小型清潔機器人行走機構(gòu)畢業(yè)論文

中國地質(zhì)大學畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGE47畢業(yè)論文小型清潔機器人行走機構(gòu)

目錄1引言·················································31.1論文背景、意義及要求··································31.2國外、國內(nèi)研究概況································41.3市場需求預(yù)測···································61.4設(shè)計的重點與難點·································62機器人行走機構(gòu)的設(shè)計································72.1空調(diào)管道系統(tǒng)介紹及清洗原理····························72.2機器人移動載體方案設(shè)計······························82.2.1總體方案設(shè)計··································82.2.2傳動方案的設(shè)計·································92.3張緊機構(gòu)的設(shè)計···································113.具體設(shè)計計算··································123.1移動載體傳動計算·································123.1.1左右驅(qū)動輪傳動計算·······························123.1.2后萬向輪傳動計算···································203.2張緊啟動系統(tǒng)的設(shè)計計算····································243.2.1氣缸的選擇·····································243.2.2啟動輔助元件和回路的選擇設(shè)計·······························263.3傳動齒輪﹑蝸輪蝸桿的尺寸計算···························273.4軸的設(shè)計﹑計算和校核··································273.5軸承的壽命計算·······································324機器人轉(zhuǎn)彎時的管道通過性分析···························334.1管道機器人在水平直角彎管的通過性分析··························334.2管道機器人在矩形管水平圓弧形彎頭的通過性分析······················355結(jié)構(gòu)設(shè)計···············································361引言1.1論文背景、意義及要求清潔機器人作為服務(wù)機器人領(lǐng)域中的一個新產(chǎn)品,盡管目前國內(nèi)在這方面的研究開發(fā)方面已經(jīng)取得一定的成果,但是仍有許多關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決或提高,行走機構(gòu)就是其中的一個比較重要的技術(shù)。有的可在房間內(nèi)隨機移動，但要求有一定的動力和對地面有足夠大的摩擦。事實上，雖然有一些公司推出了一些樣品或產(chǎn)品，但卻不能達到滿意程度：清潔效果不佳，遍歷時間長。隨著當今社會的發(fā)展，空調(diào)通風系統(tǒng)在日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。中央空調(diào)系統(tǒng)主宰著樓宇中空氣的新陳代謝，被稱為“建筑物之肺”。中央空調(diào)管道在長期使用中會積累許多灰塵、病菌及放射物等，這些有害物質(zhì)在送風過程中便污染了空氣，長期被人體吸入，就會危害大眾的健康。因此人們在迫切要求提高生活質(zhì)量的同時，要求提高工作居住場所及其他公共場所環(huán)境質(zhì)量(特別是空氣質(zhì)量)的呼聲也越來越急切。國外發(fā)達國家由于很早以前便應(yīng)用了眾多的中央空調(diào)系統(tǒng)，針對空氣質(zhì)量對人身健康的危害，國外民眾有比較深刻的認識(1976年美國費城的軍團菌大爆發(fā)，事后認定其傳染源就是該市某會場內(nèi)的中央空調(diào))。國外衛(wèi)生機構(gòu)相繼出臺了較為嚴密的中央空調(diào)使用及清洗法規(guī)，如:美國國家風管清洗協(xié)會制定的行業(yè)標準《暖通空調(diào)系統(tǒng)的評估、清洗和修復(fù)標準})CACR2002版)和日本制定的《日本風道清洗協(xié)會技術(shù)標準》CI990版)及芬蘭新頒布的法律要求賓館、飯店、洗衣房、工業(yè)加工產(chǎn)生粉塵物質(zhì)的通風系統(tǒng)，每年清潔一次;醫(yī)院、學校等每5年一次。類似的法律可以預(yù)見將在世界各地實施。目前發(fā)達國家均成立有中央空調(diào)風管清洗協(xié)會，如:國際通風衛(wèi)生評議會(TCVH)、美國風道清洗協(xié)會(NADCA)、歐洲風道清洗協(xié)會(EVHA)、英國風道清洗協(xié)會(HVCA)舊本風道清洗協(xié)會(JADCA)等，國外的集中空調(diào)的風道清洗己經(jīng)形成了一個巨大的產(chǎn)業(yè)。國內(nèi)有超過500萬個各類中央空調(diào)需要清洗保養(yǎng)，而且每年正在以10%的速度遞增，這些中央空調(diào)大部分運行了20年以上卻從未清洗。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量所帶來的危害越來越重視，尤其是2003年“非典”疫情的傳播，已使人們對中央空調(diào)帶來的疾病隱患有了相當深刻的認識。為了保障公眾健康，2006年3月1日，衛(wèi)生部制定并實施了《公共場所集中空調(diào)通風系統(tǒng)衛(wèi)生管理辦法》，中央空調(diào)的衛(wèi)生問題得到了前所未有的關(guān)注，對空調(diào)管道進行定期清洗勢在必行。當前，人們已認識到中央空調(diào)風管內(nèi)的灰塵是傳播病毒的載體，重視了中央空調(diào)的清洗，但是結(jié)果不盡人意。