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1、中央空調通風管清潔機器人 機器人創(chuàng)新設計 機制083 沈鑫 108011074 隨著我國國民經濟和城市建設的快速開展，中央空調已成為改善人們工作與生活環(huán)境的必備設施目前全國共有上百萬臺中央空調亟待清潔保養(yǎng)，其中相當一局部中央空調的通風系統(tǒng)從未進行過徹底的清潔，清潔面積大且縱橫交錯的中央空調通風管道已經成為長期的衛(wèi)生死角，由此造成的室內空氣污染問題嚴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注，政府也陸續(xù)出臺了相關的清潔標準，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，利用機器人進行清潔的空調清潔業(yè)正在悄然興起，但就目前

2、而言，中央空調風道清潔機器人市場卻根本上被價格昂貴的外國產品占據，這些外國產品動輒幾十萬，多那么上百萬，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風道清潔機器人對促進我國中央空調風道清洗行業(yè)的開展，改善室內空氣質量 提高人民生活和健康水平等具有積極的意義。 在西方一些興旺國家，中央空調清潔業(yè)已開展了幾十年，形成了一個巨大的產業(yè)，有著比擬成熟的清潔機器人技術。盡管國外清洗機器人技術先進 性能優(yōu)良，但由于不是針對國內風道狀況而設計，在清潔國內的風道時往往效果不甚理想。國內一些單位提出了自己的中央空調風道清潔機器人設計及方案，但面對國內尺寸規(guī)格變化萬千的風道，在適應性和清潔的徹底性方面還

3、顯欠缺 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)清潔方案設計 為節(jié)約建筑面積，國內建筑物的中央空調風道絕大局部設計成扁平矩形截面，且尺寸規(guī)格屬非標產品，給風道清潔帶來困難。在進行風道清潔作業(yè)時，目前的清潔機器人需要經常更換不同尺寸的毛刷，操作繁瑣，而且在兩種不同尺寸風道的過渡處遇到毛刷與風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，該方案在毛刷旋轉清潔風道時，如圖1a中step1和step3所示，可

4、以實現(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，機器人可根據風道大小對清潔臂俯仰和橫向兩個運動進行軌跡擬合，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)對不同尺寸風道的無死角清潔在保證風道內部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驅動電機的運動再進行擬合，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，保證機器人行走距離s小于毛刷清潔寬度d，形成漸進式矩形螺旋清潔軌跡，實現(xiàn)對風道的無死角清潔。 1.2系統(tǒng)組成 中央空調風道清潔機器人由清潔機器人本體電控系統(tǒng)

5、和控制軟件3局部組成，如圖2所示，電控系統(tǒng)又包括工控機和電控箱。 清潔機器人本體 清潔機器人本體用于對風道實施清潔，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)控向用戶進行反應 清潔機器人本體包括移動機構清潔機構檢測和消毒裝置，實現(xiàn)了對風道進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。 電控系統(tǒng) 電控系統(tǒng)結構如圖3所示，由工控機與電控箱組成，其中工控機局部由工業(yè)PC，PCI總線運動控制卡和視頻采集卡組成，電控箱局部由開關電源和各電機驅動器組成在工作過程中，電控系統(tǒng)根據控制指令控制機器人行進驅動電機二維運動平臺驅動電機清潔毛刷驅動電機和攝像頭驅動電

6、機進行相應的運動，同時計數(shù)除清潔毛刷驅動電機外各電機上編碼器的脈沖信號，將數(shù)值存儲在相應的存放器中，并將攝像頭視頻信號和二維運動平臺位置傳感器信號反應給控制軟件，從而實現(xiàn)清潔機器人各種預定的運動。 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應的視頻信號進行實時顯示，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)進行判斷，從而控制清潔機器人進行前進、后退、差速轉向、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，自動導向，攝像頭旋轉和擺動搜索等運動。 2 清潔機器人本體設計 清潔機器人本體，其采用模塊化設計，主要包括

7、: 移動機構、清潔機構、檢測裝置和消毒裝置。 2.1 移動機構設計 國內的中央空調風道內部底面絕大局部為堅硬平坦且較為粗糙的水泥外表，僅在不同尺寸規(guī)格風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采用簡便易行的四輪結構，前輪為主動輪，采用獨立驅動，即由兩個步進電機分別驅動左右兩個前輪，使得清潔機器人能夠靈活地實現(xiàn)前進和兩輪差速轉彎，控制簡單；后輪采用萬向輪式結構，使得清潔機器人能夠在風道內靈活地實現(xiàn)后退 車輪采用防滑橡膠輪，可以到達清潔機器人在風道內自由移動而不至于打滑的要求。 2.2 清潔機構設計 清潔機構是清潔機器人的核心局部，包括矩形螺旋清掃裝置。程控往復式吸塵 清障裝置

8、和清潔毛刷，能夠實現(xiàn)對不同尺寸的矩形風道進行無死角清潔，并能收集清潔下來的污物和灰塵，以便進行統(tǒng)一處理。 矩形螺旋清掃裝置設計 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、橫向驅動電機、滾動導軌組成，其中滾動導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形孔與橫向驅動電機輸出軸相連，橫向驅動電機安裝在橫向移動平臺架上，通過帶動齒輪旋轉，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、柔性拉索俯仰驅動電機、清潔臂和清潔臂轉軸組成。其中俯仰驅動電機通過D形孔與繞線輪相連，繞線輪通過滑輪纏繞柔性拉索，使清

