孟昭興 張榮芳 / 山東協(xié)和學(xué)院機電工程學(xué)院

中央空調(diào)管道清掃機的設(shè)計

孟昭興 張榮芳 / 山東協(xié)和學(xué)院機電工程學(xué)院

針對中央空調(diào)風(fēng)道狹小，人工清洗困難的現(xiàn)狀。設(shè)計了一種可替代人工，吸塵集塵一體化，通過無線控制的清洗機器人。本產(chǎn)品是由清掃消毒裝置、移動裝置、檢測裝置等結(jié)構(gòu)組成。以STC12C5A60S2單片機為主控芯片，采用AQMH2407電機驅(qū)動芯片、無線遙控模塊等構(gòu)成外圍擴展電路實驗調(diào)試表明該產(chǎn)品能夠自動完成管道清洗功能。

清洗機器人；中央空調(diào)管道；遠程監(jiān)控

1.引言

中央空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)與室內(nèi)空氣接觸，所以風(fēng)道內(nèi)清潔程度直接關(guān)系著人們的身體健康。但是由于中央空調(diào)風(fēng)道的保養(yǎng)卻得不到重視而且不易清掃，因此中央空調(diào)風(fēng)道造成的室內(nèi)空氣污染始終危害著人們的健康。但是由于傳統(tǒng)人工清潔方式清掃不徹底且易留死角，并且清掃產(chǎn)生的粉塵危害人體健康，機器人是可以替代人工成功解決風(fēng)道內(nèi)部問題清潔的有效途徑，因而自主研發(fā)機器人進行清掃開始成為最佳選擇方向。

2.總體設(shè)計方案

中央空調(diào)主要應(yīng)用于一些樓宇結(jié)構(gòu)中，因為國內(nèi)中央空調(diào)風(fēng)道沒有規(guī)范化，大都縱橫交錯且截面大小不同，因而機器人在進行作業(yè)時必須實現(xiàn)檢測、吸塵集塵、消毒等功能。同時機體須適應(yīng)風(fēng)道大小才能靈活運轉(zhuǎn)。中央空調(diào)風(fēng)道清洗機器人設(shè)計科學(xué)合理，機體包括清掃裝置、移動結(jié)構(gòu)、消毒裝置、檢測裝置，已基本實現(xiàn)智能化和半自動化。該機器人可以深入風(fēng)道中進行作業(yè)活動，并自動收集清理下來的污物，待清洗完成后自動噴灑消毒液，基本實現(xiàn)了吸塵集塵一體化，清潔消毒同步化。然后通過無線傳輸設(shè)備反饋給工作人員。清掃徹底且不會留下死角。本產(chǎn)品功能齊全，運轉(zhuǎn)靈活，清掃徹底且不留下死角。投入應(yīng)用后有利于改善室內(nèi)空氣質(zhì)量和促進國內(nèi)清洗行業(yè)的迅速發(fā)展。中央空調(diào)風(fēng)道清洗機器人采用模塊化設(shè)計，主要由清掃消毒裝置、移動裝置、檢測裝置組成如圖1所示：

圖1 管道清洗機器人

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計

國內(nèi)中央空調(diào)風(fēng)道內(nèi)部表面材料大部分為鍍鋅鋼板，摩擦力極小，同時機器人在風(fēng)道內(nèi)部需克服較大的清潔阻力。因此采用履帶式行走方式，后輪為主動輪，由STC12C5A60S2單片機搭配AQMH2407電機驅(qū)動芯片驅(qū)動兩個減速電機來分別控制左右兩輪，使小車的回轉(zhuǎn)半徑達到最小。STC12C5A60S單片機按照AQMH2407電機驅(qū)動芯片工作要求發(fā)送控制信號。當兩側(cè)電機轉(zhuǎn)向相同時，小車直線前進或后退，當兩側(cè)電機轉(zhuǎn)向相反時，小車原地拐彎。使得機器人可以靈活實現(xiàn)前進后退拐彎等功能。操作簡單，可以使機器人在風(fēng)道內(nèi)自由移動且不會出現(xiàn)行進遲緩、打滑等現(xiàn)象。