原因有三：一是我國大多數(shù)中央空調(diào)普遍使用粗效過濾器，最多只能過濾空氣中40％的可懸浮顆粒物，近60％的顆粒物進入中央空調(diào)，依然為病毒載體，當通風時，仍有可能產(chǎn)生交叉感染；二是目前人們只注重中央空調(diào)機組的清洗和水處理，殊不知風管面積遠遠大于機組面積，而中央空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)95％以上的藏塵量在風管內(nèi)，水洗僅降低機體內(nèi)10％水垢的產(chǎn)生；三是沒有機器人參與清洗，人進入風管清洗又存在二次污染。因此，加強中央空調(diào)通風管道的清洗，消除病毒的污染源，必須要求從事中央空調(diào)清洗的專業(yè)隊伍技術(shù)先進，設(shè)備精良，這使管道清掃機器人步入了歷史舞臺。國外從20世紀70年代末80年代初開始重視中央空調(diào)的風道清洗，同時，隨著計算機、傳感器、現(xiàn)代控制理論和技術(shù)的發(fā)展，為管道機器人的研究應(yīng)用提供了技術(shù)保證。自從1980年丹達克林發(fā)明了世界上第一臺風管清洗機器人直到1990年前后，國外的中央空調(diào)清洗得以普遍實施，并建立了相應(yīng)行業(yè)及國家標準。據(jù)調(diào)研，目前上海安裝有中央空調(diào)系統(tǒng)的各類樓宇有3000多幢，由于此類管道通常縱橫交錯，大管道由人來進行管道檢測、維修工作不僅費時費力，而且不衛(wèi)生?？趶叫?、長度長的管道不僅人無法進去檢查，而且清掃起來也不容易。因此，管道清掃機器人的出現(xiàn)是一種必然的趨勢。管道清掃機器人能輕松的爬入管道配合其他管道清洗設(shè)備將管道中的灰塵、塵螨，甚至昆蟲尸體，死老鼠等垃圾一掃而空，最后還能對管道進行消毒?？蛇m用于各種中央空調(diào)和除塵等管道的管道檢測、清洗、消毒、噴漆等作業(yè)。因此，中央空調(diào)清洗行業(yè)將成為中國一個新興的有著巨大潛力的發(fā)展行業(yè)，對中央空調(diào)清潔機器人的研究與開發(fā)更是具有一定的社會價值和商業(yè)價值。1.2國外、國內(nèi)研究概況空調(diào)清潔技術(shù)起源于60余年前，是隨著中央空調(diào)技術(shù)同時誕生的。國外從20世紀70年代末80年代初開始重視中央空調(diào)的風道清洗，直到1990年前后中央空調(diào)清洗才得以普遍實施，并建立了相應(yīng)行業(yè)及國家標準。目前在所有發(fā)達國家無一例外地實施了中央空調(diào)的清洗。風管清洗在國外是一個比較成熟的市場，氣清洗機器人設(shè)備的研究和開發(fā)業(yè)相應(yīng)地比較成熟。據(jù)統(tǒng)計，國際上生產(chǎn)清洗機器人的廠家不下20家，其中比較著名的有瑞典的Wintclean機器人（售價100萬元），丹麥的Danduct機器人（售價80萬元），加拿大的Airtox機器人（售價60萬元），還有美國的Nikro、Vsi（售價均為40萬元）等。這些國外管道機器人，其形狀結(jié)構(gòu)大同小異，性能也能大致相當?？照{(diào)管道機器人應(yīng)具備的功能有清掃管道灰塵、噴灑消毒藥水、攜帶CCD攝像機和傳感器單元等，因此機器人必須擁有的“器官”有移動載體、安裝清洗工具的部件、CCD攝像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)和其他一些輔助設(shè)備等。我國對中央空調(diào)風管清洗的重要性認識比較晚，對中央空調(diào)風管設(shè)備的研制起步也比較晚。目前我國對集中式空調(diào)的管理尚屬空白。據(jù)了解，有關(guān)清潔公共場所空調(diào)的規(guī)定和措施，只有衛(wèi)生部在2003年6月發(fā)出的《公共場所中央空調(diào)通風系統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)范》的通知，這還是因為受非典的啟示。該規(guī)范對場所的空調(diào)系統(tǒng)衛(wèi)生提出了檢測標準，并規(guī)定公共場所要定期更換或清洗空調(diào)通風系統(tǒng)的過濾器（網(wǎng)）、冷卻塔等。在頒布《公共場所中央空調(diào)通風系統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)范》后，我國的中央空調(diào)風管清洗市場迅速升溫，全國各科研機構(gòu)、企業(yè)單位紛紛投入到中央空調(diào)風管清洗設(shè)備的研制，并取得了很好的成果。據(jù)報道，東華大學在該校的一項“自主變位四履帶足機器人行走機構(gòu)”發(fā)明專利基礎(chǔ)上，首先二次開發(fā)了一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型管道機器人行走機構(gòu)，能很好的解決管道機器人適應(yīng)非等徑、變截面管道環(huán)境的難題。然后再在此基礎(chǔ)上研制成功一種可用于矩形和圓形通風管道的清掃、視頻檢測、噴涂消毒的多功能清洗機器人產(chǎn)品。該機器人和家用的吸塵器差不多大小，四個腳上有四條履帶，能夠在9厘米高的臺階上下。它最大的本領(lǐng)就是能順暢自如地爬到中央空調(diào)的各個角落，甚至到各種形狀的通風管道中清掃管道中的垃圾，并且通過視頻系統(tǒng)消除各個角落里的細菌、病毒，噴涂各種消毒液。該機器人具有以下幾個特點和優(yōu)勢：1）行走機構(gòu)具備自主管內(nèi)障礙和防傾覆功能，適用復(fù)雜的矩形管道或者圓形管道環(huán)境清掃作業(yè)要求（國外產(chǎn)品大多僅適用圓形管道）；2）管道清洗機器人能進入圓管260mm以上直徑、矩形管道140mm以上高度的空調(diào)、除塵管道進行清洗；3）機器人采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計和多電機驅(qū)動技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單、維護方便；4）機器人采用計算機圖像處理技術(shù)。拍攝資料便于保存、播放、攜帶（國外產(chǎn)品大多采用來錄像機儲存資料）。中國科學院蘭州分院科研人員研制成功的清潔機器人樣機是根據(jù)400毫米×400毫米和500毫米×500毫米空調(diào)通風管道設(shè)計的，具有在管道中行走、對管道內(nèi)污染情況進行觀察和對污染物進行清潔的功能。中國科學院蘭州分院科技合作處工作人員介紹，國內(nèi)自主研發(fā)的這種清潔機器人具有在管道內(nèi)前進、后退和轉(zhuǎn)彎等功能，行走速度在每分鐘0.5米到1米之間；清潔系統(tǒng)主要是安裝在機器人上、可在管道外部控制的清潔動力刷；電纜長度超過30米，不易損害，能夠滿足基本需要。同國外同類裝置相比，該機器人具有尺寸小、成本低、行動靈活、操作可靠、清潔效率高和應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點，并且在移動機構(gòu)的驅(qū)動系統(tǒng)、主動控制臂系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和清潔系統(tǒng)的設(shè)計上均有創(chuàng)新。