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)
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。
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。
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)
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
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)。