用于矩形通風管道的集成清潔機器人

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(西安工業大學機電工程學院，陜西 西安 710021)

0 引言

長時間未清理的中央空調通風管道會導致各類灰塵及污染物在管道中沉淀，長此以往反而影響室內空氣質量。目前，管道內部的檢查和維護只適用于管道直徑較大的情況，而相對較小的管道無法為人類提供足夠的作業空間，并且無論管道何時出現問題，唯一的辦法就是將出現問題的部分切開進行處理[1]。

對于管道機器人的研究，文獻[2]設計了一種管徑自適應結構的足式管道清潔機器人；文獻[3]針對矩形截面通風管道提出了一款自適應管道高度和寬度的清潔機器人設計方案；文獻[4]提出了一種仿尺蠖式氣壓驅動管道清潔機器人，其主要由清潔作業單元、縱向驅動單元、橫向支撐單元和氣壓系統4個部分組成；文獻[5]基于STM32設計了一種管道機器人控制系統，對垂直管道機器人進行相應的閉環控制，并且使機器人具備在管道內行走及檢測的功能；文獻[6]采用各模塊與單片機組成閉環反饋模式來進行電機控制,從而實現對履帶式管道清潔機器人的控制；文獻[7]主要針對多履帶可變徑式管道檢查機器人,進行了運動學分析與變徑機構仿真；文獻[8]對新型空調通風管道清理機器人進行工程應用與分析，得出優化后的機器人變徑范圍，由機器人變徑引起的誤差降低了89%；文獻[9]設計了一款電纜管道巡視清理機器人，采用模糊算法和圖像識別算法糾正車體姿態以及判斷雜物位置；文獻[10]主要對管道清淤機器人的清淤裝置進行了動力學特性研究；文獻[11]建立靜力學平衡方程對機器人進行了越障過程的受力分析，并利用ADAMS對自動適應機構進行了動力學仿真分析，提高了管道機器人自動適應管徑變化的能力和在管道中的越障能力；文獻[12]以小型管道機器人為研究對象，采用模塊化設計思路，將控制系統分為多個獨立的功能模塊。

中央空調矩形通風管道自身結構特殊，人工清洗困難，勞動量大，工作效率低，容易留死角，清理產生的粉塵危害人體健康。管道清潔機器人是可以替代人工成功解決空調通風管道清潔的有效途徑。基于此，本文設計了一個管道清洗機器人小車，并對實現該系統的關鍵技術進行了詳細的討論,主要包括管道清洗裝置，實現管壁內側積塵打落，檢測監控系統，檢測監控管道內污染實際狀況。

1 車體形態及大小分析

本文所設計的管道清潔機器人應用場景設為寬度在400～600 mm 以內的矩形管道。以其上限600 mm 為例，考慮其最難通過的極限情況，忽略連接處可能存在的圓角，即將其視為直角轉彎，具體分析如圖1所示。

圖1 直角轉彎分析示意

根據計算公式取極限，即車轉到與管道成45°角且車長的前后兩端點均與管道相切，如圖1所示，設機器人小車長為b，寬為a，管道寬度D=600 mm ，則有：

線段O為過其中心軌跡的45°切線與管道所形成的線段，故y的長度為

由于車體中心一直在管道中心線上，故

(1)

由于以x為高、小車長度b為底的等腰直角三角形，與以z為高、L為底的等腰直角三角形相似，則有

可得小車長與寬的限制關系，即b≤1 097-a。由于小車寬度也需小于管道寬度，故取小車寬度b=400 mm，可得小車長度取值為a=1 097-400=697 mm，為進一步減小轉彎難度，最終取600 mm。轉彎示意圖如圖2所示。

圖2 400 mm×600 mm小車轉彎示意(單位 mm)

同理，可得在管道寬度為最小寬度D=400 mm 時，有以下關系：

故可得小車長與寬的限制關系，即b≤731-a。由于小車寬度也需小于管道寬度，故取小車寬度b=300 mm，可得小車長度取值為a=731-300=431 mm，為了便于設計，最終取400 mm。