國內(nèi)在中央空調(diào)管道清潔設(shè)備方面的研究越來越多,并取得了一定的突破性成果。但是,包括以上所敘述的設(shè)備在內(nèi),目前國內(nèi)研制出來的中央空調(diào)管道清潔設(shè)備還僅限于水平管道或有小坡度管道的清洗,至今還沒有發(fā)現(xiàn)可用于垂直管道清洗的中央空調(diào)管道清潔設(shè)備。1.3市場需求預(yù)測據(jù)介紹我國有超過500萬個各類中央空調(diào)需清洗保養(yǎng)，而且每年正在以10%的速度遞增，而這些中央空調(diào)大部分運行了20年以上卻從未清洗。就目前而言無論從中央空調(diào)風道專業(yè)清洗服務(wù)公司來講還是從國內(nèi)外空調(diào)風道清洗機器人設(shè)備廠家來看，都不能應(yīng)付這一龐大的清洗市場。從國內(nèi)方面來說，國內(nèi)空調(diào)管道清洗行業(yè)市場還未形成，空調(diào)風道清洗行業(yè)剛剛起步，國內(nèi)幾乎沒有清洗公司能夠具備一流的清洗服務(wù)隊伍，滿足各類客戶需求，而設(shè)備生產(chǎn)廠家除了國外發(fā)達國家的成熟產(chǎn)品外，國內(nèi)能夠適應(yīng)各類風道特點并且技術(shù)成熟，實用性強的清洗機器人設(shè)備廠家更是鳳毛麟角。所以我國目前許多地區(qū)的中央空調(diào)通風管道清洗市場是一片空白！從國外方面來說，雖然國外廠家的機器人性能成熟，但是它是根據(jù)自身的中央空調(diào)風道的而制造的，但國外的中央空調(diào)風道是標準和規(guī)范的，而我國的中央空調(diào)風道是根據(jù)建筑面積設(shè)計安裝的，各個風道不盡相同，生產(chǎn)規(guī)格統(tǒng)一程度較低，各生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品規(guī)格不盡相同，屬非標產(chǎn)品。使得國外進口的清洗設(shè)備對于國內(nèi)很多中央空調(diào)來說并不適用，很大一部分不能對我國中央空調(diào)風道產(chǎn)生作用。從以上分析可以看出，我國的中央空調(diào)通風管道清洗市場是有很大潛力的，尤其是在2003年“非典”疫情傳播后，人們對中央空調(diào)給人們帶來的疾病隱患有了相當大的認識，國家相應(yīng)地出臺了強制性空調(diào)清洗的法規(guī)，使得風道清洗行業(yè)將成為中國一個新興的有著巨大潛力的發(fā)展行業(yè)。開發(fā)適合我國中央空調(diào)管道清洗機器人產(chǎn)品有很大的經(jīng)濟價值。1.4設(shè)計的重點與難點本次設(shè)計主要設(shè)計行走機構(gòu)及其張緊裝置，對于清潔機器人，移動載體的設(shè)計是一個重點。由于機器人工作于空間狹小的管道中，要求其移動載體具有很好的轉(zhuǎn)彎能力。國內(nèi)清洗市場的產(chǎn)品僅適于水平管道的清洗，而本設(shè)計要求機器人同時還要能清洗垂直管道。因此，怎樣使中央空調(diào)管道清潔設(shè)備具有能攀爬垂直管道的能力并具有良好的轉(zhuǎn)彎能力是該產(chǎn)品設(shè)計的一個重點也是難點。張緊裝置的設(shè)計也是該課題的重點。張緊裝置與移動載體相配合，使得機器人具有垂直上爬能力，因此，張緊裝置的設(shè)計合理與否，直接關(guān)系到機器人的工作能力。2機器人行走機構(gòu)的設(shè)計2.1空調(diào)管道系統(tǒng)介紹及清洗原理中央空調(diào)通風管道按截面形狀分有圓管和方管，按管道軸線類型分有直管、彎管（L型彎管）、T型管和十字型管等，管徑和接頭沒有規(guī)范，有較多的斜坡或臺階。在實際的空調(diào)通風管道中，使用方管比圓管要多，原因是方管在制作時高度比寬度小，所占去的高度比圓管要少，并且方管安裝方便，所以方管使用比例大。由于加工、使用等原因，實際使用的管道并不一定時理想的幾何體，履帶、管道均有一定的彈性，在重力、外界擠壓等力的作用下會產(chǎn)生變形。我們在研究管內(nèi)行走機構(gòu)動力學時，在不失實際意義的情況下假定：管道具有理想的幾何形狀，接頭和分叉都是理想的幾何過度。管道及機器人的履帶變形可以忽略。管道清潔機器人的清掃原理：使用機器人進行風管內(nèi)部檢查；采用氣囊封堵風口；機器人清掃風管內(nèi)壁；使用集塵凈化器吸收風管內(nèi)的菌團和雜質(zhì)；監(jiān)視器觀察風管內(nèi)壁的清洗效果，并錄像備案；恢復(fù)風口和工作區(qū)域。如圖2.1所示：圖2.1中央空調(diào)通風管道清洗示意圖2.2機器人移動載體方案設(shè)計2.2.1總體方案設(shè)計機器人移動載體的設(shè)計是本次設(shè)計的難點之一如果僅限于地面移動，機器人的移動載體形式有車輪形、履帶形、腿腳形、軀干形等四種形態(tài)。與其他移動機構(gòu)相比，車輪形移動機構(gòu)具有以下一些優(yōu)點：高速穩(wěn)定地移動、能量利用率高、機構(gòu)和控制簡單、能借鑒當今已積累的汽車技術(shù)與經(jīng)驗等。因此本設(shè)計采用輪式結(jié)構(gòu)。按照車輪數(shù)目的不同，輪式載體可分為單輪至四輪及五輪以上等幾種。其中單輪與兩輪主要是用來進行直立穩(wěn)定移動控制問題的基礎(chǔ)研究，而不是著眼于機器人移動機構(gòu)的實用化問題。如果單考慮平面移動的話，三輪機構(gòu)已經(jīng)可以了，但從加強移動過程中的穩(wěn)定性角度來考慮，目前多數(shù)采用的是四輪機構(gòu)。五輪以上的機構(gòu)的提出，是因為它在裝載重物時具有較大的穩(wěn)定性，而且適用于臺階、階梯等非平地狀態(tài)的移動。因此，本設(shè)計采用四輪機構(gòu)的移動載體。典型的四輪移動機構(gòu)有如下幾種：兩輪獨立驅(qū)動方式如下圖2.2所示：圖2.2驅(qū)動方式圖前后兩個為輔助輪（萬向輪），左右兩輪為獨立驅(qū)動輪，其自轉(zhuǎn)中心與車體中心重合。它的轉(zhuǎn)向不是通過操舵機構(gòu)的動作，而是依靠左右兩輪的差速實現(xiàn)的，當兩輪以相反速度方向轉(zhuǎn)動時，車體能饒自身中心自轉(zhuǎn)，以便在狹窄場合改變方向。這種車輪布置方式在靈活性和穩(wěn)定性上都是比較好的，由于沒有操舵機構(gòu)，因此該機構(gòu)也比較簡單，可以減輕重量，適合空調(diào)管道機器人要求體積小重量輕的要求。它的缺點是當遇到溝槽使得左右兩驅(qū)動輪被架空時，由于驅(qū)動輪不著地不能產(chǎn)生動力，這樣的話整個機器人便不能移動了。汽車車輪配置方式如圖2.3所示：圖2.3車輪配置方式兩個操舵輪需要同一個操舵機構(gòu)來協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向，此外后輪配有差動齒輪裝置，增加了機構(gòu)的復(fù)雜性。