華大龍

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

中央空調(diào)風(fēng)管清洗機(jī)器人研究

華大龍

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

為了改進(jìn)中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)清洗過(guò)程中空間受限和無(wú)法檢測(cè)的弊端，用中央空調(diào)風(fēng)管清洗機(jī)器人替代人工操作，以人為本開(kāi)展清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)清掃過(guò)程、風(fēng)管尺寸及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種中央空調(diào)風(fēng)管清洗機(jī)器人，采用履帶式運(yùn)動(dòng)方式，保證機(jī)器人在管道內(nèi)運(yùn)行的可靠性以及管道清洗達(dá)標(biāo)。對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方案等方面進(jìn)行了闡述，研究的樣機(jī)能夠應(yīng)用于中央空調(diào)清洗實(shí)踐，清潔方便易行，節(jié)能、環(huán)保、健康。

中央空調(diào)；風(fēng)管；機(jī)器人；結(jié)構(gòu)；原理；履帶式運(yùn)動(dòng)

0 引言

在國(guó)外，空調(diào)需要清洗是常識(shí)，空調(diào)清洗業(yè)已十分發(fā)達(dá)；而在國(guó)內(nèi)，因?yàn)榭照{(diào)剛剛大規(guī)模普及，“清洗業(yè)”尚不發(fā)達(dá)，其中蘊(yùn)含著巨大的市場(chǎng)潛力。隨著更多的人意識(shí)到空調(diào)需要徹底清洗，簡(jiǎn)單的清洗過(guò)濾網(wǎng)和外殼已不能滿足要求。國(guó)外從20世紀(jì)70年代末80年代初開(kāi)始重視中央空調(diào)的風(fēng)道清洗，1990年前后普遍實(shí)施，并建立了相應(yīng)的行業(yè)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。目前發(fā)達(dá)國(guó)家均成立有中央空調(diào)風(fēng)管清洗協(xié)會(huì)，并已形成一個(gè)完整的行業(yè)，國(guó)外的中央空調(diào)風(fēng)管管道清洗已形成產(chǎn)業(yè)化。我國(guó)還處于起步階段，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)生產(chǎn)的管道清洗機(jī)器人產(chǎn)品大多以仿造為主，技術(shù)性能較單一，往往因無(wú)法進(jìn)行清洗時(shí)的有效監(jiān)測(cè)，使得清潔效果無(wú)法保證，此外可靠性、適應(yīng)性等方面均存在一定的局限性。中央空調(diào)作為“寫(xiě)字樓之肺”，其通風(fēng)系統(tǒng)的清洗是保證空氣質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，但目前中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的清洗存在以下限制：(1) 空間限制。我國(guó)通常使用的中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)管的尺寸直徑在600 mm以下，基本無(wú)法人工進(jìn)入清洗。(2) 無(wú)法監(jiān)測(cè)。即使有部分風(fēng)管能夠人工清洗，卻無(wú)法進(jìn)行清洗后的有效監(jiān)測(cè)，清潔效果無(wú)法保證。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文研究了一種新型的中央空調(diào)風(fēng)管清洗機(jī)器人裝置，該設(shè)備采用履帶式雙直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，輪子中均采用滾珠軸承結(jié)構(gòu)，具有驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)、行走靈活穩(wěn)定、調(diào)速方便、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)良性能，操作工人只需觀察監(jiān)視器或電腦監(jiān)控畫(huà)面來(lái)控制和調(diào)節(jié)機(jī)器人走向、操作清掃消毒臂。本機(jī)器人主要是根據(jù)常見(jiàn)空調(diào)的要求，做出一些不同的清洗方案，在每個(gè)方案中再根據(jù)實(shí)際需要做出不同的工藝，每種工藝都對(duì)應(yīng)一種機(jī)器人的工作狀態(tài)。根據(jù)客戶不同的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的清洗。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為中央空調(diào)風(fēng)管清洗機(jī)器人實(shí)體圖，圖2為結(jié)構(gòu)原理圖。

