中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析

朱金金

(南通理工學(xué)院，江蘇 南通 226000)

1 中央空調(diào)管道清潔機(jī)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(jī)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(jī)器人要具有強(qiáng)大的清洗清掃能力，能夠滿足各種清洗標(biāo)準(zhǔn)，甚至在綠色生活理念下，管道清潔機(jī)器人還需要擁有一些附加的功能。

2 中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析

2.1 中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人系統(tǒng)分析

中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)性能設(shè)計歸根結(jié)底是為了清潔管道而服務(wù)的，因此在設(shè)計中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人之前，需要展開對空調(diào)管道裝置系統(tǒng)的分析。不同類型大小的中央空調(diào)管道系統(tǒng)組成是不同的，因此所采用的清洗方案也是不同的。當(dāng)前要想設(shè)計出一款具有普適性的中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人，需要展開對管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析。基于對管道系統(tǒng)裝置的分析，本文所分析的管道清潔機(jī)器人其工作的整體情況如下所示：①清潔機(jī)器人要進(jìn)入到空調(diào)管道中進(jìn)行管道內(nèi)部環(huán)境的檢查，因此，需要配備行走機(jī)構(gòu)，滿足空調(diào)管道上下左右前后的行走，在系統(tǒng)中還需要配備視頻傳感器，將管道內(nèi)部環(huán)境衛(wèi)生情況上報控制系統(tǒng)，制定清洗方案。②展開對管道的清掃。清掃過程中不可避免地導(dǎo)致灰塵四處散落，因此需要利用氣囊將空調(diào)風(fēng)口堵住，確保室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，之后驅(qū)動清洗機(jī)器人的清掃模塊，完成對風(fēng)管內(nèi)壁的清洗，利用集層凈化器吸收風(fēng)管內(nèi)的病菌等。最后，再利用傳感器展開風(fēng)管內(nèi)壁清洗效果的監(jiān)督判斷。③恢復(fù)風(fēng)口和工作區(qū)域。可以說采取管道清洗機(jī)器人具有巨大的優(yōu)勢和特點，如：能夠?qū)崿F(xiàn)控制的可視化，制定好清掃的檔案資料，便于展開對中央空調(diào)系統(tǒng)的質(zhì)量控制管理。

2.2 中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人的各個機(jī)構(gòu)設(shè)計分析

2.2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計分析

控制系統(tǒng)是確保清洗機(jī)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(jī)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(jī)控制驅(qū)動模塊主要是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和直流電機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)方向，如此很大程度地提升了清洗機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)和清掃機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)運(yùn)作效率。

2.2.2 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計分析

行走機(jī)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(jī)構(gòu)，具體如圖1所示。該行走機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)座、滑軌、電磁鐵腳等組成。工作原理是由電機(jī)驅(qū)動輪組帶動曲柄連桿機(jī)構(gòu)推動滑塊在滑軌上實現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動，同時利用磁鐵腳的吸附作用，當(dāng)齒輪齒條傳動時，則磁鐵被推出，吸附在管道壁上，當(dāng)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(jī)器人的行走機(jī)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(dá)到300mm，最小高度為200mm，且管道截面尺寸高度隨機(jī)處理；越障，最大高度尺寸為90mm。

圖1 清洗機(jī)器人的行走整體結(jié)構(gòu)

驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計分析。驅(qū)動機(jī)構(gòu)為清潔機(jī)器人的行走提供動力，其是推動其前進(jìn)的重要動力，同時驅(qū)動機(jī)構(gòu)還具有靈活性，能夠隨著管道內(nèi)部裝置結(jié)構(gòu)形狀而作出改變。常見的驅(qū)動方式為履帶式、螺輪式、腳足式等，本文采用的正是腳足式驅(qū)動機(jī)構(gòu)，該方式具有適應(yīng)能力強(qiáng)，越障能力強(qiáng)，對粗糙管道適應(yīng)性較強(qiáng)，且具有較高的承載能力。

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計。清洗機(jī)器人的行走模塊中必須具有導(dǎo)向功能，只有如此，才能夠在各種矩形管道中，豎直管道中進(jìn)行管道的整體清潔。常見的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)有差速式導(dǎo)向，由2個獨立的驅(qū)動電機(jī)控制，本設(shè)計正是采用這種驅(qū)動導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，其設(shè)計方案圖2所示。

圖2 清洗機(jī)器人的電磁導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計原理

升降機(jī)構(gòu)設(shè)計分析。常見的清洗機(jī)器人升降機(jī)構(gòu)可以分為連桿結(jié)構(gòu)和伸縮桿結(jié)構(gòu)，本次設(shè)計所采用的連桿結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)豎向方向和水平方向的轉(zhuǎn)變，是一種自適應(yīng)力極強(qiáng)的機(jī)構(gòu)，且整體機(jī)構(gòu)大小符合管道內(nèi)的最小尺寸需求。在升降機(jī)構(gòu)設(shè)計中，實現(xiàn)借助solidworks軟件建立起連桿結(jié)構(gòu)的模型，而后進(jìn)行模型的仿真實驗。

2.2.3 清洗機(jī)構(gòu)設(shè)計分析

清洗機(jī)構(gòu)模塊是整個清潔機(jī)器人的重要組成部分，其決定著該機(jī)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(jī)構(gòu)的設(shè)計分析之后，已經(jīng)初步解決清洗機(jī)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(jìn)行合理地回收，對各種頑固污漬進(jìn)行全面清洗。因此，清洗機(jī)構(gòu)需要具有清洗裝置和回收裝置。

清洗機(jī)構(gòu)設(shè)計。清洗機(jī)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(jī)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(jìn)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。具體設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 清洗機(jī)構(gòu)的整體方案設(shè)計

回收機(jī)構(gòu)設(shè)計。將管道內(nèi)的雜質(zhì)回收帶走是清洗機(jī)器人重要的工作內(nèi)容，因此，需要設(shè)計回收機(jī)構(gòu)，本清洗機(jī)器人主要是通過吸塵力效應(yīng)來實現(xiàn)對灰塵等的回收。在本次設(shè)計中，通過建立模型的方式，對于所采用的吸塵管道的吸塵力變化參數(shù)的計算，基于該計算結(jié)果完成對吸塵口形狀設(shè)計。

3 結(jié)語

綜上所述，上述基于中央空調(diào)管道清潔的實際需求，完成對其機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計應(yīng)用，所設(shè)計制作而成的清潔機(jī)器人具有較高的工作效率，在未來的研究探索中，仍舊需要不斷地導(dǎo)入新的設(shè)計理念、設(shè)計思路進(jìn)行管道清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，為現(xiàn)代社會提供更加高質(zhì)量、精細(xì)化的人工智能服務(wù)。