由于它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以僅用于智能汽車等的研究方面，而在機器人的移動機構(gòu)中不太采用。全方位移動車方式三輪車或四輪車基本是2自由度的，不能進行任意的定位和定向。ODV的提出就是為了實現(xiàn)機器人任意方向的運動而開發(fā)的，它的移動機構(gòu)具有原地改變方向或以一定姿態(tài)角度移動等多種功能。這種ODV結(jié)構(gòu)需要有轉(zhuǎn)向操舵機構(gòu)和多個離合器，因此，雖然其性能很優(yōu)越，但機構(gòu)很復(fù)雜，并不適合本設(shè)計對移動機構(gòu)的要求。由于本設(shè)計的空調(diào)管道清洗機器人要求在管道中行走，對其自身的空間尺寸和自重提出了嚴格的限制。因此要求機器人的各部分結(jié)構(gòu)要盡量簡單。綜合考慮上面的方案，結(jié)合本設(shè)計要求，本設(shè)計選用兩輪獨立驅(qū)動方式的移動載體。為了克服上述所提到的該機構(gòu)的缺點，可以在后萬向輪中安裝一應(yīng)急電機，同時在輪軸中安裝一超越離合器，機器人正常時應(yīng)急電機不工作，超越離合器處于超越狀態(tài)，當遇到左右兩個驅(qū)動輪被架空時，超越離合器處于嚙合狀態(tài)，應(yīng)急電機工作。2.2.2傳動方案的設(shè)計由于齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長、效率高、傳動比準確等優(yōu)點，因此在考慮具體的傳動方案時，應(yīng)該選用齒輪傳動。由于兩電機獨立驅(qū)動，兩驅(qū)動輪的傳動方案是一樣的，下面以一輪為例來討論。在查閱了大量資料之后同時考慮到機器人的水平行走速度和垂直行走速度，經(jīng)過反復(fù)的計算，確定驅(qū)動輪的傳動方案如圖2.4所示：圖2.4驅(qū)動輪傳動方案圖Z7與Z10為制造有半牙嵌離合器的齒輪。機器人水平行進時，其速度較高，牙嵌離合器嚙合，傳力路線為：電機—齒輪Z1—齒輪Z2—齒輪Z3—齒輪Z4—齒輪Z5—齒輪Z6—齒輪Z7—齒輪Z10—車輪；機器人垂直行走時速度較低，牙嵌離合器脫離嚙合，傳力路線為：電機—齒輪Z1—齒輪Z2—齒輪Z3—齒輪Z4—齒輪Z5—齒輪Z6—齒輪Z7—齒輪Z8—齒輪Z9—齒輪Z10—車輪。由于后萬向輪電機僅在特殊情況下工作，對其傳動要求并不很嚴格，再考慮到安裝的難易程度，該傳動選為蝸輪蝸桿傳動，其傳動比大、所采用的零件數(shù)目少、結(jié)構(gòu)緊湊，其傳動方案如圖2.5所示：圖2.5后萬向輪傳動方案2.3張緊機構(gòu)方案設(shè)計在設(shè)計張緊機構(gòu)的過程中，我首先從動力源開始考慮。按照動力源的不同，張緊機構(gòu)可分為兩種：1)電氣張緊動力由電機提供，考慮理由是電氣驅(qū)動應(yīng)用普遍、噪聲小、提供動力大。在電機作為動力源的前提下，傳動方案又有兩種：絲杠螺母傳動如圖2.6：圖2.6絲桿螺母傳動輪子固定在螺母上，電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，使得螺母連同輪子往上移動實現(xiàn)撐緊。這個方案的缺點是機構(gòu)比較復(fù)雜，增加了載重。齒輪齒條傳動如下圖2.7：圖2.7齒輪齒條傳動輪子固定在齒條上，通過電機帶動齒輪轉(zhuǎn)動，使得輪子連同齒條往上移動實現(xiàn)張緊。這個方案的缺點除了結(jié)構(gòu)復(fù)雜外還有摩擦很大。2)氣動張緊由壓縮空氣驅(qū)動氣缸提供動力，考慮理由是在所有的驅(qū)動方式中，氣壓驅(qū)動操作簡單、成本低、易于編程，并且氣動能很容易地保持輸出壓力不變?？紤]方案如圖2.8：圖2.8氣壓驅(qū)動由于氣缸的活塞要求直線往復(fù)運動同時又要有輕微的圓弧擺動，因此氣缸的安裝方式為單耳尾座式。另外，氣缸活塞桿承受的力應(yīng)作用在桿軸線上，不允許有偏載，因此采用連桿機構(gòu)既可避免活塞桿偏載也能起到增力的作用。3.具體設(shè)計計算3.1移動載體傳動計算3.1.1左右驅(qū)動輪傳動計算在前面的方案設(shè)計中已經(jīng)對驅(qū)動輪的傳動方案進行了討論，經(jīng)過反復(fù)的計算對比，我選輪子的尺寸為140mm，即D=140mm，R=70mm。電機的選擇電機類型的選擇此電機用于驅(qū)動機器人行走機構(gòu)，要求對速度和位移形成反饋，為便于控制，本設(shè)計選用直流伺服電機。選擇電機的容量根據(jù)同類產(chǎn)品估計機器的重量為30Kg，g取9.8N/Kg，則G=30×9.8=294N。機器水平行走機器水平行走時分配到每個輪子上的載荷為：F=對驅(qū)動輪進行受力分析如圖3.1：圖3.1驅(qū)動輪受力其中：設(shè)載體為5kg，則FN=5×9.8N+73.5N=122.5NMf為滾動摩阻，Mf=N按照實心橡膠輪胎在優(yōu)質(zhì)路上時取=1mm，則：Mf=N=1×122.5=122.5（N·mm）=0.1225（N·m）f為輪子與管道面之間的摩擦力，按照塑料與硬橡膠的摩擦取摩擦系數(shù)u=0.1，則：=0.1×12.25=12.25（N）則輪子行走過程中所受的阻力矩：工作機要求的功率式中：由取則：電機所需的輸出的功率水平行走的動力傳遞路線：電機—齒輪Z1—齒輪Z2—齒輪Z3—齒輪Z4—齒輪Z5—齒輪Z6—齒輪Z7—齒輪Z8—齒輪Z9—齒輪Z10—車輪。式中：為軸承的傳動效率，取為0.99；為齒輪嚙合效率，取為0.97；為離合器效率，取為0.90.故有：=則有：機器垂直行走機器垂直上爬時除了機器自重外還加上電纜等垂直攀爬載重10kg，故總重量為40kg。機器垂直上爬的理論功率工作機要求的功率電機所需的功率：其中：垂直行走路線：電機—齒輪Z1—齒輪Z2—齒輪Z3—齒輪Z4—齒輪Z5—齒輪Z6—齒輪Z7—齒輪Z8—齒輪Z9—齒輪Z10—車輪。故有：C.確定電動機轉(zhuǎn)速由于單級圓柱齒輪傳動傳動比范圍為1~5，則有：水平行走總傳動比：,電機的轉(zhuǎn)速范圍：136.5×(1-125)=136.5-17062(r/min)垂直行走總傳動比：，電機的轉(zhuǎn)速范圍：136.5×(1-15625)=136.5-213281(r/min)查手冊選直流伺服電機110SN002，其額定功率Ped=40W，額定轉(zhuǎn)速n=3000r/min其技術(shù)參數(shù)如下表1型號額定功率W額定力矩Nm額定轉(zhuǎn)速min-1額定電流A轉(zhuǎn)動慣量10-5kg·m重量Kg110SN002400.095300031.91.1表2-1計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比水平行走總傳動比水平行走傳動比：垂直行走總傳動比：因為垂直行走的傳動路線包括水平行走路線，所以可以先按水平行走計算，再加上兩級傳動成為垂直行走的傳動路線。水平行走時平均分配傳動比，即：則垂直行走時的傳動比，其中，分別為齒輪7，8和齒輪9，10的傳動比。