中央空調管道清掃機的設計

孟昭興+張榮芳

山東協(xié)和學院機電工程學院

【摘 要】針對中央空調風道狹小，人工清洗困難的現狀。設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。本產品是由清掃消毒裝置、移動裝置、檢測裝置等結構組成。以STC12C5A60S2單片機為主控芯片，采用AQMH2407電機驅動芯片、無線遙控模塊等構成外圍擴展電路實驗調試表明該產品能夠自動完成管道清洗功能。

【關鍵詞】清洗機器人；中央空調管道；遠程監(jiān)控

1.引言

中央空調風道系統(tǒng)與室內空氣接觸，所以風道內清潔程度直接關系著人們的身體健康。但是由于中央空調風道的保養(yǎng)卻得不到重視而且不易清掃，因此中央空調風道造成的室內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道內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.總體設計方案

中央空調主要應用于一些樓宇結構中，因為國內中央空調風道沒有規(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)時必須實現檢測、吸塵集塵、消毒等功能。同時機體須適應風道大小才能靈活運轉。中央空調風道清洗機器人設計科學合理，機體包括清掃裝置、移動結構、消毒裝置、檢測裝置，已基本實現智能化和半自動化。該機器人可以深入風道中進行作業(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，基本實現了吸塵集塵一體化，清潔消毒同步化。然后通過無線傳輸設備反饋給工作人員。清掃徹底且不會留下死角。本產品功能齊全，運轉靈活，清掃徹底且不留下死角。投入應用后有利于改善室內空氣質量和促進國內清洗行業(yè)的迅速發(fā)展。中央空調風道清洗機器人采用模塊化設計，主要由清掃消毒裝置、移動裝置、檢測裝置組成如圖1所示：

3.結構設計

國內中央空調風道內部表面材料大部分為鍍鋅鋼板，摩擦力極小，同時機器人在風道內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電機驅動芯片驅動兩個減速電機來分別控制左右兩輪，使小車的回轉半徑達到最小。STC12C5A60S單片機按照AQMH2407電機驅動芯片工作要求發(fā)送控制信號。當兩側電機轉向相同時，小車直線前進或后退，當兩側電機轉向相反時，小車原地拐彎。使得機器人可以靈活實現前進后退拐彎等功能。操作簡單，可以使機器人在風道內自由移動且不會出現行進遲緩、打滑等現象。

3.1電機驅動芯片

設計采用AQMH2407ND直流電機驅動模塊，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，且正反轉控制信號可串聯限位開關，它的控制信號使用灌電流驅動方式，并且支持絕大多數單片機直接驅動。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計

本裝置改變現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。在毛刷旋轉運行時，機器人可以根據風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。保證風道內部每一個點都能被清潔毛刷清潔至少一次，實現無死角清潔。機體前端使用帶有橫向驅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，通過聯軸器和短軸與毛刷連接，以此來控制毛刷的自由旋轉。同時解決了由于各部分電機負載差異，電機本身參數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，保證了機器人行走距離小于毛刷寬度，解決了機器人在風道內部的導向問題。

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成。用戶無需關心復雜的無線通信設備以及傳輸算法，只需要通過TTL串口連接到設備，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消毒裝置設計

消毒裝置置于機器人尾端，由噴霧高壓泵和消毒瓶構成，，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)控結構設計

遠程監(jiān)控結構采用E12-TTL無線串口模塊，在機器人作業(yè)過程中，該結構可以控制機器人移動驅動電機、二維運動平臺驅動電機、清潔毛刷驅動電機進行相應運動。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道內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.調試結果分析

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

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基金項目：

2016大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目：管道清洗機器人的設計（201613324066）。