shí)，撮 箕隨清潔毛刷同步左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過毛刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)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，用撮箕將污物山風(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

10、 有吸塵器，撮箕后方設(shè)有隨撮箕同步運(yùn)動(dòng)的吸塵口，可以與清潔毛刷同步運(yùn)動(dòng)，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，毛刷釆用220V雙軸交流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，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(shí)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(shí)去掉了毛

11、刷與驅(qū)動(dòng)電機(jī)間的動(dòng)力傳動(dòng)裝置，簡化了設(shè)計(jì)，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(dòng)擬合和自動(dòng)導(dǎo)向?yàn)榱嗽鰪?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)， 山于清潔機(jī)器人釆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(dòng)擬 合問題和機(jī)器人在風(fēng)道內(nèi)部的自動(dòng)導(dǎo)向問題。自動(dòng)導(dǎo)向功能的實(shí)現(xiàn)清潔機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)向功能分為微調(diào)整和粗調(diào)整兩個(gè)部分。1微調(diào)整微調(diào)整主要用于直道情況，山控制軟件定時(shí)查詢計(jì)數(shù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)兩驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(gè)脈沖，從而保證兩驅(qū)動(dòng)輪行走距離相同。2

12、粗調(diào)整粗調(diào)整山控制軟件采集清潔機(jī)器人撮箕兩側(cè)碰撞開關(guān)信號(hào)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(shí)，二 維運(yùn)動(dòng)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(hào)，控制軟件立即使二維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的橫向驅(qū)動(dòng)電機(jī)反向 運(yùn)動(dòng)并記錄下此時(shí)計(jì)數(shù)橫向驅(qū)動(dòng)電機(jī)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)編碼器脈沖的寄存器的數(shù)值nl 和n2,其中nl為橫向移動(dòng)平臺(tái)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(dòng)機(jī)構(gòu)所行走的脈沖數(shù)清潔機(jī)器人處于直道時(shí)與彎道的情況類似，山以上分析可知，通過碰撞開關(guān)的碰撞信號(hào)和寄存器中的數(shù)值能夠計(jì)算

13、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(dòng)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(dòng)導(dǎo)向?；谇鍧崣C(jī)器人矩形螺旋軌跡的自動(dòng)擬合和自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)擬合和風(fēng)道 內(nèi)自動(dòng)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(dòng)清潔通過實(shí)驗(yàn)測試證明該設(shè)計(jì)方案符合對中央空調(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(dòng)化程度高，適用范圉廣，成本不到外國同類產(chǎn)品 的30張達(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) :36-382 楊雄.風(fēng)