风管清洁机器人机器人创新设计

中央空调通风管清洁机器人机器人创新设计机制083 沈鑫 108011074随着我国国民经济和城市建设的快速发展，中央空调已成为改善人们工作与生活环境的必备设施目前全国共有上百万台中央空调亟待清洁保养，其中相当一部分中央空调的通风系统从未进行过彻底的清洁，清洁面积大且纵横交错的中央空调通风管道已经成为长期的卫生死角，由此造成的室内空气污染问题严重影响着人们的身体健康尤其在非典、禽流感、H1N1等疫情发生之后， 人们对这一问题更加关注，政府也陆续出台了相关的清洁规范，费时费力且清洁效果不佳的传统人工清洁方式已不能满足现实的需要，利用机器人进行清洁的空调清洁业正在悄然兴起，但就目前而言，中央空调风道清洁机器人市场却基本上被价格昂贵的外国产品占据，这些外国产品动辄几十万，多则上百万，使一般的企业难于承受。因此自主研发高性价比的中央空调风道清洁机器人对促进我国中央空调风道清洗行业的发展，改善室内空气质量 提高人民生活和健康水平等具有积极的意义。在西方一些发达国家，中央空调清洁业已发展了几十年，形成了一个巨大的产业，有着比较成熟的清洁机器人技术。尽管国外清洗机器人技术先进 性能优良，但由于不是针对国内风道状况而设计，在清洁国内的风道时往往效果不甚理想。国内一些单位提出了自己的中央空调风道清洁机器人设计及方案，但面对国内尺寸规格变化万千的风道，在适应性和清洁的彻底性方面还显欠缺 针对上述实际问题，文中提出了一种新型的清洁机器人系统。1 机器人总体方案1.1 系统清洁方案设计为节约建筑面积，国内建筑物的中央空调风道绝大部分设计成扁平矩形截面，且尺寸规格属非标产品，给风道清洁带来困难。在进行风道清洁作业时，目前的清洁机器人需要经常更换不同尺寸的毛刷，操作繁琐，而且在两种不同尺寸风道的过渡处遇到毛刷与风道宽度不同的情况时必然会存在清洗死角，影响清洁效果文中设计的清洁方案采用横向 俯仰二维运动拟合矩形清洁轨迹清洁风道，改变了现有清洁机器人只能作毛刷一维俯仰运动的现状，其工作原理如图1所示，该方案在毛刷旋转清洁风道时，如图1a中step1和step3所示，可以实现清洁臂的俯仰运动，同时还可以实现横向运动，如图1a中step2和step4所示。因而如图1b所示，机器人可根据风道大小对清洁臂俯仰和横向两个运动进行轨迹拟合，形成矩形清洁轨迹这样就使得清洁机器人在不更换毛刷的情况下，实现对不同尺寸风道的无死角清洁在保证风道内部4个面上的每一个点均能被清洁毛刷清洁至少一次的前提下，将矩形清洁轨迹与机器人行进驱动电机的运动再进行拟合，如图1 所示，在横向 俯仰二维运动拟合矩形清洁轨迹的一个周期内，保证机器人行走距离s小于毛刷清洁宽度d，形成渐进式矩形螺旋清洁轨迹，实现对风道的无死角清洁。1.2系统组成中央空调风道清洁机器人由清洁机器人本体电控系统和控制软件3部分组成，如图2所示，电控系统又包括工控机和电控箱。1.2.1清洁机器人本体清洁机器人本体用于对风道实施清洁，并收集清洁下来的污物，同时将清洁的过程和效果通过实时视频监控向用户进行反馈 清洁机器人本体包括移动机构清洁机构检测和消毒装置，实现了对风道进行清洁检测和消毒的一体化作业，具有功能齐全运动灵活操作简便的特点。