【文章內容簡介】 從事中武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)設計論文 2 央空調清洗的專業(yè)隊伍技術先進，設備精良，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)代控制理論和技術的發(fā)展 ，為管道機器人的研究應用提供了技術保證。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，國外的中央空調清洗得以普遍實施，并建立了相應行業(yè)及國家標準。 據調研，目前上海安裝有中央空調系統(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用于各種中央空調和除塵等管道的管道檢測、清洗、消毒、噴漆等作業(yè)。 本設計要求達到的指標：可清潔水平、垂直管道；水平最高行進速度： 1m/s；垂直攀爬速度： 100mm/s；垂直攀爬載重： 10kg；回轉半徑： 0；機械手自由度：4；監(jiān)視器回轉速度： 2 度 /秒；監(jiān)視器水平回轉范圍： 360176。；監(jiān)視器俯仰回轉范圍： 240 度；供電方式：電纜；具備自動故障和報警功能。 國外、國內研究概況 空調清潔技術起源于 60 余年前，是隨著中央空調技術同時誕生的。國外從20 世 紀 70年代末 80 年代初開始重視中央空調的風道清洗，直到 1990 年前后中央空調清洗才得以普遍實施，并建立了相應行業(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，氣清洗機器人設備的研究和開發(fā)業(yè)相應地比較成熟。據統(tǒng)計，國際上生產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，其形狀結構大同小異，性能也能大致相當。空調管道機器人應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，因此機器人必武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)設計論文 3 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)和其他一些輔助設備等。 我國對中央空調風管清洗的重要性認識比較晚，對中央空調風管設備的研制起步也比較晚。目前我國對集中式空調的管理尚屬空白。據了解，有關 清潔公共場所空調的規(guī)定和措施，只有衛(wèi)生部在 20xx 年 6月發(fā)出的《公共場所中央空調通風系統(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通風系統(tǒng)的過濾器（網）、冷卻塔等。在頒布《公共場所中央空調通風系統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)范》后，我國的中央空調風管清洗市場迅速升溫，全國各科研機構、企業(yè)單位紛紛投入到中央空調風管清洗設備的研制，并取得了很好的成果。據報道，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”發(fā)明專利基礎上，首先二次開發(fā)了一種具有自主知識產權的新型管道機器人行走機構，能很好的解決管道機器人適應非等徑、變截面管道環(huán)境的難題。然后再在此基礎上研制成功 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。它最大的本領就是能順暢自如地爬到中央空調的各個角落，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）行走機構具備自主管內障礙和防傾覆功能，適用復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、除塵管道進行清洗； 3）機器人采用模塊化結構設計和多電機驅動技術，結構簡單、維護方便； 4）機器人采用計算機圖像處理技術。拍攝資料便于保存、播放、攜帶（國外產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 400 毫米 400 毫米和 500 毫米 500 毫米空調通風管道設計的，具有在管道中行走、對管道內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，國內自主研發(fā)的這種清潔機器人具有在管道內前進、后退和轉彎 等 功能 ， 行走速度在每分鐘 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，能武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)設計論文 4 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、清潔效率高和應用領域廣等特點，并且在移動機構的驅動系統(tǒng)、主動控制臂系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和清潔系統(tǒng)的設計上均有創(chuàng)新。國內在中央空調管道清潔設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備在內 , 目前國內研制出來的中央空調管道清潔設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管道清潔設備。 市場需求預測 據介紹我國有超過 500 萬個各類中央空調需清洗保養(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風道專業(yè)清洗服務公司來講還是從國內外空調風道清洗機器人設備廠家來看，都不能應付這一龐大的清洗市場。 從國內方面來說，國內空調管道清洗行業(yè)市場還未形成，空調風道清洗行業(yè)剛剛起步，國內幾乎沒有清洗公司能夠具備一流的清洗服務隊伍，滿足各類客戶需求，而設備生產廠家除了國外發(fā)達國家的成熟 產品外，國內能夠適應各類風道特點并且技術成熟，實用性強的清洗機器人設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，但是它是根據自身的中央空調風道的而制造的，但國外的中央空調風道是標準和規(guī)范的，而我國的中央空調風道是根據建筑面積設計安裝的，各個風道不盡相同，生產規(guī)格統(tǒng)一程度較低，各生產廠家的產品規(guī)格不盡相同，屬非標產品。使得國外進口的清洗設備對于國內很多中央空調來說并不適用，很大一部分不能對我國中央空調風道產生作用。 從以上分析可以 看出，我國的中央空調通風管道清洗市場是有很大潛力的，尤其是在 20xx 年 “ 非典 ” 疫情傳播后，人們對中央空調給人們帶來的疾病隱患有了相當大的認識，國家相應地出臺了強制性空調清洗的法規(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)適合我國中央空調管道清洗機器人產品有很大的經濟價值。 設計的重點與難點 本次設計主要由三大主要部分的設計構成：（ 1）移動載體的設計，（ 2）撐緊裝置的設計，（ 3）機械手的設計。 