中央空調(diào)風道清潔機器人設(shè)計思考研究

李耀臣

摘 要：隨著經(jīng)濟和科技的快速發(fā)展，為清掃中央空調(diào)管道因長期使用積存下來的大量灰塵和污垢，設(shè)計了一套新型的中央空調(diào)管道清潔機器人，該機器人具有體積小、質(zhì)量輕、使用方便、清掃徹底等特點。清掃機器人在前方兩側(cè)安裝的導輪結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)空調(diào)風道復雜環(huán)境的自如導向;氣動馬達帶動圓頭型毛刷旋轉(zhuǎn)和上下擺動，可以將空調(diào)風道的死角和頂板徹底清理;照明和監(jiān)視系統(tǒng)可以清楚地觀察到風道內(nèi)的污垢，實現(xiàn)遠距離操控伸縮式毛刷桿，可以滿足各種尺寸空調(diào)管道的清掃工作。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào);管道清潔;機器人

引言

隨著我國國民經(jīng)濟和城市建設(shè)的快速發(fā)展，中央空調(diào)已成為改善人們工作與生活環(huán)境的必備設(shè)施。目前全國共有上百萬臺中央空調(diào)亟待清潔保養(yǎng)，其中相當一部分中央空調(diào)的通風系統(tǒng)從未進行過徹底的清潔，清潔面積大且縱橫交錯的中央空調(diào)通風管道已經(jīng)成為長期的衛(wèi)生死角，由此造成的室內(nèi)空氣污染問題嚴重影響著人們的身體健康。

1中央空調(diào)管道清潔機器人設(shè)計的需求

1.1具有靈活的結(jié)構(gòu)特點

事實上，在不同的行業(yè)領(lǐng)域中所采用的中央空調(diào)管道系統(tǒng)型號并不相同，且空調(diào)內(nèi)的管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也不相同。因此，所設(shè)計出的管道清潔機器人要具有較為靈活的結(jié)構(gòu)特點，滿足各種上下左右的移動要求。

1.2具有較高的清洗清掃功能

中央空調(diào)管道具有大、數(shù)量多等特點，因此在管道內(nèi)所滯留存在的不僅僅是體積質(zhì)量較大的灰塵，還可能出現(xiàn)動物尸體等。因此，管道清洗機器人要具有強大的清洗清掃能力，能夠滿足各種清洗標準，甚至在綠色生活理念下，管道清潔機器人還需要擁有一些附加的功能。

2整體設(shè)計方案

在全面了解國外典型空調(diào)清掃機器人的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一套新型的清潔機器人，機器人在管道中檢查和清理污垢過程如下：首先將氣囊塞入管道內(nèi)，并進行充氣，使得氣囊堵住等待清掃管道的兩端，將需要清掃的區(qū)域隔離出來，防止清掃中的灰塵向其他區(qū)域飄散;管道內(nèi)壁的灰塵掉落后，使用大型集塵凈化器吸收管內(nèi)被掃落的灰塵和雜質(zhì);最后使用攝像傳感裝置查看管內(nèi)的清洗情況。該清潔機器人系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢如下：1）整套設(shè)備小巧輕便，便于搬運攜帶;采用履帶行走方式，前進、后退自如;導向裝置使機器人遇到障礙時能夠自動轉(zhuǎn)向;工作時可以通過監(jiān)控設(shè)備實時查看管道內(nèi)污垢附著情況，從而實現(xiàn)清掃過程的遠距離遙控。2）除污徹底化。系統(tǒng)嚴格按照中央管道空調(diào)清洗協(xié)會提出的生產(chǎn)標準進行設(shè)計，由氣動馬達帶動毛刷轉(zhuǎn)動徹底清掃管道邊角和頂部的灰塵，并且可以使用氣動馬達將支撐桿抬高或降低，再利用大型集塵凈化裝置把管道內(nèi)掃落的灰塵高效地收集，然后進行處理。3）可視范圍廣。清掃過程中，可通過攝像傳感裝置查看管道清潔狀況，并進行相應(yīng)的操作。

3中央空調(diào)管道清潔機器人的各個機構(gòu)設(shè)計分析

3.1控制系統(tǒng)設(shè)計分析

控制系統(tǒng)是確保清洗機器人做好行走、清掃工作的重要環(huán)節(jié)。基于電氣自動化技術(shù)的發(fā)展，空調(diào)管道系統(tǒng)的清洗機器人控制系統(tǒng)主要由視覺觀測模塊和清洗裝置模塊2個部分組成。其中，清洗裝置系統(tǒng)同行走系統(tǒng)結(jié)合在一起，需要完成驅(qū)動、升降、轉(zhuǎn)向以及清洗作業(yè)，而視覺觀測系統(tǒng)則需要將空調(diào)管道內(nèi)部的圖像信息、圖片拍攝傳輸?shù)诫娔X系統(tǒng)中，由工作人員根據(jù)觀測到的圖像信息對清洗裝置展開控制。在控制系統(tǒng)中的電機控制驅(qū)動模塊主要是由步進電機驅(qū)動和直流電機驅(qū)動2個子系統(tǒng)組成，采用分組控制的方式，分別控制速度和運轉(zhuǎn)方向，如此很大程度地提升了清洗機器人的行走機構(gòu)和清掃機構(gòu)的協(xié)調(diào)運作效率。

