油煙管道清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)

李亮亮 薛蕊 賈昊林 李杰

【摘?要】針對(duì)各種油煙管道、中央空調(diào)管道及通風(fēng)管道內(nèi)的油漬形成的油垢、積聚的棉塵形成的污染設(shè)計(jì)了一種油煙管道清洗機(jī)器人。機(jī)器人由主控系統(tǒng)、清洗裝置、圖像傳輸、照明系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)模塊等組成。設(shè)計(jì)采用STM32F103作為主控核心，由直流伺服電機(jī)搭建的云臺(tái)對(duì)管道進(jìn)行有效的清洗。GPS定位裝置與圖像傳輸功能，可以觀察管道內(nèi)環(huán)境和機(jī)器人的準(zhǔn)確定位，實(shí)現(xiàn)了在與傳感器的人機(jī)交互中避免機(jī)器人在通過較復(fù)雜環(huán)境下產(chǎn)生的碰撞。機(jī)器人采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，保障機(jī)器人在管道有足夠的吸附力，確保機(jī)器人有越障和爬坡能力。改設(shè)計(jì)有效解決了因空間狹小清洗困難甚至無法清洗的的問題，降低了環(huán)境污染和安全隱患，有效提高了作業(yè)的安全性和作業(yè)效率。

【關(guān)鍵詞】油煙管道;履帶式;STM32F103;圖像傳輸

引言

改革開放以來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，第三產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，餐飲經(jīng)濟(jì)的發(fā)展歷程有目共睹，遍地開花的酒家、賓館、飯店，正催生巨大的社會(huì)財(cái)富[1，2]。但是，在帶來人們完全的美食享受和生活需要的同時(shí)，酒家、賓館等廚房等排出的油煙對(duì)環(huán)境的污染日益成為嚴(yán)重困擾城市居民生活的主要環(huán)境問題。管道積存的大量油垢更會(huì)給環(huán)境帶來極大的污染和安全隱患[3]。油煙管道清洗機(jī)器人主要針對(duì)各種油煙管道，尤其是狹窄管道以及具有一定斜度甚至是垂直管道的油垢清洗，能夠在危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程作業(yè)，解放了勞動(dòng)力、降低了勞動(dòng)成本，有效提高了作業(yè)的安全性和作業(yè)效率，提高了我們的環(huán)境質(zhì)量[4]。

1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STM32F103內(nèi)核為ARM 32位Cortex-M3，最高工作頻率為72MHz，STM3232F103單片機(jī)，具有成本低、低功耗的特點(diǎn)深受追求高性能電子愛好者的青睞。不同存儲(chǔ)空間的Flash存儲(chǔ)器和SRAM存儲(chǔ)器;具有上電復(fù)位和掉電復(fù)位功能，工作電壓低，并且擁有休眠，停止，待機(jī)3種低功耗模式，這些大大降低了單片機(jī)的工作能耗;STM32系列單片機(jī)有SWD和JTAG兩種調(diào)試方式，選擇性強(qiáng)。單片機(jī)資源豐富，功能強(qiáng)大，擁有高頻率的內(nèi)核，工作速度快，效率高的特點(diǎn)。整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.1驅(qū)動(dòng)電路

油煙管道清洗機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要有：氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種基本驅(qū)動(dòng)。由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有適用性較強(qiáng)，不受環(huán)境溫度影響，輸出轉(zhuǎn)矩范圍廣，控制方便，能自由地采用直流、交流、短波、脈沖等各種信號(hào)，適于放大、記憶、邏輯判斷和計(jì)算等工作，可實(shí)現(xiàn)超小型化，具有機(jī)械自鎖性，安裝方便，維護(hù)檢修方便等優(yōu)點(diǎn)，故選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。履帶式行走裝置通過控制四個(gè)直流減速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制機(jī)器人的行進(jìn)方向，用電機(jī)的差速旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)掉頭。驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

1.2行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)器人的行走方式主要有：輪式、步行移動(dòng)式、履帶式、爬行式、蠕動(dòng)式機(jī)器人和游動(dòng)式。由于油煙管道長(zhǎng)期得不到清洗，時(shí)間久了就會(huì)形成油垢，而履帶具有接地比壓低，牽引力大，并且此設(shè)計(jì)加入了永磁性磁鐵，通過性和爬坡能力得到了進(jìn)一步的加強(qiáng)，故選用履帶式來作為機(jī)器人的行走方式。

1.3兩自由度云臺(tái)的設(shè)計(jì)

兩自由度的云臺(tái)是用來攜帶清洗噴頭按照一定的運(yùn)動(dòng)軌跡來運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道四周的油垢進(jìn)行清洗。云臺(tái)的搭建采用的是伺服電機(jī)，伺服電機(jī)具有控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

1.4圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖像傳輸系統(tǒng)使用攝像頭電路板與Raspberry Pi通過一條15芯的排線進(jìn)行連接。僅有兩個(gè)連接座需要連接，排線需要安裝到攝像頭電路板和 Raspberry Pi上。您需要正確安裝，否則攝像頭無法工作。對(duì)于攝像頭電路板，排線末端的藍(lán)色標(biāo)記應(yīng)該背對(duì)著電路板。而Raspberry Pi 部分，藍(lán)色標(biāo)記應(yīng)該正對(duì)著網(wǎng)絡(luò)接口方向。攝像頭是個(gè)重要的考慮點(diǎn)，對(duì)幀率和分辨率有需求的話，采用CSI接口，圖像采集和數(shù)據(jù)處理通過專門的數(shù)據(jù)通道和指令，USB攝像頭CPU占用率太高。故選用的是CSI攝像頭。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)部分主要有基于SolidWorks軟件三維模型的設(shè)計(jì)，基于Altium Designer軟件的電路設(shè)計(jì)，基于Keil軟件的程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)控制技術(shù)路線等。