對于管道機器人，移動載體的設計是一個重武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)設計論文 5 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彎能力。國內清洗市場的產品僅適于水平管道的清洗，而本設計要求機器人同時還要能清洗垂直管道。因此，怎樣使中央空調管道清潔設備具有能攀爬垂直管道的能力并具有良好的轉彎能力是該產品設計的一個重點也是難點。壓緊裝置和機械手的設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，壓緊裝置的設計合理與否，直接關系到機器人的工作能力。機械手的設計關系到機器人的工作質量。 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 提出了嚴格限制。這要求機器人的各部件空間尺寸要盡量地小、質量要盡量地輕。這給機器人的結構設計提出了很大的難題。 2 機器人的設計 空調管道系統(tǒng)介紹及清洗原理 中央空調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生變形。我們在研究管內行走機構動力學時，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) 使用機器人進行風管內部檢查； (2) 采用氣囊封堵風口； (3) 機器人清掃風管內壁； (4) 使用集塵凈化器吸收風管內的菌團和雜質； (5) 監(jiān)視器觀察風管內壁的清洗效果，并錄像備案； 武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)設計論文 6 (6) 恢復風口和工作區(qū)域。 如圖 所示： 圖 中央空調通風管道清洗示意圖 機器人 移動載體方案設計 總體方案設計 機器人移動載體的設計是本次設計的難點之一 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)。與其他移動機構相比，車輪形移動機構具有以下一些優(yōu)點：高速穩(wěn)定地移動、能量利用率高、機構和控制簡單、能借鑒當今已積累的汽車技術與經驗等。因此本設計采用輪式結構。按照車輪數目的不同，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研究，而不是著眼于機器人移動機構的實用化問題。如果單考慮平面移動的話 ，三輪機構已經可以了，但從加強移動過程中的穩(wěn)定性角度來考慮，目前多數采用的是四輪機構。五輪以上的機構的提出，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，本設計采用四輪機構的移動載體。 典型的四輪移動機構有如下幾種： 1) 兩輪獨立驅動方式 如下圖 所示： 武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)設計論文 7 圖 驅動方式圖 前后兩個為輔助輪（萬向輪），左右兩輪為獨立驅動輪，其自轉中心與車體中心重合。它的轉向不是通過操舵機構的動作，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動時，車體能饒自身中心自轉 ，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，因此該機構也比較簡單，可以減輕重量，適合空調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動輪被架空時，由于驅動輪不著地不能產生動力，這樣的話整個機器人便不能移動了。 2) 汽車車輪配置方式 如 圖 所示： 圖 車輪配置方式 兩個操舵輪需要同一個操舵機構來協(xié)調轉向，此外后輪配有差動齒輪裝置，增加了機構的復雜性。由于它的結構比較復雜，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中不 太采用。 武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)設計論文 8 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 結構需要有轉向操舵機構和多個離合器，因此，雖然其性能很優(yōu)越，但機構很 復雜，并不適合本設計對移動機構的要求。 由于本設計的空調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構要盡量 簡單。綜合考慮上面的方案，結合本設計要求，本設計選用兩輪獨立驅動方式的移動載體。為了克服上述所提到的該機構的缺點，可以在后萬向輪中安裝一應急電機，同時在輪軸中安裝一超越離合器，機器人正常時應急電機不工作，超越離合器處于超越狀態(tài)，當遇到左右兩個驅動輪被架空時，超越離合器處于嚙合狀態(tài)，應急電機工作。 傳動方案的設計 由于齒輪傳動具有結構緊湊、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，應該選用齒輪傳動。由于兩電機獨立驅動，兩驅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，經過反復的計算，確定驅動輪的傳動方案如 圖 所示： 圖 驅動輪傳動方案圖 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，武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)設計論文 9 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、所采用的零件數目少、結構緊湊，其傳動方案如 圖 所示： 圖 后萬向輪傳動方案 撐緊機構方案設計 在設計撐緊機構的過程中，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，考慮理由是電氣驅動應用普遍、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 如 圖 ： 圖 絲桿螺母傳動 武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)設計論文 10 輪子固定在螺母上，電機帶動絲杠轉動，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比較復雜，增加了載重。 B） 齒輪齒條傳動 如下圖 ： 圖 齒輪齒條傳動 輪子固定在齒條上，通過電機帶動齒輪轉動，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構復雜外還有摩擦很大。 2) 氣動撐緊 由壓縮空氣驅動氣缸提供動力，考慮理由是在所有的驅動方式中，氣壓驅動操作簡單、成本低、易于編程，并且氣動能很容易地保持輸出壓力不變。 考慮方案如 圖 ： 圖 氣壓驅動 由于氣缸的活塞要求直線往復運動同時又要有輕微的圓弧擺動，因此氣缸的武漢紡織大學 20xx 屆畢業(yè)設計論文 11 安裝方式為單耳尾座式。另外，氣缸活塞桿承受的力應作用在桿軸線上，不允許有偏載，因此采用