因為=22，故有：=10，平均分配傳動比：===3.16計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)水平行走各軸轉(zhuǎn)速nⅠ=nW=3000r/minnⅡ=各軸功率，垂直行走各軸轉(zhuǎn)速nⅠ=nW=3000r/minnⅡ=各軸功率各軸轉(zhuǎn)矩由以上計算可以看出,機器人垂直行走時各軸的功率均比水平行走各軸功率大,故計算各軸扭矩時應(yīng)以垂直行走時的功率計算.:I軸（電機軸）：II軸：III軸：IV軸：V軸：VI軸：傳動齒輪尺寸計算在該傳動系統(tǒng)中雖然齒輪的位置、功能有所不同，并且材料也有所不同，但都是直齒圓柱齒輪傳動，都采用的硬齒面，因此這些齒輪的計算方式是相同的。下面以高速級傳動齒輪Z1，Z2為例說明齒輪尺寸計算的具體過程。A.選擇齒輪材料、精度等級、齒輪齒數(shù)考慮到齒輪傳遞的功率和扭矩不大，并且機器人的設(shè)計要求機器人各部件在滿足使用要求的前提下質(zhì)量要輕，齒輪結(jié)構(gòu)緊湊，所以考慮本級齒輪材料采用工程塑料。通過查閱設(shè)計手冊，本級齒輪材料選用聚碳酸脂（PC），其抗彎強度為130MPa，齒面硬度45～50HRC。機器人行走機構(gòu)傳動齒輪對載荷分布均勻性要求高，故選擇齒輪精度為8-8-7。初選小齒輪齒數(shù)Z1=20，則Z2=i1·Z1=2.8×20=56B.按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計對閉式硬面齒輪傳動，承載能力一般取決于齒根彎曲疲勞強度，故按彎曲強度設(shè)計，再校核其接觸強度是否滿足。齒根彎曲疲勞強度設(shè)計公式如下：確定式中各項數(shù)值;按載荷有輕微沖擊，查得KA=1.10,初選載荷系數(shù)Kf=1.5T1=TI=114.6N·mm有公式得：由公式可得重合度系數(shù)再通過查表?。河泄絅=60njLk（按設(shè)備每天工作8小時，年限為10年），算得齒輪工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分別為：再由上面所求的N1,N2查得：,按一般可靠度查表選擇SFmin=1.25；按齒輪材料聚碳酸脂（PC），查得其彎曲疲勞極限則有：取設(shè)計齒輪模數(shù)：將確定后的各項參數(shù)代入設(shè)計公式，求得：修正：再經(jīng)過查表得：；則為提高安全性和便于計算，按第一系列取標準模數(shù)m=1mm則齒輪的主要幾何尺寸如下：取校核齒面接觸疲勞強度齒面接觸疲勞強度校核公式：經(jīng)過查表得：；;按不允許出現(xiàn)點蝕，查得：，；查出：；查表選出則有：將確定出的各項數(shù)值帶入接觸強度校核公式，得：因此齒輪的接觸強度滿足要求。根據(jù)同樣的計算步驟可以計算出該傳動方案中其他齒輪的各參數(shù)，現(xiàn)將計算結(jié)果列表如下表3-2：齒數(shù)Z20562056205622701958分度圓直徑d（mm）20562056205627.587.527.587.5齒寬B（mm）1210121012107597模數(shù)m(mm)111151.25表3-23.1.2后萬向輪傳動計算1）電機的選擇A．電機類型的選擇由于傳動性質(zhì)與左右兩驅(qū)動輪傳動性質(zhì)相同，因此這里的電機仍選用直流伺服電機選擇電機的容量輪子的直徑選為70mm，即D=70mm，R=35mm，此時移動速度設(shè)為0.44m/s。這時分配到每個輪子上的載荷為：滾動摩阻Mf和摩擦力f的計算與前同。即：則輪子行走過程中所受的阻力矩：工作機要求的功率式中：由取則有：電機所需的輸出的功率由傳動方案圖可知：式中：為渦輪嚙合效率，取為0.80.為軸承的傳動效率，取為0.99；為齒輪嚙合的效率，取為0.97；故有：則有：查閱《新編非標準設(shè)備設(shè)計手冊》，選擇直流伺服電機55SZ51，電機的技術(shù)參數(shù)如表3-3所示：型號電壓(V)電流(A)功率(W)轉(zhuǎn)速（r/min）轉(zhuǎn)矩(Ncm)電樞勵磁電樞勵磁55SZ51242.250.492930009.11表3-32）渦輪蝸桿的計算由于渦輪軸即為車輪軸，因此渦輪轉(zhuǎn)速即為輪子的轉(zhuǎn)速，為120r/min，渦輪軸為電機軸，轉(zhuǎn)速為3000r/min，則傳動比為A．選擇渦輪﹑蝸桿材料，確定許用應(yīng)力由于該傳動作為應(yīng)急傳動，要求其要可靠，所以蝸桿材料為40Cr，表面淬火，硬度45～50HRC；由于該渦輪蝸桿傳動只是備用傳動，并且轉(zhuǎn)速不高，因為渦輪材料為ZcuA110Fe3Mn2,金屬模鑄造。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)查表得：因此有：B．選擇,傳動比i=25，取=2,則=i×=2×25=50C.按齒面接觸疲勞強度設(shè)計齒面接觸疲勞強度設(shè)計公式為：查表得;由于，?。灰蜉d荷平穩(wěn)，取；則載荷系數(shù)=0.88;初選=1102.5N·mm查表得：；將這些數(shù)據(jù)帶入接觸強度計算公式，求得：按接觸強度要求，，因此可以選?。褐行木嘤捎赼=30mm不是標準推薦中心距，如選擇標準中心距，渦輪將變位。本設(shè)計不采用變位，取a=30mm不變。演算初設(shè)參數(shù)渦輪圓周速度原估計，選值，相符?；瑒铀俣?，所選渦輪材料ZcuAl10Fe3Mn2合適。蝸桿傳動效率查表得傳動效率初選吻合。驗算齒根彎曲疲勞強度驗算公式：蝸輪當量齒數(shù)，查得齒形系數(shù)則可求得：，帶入上市中可得：彎曲強度滿足要求蝸桿、渦輪幾何尺寸計算蝸桿齒根圓直徑：蝸桿齒寬：取蝸輪喉圓直徑：蝸輪齒根圓直徑：蝸輪咽喉母圓半徑：超越離合器的選擇蝸輪與車輪軸之間應(yīng)該安裝一超越離合器，機器人正常時，超越離合器處于超越狀態(tài)，當遇到左右兩個驅(qū)動輪被架空時超越離合器處于嚙合狀態(tài)，此時電機動力通過蝸桿蝸輪和超越離合器傳遞到車輪軸上，驅(qū)動車輪前進。選擇超越離合器時應(yīng)該以計算出的車輪的扭矩Tw作為主要指標，同時還應(yīng)該考慮蝸輪直徑和車軸的直徑。通過查閱相關(guān)信息，選擇洛陽高新超越機械有限公司的HFL沖壓外圈滾針超越離合器，這種離合器是一種具有最小徑向截面的外星輪式超越離合器。它由薄壁沖壓外圈、塑料保持架、鑲嵌于保持架中的金屬異型彈簧和裝于保持架兜孔中的滾針組成，滾針是鎖緊原件。我選擇的產(chǎn)品型號為HF1416，其扭矩為17.3Nm，極限轉(zhuǎn)速為9500r/min。3.2張緊啟動系統(tǒng)的設(shè)計計算3.2.1氣缸的選擇機器人垂直上爬時，對其各輪子進行受力分析，如圖3.2：圖3.2機器人垂直上升輪子受力G為機器人自重，50Kg；G1為垂直攀爬載重，10Kg。由力的平衡有等式：式中：F為氣缸的張緊力所以代入可得：故有：代入數(shù)值可得：所以：F=2940(N)由于在汽缸的使用中采用了2倍增力機構(gòu)，因此汽缸的實際推力為：有公式:可得：式中：為氣缸的靜推力；D為氣缸活塞的直徑；P為氣壓；為載荷率。