中央空調風管清洗機器人研究

華大龍

(淮安信息職業技術學院，江蘇 淮安 223003)

中央空調風管清洗機器人研究

華大龍

(淮安信息職業技術學院，江蘇 淮安 223003)

為了改進中央空調通風系統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，節能、環保、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，空調清洗業已十分發達；而在國內，因為空調剛剛大規模普及，“清洗業”尚不發達，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及國家標準。目前發達國家均成立有中央空調風管清洗協會，并已形成一個完整的行業，國外的中央空調風管管道清洗已形成產業化。我國還處于起步階段，國內一些企業生產的管道清洗機器人產品大多以仿造為主，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”，其通風系統的清洗是保證空氣質量的一個重要環節，但目前中央空調通風系統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測，清潔效果無法保證。

針對這一現狀，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、行走靈活穩定、調速方便、操作簡單等優良性能，操作工人只需觀察監視器或電腦監控畫面來控制和調節機器人走向、操作清掃消毒臂。本機器人主要是根據常見空調的要求，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。根據客戶不同的需求，實現對空調的清洗。

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。該設備機械系統主要包括：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，其主要特點有：特制的耐磨高摩擦力工業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) 監視錄像系統。該設備的監視錄像系統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，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，該照明系統采用發光二極管，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控顯示器上，也可通過視頻監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。該設備的清潔和消毒系統可以控制調節高度，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。該噴頭消毒系統噴頭高度一般為風管高度的2/3處。

(4) 控制系統?？刂葡到y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，根據清洗管道的長度、寬度和圓形管道的直徑等參數及承載要求，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

3 控制系統方案設計

機器人控制系統總體方案，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(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控盒的視頻輸入端(黃顏色)進行錄制。

機器人系統工作過程如下：系統上電后自檢，確認系統是否工作正常，若不正常則報警，若正常檢測系統是否在機械原點，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。通過觸摸屏發給系統前進信號，系統自動運行，運行一個流程完畢等待并執行下次觸摸屏發出的控制命令?？刂屏鞒倘鐖D3所示。

圖3 控制系統工作流程圖

4 結語

和計算機網絡技術一樣，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境，在這種發展趨勢下，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，提高生產率，降低生產成本。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；采用計算機視頻監測技術，監測資料便于保存、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、真菌總數的去除率應大于90%，致病菌不得檢出。

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2009年江蘇省教育廳高?？蒲谐晒a業化推進項目，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：電子產品設計。