9、潔臂繞清潔臂轉動軸做俯仰運動，實現(xiàn)了清潔毛刷俯仰運動。 程控往復式吸塵 清障裝置設計 往復式吸塵清障裝置，主要包括撮箕和吸塵器兩局部，其中撮箕與二維運動機構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道時，撮箕隨清潔毛刷同步左右往復運動。 通過毛刷驅動電機帶動毛刷旋轉可將風道內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，用撮箕將污物由風道出風口推出，克服了現(xiàn)有清潔機器人難于清理風道內較大污物的弊端 清潔機器人后部裝有吸塵器，撮箕前方設有隨撮箕同步運動的吸塵口，可以與清潔毛刷同步運動，將清潔下來的灰塵吸入，實現(xiàn)

10、吸塵功能 基于以上功能，清潔機器人實現(xiàn)了對風道內不同種類污物的收集 清潔毛刷設計 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動，毛刷與電機輸出軸間采用 D 形孔連接，并安裝有3根調整螺釘，以調整毛刷與電機軸的同軸度 該設計保證了清潔毛刷在清潔風道壁時轉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速變化不大，即在風道內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動電機間的動力傳動裝置，簡化了設計，考慮到清潔臂的平衡問題，清潔臂后端應加適當配重。

11、 3 矩形螺旋軌跡自動擬合和自動導向 為了增強清潔機器人的適應能力和通用性，必須使其能夠對不同尺寸風道自適應，由于清潔機器人采用了矩形螺旋清潔方式清潔風道，因此必須要解決矩形螺旋的自動擬合問題和機器人在風道內部的自動導向問題。 自動導向功能的實現(xiàn) 清潔機器人自動導向功能分為微調整和粗調整兩個局部。 1微調整 微調整主要用于直道情況，由控制軟件定時查詢計數(shù)移動機構兩驅動電機編碼器脈沖的存放器的數(shù)值，如兩數(shù)值偏差大于一閾值n時，那么控制軟件向數(shù)值較小的存放器對應的電機多發(fā)送n個脈沖，從而保證兩驅動輪行走距離相同。 2粗調整 粗調整由控制軟件采集清潔機器人撮箕兩側碰撞開關信號和計

12、數(shù)編碼器脈沖的存放器的數(shù)值，進而對清潔機器人進行乒乓 控制如圖10 所示，當清潔機器人處于彎道時，二維運動機構擬合矩形清潔軌跡， 那么行進一段距離后撮箕上的碰撞開關勢必與風道壁碰撞，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的橫向驅動電機反向運動并記錄下此時計數(shù)橫向驅動電機和移動機構驅動電機編碼器脈沖的存放器的數(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為碰撞開關前后兩次碰撞之間移動機構所行走的脈沖數(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，通過碰撞開關的碰撞信號和存放器中的數(shù)值能夠計算出清潔機器人偏離風道中心線的角度信息，從而根

13、據該角度信息控制清潔機器人兩驅動輪差速轉向，使得清潔機器人中心線始終跟蹤風道中心線，實現(xiàn)自動導向。 基于清潔機器人矩形螺旋軌跡的自動擬合和自動導向功能，清潔機器人就可以在風道中實現(xiàn)自動清潔。 4小結 提出了一種新型的矩形螺旋清潔方式和往復式污物收集方式對中央空調風道進行清潔，解決了風道清潔作業(yè)中易遺留死角的問題 在此根底上，對清潔機器人的移動機構 清潔機構 檢測裝置和消毒裝置進行了設計， 并對清潔機器人矩形螺旋軌跡自動擬合和風道內自動導向問題提出了解決方案， 實現(xiàn)了機器人在。 風道內的自動清潔 通過實驗測試證明該設計方案符合對中央空調風道進行清潔作業(yè)的性能要求，且機器人結構簡單，自

14、動化程度高，適用范圍廣，本錢不到外國同類產品的30%，到達了預期的設計效果。 參考文獻 ［1］ 孫方明，張學發(fā)，劉沛，等．中央空調通風道系統(tǒng)的清洗［J］．清洗世界，2007，23(6):36－38． ［2］ 楊雄．風管清洗機器人國產化研究及應用［J］．清洗世界，2004，20(11):37－40． ［3］ 李德福．空調通風清洗標準的制定和理解［J］．清洗世界，2004，20( 5):32－39． ［4］ 崔建波，高麗萍．集中空調風道清洗現(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．用于中央空調風道清潔的程控矩形螺旋式清掃裝置:中國，ZL202120053999．6［P］． 2021－05－13． ［6］ 文曉希，盧耀暉，吳正洪，等．具有自動導向功能的程控往復式吸塵清障裝置:中國,ZL202110032021．8［P］．2021－01－14． ［7］ 李俊，唐志偉，吳玉庭，等．風道清潔機器人系統(tǒng)的設計優(yōu)化與工程測試［J］．工程熱物理學報，2006，27(2):328－330．