由于這里對氣缸的動態(tài)參數(shù)要求低，且氣缸的工作頻率低，其載荷率取為0.85，取氣壓P為0.6MPa，則有：查閱手冊選取廣東肇慶方大氣動有限公司生產(chǎn)的氣缸內(nèi)徑為的10A-5系列氣缸，該系列產(chǎn)品引進日本TAIYO株式會社技術(shù)，主要零部件用鋁合金制造，重量輕，無給油潤滑。其使用壓力范圍為（0.05-1.0）MPa，使用溫度范圍為（-25-80）℃。3.2.2啟動輔助元件和回路的選擇設(shè)計為實現(xiàn)汽缸的來回動作，氣動回路中必須有換向閥，這里的換向閥應(yīng)為兩位三通換向閥，查閱手冊，選擇無錫市華通氣動制造有限公司生產(chǎn)的PC系列二位四通直動式電磁閥，其技術(shù)規(guī)格如下表3-4：型號工作介質(zhì)工作壓力/MPa額定流量/最高換向頻率/Hz允許泄漏量/工作壓力/VPC24-1/2潔凈壓縮空氣0-0.810110表3-4另外，在氣缸的使用中，安裝的氣源進口必須設(shè)置有氣源調(diào)節(jié)裝置，過濾器-減壓閥-油霧器，在市場中吧這三種裝置做成一個組合件，即三聯(lián)件，它在氣動系統(tǒng)中起著過濾、調(diào)壓及油霧的作用。這里，我們選擇了無錫市華通氣動制造有限公司生產(chǎn)的389系列三聯(lián)件，其輸出壓力為1MPa，輸出壓力為0.6MPa。選擇了上述氣缸和各種閥后，便可以畫出氣動系統(tǒng)原理回路如圖：圖3.3氣動系統(tǒng)原理3.3傳動齒輪﹑蝸輪蝸桿的尺寸計算這部分齒輪和蝸輪蝸桿的計算步驟與行走載體的齒輪和蝸輪蝸桿傳動計算步驟相類似，這里只給出計算結(jié)果如下表3-6和3-7齒輪蝸輪蝸桿齒輪Z1872224分度圓直徑d18721448模數(shù)m1122表3-6齒輪蝸輪蝸桿齒輪Z1957228分度圓直徑d19571035模數(shù)m111.251.25表3-73.4軸的設(shè)計﹑計算和校核本設(shè)計中的軸大部分都是以心軸的形式存在的，即只承受彎矩而不承受扭矩，但輸出軸既承受彎矩也承受扭矩，因此這里只討論行走載體的輸出軸的設(shè)計校核過程。初估軸頸一般按照許用扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力的方法估算軸徑，估算公式為：主軸采用40Cr，C取98—107，這里取100則對輸出軸：軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計在最小軸徑的基礎(chǔ)上，根據(jù)軸上零件的位置﹑類型﹑尺寸，以及定位﹑定位方式和載荷情況，我們就可以設(shè)計階梯軸的軸向尺寸和形狀，對于要與例如軸承等標準零件配合的部分，應(yīng)采用標準的軸徑，其他部分的軸徑和軸肩尺寸，只要略高于前端軸徑即可。在進行機構(gòu)的具體設(shè)計時，考慮到具體的結(jié)構(gòu)定位問題，把IV軸和VI軸做成是同一根軸，對于其是否滿足強度要求可以通過下面對軸的強度校核來說明。經(jīng)過具體的設(shè)計，行走載體輸出軸的結(jié)構(gòu)圖3.4所示：圖3.4行走機構(gòu)輸出軸軸的校核由于機器人水平行走和垂直行走要求不同的傳力路線，這里以垂直行走的傳力路線校核軸的強度。對輸出軸進行受力分析，如圖3.5圖3.5輸出軸受力分析其中：由于齒輪6和齒輪7為通過軸承空套在軸上，因此其切向力和對軸的彎矩不產(chǎn)生影響，只需考慮徑向力和。另外，是通過兩端的深溝球軸承作用在軸上的，而由于離軸端很近，可認為其直接作用在軸端，經(jīng)過以上分析，可把軸簡化為圖3.6圖3.6受力簡化圖圖中：把其中受力分解為水平和垂直兩個方向：水平方向受力如圖3.7所示：圖3.7水平受力求得支反力：,作出其剪力圖和彎矩圖如下圖3.8圖3.8剪力圖彎矩圖垂直方向受力如圖3.9所示：圖3.9垂直方向受力圖求得支反力：，作出其剪力圖和彎矩如圖3.10：圖3.10垂直方向剪力圖彎矩圖從彎矩圖上可以看出，軸的危險截面為Ⅰ﹑Ⅱ﹑Ⅲ﹑Ⅳ截面，求得各截面的合成彎矩如下：按彎矩合成校核軸的強度：對Ⅰ﹑Ⅱ截面，由于其半徑相同，只需校核I截面即可：對截面Ⅲ:,由于截面Ⅲ帶有鍵槽，查得此時的抗彎截面系數(shù)，代入數(shù)值得：所以對截面Ⅳ，其只受彎矩的作用，故有：輸出軸材料采用40Cr，其許用彎曲應(yīng)力，由此可見，該軸的幾個危險截面滿足強度要求。3.5軸承的壽命計算這里計算輸出軸上的角接觸球軸承的壽命。計算軸承所受的徑向載荷R1和R2由前面軸的校核計算已知：水平支反力,垂直支反力，求得合成支反力：計算軸承的軸向載荷A1和A2由于成對安裝兩個同一型號的角接觸處可按雙列軸承的數(shù)值，查得內(nèi)徑為17mm的雙列角接觸球軸承的C=14KN,Co=8.65KN。軸承內(nèi)部派生軸向力S=eR，其中e為判斷系數(shù)，其值有的大小來確定，先估取e=0.4，則有：因為,所以軸承1“放松”，軸承2“壓緊”因此求得，代入公式在此計算得：同理由軸向載荷判斷比較知軸承1“放松”、軸承2“壓緊”，故有：(3)計算軸承的當量動載荷P1和P2因為查表得徑向載荷系數(shù)和軸向載荷系數(shù)為：軸承1,;軸承2,(選公稱接觸角a=5°的角接觸球軸承，其動載荷系數(shù)按深溝球軸承取)因為,故應(yīng)以計算軸承的壽命：4機器人轉(zhuǎn)彎時的管道通過性分析機器人在直線方管中能通過的最小管道尺寸：438mm(寬)×294mm(高)而確定機器人的彎道通過性是十分重要的，因為管道機器人在管道彎道行走時，如管道環(huán)境和機器人尺寸不適應(yīng)，可能會產(chǎn)生卡住現(xiàn)象，造成機器人在管道內(nèi)進退兩難。因此機器人要能安全通過彎道，必須充分考慮管道的通過性。4.1管道機器人在水平直角彎管的通過性分析如下圖：圖4.1普通垂直相交管道情況管道機器人在直角彎管中行進的狀態(tài)如圖3.12所示。設(shè)管道寬度一端為a，另一端b，機器人長l，如圖所示正通過矩形管直角彎道。以圖中O點為原點，建立圖示坐標系，設(shè)機器人的一邊始終沿著管道外側(cè)運動，即B點始終在x軸上，C點始終在Y軸上，保證最大限度地利用管道空間。在BC連線從x軸運動到Y(jié)軸的過程中，A點到BC線段最短距離就是該彎角所能允許的最大機器入寬度，由此可判定機線段最短距離就是該彎角所能允許的最大機器入寬度，由此可判定機器人的寬度能否通過該彎道。由圖3.12，可得出BC連線的兩點式方程式化簡得則A點(a,b)到該直線的距離d為設(shè)機器人允許最大寬度為mmax，則當θ(0,)時，dmin=mmax其中需要說明的是當>0時，表明A點在BC之上，反之則A點在BC之下，顯然，本題情況只有A點在BC之上時才合理。對于該問題曾嘗試過解析解，但結(jié)果相當復(fù)雜。故該問題可根據(jù)具體的管道和機器人尺寸計算相應(yīng)的mmax，如果機器人尺寸小于mmax則可以通過彎角，反之則不能。在管道中常見的相交兩管等寬的情況屬于該問題的一個特例，即A點坐標為(a，a)，該情況下求出dmin時，θ=45°，可直接用求解?？傻胊=487.9mm,可取490mm所以機器人能通過的直角彎管最小管道寬度為490mm4.2管道機器人在矩形管水平圓弧形彎頭的通過性分析還有一種情況就是如圖3.13所示的矩形管圓弧形彎頭，圓管半徑R，寬a。