圖1 中央空調(diào)風(fēng)管清洗機(jī)器人實(shí)體圖

圖2 中央空調(diào)風(fēng)管清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理圖

該機(jī)器人的主要組成部分與性能包括：

(1) 機(jī)械系統(tǒng)。該設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)主要包括：行走輪及履帶、云臺(tái)及照明燈、升降電動(dòng)推桿、機(jī)械臂、清掃臂。設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的履帶式傳動(dòng)系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)有：特制的耐磨高摩擦力工業(yè)履帶在確保機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間大工作量使用的前提下，同時(shí)保證了機(jī)器人抓地的牢固性。特殊設(shè)計(jì)的履帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)使機(jī)器人可以翻越60 mm以上高度的垂直障礙以及爬上40°以上的斜坡。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包含2套完全獨(dú)立控制的強(qiáng)大動(dòng)力機(jī)構(gòu)，搖桿設(shè)計(jì)，使機(jī)器人在管道內(nèi)可以靈活地運(yùn)動(dòng)，完成前、后的直線運(yùn)動(dòng)以及任意角度的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。整機(jī)車(chē)速為0到最大無(wú)級(jí)可調(diào)。轉(zhuǎn)彎可采用一邊前進(jìn)一邊后退的方式控制運(yùn)行，以達(dá)到原地360°轉(zhuǎn)彎的目的，也可以采用一邊停止一邊前進(jìn)(后退)的方式控制運(yùn)行，以達(dá)到沿某一物體轉(zhuǎn)彎的目的。

(2) 監(jiān)視錄像系統(tǒng)。該設(shè)備的監(jiān)視錄像系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單元，其主要特點(diǎn)有：整個(gè)視頻采集系統(tǒng)包含高清晰度低照度槍型攝像機(jī)，確保在低照明下的彩色圖像效果。獨(dú)立的視角調(diào)整系統(tǒng)，可完成獨(dú)立的水平方向360°轉(zhuǎn)動(dòng)以及仰俯方向180°轉(zhuǎn)動(dòng)，且照明燈光隨攝像頭動(dòng)作同時(shí)動(dòng)作，方便機(jī)器人在扁平管道和大型管道內(nèi)的檢測(cè)，無(wú)任何觀察死角，該照明系統(tǒng)采用發(fā)光二極管，熱量小，適合長(zhǎng)時(shí)間工作。視頻采集信號(hào)可直接顯示在控制箱自帶監(jiān)控顯示器上，也可通過(guò)視頻監(jiān)控盒直接在筆記本電腦顯視器上顯示，同時(shí)壓制存盤(pán)，必要時(shí)可以刻錄存儲(chǔ)。

(3) 清潔消毒系統(tǒng)。該設(shè)備的清潔和消毒系統(tǒng)可以控制調(diào)節(jié)高度，被設(shè)計(jì)成2部分：1) 清潔部分有清掃矩形和圓形管道的2種清掃刷頭，刷子為通用的直徑260 mm尼龍毛刷，可以互換。2種型號(hào)的清掃頭互換簡(jiǎn)便。毛刷為特殊設(shè)計(jì)毛刷，在清洗矩形管道時(shí)，2只毛刷之間銜接連貫，且外側(cè)刷毛外傾，具有良好的側(cè)壁清洗能力，清洗無(wú)任何死角。2) 消毒部分有噴霧頭、管道及外接送液部分，通過(guò)泵送將消毒液均勻噴涂于風(fēng)管內(nèi)壁。該噴頭消毒系統(tǒng)噴頭高度一般為風(fēng)管高度的2/3處。

(4) 控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)主要包括搖桿控制模塊、清掃刷控制模塊、機(jī)械臂升降控制模塊、調(diào)速模塊、云臺(tái)控制模塊。該控制系統(tǒng)采用輸入為交流220 V、50 Hz，輸出為低于36 V的直流安全電壓，配備筆記本電腦，機(jī)器人的工作速度0～15 m/min可調(diào)，整個(gè)控制面板簡(jiǎn)潔明了，操作十分方便。

2 機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

分析中央空調(diào)風(fēng)管清洗機(jī)器人工作流程，確定機(jī)器人各部分裝置的基本結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)清洗管道的長(zhǎng)度、寬度和圓形管道的直徑等參數(shù)及承載要求，確定此裝置本體結(jié)構(gòu)具體尺寸，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行樣機(jī)的整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外，還要考慮機(jī)器人的安全性、操控性、外觀等問(wèn)題。設(shè)計(jì)后的機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)具體如表1所示。

表1 中央空調(diào)風(fēng)管清洗機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)

