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1、中央空调管道清洁机器人的设计摘 要本次设计的机器人用于污染的中央空调管道的清洁，整体结构主要由行走机构、清扫机构和监视控制系统三部分组成，行走机构又分为驱动机构、导向轮系统两部分。驱动方式为单电机驱动机器人前轴。在清扫之前，通过调整支撑臂上的螺钉来调节两个导向轮的横向距离，保证机器人处于管道中央时导向轮两端距管道壁各有约20mm。清洁工作主要由旋转刷系统完成，旋转刷由气动马达驱动,与气动马达相连的刷杆采用伸缩式结构,可以进行长度调节;旋转刷头可拆卸并且有不同的材料和尺寸系列,整个装置可以进行俯仰调整,从而保证在管道都能彻底清扫到管道的边角和顶部。在清扫过程中,利用气动马达吹出的高压空气将扫落的
2、灰尘吹向前方,便于抽风机抽出。清洁过程中，通过监视系统可以方便的对清扫情况进行实时监控，当出现清扫效果不理想时可以操纵机器人后退再清扫一次。目 录第一章 概 述11.1课题的背景及意义11.2机器人发展现状及趋势21.2.1国内领先水平的管道清洁机器人21.2.2中央空调管道清洁机器人发展趋势31.3 本课题的设计任务3第二章 中央空调管道机器人系统设计42.1工作原理及组成42.2机器人设计原则52.3 整体方案选择6第三章 行走机构设计83.1机器人驱动机构83.1.1电机的选择83.1.2传动齿轮的设计93.1.3传动轴的设计143.2导向轮系统173.2.1导向轮系统原理173.2.2
3、电机的选取173.2.3传动带的选择183.2.4导向轮的设计20第四章 清扫机构234.1清扫方案确定234.2旋转刷系统主要构件244.3构件的选择244.3.1气动马达的选择244.3.2旋转刷的设计26第五章 监视控制系统285.1摄像头的选择285.2摄像头的固定和调整285.3监视器295.4照明装置295.5灰尘收集装置30第六章 总 结32参 考 文 献33III第一章 概 述1.1课题的背景及意义随着当今社会的发展，空调通风系统在日常生活中发挥着越来越重要的作用。中央空调系统主宰着楼宇中空气的新陈代谢，被称为“建筑物之肺”。中央空调管道在长期使用中会积累许多灰尘、病菌及放射物
4、等，这些有害物质在送风过程中便污染了空气，长期被人体吸入，就会危害大众的健康。因此人们在迫切要求提高生活质量的同时，要求提高工作居住场所及其他公共场所环境质量(特别是空气质量)的呼声也越来越急切。 国外发达国家由于很早以前便应用了众多的中央空调系统，针对空气质量对人身健康的危害，国外民众有比较深刻的认识(1976年美国费城的军团菌大爆发，事后认定其传染源就是该市某会场内的中央空调)。国外卫生机构相继出台了较为严密的中央空调使用及清洗法规，如:美国国家风管清洗协会制定的行业标准暖通空调系统的评估、清洗和修复标准) C ACR2002版)和日本制定的日本风道清洗协会技术标准CI990版)及芬兰新颁
5、布的法律要求宾馆、饭店、洗衣房、工业加工产生粉尘物质的通风系统，每年清洁一次;医院、学校等每5年一次。类似的法律可以预见将在世界各地实施。目前发达国家均成立有中央空调风管清洗协会，如:国际通风卫生评议会(TCVH)、美国风道清洗协会(NADCA ) 、欧洲风道清洗协会(EVHA)、英国风道清洗协会(HVCA)旧本风道清洗协会(JADCA)等，国外的集中空调的风道清洗己经形成了一个巨大的产业。 国内有超过500万个各类中央空调需要清洗保养，而且每年正在以10%的速度递增，这些中央空调大部分运行了20年以上却从未清洗。随着我国经济的发展，人们对室内空气质量所带来的危害越来越重视，尤其是2003年“
6、非典”疫情的传播，已使人们对中央空调带来的疾病隐患有了相当深刻的认识。为了保障公众健康，2006年3月1日，卫生部制定并实施了公共场所集中空调通风系统卫生管理办法，中央空调的卫生问题得到了前所未有的关注，对空调管道进行定期清洗势在必行。 因此，中央空调清洗行业将成为中国一个新兴的有着巨大潜力的发展行业，对中央空调清洁机器人的研究与开发更是具有一定的社会价值和商业价值。1.2机器人发展现状及趋势机器人有三个发展阶段，那么也就是说，我们习惯于把机器人分成三类，一种是第一代机器人，那么也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来
7、，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种从第一代机器人，也就存在它这种缺陷，因此，在20世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色
8、。 那么第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。1.2.1国内领先水平的管道清洁机器人清华大学精仪系机器人及其自动化研究室与解放军工程质量监督总站合作，于2004年成功解决了管道清污移动操作机器人关键技术，研制出通风管道智能清污机器人MDCR-I。与国外同类清扫机器人相比，MDCR-
9、I集探测、清扫、吸尘、消毒喷雾多功能于一体，具有基于多传感器信息的手动遥操作控制和智能化自主行驶功能，可实现各种圆形和矩形截面尺寸管道内的智能化清洁与消毒作业。上海东华大学自行研制的“自主变位四履带足机器人”在传动上独树一帜，其在任何管道中的运动性能都远远超过了进口产品，并拥有了国家专利。1.2.2中央空调管道清洁机器人发展趋势中央空调清洁机器人比较常见的可分为轮式、腿式、履带式清洁机器人，它们能清洁掉管道内的大部分赃物，但有些偏僻的死角依然无法解决，随着科技工作们的深入研究，中央空调清洁机器人已经摆脱了简单的控制和清理工作，控制系统将越来越智能化，操作方法也越来越方便、简单，朝着高自动化的方
