基于中央空调管道清扫机器人的设计

基于中央空调管道清扫机器人的设计负责人：王群涛自动化08-03成员：杨宗龙自动化08-03高慧祥自动化08-03陈雷亮自动化08-03何武电科09-3班位庆海电科09-3班2011.6.12一.项目产生背景•目前我国的中央空调大多采用“间接式盘管换热”，这种设计会在凝结水盘内形成高湿环境，如果施工不当或设计不周，甚至会造成凝结水聚积。一旦室外空气致病微生物通过新风入口由灰尘带入，就会粘附在盘管上。再加上中央空调生产企业为价格竞争，在过滤设备上“偷工减料”，造成大量垃圾有隙可入，中央空调管道内成了许多有害颗粒和灰尘、病菌、病毒、尘螨、动物腐体及碳放射物的藏身之所，威胁着人类的健康。经过现场考察，各大商场、超市及我校图书馆等场所也存在类似的问题，通风管道不能得到定期清理，对我们的身体（尤其是呼吸系统）造成伤害。这个忧虑以唤起社会有识之士，政府部门对中央空调管道清理的重视。因此我们着手研制专门用于中央管道清理的机器人系统。二.目的意义主要针对我国中央空调通风系统的清洁，研制该产品，主要用于清洁中央空调的通风系统，为我国各中央空调应用场所营造一个良好的、清洁的呼吸环境，进而为广大人民群众创造良好的生活和工作环境。三.系统设计1.系统总体设计•首先，我们需要分析一下该机器人要实现的功能。就中央空调管道清扫机器人而言，其功能首先是在管道里行走，对管道进行清扫，最后还要把清扫的过程和效果提供给客户。系统流程如下：系统设计流程图如下毛刷转动，自动清扫车轮相反转动原地转弯或者同时倒转，退出是否需要转弯？传感器信号是否需要回走？真空泵吸尘，除尘左转或者右转启动按钮N毛刷故障停转Y信号灯亮，工程人员收线真空泵故障停转2机器人结构设计•该清扫机器人由移动小车、毛刷机构以及真空泵部分组成，因此可以分别设计，在设计过程中需要考虑三部分如何连接对机器人工作最有利。2.1移动小车的设计•考虑到小车在清扫过程中需要克服一定的阻力和电缆重量，我们采用了四轮同步带式移动机构。两个24V直流机分别驱动小车的左履带和右履带，两电机转向相同时，小车直线前进或后退；两电机转向相反时，小车原地转弯。这种驱动方式的分配可以使小车的回转半径达到最小，有利于在狭小的管道内作业。小车是在管道内行走的，因此，小车的大小受到中央空调管道尺寸的限制。目前国内中央空调主风道的截面规格多为宽500~1500mm、高250~500mm的矩形截面。综合考虑以上因素，我们设计的小车较小•2.2毛刷机构•是由24V直流电机独立驱动的，在设计过程中需要考虑驱动电机如何放置以及如何与移动小车的连接问题。这直接影响到整个运动的传递，从而影响了毛刷机构的结构。此外还需注意的就是毛刷臂的平衡。将24V直流电机竖立在小车的前端，通过连接板与小车连接，电机输出经一对锥齿轮机构改变方向，利用锥齿轮带动与其同轴的小带轮，小带轮通过聚氨酯PU带将动力传给大带轮，最后由大带轮带动工作元件毛刷轴（上面插有刷毛）。•该毛刷机构有如下特点：（1）电机竖立在小车前端，这样布置电机的优点是可以充分利用小车上面的空间；（2）采用锥齿轮和PU带传动，价格低廉，•简单高效；（3）刷臂可在一定角度范围内调节（30度），这样可使该毛刷机构适用于多种规格的空调管道，具有一定的通用性；（4）备有各种规的毛刷轴和刷毛供替换，方便快捷，可适用于绝大部分空调管道；（5）毛刷臂前端可设支撑机构，用来克服由毛刷臂和毛刷轴自重带来的对小车的倾覆力，而不是采用传统的在小车后面加配重，这样节省了小车的驱动力，使小车可以克服更大的电缆阻力而增加其行程，这也是本清扫机器人区别于其他国内外产品的鲜明特点。•2.3吸尘结构•主要部件是真空泵、集尘袋、软管及各种形状不同的管嘴,它有一个电动抽风机，通电后高速运转，使吸尘器内部形成瞬间真空，使内部的气压大大低于外界的气压，在这个气压差的作用下，尘埃和脏物随着气流进入吸尘器桶体内，再经过集尘袋的过滤，尘垢留在集尘袋，净化后的空气则经过电动机重新逸入室内，起到冷却电机、净化空气的作用。3.控制系统设计•本清扫机器人的控制系统由管内车载控制系统和管外监控系统两部分组成。控制器采用单片机。小车和毛刷机构由车载单片机直接控制,而管外操作者在操作面板上通过管外单片机与管内车载单片机间的通讯实现对清扫机器人的作业监控。它可以实现1200m左右距离的可靠通讯,且只需两根信号电缆,减小了清扫机器人行进过程中的拖线阻力，对机器人长距离拖缆作业有重要意义。下面按各个功能模块来介绍清扫机器人的控制系统。•3.1管内外监控作业方式的实现•为保证清扫机器人的作业安全性和可靠性,除管道内车载控制系统能对清扫机器人的管道内作业进•程进行控制外,还要求操作者根据车载红外传感自动避障,这就是自动控制作业方式。•由于清扫机器人作业控制较为简单，只要实现启动/停止、正反转以及调速功能，另外单片机还可以控制真空泵电机的工作，因此对清扫机器人的控制就是对直流电机的控制。•3.2电机控制的单片机实现•电机的控制我们采用PWM调速工作方式：•单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。•我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。PWM电路由四个大功率晶体管组成H型桥式电路构成，四部分晶体管以对角组合分为两组：根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。4个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用。4个电感在电路中是起防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大的保护作用。•3.3断线的故障处理•为避免断线使通讯中断造成清扫机器人失控的事故发生，不但要对线缆强度和机器人结构等作适当处理,在控制上亦应采取相应措施。因此车载从单片机必须具有一定判断能力,以判断通讯中断事件的发生,并及时报警,避免事故发生。设计中我们采用自动判断方式，当机器人需要回走的时候，或者毛刷产生堵转，或者真空泵工作异常时，都会通过信号线向外部发出信号，使报警信号灯点亮，通知工程人员收线，将机器人拽出，防止事故的发生。谢谢大家！