毕业设计_中央空调管道清洁机器人机构设计(编辑修改稿)

毕业设计_中央空调管道清洁机器人机构设计(编辑修改稿)内容摘要：

从事中武汉纺织大学 20xx 届毕业设计论文 2 央空调清洗的专业队伍技术先进，设备精良，这使管道清扫机器人步入了历史舞台。 国外从 20世纪 70年代末 80 年代初开始重视中央空调的风道清洗，同时，随着计算机、传感器、现代控制理论和技术的发展 ，为管道机器人的研究应用提供了技术保证。 自从 1980 年丹达克林发明了世界上第一台风管清洗机器人直到1990 年前后，国外的中央空调清洗得以普遍实施，并建立了相应行业及国家标准。 据调研，目前上海安装有中央空调系统的各类楼宇有 3000 多幢， 由于此类管道通常纵横交错，大管道由人来进行管道检测、维修工作不仅费时费力，而且不卫生。 口径小、长度长的管道不仅人无法进去检查，而且清扫起来也不容易。 因此，管道清扫机器人的出现是一种必然的趋势。 管道清扫机器人能轻松的爬入管道配合其他管道清洗设备将管道中的灰尘、尘螨，甚至 昆虫尸体，死老鼠等垃圾一扫而空，最后还能对管道进行消毒。 可适用于各种中央空调和除尘等管道的管道检测、清洗、消毒、喷漆等作业。 本设计要求达到的指标：可清洁水平、垂直管道；水平最高行进速度： 1m/s；垂直攀爬速度： 100mm/s；垂直攀爬载重： 10kg；回转半径： 0；机械手自由度：4；监视器回转速度： 2 度 /秒；监视器水平回转范围： 360176。 ；监视器俯仰回转范围： 240 度；供电方式：电缆；具备自动故障和报警功能。 国外、国内研究概况 空调清洁技术起源于 60 余年前，是随着中央空调技术同时诞生的。 国外从20 世 纪 70年代末 80 年代初开始重视中央空调的风道清洗，直到 1990 年前后中央空调清洗才得以普遍实施，并建立了相应行业及国家标准。 目前在所有发达国家无一例外地实施了中央空调的清洗。 风管清洗在国外是一个比较成熟的市场，气清洗机器人设备的研究和开发业相应地比较成熟。 据统计，国际上生产清洗机器人的厂家不下 20 家，其中比较著名的有瑞典的 Wintclean 机器人（ 售价 100万元），丹麦的 Danduct 机器人（售价 80 万元），加拿大的 Airtox 机器人（售价60 万元），还有美国的 Nikro、 Vsi（售价均为 40万元）等。 这些 国外管道机器人，其形状结构大同小异，性能也能大致相当。 空调管道机器人应具备的功能有清扫管道灰尘、喷洒消毒药水、携带 CCD 摄像机和传感器单元 等，因此机器人必武汉纺织大学 20xx 届毕业设计论文 3 须拥有的“器官”有移动载体、安装清洗工具的部件、 CCD 摄像系统和照明系统、通讯系统、操纵控制系统和其他一些辅助设备等。 我国对中央空调风管清洗的重要性认识比较晚，对中央空调风管设备的研制起步也比较晚。 目前我国对集中式空调的管理尚属空白。 据了解，有关 清洁公共场所空调的规定和措施，只有卫生部在 20xx 年 6月发出的《公共场所中央空调通风系统卫生规范》的通知，这还 是因为受非典的启示。 该规范对场所的空调系统卫生提出了检测标准，并规定公共场所要定期更换或清洗空调通风系统的过滤器（网）、冷却塔等。 在颁布《公共场所中央空调通风系统卫生规范》后，我国的中央空调风管清洗市场迅速升温，全国各科研机构、企业单位纷纷投入到中央空调风管清洗设备的研制，并取得了很好的成果。 