中央空調風管清洗機器人研究

華大龍

(淮安信息職業(yè)技術學院，江蘇 淮安 223003)

中央空調風管清洗機器人研究

華大龍

(淮安信息職業(yè)技術學院，江蘇 淮安 223003)

為了改進中央空調通風系統(tǒng)清洗過程中空間受限和無法檢測的弊端，用中央空調風管清洗機器人替代人工操作，以人為本開展清洗機器人設計。通過對清掃過程、風管尺寸及機器人運動范圍進行分析，設計了一種中央空調風管清洗機器人，采用履帶式運動方式，保證機器人在管道內運行的可靠性以及管道清洗達標。對其結構特點、工作原理、結構設計和控制方案等方面進行了闡述，研究的樣機能夠應用于中央空調清洗實踐，清潔方便易行，節(jié)能、環(huán)保、健康。

中央空調；風管；機器人；結構；原理；履帶式運動

0 引言

在國外，空調需要清洗是常識，空調清洗業(yè)已十分發(fā)達；而在國內，因為空調剛剛大規(guī)模普及，“清洗業(yè)”尚不發(fā)達，其中蘊含著巨大的市場潛力。隨著更多的人意識到空調需要徹底清洗，簡單的清洗過濾網(wǎng)和外殼已不能滿足要求。國外從20世紀70年代末80年代初開始重視中央空調的風道清洗，1990年前后普遍實施，并建立了相應的行業(yè)及國家標準。目前發(fā)達國家均成立有中央空調風管清洗協(xié)會，并已形成一個完整的行業(yè)，國外的中央空調風管管道清洗已形成產(chǎn)業(yè)化。我國還處于起步階段，國內一些企業(yè)生產(chǎn)的管道清洗機器人產(chǎn)品大多以仿造為主，技術性能較單一，往往因無法進行清洗時的有效監(jiān)測，使得清潔效果無法保證，此外可靠性、適應性等方面均存在一定的局限性。中央空調作為“寫字樓之肺”，其通風系統(tǒng)的清洗是保證空氣質量的一個重要環(huán)節(jié)，但目前中央空調通風系統(tǒng)的清洗存在以下限制：(1) 空間限制。我國通常使用的中央空調通風系統(tǒng)風管的尺寸直徑在600 mm以下，基本無法人工進入清洗。(2) 無法監(jiān)測。即使有部分風管能夠人工清洗，卻無法進行清洗后的有效監(jiān)測，清潔效果無法保證。

針對這一現(xiàn)狀，本文研究了一種新型的中央空調風管清洗機器人裝置，該設備采用履帶式雙直流電機驅動結構，輪子中均采用滾珠軸承結構，具有驅動力強、行走靈活穩(wěn)定、調速方便、操作簡單等優(yōu)良性能，操作工人只需觀察監(jiān)視器或電腦監(jiān)控畫面來控制和調節(jié)機器人走向、操作清掃消毒臂。本機器人主要是根據(jù)常見空調的要求，做出一些不同的清洗方案，在每個方案中再根據(jù)實際需要做出不同的工藝，每種工藝都對應一種機器人的工作狀態(tài)。根據(jù)客戶不同的需求，實現(xiàn)對空調的清洗。

1 總體結構及工作原理

圖1為中央空調風管清洗機器人實體圖，圖2為結構原理圖。

圖1 中央空調風管清洗機器人實體圖

圖2 中央空調風管清洗機器人結構原理圖

該機器人的主要組成部分與性能包括：

(1) 機械系統(tǒng)。該設備機械系統(tǒng)主要包括：行走輪及履帶、云臺及照明燈、升降電動推桿、機械臂、清掃臂。設計了專門的履帶式傳動系統(tǒng)，其主要特點有：特制的耐磨高摩擦力工業(yè)履帶在確保機器人長時間大工作量使用的前提下，同時保證了機器人抓地的牢固性。特殊設計的履帶傳動結構使機器人可以翻越60 mm以上高度的垂直障礙以及爬上40°以上的斜坡。運動系統(tǒng)包含2套完全獨立控制的強大動力機構，搖桿設計，使機器人在管道內可以靈活地運動，完成前、后的直線運動以及任意角度的轉彎動作。整機車速為0到最大無級可調。轉彎可采用一邊前進一邊后退的方式控制運行，以達到原地360°轉彎的目的，也可以采用一邊停止一邊前進(后退)的方式控制運行，以達到沿某一物體轉彎的目的。

(2) 監(jiān)視錄像系統(tǒng)。該設備的監(jiān)視錄像系統(tǒng)被設計為一個相對獨立的單元，其主要特點有：整個視頻采集系統(tǒng)包含高清晰度低照度槍型攝像機，確保在低照明下的彩色圖像效果。獨立的視角調整系統(tǒng)，可完成獨立的水平方向360°轉動以及仰俯方向180°轉動，且照明燈光隨攝像頭動作同時動作，方便機器人在扁平管道和大型管道內的檢測，無任何觀察死角，該照明系統(tǒng)采用發(fā)光二極管，熱量小，適合長時間工作。視頻采集信號可直接顯示在控制箱自帶監(jiān)控顯示器上，也可通過視頻監(jiān)控盒直接在筆記本電腦顯視器上顯示，同時壓制存盤，必要時可以刻錄存儲。