2 管道機器人整體結構

機器人的行走機構由4個驅動輪組成；主刷頭清掃模塊選用2個刷頭，將主刷頭旋轉軸改為與車輪軸平行，旋轉方向相反，即左視圖為順時針旋轉，這樣即可模擬掃把的原理，將灰塵不斷向前推進，為了避免相互干擾卡死的情況，將刷頭設計為多層錯落結構，在主刷頭的前半部分安裝擋板，方便將刷毛上的灰刮下；為了滿足不同管道寬度的需求，在主刷頭左右兩邊額外安裝2個輔助刷頭，與主刷頭成一定角度，可通過連桿調節該角度，從而達到適應不同寬度的要求；在輔助刷頭兩端安裝簡單的球式導向輪作為支撐導向結構。管道機器人整體結構簡圖如圖3所示。

圖3 管道機器人結構簡圖

其中，小車支撐式結構采用彈簧三角形以保證結構的穩定性且可保證輪子互成90°，支承桿選用可伸縮調節式，長度可伸縮以適應更寬更高的管道，伸縮桿與小車固定底部保留繞小車前進方向的轉動自由度，使其可適應支撐桿與管壁形成的不同角度，且支撐桿左右用彈簧拉伸，給支撐桿一個力，使其末端的互相垂直的車輪組合與管壁緊緊貼合。如圖4所示。

圖4 支撐結構示意

車輪系統是一種特殊的可調節車輪系統，可適應不同的管道寬度和高度，通過旋轉3根電機固定件之間的螺紋軸來調節4根支撐旋轉桿的角度,從而改變車體高度和寬度，進而調節刷頭的工作高度。同時，3根電機固定件間的螺紋軸作為2個車輪間的支撐，螺紋可起到左右限位保持旋轉桿間夾角不變的功能。可調節車輪系統如圖5所示。

圖5 可調節車輪系統

3 管道機器人機械本體

3.1 主刷頭模塊

主刷頭選擇直角直流減速電機，為了減少電機軸與刷頭軸連接之間的長度，采用螺紋連接，選用帶有螺紋軸的直角直流減速電機，將主刷頭軸一頭設計為內螺紋結構與電機螺紋軸相連，另一端設計為旋轉光軸，將其插入小車另一端的軸承中。選用2個型號為CHW-GW4632-370型蝸輪蝸桿直流減速電機(帶行星減速箱)。

3.2 輔助刷頭模塊

輔助刷頭采用刷頭軸內螺紋孔與帶螺紋軸的直流減速電機通過螺紋連接，電機轉向與螺紋旋緊方向相同，這樣可確保其連接可靠性。選用2個型號為CHR-GM37-545S型永磁直流螺紋軸減速電機(帶行星減速箱)。輔助刷頭系統如圖6所示。

圖6 輔助刷頭系統(單位 mm)

當輔助刷頭完全張開時，其直流電機的前端與車底板兩側邊重合，即刷頭完全伸出車體底板外。設定輔助刷頭完全張開時，其拉桿與絲杠成一定的角度，為了使拉桿不與輔助刷頭電機固定件碰撞，輔助刷頭固定件靠近旋轉軸處需要向內成一定角度。完全張開示意如圖7所示。

圖7 輔助刷頭張開示意

3.3 車輪系統模塊

根據電機所需的動力源和工作條件，選用無刷直流電機。選用4個型號為JGB37-550型直流無刷電機(帶行星減速箱)。考慮到小車前車輪與輔助刷頭的碰撞，采用如圖8所示的輔助刷頭底板固定件，最終小車前車輪+輔助刷頭的系統如圖9所示。

圖8 輔助刷頭底板固定件

圖9 三維建模示意

3.4 輔助刷頭開合電機選型

由于輔助刷頭的開合對角度有比較精確的要求，且選用了絲杠機構來控制輔助刷頭的開合，故搭配使用絲杠步進電機。選擇比較常用的42絲杠步進電機，其具體型號為42HD4050B-40。

3.5 攝像頭監控模塊

該模塊的主要作用是：觀察管道內前方工作環境；讓人通過肉眼觀察管道內清潔效果；在轉彎時，提供視覺輔助。所用到的攝像頭只需要起到傳回圖像的作用，無需雙向操作，故選用帝防的小型無線Wi-Fi監控攝像頭，是一款簡單易用的集成化高的錄像回傳一體化攝像頭。

3.6 吹灰扇選型

本文設計使用一個吹灰扇來將揚起的灰塵向前推進，同時也可避免揚起的灰污染車身干擾電機等設備運行。考慮到單獨選用風扇電機還需額外使用1塊電機驅動板，增加電路的復雜性同時也增加了成本。故選擇用于汽車的12/24 V散熱風扇來完成工作。