1.2.2电控系统电控系统结构如图3所示，由工控机与电控箱组成，其中工控机部分由工业PC，PCI总线运动控制卡和视频采集卡组成，电控箱部分由开关电源和各电机驱动器组成在工作过程中，电控系统根据控制指令控制机器人行进驱动电机二维运动平台驱动电机清洁毛刷驱动电机和摄像头驱动电机进行相应的运动，同时计数除清洁毛刷驱动电机外各电机上编码器的脉冲信号，将数值存储在相应的寄存器中，并将摄像头视频信号和二维运动平台位置传感器信号反馈给控制软件，从而实现清洁机器人各种预定的运动。1.2.3控制软件控制软件采用编程，界面友好，操作方便，实现了对清洁机器人的实时控制 软件界面能将摄像头反馈的视频信号进行实时显示，通过观察视频图像，操作人员可以对清洁机器人所处状态进行判断，从而控制清洁机器人进行前进、后退、差速转向、二维运动平台横向俯仰单步运动，自动拟合矩形螺旋清洁轨迹，自动导向，摄像头旋转和摆动搜索等运动。2 清洁机器人本体设计清洁机器人本体，其采用模块化设计，主要包括: 移动机构、清洁机构、检测装置和消毒装置。2.1 移动机构设计国内的中央空调风道内部底面绝大部分为坚硬平坦且较为粗糙的水泥表面，仅在不同尺寸规格风道间的过渡处会有斜坡面出现，所以清洁机器人的移动机构采用简便易行的四轮结构，前轮为主动轮，采用独立驱动，即由两个步进电机分别驱动左右两个前轮，使得清洁机器人能够灵活地实现前进和两轮差速转弯，控制简单；后轮采用万向轮式结构，使得清洁机器人能够在风道内灵活地实现后退 车轮采用防滑橡胶轮，可以达到清洁机器人在风道内自由移动而不至于打滑的要求。2.2 清洁机构设计清洁机构是清洁机器人的核心部分，包括矩形螺旋清扫装置。程控往复式吸尘 清障装置和清洁毛刷，能够实现对不同尺寸的矩形风道进行无死角清洁，并能收集清洁下来的污物和灰尘，以便进行统一处理。2.2.1 矩形螺旋清扫装置设计矩形螺旋式清扫装置用于拟合矩形清洁轨迹，如图6 所示，由横向运动平台和俯仰运动平台组成横向运动平台由齿轮、齿条、横向驱动电机、滚动导轨组成，其中滚动导轨和齿条固定在清洁机器人机架上，直齿轮与齿条啮合，并通过D形孔与横向驱动电机输出轴相连，横向驱动电机安装在横向移动平台架上，通过带动齿轮旋转，实现了移动平台横向运动清洁臂俯仰运动平台由滑轮、绕线轮、柔性拉索俯仰驱动电机、清洁臂和清洁臂转轴组成。其中俯仰驱动电机通过D形孔与绕线轮相连，绕线轮通过滑轮缠绕柔性拉索，使清洁臂绕清洁臂转动轴做俯仰运动，实现了清洁毛刷俯仰运动。2.2.2 程控往复式吸尘 清障装置设计往复式吸尘清障装置，主要包括撮箕和吸尘器两部分，其中撮箕与二维运动机构中的横向运动平台架通过螺钉固联，在清洁机器人拟合矩形螺旋清洁轨迹清洁风道时，撮箕随清洁毛刷同步左右往复运动。通过毛刷驱动电机带动毛刷旋转可将风道内清洁下来的污物扫入撮箕中，如果中途遇到较大的污物，如老鼠尸体等，清洁机器人可以像推土机一样，用撮箕将污物由风道出风口推出，克服了现有清洁机器人难于清理风道内较大污物的弊端 清洁机器人后部装有吸尘器，撮箕后方设有随撮箕同步运动的吸尘口，可以与清洁毛刷同步运动，将清洁下来的灰尘吸入，实现吸尘功能 基于以上功能，清洁机器人实现了对风道内不同种类污物的收集2.2.3 清洁毛刷设计清洁毛刷如图8 所示，其安装在清洁臂前端，采用圆柱形设计，端面采用碗状曲面，以提高毛刷的清洁效果，毛刷采用220 V 双轴交流电机直接驱动，毛刷与电机输出轴间采用 D 形孔连接，并安装有3根调整螺钉，以调整毛刷与电机轴的同轴度 该设计保证了清洁毛刷在清洁风道壁时转速与输出力矩间有较大的刚度，使得毛刷能在不同清洁阻力的作用下转速变化不大，即在风道内管壁积灰程度不同的情况下依然能保证毛刷良好的清洁效果，同时去掉了毛刷与驱动电机间的动力传动装置，简化了设计，考虑到清洁臂的平衡问题，清洁臂后端应加适当配重。