2.1基于SolidWorks軟件三維模型的設(shè)計(jì)

為保證建模效果使用SolidWorks軟件，繪制各部件的零件圖。首先建立一個(gè)零件，繪制草圖，進(jìn)行相應(yīng)特征處理，完成零件的繪制，待各部分零部件繪制完畢后進(jìn)行裝配工作，來驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，確保實(shí)物組裝及運(yùn)行的可靠性。零部件繪制和裝配體界面見圖3。

2.2基于Altium Designer軟件的電路設(shè)計(jì)

使用Altium Designer軟件進(jìn)行系統(tǒng)電路原理圖和PCB圖繪制，進(jìn)入軟件后默認(rèn)打開的界面為Home界面。在Home界面單擊文件工具欄下新建按鈕，在右側(cè)的對(duì)話框中點(diǎn)擊工程按鈕，在右側(cè)的對(duì)話框中選中PCB工程。進(jìn)入PCB設(shè)計(jì)界面，開始設(shè)計(jì)電路原理圖。

電路原理圖設(shè)計(jì)完成后對(duì)原理圖進(jìn)行編譯，單擊工程按鈕，在彈出的下拉菜單中點(diǎn)擊編譯按鈕。編譯完成后若沒有錯(cuò)誤則可以將原理圖更新到PCB中。點(diǎn)擊設(shè)計(jì)工具欄，在彈出的下拉菜單中點(diǎn)擊更新按鈕，將原理圖更新到PCB中，確定完板子大小后，對(duì)PCB版面進(jìn)行布局和布線，完成后見圖4，至此電路板設(shè)計(jì)完畢。

3 結(jié)論

該機(jī)器人結(jié)合機(jī)械、電子以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過靈活的上機(jī)位控制，以滿足清洗油煙管道的需要。尤其是充分利用了云臺(tái)結(jié)構(gòu)，加大了機(jī)器人能夠清洗的范圍。該作品將機(jī)械、電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，是一種效率較高、操作靈活、價(jià)格低廉的油煙管道清洗機(jī)器人。機(jī)器人的行進(jìn)機(jī)構(gòu)采用磁吸附式履帶，能夠適應(yīng)不同的油煙管道。采用兩自由度云臺(tái)結(jié)構(gòu)，能夠與行進(jìn)機(jī)構(gòu)相結(jié)合，清洗管道內(nèi)的任何位置。通過機(jī)器人自帶的影像數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)，傳回電腦上機(jī)位將影像顯示出來，經(jīng)過分析后，確定所需清洗區(qū)域。

本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要任務(wù)如下：

（1）簡(jiǎn)述了投油煙管道清洗機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外的基本研究現(xiàn)狀，并且說明了本設(shè)計(jì)的研究意義和油煙管道清洗機(jī)器人未來的發(fā)展趨勢(shì)。

（2）設(shè)計(jì)油煙管道清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)，特制磁吸附式履帶結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵機(jī)構(gòu)采用3D打印技術(shù)進(jìn)行零件打造。同時(shí)提出了一套以STM32為控制核心，以CSI攝像頭作為視覺傳輸?shù)挠布O(shè)計(jì)，做出了系統(tǒng)硬件配置的具體結(jié)構(gòu)圖和原理圖。分析并實(shí)現(xiàn)了油煙管道清洗機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)需求功能，設(shè)計(jì)出了油煙管道清洗機(jī)器人的各硬件部分。

（3）利用KEIL5編程軟件完成油煙管道清洗機(jī)器人程序的設(shè)計(jì)編寫，從部分到整體，從基本模塊調(diào)試到最終系統(tǒng)穩(wěn)定，完成油煙管道清洗機(jī)器人的運(yùn)行調(diào)試。

參考文獻(xiàn)：

[1]李愛民，于滸，李云鵬，等.管道清淤機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].輕工科技，2019，35（3）：64-65.

[2]趙超.ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計(jì)組網(wǎng)及在管道自動(dòng)化中的應(yīng)用[J].科學(xué)與信息化，2017，31：115.

[3]管道機(jī)器人自動(dòng)適應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與越障分析[J].薛耀勇，張繼忠，張磊.制造業(yè)自動(dòng)化.2018（06）.

[4]白宇豪，劉冬，張雨璇，等.石油井管道探測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].南方農(nóng)機(jī)，2020（1）：34-35.

作者簡(jiǎn)介：

李亮亮（1998-），男，山東省日照市人，學(xué)士，研究方向：控制工程。

薛蕊（1981-），女，山東省濟(jì)寧人，碩士，副教授，研究方向：控制工程。

賈昊林（1998-2020），男，山東省煙臺(tái)人，學(xué)士，研究方向：控制工程。

李杰（1998-），男山東濟(jì)南人，學(xué)士，研究方向：控制工程。

基金項(xiàng)目：

該項(xiàng)目由國(guó)家級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目《攀壁式擦玻璃機(jī)器人》（S202013320003）支持。

（作者單位：青島黃海學(xué)院）