【文章內(nèi)容簡介】 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(fēng)管清洗的重要性認(rèn)識比較晚，對中央空調(diào)風(fēng)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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定公共場所要定期更換或清洗空調(diào)通風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)范》后，我國的中央空調(diào)風(fēng)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(fēng)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(xué)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(fēng)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(fēng)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(xué)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(fēng)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(xué)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，；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。 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(fēng)道專業(yè)清洗服務(wù)公司來講還是從國內(nèi)外空調(diào)風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)道的而制造的，但國外的中央空調(diào)風(fēng)道是標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的，而我國的中央空調(diào)風(fēng)道是根據(jù)建筑面積設(shè)計安裝的，各個風(fēng)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(biāo)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(fēng)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(fēng)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(dāng)大的認(rèn)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(fēng)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。 設(shè)計的重點與難點本次設(shè)計主要由三大主要部分的設(shè)計構(gòu)成：（1）移動載體的設(shè)計，（2）撐緊裝置的設(shè)計，（3）機械手的設(shè)計。 對于管道機器人，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。壓緊裝置和機械手的設(shè)計也是該課題的重點。壓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，壓緊裝置的設(shè)計合理與否，直接關(guān)系到機器人的工作能力。機械手的設(shè)計關(guān)系到機器人的工作質(zhì)量。 機器人的工作管道截面面積小，同時機器人的垂直上爬是依靠摩擦力實現(xiàn)的，這對整機的空間尺寸大小和自身重量提出了嚴(yán)格限制。這要求機器人的各部件空間尺寸要盡量地小、質(zhì)量要盡量地輕。這給機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了很大的難題。2 機器人的設(shè)計中央空調(diào)通風(fēng)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(fēng)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(xué)時，在不失實際意義的情況下假定：1. 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。2. 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：(1) 使用機器人進行風(fēng)管內(nèi)部檢查；(2) 采用氣囊封堵風(fēng)口；(3) 機器人清掃風(fēng)管內(nèi)壁；(4) 使用集塵凈化器吸收風(fēng)管內(nèi)的菌團和雜質(zhì)； (5) 監(jiān)視器觀察風(fēng)管內(nèi)壁的清洗效果，并錄像備案；(6) 恢復(fù)風(fēng)口和工作區(qū)域。： 中央空調(diào)通風(fēng)管道清洗示意圖 機器人移動載體方案設(shè)計 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(dāng)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：1) 兩輪獨立驅(qū)動方式 ： 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(dāng)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(dāng)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。2) 汽車車輪配置方式 ： 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。3) 全方位移動車方式（Omni Directional Vehicle,ODV）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(yán)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(dāng)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。 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(zhǔn)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，： 驅(qū)動輪傳動方案圖Z7與 Z 10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Z 2—齒輪Z 3—齒輪Z 4—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Z 2—齒輪Z 3—齒輪Z 4—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(yán)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，： 后萬向輪傳動方案 撐緊機構(gòu)方案設(shè)計在設(shè)計撐緊機構(gòu)的過程中，我首先從動力源開始考慮。按照動力源的不同，撐緊機構(gòu)可分為兩種：1) 電氣撐緊 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：A） 絲杠螺母傳動 ： 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。B） 齒輪齒條傳動 ： 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)撐緊。這個方案的缺點除了結(jié)構(gòu)復(fù)雜外還有摩擦很大。2) 氣動撐緊 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。 ： 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。 機械手方案設(shè)計 自由度分配方案設(shè)計本設(shè)計要求的機械手自由度數(shù)為 4。4 自由度機械手的自由度分配方案很多，在進行本環(huán)節(jié)的設(shè)計時，：該方案機械手可以像人的手臂那樣通過大臂和小臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)手爪（對本設(shè)計是刷子）的移動來進行工作，而機器人本體可以靜止。但該方案只能實現(xiàn)刷子的平動，不能很好地適應(yīng)有傾斜面情況的清洗。為了克服這個缺點，經(jīng)過與老師討論。 自由度分配該手臂腕關(guān)節(jié)可以轉(zhuǎn)動，刷子裝在手腕上實現(xiàn)轉(zhuǎn)動很好地適應(yīng)了斜面清洗的情況。刷子依靠機器人的前進后退來實現(xiàn)移動。 關(guān)節(jié)傳動方案設(shè)計查閱了有關(guān)專業(yè)資料后確定本設(shè)計機械手關(guān)節(jié)采用“齒輪式機器人關(guān)節(jié)”，其結(jié)構(gòu)緊湊簡單。由于機器手關(guān)節(jié)要求具有自鎖功能，因此再加一級蝸輪蝸桿傳動，： 機械手傳動3. 具體設(shè)計計算 移動載體傳動計算 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。1） 電機的選擇A． 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。B． 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 ，則 G=30=294N。① 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= ： 驅(qū)動輪受力其中：Mf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=（Nmm）=（Nm）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=，則：==（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Z 2—齒輪Z 3—齒輪Z 4—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，； 為齒輪嚙合效率，； 為離合器效率，.故有： =則有： ② 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Z 2—齒輪Z 3—齒輪Z 4—齒輪Z5—齒輪Z6 —齒輪Z7 —齒輪Z8 —齒輪Z9 —齒輪Z10 —車輪。 故有：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： (1125)=(r/min)垂直行走總傳動比：，電機的轉(zhuǎn)速范圍： (115625)=(r/min)查手冊選直流伺服電機Д П 40－40，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表21型 號額定功率W額定力矩Nm額定轉(zhuǎn)速 min1額定電流 A轉(zhuǎn)動慣量105kgm2重 量KgД П 40－4040300032） 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） 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)A. 水平行走① 各軸轉(zhuǎn)速nⅠ=nW=3000r/min nⅡ= ② 各軸功率， B. 垂直行走① 各軸轉(zhuǎn)速 nⅠ=nW=3000r/min nⅡ= ② 各軸功率③ 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