(3) 清潔消毒系統(tǒng)。該設備的清潔和消毒系統(tǒng)可以控制調節(jié)高度，被設計成2部分：1) 清潔部分有清掃矩形和圓形管道的2種清掃刷頭，刷子為通用的直徑260 mm尼龍毛刷，可以互換。2種型號的清掃頭互換簡便。毛刷為特殊設計毛刷，在清洗矩形管道時，2只毛刷之間銜接連貫，且外側刷毛外傾，具有良好的側壁清洗能力，清洗無任何死角。2) 消毒部分有噴霧頭、管道及外接送液部分，通過泵送將消毒液均勻噴涂于風管內壁。該噴頭消毒系統(tǒng)噴頭高度一般為風管高度的2/3處。

(4) 控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)主要包括搖桿控制模塊、清掃刷控制模塊、機械臂升降控制模塊、調速模塊、云臺控制模塊。該控制系統(tǒng)采用輸入為交流220 V、50 Hz，輸出為低于36 V的直流安全電壓，配備筆記本電腦，機器人的工作速度0～15 m/min可調，整個控制面板簡潔明了，操作十分方便。

2 機器人主要技術參數(shù)設計

分析中央空調風管清洗機器人工作流程，確定機器人各部分裝置的基本結構形式，根據(jù)清洗管道的長度、寬度和圓形管道的直徑等參數(shù)及承載要求，確定此裝置本體結構具體尺寸，在此基礎上，進行樣機的整體機構設計。此外，還要考慮機器人的安全性、操控性、外觀等問題。設計后的機器人主要技術參數(shù)具體如表1所示。

表1 中央空調風管清洗機器人主要技術參數(shù)

3 控制系統(tǒng)方案設計

機器人控制系統(tǒng)總體方案，采用AC220 V電源，電腦電源(功率小于100 W)采用電源照明開關，按下開關，內部指示燈亮，云臺照明燈亮，控制箱整體得電。按下此開關時必須連接好控制箱、綜合電纜和機器人。采用搖桿開關控制機器人本體的前進、后退和各方向的轉彎動作。采用清掃刷轉向控制模塊，根據(jù)實際需要控制該組開關，一般為機器人的前進方向轉動，從機器人左側看，清掃底面時為順時針方向轉動，其余3面為逆時針轉動。采用機械臂升降控制模塊，該組開關用于調整清洗力度和高度以及消毒噴霧高度。此組開關受上下行程控制，當達到最上或最下時，推桿會停止動作，只有按下反向開關，才能繼續(xù)動作。調整時為能清洗干凈，而又不致減速太多，消毒噴霧頭以風管的一半以上2/3以下為宜。采用調速切換按扭模塊，按下此開關后，機器人進入無級調速狀態(tài)(除清掃臂以外)，機器行走速度和機械臂上升下降速度為可調。通過下面的調速電位器控制速度，適用于小半徑的轉彎和機械臂高度的微調。采用云臺控制按扭模塊，此組開關用于控制攝像機角度。正常行進時，保持攝像機在機器人本體正中，即觀察監(jiān)視器上所能觀察到的機械臂或前輪是在畫面中間還是兩邊，清洗風管上面時可仰起攝像機觀察。當按下按扭時不動作，為到行程，須按反向按扭。采用控制輸出和視頻輸入模塊，連接綜合電纜和RCA蓮花插頭，傳輸及控制視頻信號，對準航空插頭的凹凸限位后插入，插頭的最大突起在最上面，自帶監(jiān)視器、顯示視頻輸入的內容。需要錄制時將視頻信號輸出的蓮花插頭接至監(jiān)控盒的視頻輸入端(黃顏色)進行錄制。

機器人系統(tǒng)工作過程如下：系統(tǒng)上電后自檢，確認系統(tǒng)是否工作正常，若不正常則報警，若正常檢測系統(tǒng)是否在機械原點，若不在原點，則進行原點搜索，原點搜索完成后，與觸摸屏進行通信，并在自動控制情況下接受觸摸屏控制。通過觸摸屏發(fā)給系統(tǒng)前進信號，系統(tǒng)自動運行，運行一個流程完畢等待并執(zhí)行下次觸摸屏發(fā)出的控制命令?？刂屏鞒倘鐖D3所示。

圖3 控制系統(tǒng)工作流程圖

4 結語

和計算機網(wǎng)絡技術一樣，中央空調風管清洗機器人的廣泛應用正日益改變著人類的生活環(huán)境，在這種發(fā)展趨勢下，本文設計了中央空調風管清洗機器人，代替人工完成清洗各類形狀中央空調風管的簡單重復性、勞動強度高的工作，提高清洗工作的自動化程度，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。該機器人可進入150 mm的扁平矩形管道或350 mm以上直徑的圓管；清掃毛刷高度可達到650 mm以上；采用計算機視頻監(jiān)測技術，監(jiān)測資料便于保存、分析、檢索、攜帶；采用高亮度LED照明，亮度高、發(fā)熱低、壽命長。風管清洗后的積塵量應達到每平方米風管內表面小于1.0 g，部件清洗后應無殘留污染物檢出。消毒后的風管內壁細菌總數(shù)、真菌總數(shù)的去除率應大于90%，致病菌不得檢出。

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2009年江蘇省教育廳高校科研成果產(chǎn)業(yè)化推進項目，項目編號JHZD09-66

2014-09-22

華大龍(1976—)，男，江蘇淮安人，碩士研究生，副教授，研究方向：電子產(chǎn)品設計。