3 矩形螺旋轨迹自动拟合和自动导向为了增强清洁机器人的适应能力和通用性，必须使其能够对不同尺寸风道自适应，由于清洁机器人采用了矩形螺旋清洁方式清洁风道，因此必须要解决矩形螺旋的自动拟合问题和机器人在风道内部的自动导向问题。自动导向功能的实现清洁机器人自动导向功能分为微调整和粗调整两个部分。1微调整微调整主要用于直道情况，由控制软件定时查询计数移动机构两驱动电机编码器脉冲的寄存器的数值，如两数值偏差大于一阈值n时，则控制软件向数值较小的寄存器对应的电机多发送n个脉冲，从而保证两驱动轮行走距离相同。2粗调整粗调整由控制软件采集清洁机器人撮箕两侧碰撞开关信号和计数编码器脉冲的寄存器的数值，进而对清洁机器人进行乒乓 控制如图10 所示，当清洁机器人处于弯道时，二维运动机构拟合矩形清洁轨迹， 则行进一段距离后撮箕上的碰撞开关势必与风道壁碰撞，从而向控制软件发出到位信号，控制软件立即使二维运动机构的横向驱动电机反向运动并记录下此时计数横向驱动电机和移动机构驱动电机编码器脉冲的寄存器的数值n1和n2，其中n1为横向移动平台距离中点位置的脉冲数，n2为碰撞开关前后两次碰撞之间移动机构所行走的脉冲数清洁机器人处于直道时与弯道的情况类似，由以上分析可知，通过碰撞开关的碰撞信号和寄存器中的数值能够计算出清洁机器人偏离风道中心线的角度信息，从而根据该角度信息控制清洁机器人两驱动轮差速转向，使得清洁机器人中心线始终跟踪风道中心线，实现自动导向。基于清洁机器人矩形螺旋轨迹的自动拟合和自动导向功能，清洁机器人就可以在风道中实现自动清洁。4小结提出了一种新型的矩形螺旋清洁方式和往复式污物收集方式对中央空调风道进行清洁，解决了风道清洁作业中易遗留死角的问题 在此基础上，对清洁机器人的移动机构 清洁机构 检测装置和消毒装置进行了设计， 并对清洁机器人矩形螺旋轨迹自动拟合和风道内自动导向问题提出了解决方案， 实现了机器人在。风道内的自动清洁 通过实验测试证明该设计方案符合对中央空调风道进行清洁作业的性能要求，且机器人结构简单，自动化程度高，适用范围广，成本不到外国同类产品的30%，达到了预期的设计效果。参考文献1 孙方明，张学发，刘沛，等中央空调通风道系统的清洗J清洗世界，2007，23(6):36382 杨雄风管清洗机器人国产化研究及应用J清洗世界，2004，20(11):37403 李德福空调通风清洗规范的制定和理解J清洗世界，2004，20( 5):32394 崔建波，高丽萍集中空调风道清洗现状与前景分析J清洗世界，2004，20(9):21255 文晓希，卢耀晖，吴正洪，等用于中央空调风道清洁的程控矩形螺旋式清扫装置:中国，ZL2008200539996P 200905136 文晓希，卢耀晖，吴正洪，等具有自动导向功能的程控往复式吸尘清障装置:中国,ZL2008100320108P200901147 李俊，唐志伟，吴玉庭，等风道清洁机器人系统的设计优化与工程测试J工程热物理学报，2006，27(2):328330