3.2行走機構(gòu)設(shè)計分析

行走機構(gòu)設(shè)計需要滿足各種特殊的空調(diào)管道的清洗需求。如：對于豎直管道的清洗，對于管道內(nèi)有障礙物情況下的行走。在本設(shè)計中主要采用中心兌成的腿足型行走機構(gòu)。該行走機構(gòu)主要由電機座、滑軌、電磁鐵腳等組成。工作原理是由電機驅(qū)動輪組帶動曲柄連桿機構(gòu)推動滑塊在滑軌上實現(xiàn)往復運動，同時利用磁鐵腳的吸附作用，當齒輪齒條傳動時，則磁鐵被推出，吸附在管道壁上，當需要移動時，就給電磁鐵通電，取消吸附力。根據(jù)實際的清洗需求可知，該清洗機器人的行走機構(gòu)需要滿足爬坡、轉(zhuǎn)向、升降以及越障等功能作用，以下對不同功能參數(shù)展開設(shè)計分析。爬坡，最大坡度為60°;轉(zhuǎn)向，最大轉(zhuǎn)彎角度為90°，且轉(zhuǎn)彎半徑可以為60mm;升降，最大高度可以達到300mm，最小高度為200mm，且管道截面尺寸高度隨機處理;越障，最大高度尺寸為90mm。

3.3監(jiān)視控制器

監(jiān)視控制器需要安裝一個小型攝像頭，并固定在機器人的可調(diào)節(jié)臂上，在操作期間通過不斷調(diào)整相機的視角觀察管道內(nèi)復雜的環(huán)境。目前主流攝像頭所采用的感光元件主要有2種：1）CCD（chargecoupleddevice，電荷耦合器件）組件，具有成像清晰、抗抖動、體積小等優(yōu)點，但價格略高。2）CMOS（complementarymetaloxidesemi-conductor，互補金屬氧化物半導體），是一種低質(zhì)量成像的攝像產(chǎn)品，在光線較暗的環(huán)境下工作時必須另外搭配光源，但其具有價格低、響應(yīng)性低、功耗低等優(yōu)點，并且成像效果能夠滿足空調(diào)管道清掃的成像需求。

3.4清潔毛刷設(shè)計

安裝在清潔臂前端，采用圓柱形設(shè)計，端面采用碗狀曲面，以提高毛刷的清潔效果。毛刷采用220V雙軸交流電機直接驅(qū)動，毛刷與電機輸出軸間采用D形孔連接，并安裝有3根調(diào)整螺釘，以調(diào)整毛刷與電機軸的同軸度。該設(shè)計保證了清潔毛刷在清潔風道壁時轉(zhuǎn)速與輸出力矩間有較大的剛度，使得毛刷能在不同清潔阻力的作用下轉(zhuǎn)速變化不大，即在風道內(nèi)管壁積灰程度不同的情況下依然能保證毛刷良好的清潔效果，同時去掉了毛刷與驅(qū)動電機間的動力傳動裝置，簡化了設(shè)計。考慮到清潔臂的平衡問題，清潔臂后端應(yīng)加適當配重。

3.5清洗機構(gòu)設(shè)計分析

清洗機構(gòu)模塊是整個清潔機器人的重要組成部分，其決定著該機器人的工作效率，清洗有效性以及市場應(yīng)用率和推廣價值。通過對行走機構(gòu)的設(shè)計分析之后，已經(jīng)初步解決清洗機器人在空調(diào)管道內(nèi)部的工作路徑、工作方向，但是清洗方式則又需要對清洗下的雜質(zhì)進行合理地回收，對各種頑固污漬進行全面清洗。因此，清洗機構(gòu)需要具有清洗裝置和回收裝置。清洗機構(gòu)設(shè)計。清洗機構(gòu)需要擁有清洗刷頭、刷柄以及吸塵管。清洗結(jié)構(gòu)的驅(qū)動機構(gòu)主要原理是擺動，通過對吸塵管和刷頭角度的控制，在一定時間內(nèi)改變相對位置，完成對管道內(nèi)部的全面清洗。因此，可以采用蛇骨結(jié)構(gòu)，利用兩端固定節(jié)和蛇骨骨節(jié)，根據(jù)所需要的長度規(guī)格進行相鄰骨節(jié)的鉸接，如此只需拽動一側(cè)的金屬線，就可以實現(xiàn)角度變化彎曲。

結(jié)語

隨著智能時代的發(fā)展，本文設(shè)計的中央空調(diào)管道清潔機器人通過分析、仿真與驗證，結(jié)果表明其解決了中央空調(diào)管道式通風系統(tǒng)的清洗難題，證明該機器人對中央空調(diào)管道內(nèi)的清潔工作有較強適應(yīng)能力，同時對同類型的機器人機構(gòu)設(shè)計與研究具有參考價值。

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