自適應性多管道清洗機器人的系統設計與研究

齊展飛 陳艷

摘 要 當前我國實行的油污管道清潔方式有兩種，分別是物理清洗和化學清洗，這兩種方法都需要在人工的操作下進行，其清潔效率低下，且造成人工成本的浪費。隨著我國經濟的飛速發展，人們對生活質量的要求也越來越高，對健康意識和環保意識也越來越強，同時科技進步也推動了清洗技術和裝備的快速發展。當下的清洗行業已發展為新型的潛力行業，因此，在管道清洗這一領域設計出一種實用的自動清洗裝置顯得尤為重要，本課題的研究，就是想利用Solid works這款軟件的三維繪圖功能，通過數字化模擬建模來設計可用于管道清洗的機器人，解決現在人工清潔所面臨的的困難和不便。

關鍵詞 清洗 機器人 Solid works 設計

1研究目的

縱觀國內整個餐飲行業，由于油煙管道長期得不到清洗，油漬殘留在油煙機和油煙管道上，時間久了形成油垢，油垢越厚就越難清洗，不僅影響到油煙機和油煙管道的使用，縮短設備的使用壽命，增加運營成本，同時造成污染，形成安全隱患。油煙管道現有清洗方法主要是依靠人工作業的化學清洗和物理清洗。工人勞動強度大、效率低，清凈率低、成本高、存在人工清洗不到的死角，對管壁易形成物理損傷及污染環境等，特別是對豎直管壁的清洗，作業人員的安全存在較大潛在危險。因此，在這一應用領域研究一種實用的自動清洗裝置很有必要，將人從這一危險作業環境中解放出來。隨著經濟的發展、人們生活水平的提高，人們對于食品衛生，健康的要求越來越高，環保意識越來越強，如何實現油煙管道高效率的清洗成了相關從業人員關注的問題。

2研究意義

（1）能自動適應不同管徑，不同放置方位的管道機器人的清洗，特別是可完成豎直油煙管道的清洗。賓館飯店常常位于高層建筑物中整直煙道的清洗是管道清洗的重要任務。針對現有機器人不能用于豎直管道清洗的缺點，本課題設計了鏈式腹帶行走、水磁吸附的機械行走機構，用于完成油煙管道的清洗爬壁任務。

（2）可提高機器人的清洗效率。現有管道機器人由于機械執行機構只有一個自由度，清洗管道壁時，要通過不斷調整機器人的位姿來實現，使操作變得復雜，清洗效率較低。

（3）可改善當前清洗油煙管道工人的工作環境、降低工人的勞動強度、節約清洗成本、消除油煙管道清洗的衛生死角、提高管道使用壽命、提高油煙管道的清洗效率、減少火災以及可避免化學清洗導致的污染和純機械消洗對管道造成的損傷等。

3清潔管道機器人的工作原理

清潔管道機器人的構造系統主要由清潔機器人本體、系統外部控制系統和電纜車通信系統組成。首先，清潔機器人的本體是經過行走裝置的驅動來進行正常的運動控制，由可以旋轉的刀具或清理器件對油污管道的內側的窩溝層進行清潔。然后機器人的本體連接著一臺具有一定壓力的水流沖洗機，通過這臺水流沖洗機對已經用旋轉刀具刮擦過的油污管道進行細致的清洗，把油漬和污垢從管道里沖出去。而電纜車的作用有2種，第一是為清漆機器人本體提供纜線供電，第二是通過電纜線實現對機器人的通信控制。另外，外部控制系統利用一臺高運算的計算機來控制整個操作系統。這樣就實現了在電腦上通過簡單的操作界面來控制清洗管道機器人的運轉，利用外部控制系統同時可以監控電源轉換器、控制器電路和人家交互設備的運行參數，完美實現各部門的功能運行。

4管道機器人的三維模型構建

首先，通過數據計算來進行機器人數字化三維模型的構建，并在成功建立的模型基礎上，對機器人本體的各部位功能進行有效的開發。在管道機器人的研發初期，無論是從投入成本的角度考慮還是自從研發的周期考慮，都需要都管道機器人進行數字化三維建模，然后針對管道機器人的內部的各個機構，進行運動性能仿真模擬，計算出機器人各機構的合理比例和空間面積大小。最后詳細記錄仿真數據為下一步管道機器人物理本體的制作，提供數據支持。