10、向发展。1.3 本课题的设计任务本次设计的任务是设计一个中央空调管道清洁机器人，要求机器人可以在管道内实现前进、后退、按一定曲率半径回转及原地转向等动作，能高效地完成管道内的清污工作。具体设计内容为：（1）了解中央空调管道清洁机器人的基本构成及工作原理，熟悉其设计、生产的基本知识。（2）进行管道清洁机器人的总体方案设计及其零部件设计。（3）设计原始参数：1）机器人可以在管道内实现前进、后退、按一定的曲率半径回转及原地转向等动作。2）机器人的尺寸大小：高度范围：170400mm长度范围：310780mm宽度范围：300800mm3）机器人的运动速度为412m/min4）可以实现局部最大爬坡能力
11、5）管内越障2mm 6）最大行程150m第二章 中央空调管道机器人系统设计2.1工作原理及组成本次设计的机器人（如图2-1）用于污染的中央空调管道的清洁，整体结构主要由行图2-1中央空调管道清洁机器人走机构、清扫机构和监视控制系统三部分组成，行走机构又分为驱动机构、导向轮系统两部分。驱动机构（如图2-2）所示，驱动方式为单电机驱动机器人前轴。在清扫之前，通过调整支撑臂上的螺钉来调节两个导向轮（如图2-3）的横向距离，保证机器人处于管道中央时导向轮两端距管道壁各有约20mm。清扫工程中，两导向轮分别以大小相同，方向相反的速度旋转（其中左导向轮逆时针旋转，右导向轮顺时针旋转），其旋转速度比机器人前
12、进速度略大。如左边的导向轮碰到管道的左壁，则导向轮的切向摩擦力F向机器人中心偏移，简化成牵引力F，及顺时针的扭矩M，迫使机器人右转。其左转的原理相同。清洁工作主要由旋转刷系统完成，旋转刷装置是机器人清扫系统的核心工作部件之一，旋转刷由气动马达驱动,与气动马达相连的刷杆采用伸缩式结构,可以进行长度调节;旋转刷头可拆卸并且有不同的材料和尺寸系列,整个装置可以进行俯仰调整,从而保证在管道都能彻底清扫到管道的边角和顶部。在清扫过程中,利用气动马达吹出的高压空气将扫落的灰尘吹向前方,便于抽风机抽出。设计的旋转刷头有四种材料系列:尼龙刷、钢刷、不锈钢刷和铜刷。尼龙刷适用于所有材质的管道,不会对管道壁造成损
13、伤;钢刷适用于各种钢管;不锈钢刷适用于钛合金管道和铜镍合金管道;铜刷适用于材质为有色金属的管道。清洁过程中，通过监视系统可以方便的对清扫情况进行实时监控，当出现清扫效果不理想时可以操纵机器人后退再清扫一次。此外通过记录清扫过程，也可避免一些经济问题。目前全国共有上百万台中央空调亟待清洗保养,空调清洗行业正在悄悄兴起。而国内市场上尚无管道清洁机器人产品,本文设计的中央空调管道清洁机器人系统结构简单,自动化程度高,适用范围广,成本较低,对促进我国中央空调管道清洗行业的发展、改善室内空气质量、提高生活和健康水平等具有积极的意义。2.2机器人设计原则（1）最小运动惯量原则：由于机器人运动部件多，运动状
14、态经常改变，必然产生冲击和振动，采用最小运动惯量原则，可增加机器人运动平稳性，提高机器人动力学特性。为此，在设计时应注意在满足强度和刚度的前提下，尽量减小运动部件的质量，并注意运动部件对转轴的质心装配。（2）尺度规划优化原则：当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺度优化以选定最小的臂杆尺寸，这将有利于机器人刚度的提高，使运动惯量进一步降低。（3）高强度材料选用原则：由于操作机从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起作用的，选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的。 （4）刚度设计的原则：机器人设计中，刚度是比强度更重要的问题，要使刚度最大，必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸，提高支承刚度和
15、接触刚度，合理地安排作用在臂杆上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形。 （5）可靠性原则：机器人因机构复杂、环节较多，可靠性问题显得尤为重要。一般来说，元器件的可靠性应高于部件的可靠性，而部件的可靠性应高于整机的可靠性。可以通过概率设计方法设计出可靠度满足要求的零件或结构，也可以通过系统可靠性综合方法评定机器人系统的可靠性。 （6）工艺性原则：机器人是一种高精度、高集成度的自动机械系统，良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。仅有合理的结构设计而无良好的工艺性，必然导致机器人性能的降低和成本的提高。2.3 整体方案选择 本次设计的主要难题是机器人的前进后退及转向控制，为此两个比较成熟的方案：方案一：双电机各驱动机器人两个前轮，工作人员通过摄像头观察机器人在管道中的运行情况，适时调整两电机的速度，对机器人进项转向控制。方案二：单电机驱动机器人的前轴，在机器人前方左右两端各安装一个导向轮系统，两个导向轮的角度可调。清扫管道之前，调整两个导向轮之间的横向距离比管道宽度略窄，以大小相同方向相反的转速与机器人驱动轮同时启停，导向轮转动线速度比驱动轮线速度略大，当某一导向轮碰到管壁时，导向轮的切向力和电机的牵引力的合力会迫使机器人转向，从