同樣假設(shè)機器人機體沿管道最外沿運動，從而充分利用管道空間。該情況下，可通過幾何關(guān)系得出所允許的機體寬最大值mmax。分析如下：圖4.2通過矩形圓弧彎頭的情況如圖所示尺寸，管道內(nèi)邊半徑R-，外邊半徑R+。由=R+,=,有化簡得通過以上分析計算，就可以根據(jù)具體的管道情況設(shè)計機器人機體尺寸，或者驗證已成形的管道機器人能否通過實際的管道。計算完成后應(yīng)該在算得的數(shù)據(jù)上加安全系數(shù)，以排除管道內(nèi)其它位置因素的影響，確保機器人可以順利通過矩形管道的彎角。5結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計工作是一個反復(fù)進行不斷修改尋優(yōu)的過程。在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，要考慮結(jié)構(gòu)是否滿足強度要求﹑剛度要求﹑裝配的精度要求﹑確保各個零件的可裝配性外，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊和便于安裝。在進行機器人設(shè)計的過程中，我把機器人的設(shè)計分為兩大主要部分：移動載體﹑張緊裝置，采用模塊化設(shè)計方法。模塊化設(shè)計是機構(gòu)設(shè)計的發(fā)展趨勢，具有便于安裝和維修更換零部件的優(yōu)點。把機器人的移動本體﹑張緊機構(gòu)分別獨立加工裝配，然后組裝在一起。這樣對于各個部件的維修和更換是很方便的。行走載體主要包括一系列減速齒輪，為了使結(jié)構(gòu)緊湊，同一軸上的兩個齒輪做成一個整體，軸承外圈依靠過盈裝在齒輪組合體上，依靠內(nèi)圈與軸肩實現(xiàn)才、軸肩定位。支承軸固定不動，只承受彎矩作用。考慮到管道內(nèi)壁不會嚴格是平面，故在張緊機構(gòu)的設(shè)計中，輪子與增力連桿之間設(shè)有球鉸，使得機器人在管道內(nèi)壁有輕微傾斜的情況下仍能保證張緊輪同時與管壁接觸。張緊機構(gòu)與行走本體的連接是通過下殼體氣缸座和氣缸尾部的連接與增力連桿和上殼體的連接裝配在一起的。6.總結(jié)與展望作為一種代替人在管道內(nèi)作業(yè)的特種機器人，管道清掃機器人的研究和發(fā)展具有重要的社會效益、經(jīng)濟意義和廣闊的應(yīng)用前景。本文設(shè)計的中央空調(diào)管道清潔機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，自動化程度高，具有較強的應(yīng)用性。針對目前國內(nèi)外的現(xiàn)狀，為了使管內(nèi)作業(yè)機器人能夠盡快進入大規(guī)模實用化階段,必須在以下幾個方面有所突破：1.研究開發(fā)能夠適應(yīng)復(fù)雜管道和特殊管道的多功能行走機構(gòu)，管內(nèi)作業(yè)機器人在彎管、支岔管中的通過性問題仍未很好解決，要解決這一問題，首先要在機構(gòu)上保證機器人能夠在這些特殊環(huán)境中順利行走，提高機器人在彎管、L型和T型管中的通過性。因此要研究一種既融合各種機構(gòu)優(yōu)點，能夠提供較大的牽引力，又具有快速靈活，可靠性高的驅(qū)動方案。2.基于多傳感器的管況識別技術(shù)的研究。對管道內(nèi)部這類非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，現(xiàn)有的管內(nèi)作業(yè)機器人中的傳感器或無法正常發(fā)揮作用，或過多地依賴人的介入，已經(jīng)不能滿足其發(fā)展的需要。經(jīng)過多年的實踐，人們已經(jīng)認識到傳感器的集成，即多種傳感器(光，機，電，儀)的綜合運用是解決上述問題的有效手段，才能為提高管內(nèi)作業(yè)機器人的智能控制水平打下良好的基礎(chǔ)。其中以攝像機為基礎(chǔ)的視覺傳感器，將是發(fā)展的一個主要方向。例如，目前已經(jīng)在機械手控制中引入視覺伺服技術(shù)，即利用視覺傳感器來實現(xiàn)機械手的位置閉環(huán)控制。視覺對管內(nèi)機器人具有重要意義，利用視覺可以：（1）確定作業(yè)位置；（2）識別管內(nèi)環(huán)境(是否拐彎,是否有枝杈等)；（3）識別機器人的姿態(tài)(是否有轉(zhuǎn)體,相對于作業(yè)位置的距離等)。在管內(nèi)作業(yè)機器人中采用視覺伺服技術(shù)，有利于提高其控制性能和自主能力，并對其智能化進程有重要意義。3.在復(fù)雜管道環(huán)境下機器人智能控制技術(shù)的研究。在管道內(nèi)部復(fù)雜的環(huán)境中，為減輕操作人員的負擔，機器人具有自主能力是必要的，先進的控制策略，如路徑規(guī)劃，控制器參數(shù)的在線優(yōu)化等的研究也必將使管內(nèi)作業(yè)機器人的智能化水平得到進一步的提高。但這有賴于先進的傳感器技術(shù)，特別是管內(nèi)環(huán)境識別技術(shù)作保證。4.發(fā)展遠距離控制技術(shù)，解決拖線供能、通信對機器人的行走距離的約束。信號、電力的傳輸和供給方式：在直管道線纜可以順利進出，但是在彎曲管道里，尤其是有幾個彎曲的管道里，必須考慮線纜在轉(zhuǎn)彎處的阻力，因此現(xiàn)在的機器人一般只能進入帶彎道管道的深度為30m。采用無線的方式來傳遞信號，由于金屬管道具有一定的屏蔽作用，需要考慮發(fā)射信號的頻率。電力的供給現(xiàn)在一般采用高能干電池、蓄電池和管外供電(線纜)的方式。這些方式對機器人的行程有較大的影響。5.機構(gòu)和驅(qū)動器的小型化、微型化。外文資料BasicprincipleofductcleaningWhatisAirDuctCleaning?Inmanycases,thetwoterms"airductcleaning"and"indoorairpollution"areinextricablyconnected.Infact,airductcleaninghasevolvedinresponsetotheincreasingconcernsoverindoorairpollution.Althoughmostindoorairqualityproblemscanbetracedtoproblemsoutsidethephysicalairconveyancesystem,asignificantportionofindoorairqualityissuescanbetraced,atleastinpart,toconditionswithintheairconveyancesystemitself.Mostindoorairquality(IAQ)problemsareacombinationofmanyfactors,thephysicalconditionoftheheating,ventilation,andairconditioning(HVAC)systembeingoneofthem.