3.1 電機驅(qū)動芯片

設(shè)計采用AQMH2407ND直流電機驅(qū)動模塊，由于其尺寸極小，支持電壓范圍廣，最大可達24V，并且每路都支持三線控制端，信號可外接PWM，且正反轉(zhuǎn)控制信號可串聯(lián)限位開關(guān)，它的控制信號使用灌電流驅(qū)動方式，并且支持絕大多數(shù)單片機直接驅(qū)動。此外，這種芯片使用光耦對全部信號進行隔離，擁有靜電泄放回路。

3.2 矩形螺旋軌跡清掃設(shè)計

本裝置改變現(xiàn)有機器人只能做一維縱向運動的模式，采用橫向縱向二維運動，擬合矩形清掃軌跡達到不留死角的效果。在毛刷旋轉(zhuǎn)運行時，機器人可以根據(jù)風(fēng)道尺寸大小來控制清潔臂橫向縱向擺動的幅度，形成矩形螺旋軌跡。保證風(fēng)道內(nèi)部每一個點都能被清潔毛刷清潔至少一次，實現(xiàn)無死角清潔。機體前端使用帶有橫向驅(qū)動電機的云臺來控制清潔臂橫向擺動幅度。云臺上端使用軸承與軸連接來控制清潔臂。同時清潔臂嵌有減速電機，通過聯(lián)軸器和短軸與毛刷連接，以此來控制毛刷的自由旋轉(zhuǎn)。同時解決了由于各部分電機負載差異，電機本身參數(shù)差異等因素造成機器人清潔臂行進中走偏的問題，保證了在一定精度上擬合應(yīng)有軌跡清掃，滿足清潔需求。同時在橫向縱向一個矩形軌跡周期內(nèi)，保證了機器人行走距離小于毛刷寬度，解決了機器人在風(fēng)道內(nèi)部的導(dǎo)向問題。

3.3 無線串口模塊的選擇

采用E12-TTL無線通信模塊進行遠程控制，E12-TTL模塊是億和電子科技有限公司推出的一款中心頻率為433MHz的無線通信模塊。它具有TTL電平的串口通信接口，支持波特率為1200-57600多達7種波特率。E12-TTL模塊采用進口高性能無線射頻芯片，以及超低功耗性能單片機構(gòu)成。用戶無需關(guān)心復(fù)雜的無線通信設(shè)備以及傳輸算法，只需要通過TTL串口連接到設(shè)備，2個模塊即可取代一條傳統(tǒng)的串口線，省去布線工作，且比傳統(tǒng)串口傳輸距離更遠，同時可以通過控制模塊完成多種不同的操作。

3.4 消毒裝置設(shè)計

消毒裝置置于機器人尾端，由噴霧高壓泵和消毒瓶構(gòu)成，，噴霧高壓泵動力足，覆蓋面較廣，不會有死角遺留。消毒液為無味無毒液體，非常適合在人群密集處或家居使用。

3.5 遠程監(jiān)控結(jié)構(gòu)設(shè)計

遠程監(jiān)控結(jié)構(gòu)采用E12-TTL無線串口模塊，在機器人作業(yè)過程中，該結(jié)構(gòu)可以控制機器人移動驅(qū)動電機、二維運動平臺驅(qū)動電機、清潔毛刷驅(qū)動電機進行相應(yīng)運動。機體自身攜帶攝像頭，安裝在機器人前方以增加監(jiān)控的視野范圍，由于機器人在能見度低下的風(fēng)道內(nèi)工作將照明燈分布在攝像頭周圍，以減小燈光對攝像頭的影響。此外，LCD顯示屏能將機體上所帶攝像頭反饋的視頻信號實時顯示在顯示屏上。通過觀察顯示屏，工作人員可以對機器人所處狀態(tài)進行判斷，從而控制機器人前進后退或轉(zhuǎn)彎、二維云臺橫向縱向擺動、自動擬合矩形清掃軌跡等運動。

4.調(diào)試結(jié)果分析

本產(chǎn)品可以應(yīng)用在一些大型工廠和樓宇當中，主要適用于國內(nèi)生產(chǎn)的扁平管道中，操作簡單且效率高效，可幫助清潔公司清掃一些錯綜復(fù)雜的通風(fēng)管道，也可以供單位內(nèi)部使用。除了能夠在通風(fēng)管道中進行作業(yè)，還可以清理油煙管道。

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2016大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目：管道清洗機器人的設(shè)計（201613324066）。