据报道，东华大学在该校的一项“自主变位四履带足机器人行走机构”发明专利基础上，首先二次开发了一种具有自主知识产权的新型管道机器人行走机构，能很好的解决管道机器人适应非等径、变截面管道环境的难题。 然后再在此基础上研制成功 一种可用于矩形和圆形通风管道的清扫、视频检测、喷涂消毒的多功能清洗机器人产品。 该机器人和家用的吸尘器差不多大小，四个脚上有四条履带，能够在 9厘米高的台阶上下。 它最大的本领就是能顺畅自如地爬到中央空调的各个角落，甚至到 各种形状的通风管道中清扫管道中 的垃圾 ，并且通过视频系统消除各个角落里的细菌、病毒，喷涂各种消毒液。 该机器人具有以下几个特点和优势： 1）行走机构具备自主管内障碍和防倾覆功能，适用复杂的矩形管道或者圆形管道环境清扫作业要求（国外产品大多仅适用圆形管道）； 2）管道清洗机器人能进入圆管 260mm 以上直径 、矩形管道 140mm 以上高度的空调、除尘管道进行清洗； 3）机器人采用模块化结构设计和多电机驱动技术，结构简单、维护方便； 4）机器人采用计算机图像处理技术。 拍摄资料便于保存、播放、携带（国外产品大多采用来录像机储存资料）。 中国科学院兰州分院科研人员研制成功的清洁机器人样机是根据 400 毫米 400 毫米和 500 毫米 500 毫米空调通风管道设计的，具有在管道中行走、对管道内污染情况进行观察和对污染物进行清洁的功能。 中国科学院兰州分院科技合作处工作人员介绍，国内自主研发的这种清洁机器人具有在管道内前进、后退和转弯 等 功能 ， 行走速度在每分钟 米到 1米之间；清洁系统主要是安装在机器人上、可在管道外部控制的清洁动力刷；电缆长度超过 30 米，不易损害，能武汉纺织大学 20xx 届毕业设计论文 4 够满足基本需要。 同国外同类装置相比，该机器人具有尺寸小、成本低、行动灵活、操作可靠、清洁效率高和应用领域广等特点，并且在移动机构的驱动系统、主动控制臂系统、照明系统和清洁系统的设计上均有创新。 国内在中央空调管道清洁设备方面的研究越来越多 ,并取得了一定的突破性成果。 但是 ,包括以上所叙述的设备在内 , 目前国内研制出来的中央空调管道清洁设备还仅限于水平管道或有小坡度管道的清洗 ,至今 还没有发现可用于垂直管道清洗的中央空调管道清洁设备。 市场需求预测 据介绍我国有超过 500 万个各类中央空调需清洗保养，而且每年正在以 10%的速度递增，而这些中央空调大部分运行了 20 年以上却从未清洗。 就目前而言无论从中央空调风道专业清洗服务公司来讲还是从国内外空调风道清洗机器人设备厂家来看，都不能应付这一庞大的清洗市场。 从国内方面来说，国内空调管道清洗行业市场还未形成，空调风道清洗行业刚刚起步，国内几乎没有清洗公司能够具备一流的清洗服务队伍，满足各类客户需求，而设备生产厂家除了国外发达国家的成熟 产品外，国内能够适应各类风道特点并且技术成熟，实用性强的清洗机器人设备厂家更是凤毛麟角。 所以我国目前许多地区的中央空调通风管道清洗市场是一片空白。 从国外方面来说，虽然国外厂家的机器人性能成熟，但是它是根据自身的中央空调风道的而制造的，但国外的中央空调风道是标准和规范的，而我国的中央空调风道是根据建筑面积设计安装的，各个风道不尽相同，生产规格统一程度较低，各生产厂家的产品规格不尽相同，属非标产品。 使得国外进口的清洗设备对于国内很多中央空调来说并不适用，很大一部分不能对我国中央空调风道产生作用。 