3 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制系統(tǒng)總體方案，采用AC220 V電源，電腦電源(功率小于100 W)采用電源照明開(kāi)關(guān)，按下開(kāi)關(guān)，內(nèi)部指示燈亮，云臺(tái)照明燈亮，控制箱整體得電。按下此開(kāi)關(guān)時(shí)必須連接好控制箱、綜合電纜和機(jī)器人。采用搖桿開(kāi)關(guān)控制機(jī)器人本體的前進(jìn)、后退和各方向的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。采用清掃刷轉(zhuǎn)向控制模塊，根據(jù)實(shí)際需要控制該組開(kāi)關(guān)，一般為機(jī)器人的前進(jìn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從機(jī)器人左側(cè)看，清掃底面時(shí)為順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，其余3面為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。采用機(jī)械臂升降控制模塊，該組開(kāi)關(guān)用于調(diào)整清洗力度和高度以及消毒噴霧高度。此組開(kāi)關(guān)受上下行程控制，當(dāng)達(dá)到最上或最下時(shí)，推桿會(huì)停止動(dòng)作，只有按下反向開(kāi)關(guān)，才能繼續(xù)動(dòng)作。調(diào)整時(shí)為能清洗干凈，而又不致減速太多，消毒噴霧頭以風(fēng)管的一半以上2/3以下為宜。采用調(diào)速切換按扭模塊，按下此開(kāi)關(guān)后，機(jī)器人進(jìn)入無(wú)級(jí)調(diào)速狀態(tài)(除清掃臂以外)，機(jī)器行走速度和機(jī)械臂上升下降速度為可調(diào)。通過(guò)下面的調(diào)速電位器控制速度，適用于小半徑的轉(zhuǎn)彎和機(jī)械臂高度的微調(diào)。采用云臺(tái)控制按扭模塊，此組開(kāi)關(guān)用于控制攝像機(jī)角度。正常行進(jìn)時(shí)，保持?jǐn)z像機(jī)在機(jī)器人本體正中，即觀察監(jiān)視器上所能觀察到的機(jī)械臂或前輪是在畫(huà)面中間還是兩邊，清洗風(fēng)管上面時(shí)可仰起攝像機(jī)觀察。當(dāng)按下按扭時(shí)不動(dòng)作，為到行程，須按反向按扭。采用控制輸出和視頻輸入模塊，連接綜合電纜和RCA蓮花插頭，傳輸及控制視頻信號(hào)，對(duì)準(zhǔn)航空插頭的凹凸限位后插入，插頭的最大突起在最上面，自帶監(jiān)視器、顯示視頻輸入的內(nèi)容。需要錄制時(shí)將視頻信號(hào)輸出的蓮花插頭接至監(jiān)控盒的視頻輸入端(黃顏色)進(jìn)行錄制。

機(jī)器人系統(tǒng)工作過(guò)程如下：系統(tǒng)上電后自檢，確認(rèn)系統(tǒng)是否工作正常，若不正常則報(bào)警，若正常檢測(cè)系統(tǒng)是否在機(jī)械原點(diǎn)，若不在原點(diǎn)，則進(jìn)行原點(diǎn)搜索，原點(diǎn)搜索完成后，與觸摸屏進(jìn)行通信，并在自動(dòng)控制情況下接受觸摸屏控制。通過(guò)觸摸屏發(fā)給系統(tǒng)前進(jìn)信號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，運(yùn)行一個(gè)流程完畢等待并執(zhí)行下次觸摸屏發(fā)出的控制命令。控制流程如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，中央空調(diào)風(fēng)管清洗機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正日益改變著人類(lèi)的生活環(huán)境，在這種發(fā)展趨勢(shì)下，本文設(shè)計(jì)了中央空調(diào)風(fēng)管清洗機(jī)器人，代替人工完成清洗各類(lèi)形狀中央空調(diào)風(fēng)管的簡(jiǎn)單重復(fù)性、勞動(dòng)強(qiáng)度高的工作，提高清洗工作的自動(dòng)化程度，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。該機(jī)器人可進(jìn)入150 mm的扁平矩形管道或350 mm以上直徑的圓管；清掃毛刷高度可達(dá)到650 mm以上；采用計(jì)算機(jī)視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)，監(jiān)測(cè)資料便于保存、分析、檢索、攜帶；采用高亮度LED照明，亮度高、發(fā)熱低、壽命長(zhǎng)。風(fēng)管清洗后的積塵量應(yīng)達(dá)到每平方米風(fēng)管內(nèi)表面小于1.0 g，部件清洗后應(yīng)無(wú)殘留污染物檢出。消毒后的風(fēng)管內(nèi)壁細(xì)菌總數(shù)、真菌總數(shù)的去除率應(yīng)大于90%，致病菌不得檢出。

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2009年江蘇省教育廳高校科研成果產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)JHZD09-66

2014-09-22

華大龍(1976—)，男，江蘇淮安人，碩士研究生，副教授，研究方向：電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)。