5管道機器人的內部零件設計

想要詳細的計算出機器人的內部零件的尺寸和適配性，就需要借助Solid works這款超級實用的三維繪圖軟件，它可以將管道機器人的內部各部件進行統一的數字化模型處理，這也是機械行業較為常見的一款三維實體繪圖軟件。在通過Solid works模擬之后，我們選擇實用齒輪咬合滾動的鏈條驅動作為清潔機器人的運動系統，通過一條單旋轉的蝸桿來帶動3個呈現120度夾角的渦輪的運轉，對應的實體就是，利用單驅動電機實現對3根滾動齒輪的牽引力驅動。

6整體仿真效果和實體樣機制作

在進行了管道機器人內部零件的三維設計之后，就需要按照各個零件之間的連動邏輯來進行整體的裝配。具體的裝配數據如下：定制蝸桿數量為1，齒輪鏈條的齒數為28，控制蝸桿轉動的電機轉速為勻速0-120r/min，即輸出轉軸的角速度為0-720？s勻加速運行，根據轉動關系計算，齒輪轉動角速度為22.58。管道機器人的本體配備2部支流電機，一部是行動電機，它主要是給蝸桿轉動和鏈條傳輸提供電力驅動，并與其共同構成機器人的驅動系統。另一部是變徑電機，主要是為螺母杠桿平衡和平行連桿結構供電，用以清潔機器人的轉彎變向驅動。這樣我們便可以根據清潔機器人的整體三維仿真設計，結合現有的零件制作條件，初步研制第一代管道機器人的樣機。

7整體的運動控制系統的設計

清潔機器人的整個控制系統是由電腦終端控制系統、DSP主控器、單片機從動器等主要構成，在總線通信和串口連接通信的網絡通信基礎上，通過結合驅動電路、濕度和溫度傳感器、速度測量儀和人機交互電路，形成完成的控制鏈，共同實現對清潔機器人的運動控制和運動參數的記錄顯示。在利用Solid works軟件繪制時，以VC++6.0作為編譯語言，把電腦端的控制系統劃分為三個區域，分別是端口設置區域、動態數據顯示區域和指令發送及反饋區域。電機運轉的實時情況在電腦操作界面上顯示為動態曲線和動態數據兩種模式，而動態數據會按照時段記錄并保存在data.txt文件之中，以方便隨時查閱。

8運動控制系統的設計

清潔機器人的運動控制系統主要由電機、從動控制器、溫度和濕度傳感器、速度測量儀以及驅動電路組成。電機是供電保障;從動控制器是功能單片機，負責及時響應電腦主操控系統的信息指令;溫度和濕度傳感器負責相關數據的采集和傳輸，將機器人的運動實況及時反饋給電腦主控系統;速度測量儀的功能和溫度濕度傳感器相似;驅動電路可以控制機器人直行轉彎伸縮等運動方式。另外，機器人的運動控制系統需要一部交流電源適配器給控制系統內部供電。

9外部操作系統的設計

外部操作系統主要由主控制器、操作面板、液晶顯示器、上下位機通信模塊等構成。主控制器的核心是DSP，其功能是及時接收電腦主控制系統的指令，電腦終端的指令在經過調試之后，可以經過上下位機通信機制向運動系統的從動控制器發送指令，操控機器人的運動與否，同時可以接收從動控制器的反饋信息，并通過R式串行調制通信的方式，將反饋信息再發送給電腦主控制系統并在液晶顯示器顯示出來。操作面板的最大功能是實現操作模式的轉換，在一定條件下可以將自動工作模式調整為手動控制模式，讓人可以直接控制機器人的運轉。

11總結

通過對管道清潔領域的研究我們發現，目前管道清潔仍然存在許多棘手的問題，于是我們便設通過設計智能機器人的方式來解決這些問題。本文通過對清潔機器人工作原理的和設計理念的研究，結合SW這款三維繪圖軟件對機器人各系統部件進行建模，通過對仿真參數的分析，深入進行控制系統的設計，最后得出清潔機器人的整體性能參數，為清潔機器人的實際制作提供數據支持。

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