ThegoalofHVACorairductcleaningistoremovevisiblecontaminantssuchasdust,debrisandmoisturefromtheentireairconveyancesystemsothattheairpassesovercleansurfaces.Modernarchitectureandtechnologytomeetthecomfortofbothincreasingdemands,thegeneralintroductionoftheairconditioningsystem,butwiththeuseofvarioussyntheticmaterials,modernofficeequipmentsuchascomputersandsopopular,theimprovementofairtightconstruction,operationmanagementlimitationsandinordertoreducethecostandenergy-savingorotherreasonstominimizeoutdoorair,indoorharmfulgasandbiologicalpollutantsarenotdilutedandreasonablereplacement.Microbialcontaminantssuchasbreadmolds,mildewsandsoilfungi,whichcanbeinvisibletothenakedeye,canalsoberemovedfromtheHVACsystemwiththepropercleaningandsanitizingprocedures.PresenceofmicrobialisnotuncommoninanHVACsystem.However,thepresenceofactivemicrobialgrowthisofconcern,sinceitmayaffectindoorairqualityandposeahealthriskforsomepeople.Thebenefitsofairconveyancesystemcleaningincludelesseningthechancesofindoorairpollution,healthandcomfortcomplaintsbytheoccupants,anditmaydecreaseenergycostsbyallowingthemechanicalcomponentstooperatemoreefficientlyandlastlonger.IndustryGuidelinesTheductcleaningindustryiscurrentlyanunregulatedone.Ventilationpipesarethebackboneoftheairconditioningandventilationsystems,freshairandmixedair-conditioningairthroughtheductworkistransferredtothelivingspace,andbecausetheissueoftheinstallationofairductmayalsoexistavarietyofconstructionwaste.Withtheincreaseofservicelife,thewindpipewilldepositalotofdust.Thedirtdepositedintheappropriatetemperatureandundermoderatebreedingmicroorganisms,andacarrierconcentrationofvariouspollutants.Soontheairductcleaningisthemostimportantandnecessaryproject.Aftertheairductcleaninginordertoensureuniformandthoroughdisinfectioncan,needtousewithasprayrobotcameraontheairductdisinfection,thepurposeistodisinfectevenwithoutomission,soastoensurethethoroughnessofdisinfection.In1989,agroupofventilationcleaningcontractorsandequipmentmanufacturersformedtheNationalAirDuctCleanersAssociation(NADCA).NADCAhas,sinceitsinception,developedindustrystandardsforitsmembers,aswellasanAirSystemsCleaningSpecialist(ASCS)certificationprogramwhichincludescontinuingeducationandtrainingprograms.NADCAhasnotonlydevelopedcleaningstandards,buthasworkedcloselywiththeEnvironmentalProtectionAgency(EPA)ontestingtheeffectivenessofairductcleaning,resultingwiththeEPA'ssuggestionthatanairductcleaningserviceproviderfollowNADCAstandards.EquipmentandTechnologicalAdvancementDuctcleaningequipmenthasevolvedontheprincipalof'SourceRemoval,'i.e.,removingvisiblecontaminantsfromwithintheairconveyancesystem.Vacuumcollectionsystemsarethecenterofductcleaning.AllvacuumswhichareexhaustedinsidethebuildingmustbeHEPA-filteredwitha99.97%collectionefficiencyfor0.3micronsizeparticles.ThecleaningprocesstypicallyinvolvesconnectingalargeHEPA-filteredvacuumtotheairconveyancesystem,oraportionofthesystem,tocreateanegativepressuresonocontaminantsareallowedtoescapeintotheoccupiedspace.Airconditioningpiperobot'sfunctionsshouldhavecleanpipedust,spraydisinfectant,carryingCCDcamerasandsensormodules,etc.,andusuallywiththerobotsensors,inordertocontrolthemovementinthepipeline.CCDisusedinphotography,camera'shigh-technologycomponentsusingphotosensitiveelementCCDcameraperformanceinallaspectsaregood,withtheimagingwithhighsensitivity,anti-vibration,smallsize,andsoon.Distancesensorinfrareddistancesensor,installedinfrontoftherobot'ssideandmostweremeasuredbytherobottoobstaclesonbothsidesofpipeorthedistanceandobstaclestothefrontofthepipeorthedistance.Sotherobotmusthave"organ"withmobilecarrierstoinstallcleaningtools,parts,CCDcamerasystemsandlightingsystems,communicationsystems,steeringcontrolsystemsandotherancillaryequipment.

Asevidenceoftheindustry'stechnologicaladvancementwithinthelast10years,onesimplyhastoexaminethevastextentofequipmentthatisnowavailableandusedduringairductcleaning.InspectionDevicesInspectiondevicesareusedtoinspecttheinsideoftheAHUand/orductworkfordebris,contamination,andserviceability.Theopticalborescopeisonesuchdevicethatisusedfordirectviewing.Theborescopeisplacedthroughanexistingopening,suchasaventopening,oraserviceopeningiscreatedandthescopeisplacedintotheareatobeinspected.Scopesnormallyhaveatleasta115wattlightsource,astandard40degreefieldofviewandcanaccepta35mmcameraoradigitalcamerafordocumentationpurposes.

Fiberopticscopesandvideoscopesoperateonthesameprincipalastheopticalborescope.Inadditiontotheabove,theycanbepushedintotheductworkandcanactuallybemanipulatedaroundobstaclesandmaneuveredtospecificsectionsoftheductwork.Aclosedcircuittelevision(CCTV)camerasystemisusedtoremotelydirecttheheadofthesystemandavideorecorder,withvoice,canalsobeattachedfordocumentationpurposes.Remotecontrolledroboticequipmentcanbedriventhroughtheductworkandhasalloftheadvantagesasthepreviouslystatedinspectionequipment.Roboticequipmentcomesinallshapesandsizesandlookssimilartotoyarmytankswiththeirtreadedwheels.Robotscanhavetwocameras,oneforward,forentryintotheductwork,andonereverse,forexiting.Robotscanalsobeusedforcleaning,sprayingandsamplingoperations.VacuumCollectionDevicesTherearebasicallytwotypesofvacuumcollectiondevices:High-efficiencyParticleAir(HEPA)-filtered(whichfiltertheairviaHEPAfilters,wheretheairentersanoccupiedspace)andNon-HEPA-filtered(whichfiltertheairintounoccupiedspaces,normallyoutsidethebuilding).

HEPA-filteredvacuumsareveryefficientvacuums-infact,HEPAfiltersareusedincleanroomsandhospitaloperatingrooms.Theyfilter99.97%ofparticleswhichare0.3microns(aboutoneone-hundredthofapencildot)andlarger.LargeHEPA-filteredvacuums,commonlycallednegativeaircollectorsornegativeairmachines,areusedtoplacetheportionofthesystemunderanegativepressure.Thisensuresthatanydustordebrisinthesystemisdrawnintothevacuumandnotallowedtoentertheoccupiedspace.NegativeaircollectorshaveastagedfiltersystemwiththefinalstagebeingtheHEPAfilter.PortableHEPA-filteredvacuums,whichlookandoperatesimilartoshop-vases,areusedtohandvacuumordirectcontactvacuum,theAHUand/ortheductwork.TherearealsoHEPA-filteredwetvacuumsforremovingandcontainingcontaminatedwatercommonlyfoundindrainpansandinductworkthathasbeenflooded.

Non-HEPA-filteredvacuumsarecommonlyusedtocreateanegativepressureandmovematerials.Theirstaticpressurecapabilitiesareextremelyhighbecausetheyarenotverywellfilteredand,therefore,areplacedoutsideofoccupiedspaces,normallyoutsidethebuilding.Thebasicconceptoftheiruseinthecleaningprocessisthesameasdescribedaboveandtheycanbeusedtovacuumbulkmaterialssuchasblown-ininsulation.ACentralairconditionductcleanrobotisamechanicalsystem,whichcanwalkautomaticallyinsideapipe.Itworksincentralairconditionpipesunderthecontrolofanoperatorwitharemotedevice.Baseontheresultswhichhavebeenmadeinthisareasofar,theauthormadeacomprehensivestudyonsometheoreticalandpracticalproblemsforaspecialtypepiperobot.ContinuedEssentialTechnologyRemotecontrolledroboticequipmenthastheattributesnotedaboveintheinspectionsectionandcanbefittedwithspinningbrushes,directionalairnozzlesandairwhips,samplecollectiondevices,andsprayingattachmentsforsprayingsanitizingsolutionsorvariouscoatings.Robotsareinvaluableindifficulttoaccessareas.Theymaypreemptasituationinwhichaccessthroughaplasterceilingisconsideredortheuseofscaffoldingorlifts.Electricandpneumatictoolsareoperatedbytheirrespectivepowersources,electricityandcompressedair.Bothcategoriesincludespinningbrushesthatremovedebrisfromthesurfaceoftheduct.Thedebrisisthendrawnintoanegativeaircollectororitisha