3.7 電機驅動模塊

輔助刷頭電機和絲杠步進電機選擇使用較多的L298N驅動模塊，輔助刷頭1塊，絲杠步進電機單獨1塊。而車輪電機、主刷頭電機以及風扇的驅動則選用L298邏輯驅動板，2塊驅動小車4個電機，1塊驅動2個主刷頭電機，1塊單獨驅動風扇。

3.8 供能方式

由于電纜在管道轉彎處容易卡死，尤其是直角彎道超過2個的情況下；且電纜自身較重，操作距離遠的話，小車攜帶的電纜甚至會超過其本身的重量；此外，電纜在最后工作完成時，由于小車與地面存在高度差，需人工收集電纜，故本車摒棄了電纜供電的方式，采用聚合物鋰電池。選用祺電的12 V、30 000 mAh的LI651聚合物鋰電池。

3.9 機械部分三維建模圖

管道清潔機器人裝配后的三維建模效果分別如圖10和圖11所示。

圖10 管道機器人斜二軸視圖

圖11 管道機器人仰視圖

4 管道機器人硬件電路

4.1 硬件電路構成

管道清潔機器人硬件架構如圖12所示。本文選用STM32開發板作為主控板，硬件電路設計主要是小車驅動模塊的設計，本文的驅動模塊包括4塊L298邏輯大功率雙通道驅動板，分別驅動風扇、前車輪2個電機、后車輪2個電機、主刷頭2個電機；2塊L298N雙通道驅動板分別驅動步進電機、輔助刷頭2個電機；外加1塊降壓模塊將12 V電源降壓至5 V給6塊驅動板供電；此外，給12 V電源接了1個開關，便于控制小車總體供電。

圖12 機器人硬件架構

4.2 Proteus電路圖實現

在實現功能的前提下，PWM端口采用了盡可能少的原則，可同時控制速度的電機都盡可能使用了同一PWM信號。對于主刷頭和輔助刷頭，雖然其速度一樣，但旋轉方向應該相反。如主刷頭，由于其為對稱安裝，2個電機同時驅動1個刷頭，故其刷頭旋轉方向應該相反來保證對稱安裝后其旋轉方向一致；而對于輔助刷頭，雖然其采用并排安裝，但其刷頭方向應該相反來使刷毛一直由外到內旋轉，以將灰塵收集到中間以便主刷頭推進。

而對于左右車輪電機，由于采用差速控制，故左邊電機的速度應保持一致，右邊電機的速度保持一致。故它們分別接同1組PWM信號，但左右兩邊的速度應該分別控制。同理，為了簡化車輪電機方向控制口，其左邊電機接同一組方向信號，右邊2個電機接另一組方向信號。

由于L298邏輯的控制模塊和驅動模塊不能共地，故需準備2組電源分別對其進行供電，本文選擇為驅動模塊供電的是12 V/30 Ah動力鋰電池，為控制模塊供電的是2節18650電池串聯供電，由于18650電池1節為3.6 V，串聯后為7.2 V，而控制模塊所需電源為5 V，故需額外接1個XL401降壓模塊。即芯片的VS端統一接12 V動力鋰電池，VSS端接18650電池串聯的穩壓模塊。

5 實驗仿真

設計模擬場景讓清潔機器人進行下地工作，通過HMI串口屏遠程操作，使用了泡沐塑料板模擬管道左右臂，主要是為了測試其輔助刷頭開合狀況及其行走直線能力，如圖13所示。此外，開啟攝像頭，通過觀察攝像頭傳回來的畫面控制其走出管道，如圖14及圖15所示。

圖13 模擬管道行走

圖14 小車攝像頭回傳畫面

圖15 通過回傳畫面控制小車行走

6 結束語

為了在有效提高管道清潔效率的同時降低管道清潔的人工成本，本文設計了一款自動化程度較高的集成化的專用管道清潔設備。該設備采用STM32F103單片機作為主控板，將空調管道的清潔、檢測等工作集成于一體，操作員可遠程操控機器人來完成對管道的清潔工作，將毛刷、吹灰扇、檢測裝置等所需工具安裝在一臺小車上。清掃裝置設計為開合式輔助刷頭及主刷頭2部分，以適應不同寬度的矩形管道，其結構簡單，相較于人工清潔更加方便、便宜，具有較好的應用前景。