从以上分析可以 看出，我国的中央空调通风管道清洗市场是有很大潜力的，尤其是在 20xx 年 “ 非典 ” 疫情传播后，人们对中央空调给人们带来的疾病隐患有了相当大的认识，国家相应地出台了强制性空调清洗的法规，使得风道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。 开发适合我国中央空调管道清洗机器人产品有很大的经济价值。 设计的重点与难点 本次设计主要由三大主要部分的设计构成：（ 1）移动载体的设计，（ 2）撑紧装置的设计，（ 3）机械手的设计。 对于管道机器人，移动载体的设计是一个重武汉纺织大学 20xx 届毕业设计论文 5 点。 由于机器人工作于空 间狭小的管道中，要 求其移动载体具有很好的转弯能力。 国内清洗市场的产品仅适于水平管道的清洗，而本设计要求机器人同时还要能清洗垂直管道。 因此，怎样使中央空调管道清洁设备具有能攀爬垂直管道的能力并具有良好的转弯能力是该产品设计的一个重点也是难点。 压紧装置和机械手的设计也是该课题的重点。 压紧装置与移动载体相配合，使得机器人具有垂直上爬能力，因此，压紧装置的设计合理与否，直接关系到机器人的工作能力。 机械手的设计关系到机器人的工作质量。 机器人的工作管道截面面积小，同时机器人的垂直上爬是依靠摩擦力实现的，这对整机的空间尺寸大小和自身重量 提出了严格限制。 这要求机器人的各部件空间尺寸要尽量地小、质量要尽量地轻。 这给机器人的结构设计提出了很大的难题。 2 机器人的设计 空调管道系统介绍及清洗原理 中央空调通风管道按截面形状分有圆管和方管，按管道轴线类型分有直管、 弯管（ L 型弯管）、 T 型管和十字型管等，管 径和接头没有规范，有较多的斜坡或台阶。 在实际的空调通风管道中，使用方管比圆管要多，原因是方管在制作时高度比宽度小，所占去的高度比圆管要少， 并且方管安装方便，所以方管使用比例大。 由于加工、使用等原因，实际使用的管道并不一定时理想 的几何体，履带、 管道 均有一定的弹性，在重力、外界挤压等力的作用下会产生变形。 我们在研究管内行走机构动力学时，在不失实际意义的情况下假定： 1. 管道具有理想的几何形状，接头和分叉都是理想的几何过度。 2. 管道及机器人的履带变形可以忽略。 管道清洁机器人的清扫原理： (1) 使用机器人进行风管内部检查； (2) 采用气囊封堵风口； (3) 机器人清扫风管内壁； (4) 使用集尘净化器吸收风管内的菌团和杂质； (5) 监视器观察风管内壁的清洗效果，并录像备案； 武汉纺织大学 20xx 届毕业设计论文 6 (6) 恢复风口和工作区域。 如图 所示： 图 中央空调通风管道清洗示意图 机器人 移动载体方案设计 总体方案设计 机器人移动载体的设计是本次设计的难点之一 如果仅限于地面移动，机器人的移动载体形式有车轮形、履带形、腿脚形、躯干形等四种形态。 与其他移动机构相比，车轮形移动机构具有以下一些优点：高速稳定地移动、能量利用率高、机构和控制简单、能借鉴当今已积累的汽车技术与经验等。 因此本设计采用轮式结构。 按照车轮数目的不同，轮式载体可分为单轮至四轮及五轮以上等几种。 其中单轮与两轮主要是用来进行直立稳定移动控制问题的基础研究，而不是着眼于机器人移动机构的实用化问题。 如果单考虑平面移动的话 ，三轮机构已经可以了，但从加强移动过程中的稳定性角度来考虑，目前多数采用的是四轮机构。 五轮以上的机构的提出，是因为它在装载重物时具有较大的稳定性，而且适用于台阶、阶梯等非平地状态的移动。 因此，本设计采用四轮机构的移动载体。 典型的四轮移动机构有如下几种： 1) 两轮独立驱动方式 如下图 所示： 武汉纺织大学 20xx 届毕业设计论文 7 图 驱动方式图 前后两个为辅助轮（万向轮），左右两轮为独立驱动轮，其自转中心与车体中心重合。 它的转向不是通过操舵机构的动作，而是依靠左右两轮的差速实现的，当两轮以相反速度方向转动时，车体能饶自身中心自转 ，以便在狭窄场合改变方向。 这种车轮布置方式在灵活性和稳定性上都是比较好的，由于没有操舵机构，因此该机构也比较简单，可以减轻重量，适合空调管道机器人要求体积小重量轻的要求。 它的缺点是当遇到沟槽使得左右两驱动轮被架空时，由于驱动轮不着地不能产生动力，这样的话整个机器人便不能移动了。 2) 汽车车轮配置方式 如 图 所示： 图 车轮配置方式 两个操舵轮需要同一个操舵机构来协调转向，此外后轮配有差动齿轮装置，增加了机构的复杂性。 由于它的结构比较复杂，所以仅用于智能汽车等的研究方面，而在机器人的移动机构中不 太采用。 武汉纺织大学 20xx 届毕业设计论文 8 3) 全方位移动车方式（ Omni Directional Vehicle,ODV） 三轮车或四轮车基本是 2 自由度的，不能进行任意的定位和定向。 ODV 的提出就是为了实现机器人任意方向的运动而开发的，它的移动机构具有原地改变方向或以一定姿态角度移动等多种功能。 这种 ODV 结构需要有转向操舵机构和多个离合器，因此，虽然其性能很优越，但机构很 复杂，并不适合本设计对移动机构的要求。 由于本设计的空调管道清洗机器人要求在管道中行走，对其自身的空间尺寸和自重提出了严格的限制。 因此要求机器人的各部分结构要尽量 简单。 综合考虑上面的方案，结合本设计要求，本设计选用两轮独立驱动方式的移动载体。 为了克服上述所提到的该机构的缺点，可以在后万向轮中安装一应急电机，同时在轮轴中安装一超越离合器，机器人正常时应急电机不工作，超越离合器处于超越状态，当遇到左右两个驱动轮被架空时，超越离合器处于啮合状态，应急电机工作。 传动方案的设计 由于齿轮传动具有结构紧凑、工作可靠、使用寿命长、效率高、传动比准确等优点，因此在考虑具体的传动方案时，应该选用齿轮传动。 由于两电机独立驱动，两驱动轮的传动方案是一样的，下面以一轮为例来讨 论。 在查阅了大量资料之后同时考虑到机器人的水平 行走速度和垂直行走速度，经过反复的计算，确定驱动轮的传动方案如 图 所示： 图 驱动轮传动方案图 Z7与 Z 10为制造有半牙嵌离合器的齿轮。 机器人水平行进时，其速度较高，武汉纺织大学 20xx 届毕业设计论文 9 牙嵌离合器啮合，传力路线为：电机 — 齿轮 Z1 — 齿轮 Z 2— 齿轮 Z 3— 齿轮 Z 4—齿轮 Z5— 齿轮 Z6 — 齿轮 Z7 — 齿轮 Z10 — 车轮；机器人垂直行走时速度较低，牙嵌离合器脱离啮合，传力路线为：电机 — 齿轮 Z1 — 齿轮 Z 2— 齿轮 Z 3— 齿轮 Z 4—齿轮 Z5— 齿轮 Z6 — 齿轮 Z7 — 齿轮 Z8 — 齿轮 Z9 — 齿轮 Z10 — 车轮。 由于后万向轮电机仅在特殊情况下工作，对其传动要求并不很严格，再考虑到安装的难易程度，该传动选为蜗轮蜗杆传动，其传动比大、所采用的零件数目少、结构紧凑，其传动方案如 图 所示： 图 后万向轮传动方案 撑紧机构方案设计 在设计撑紧机构的过程中，我首先从动力源开始考虑。 按照动力源的不同，撑紧机构可分为两种： 1) 电气撑紧 动力由电机提供，考虑理由是电气驱动应用普遍、噪声小、提供动力大。 在电机作为动力源的前提下，传动方案又有两种： A） 丝杠螺母 传动 如 图 ： 图 丝杆螺母传动 武汉纺织大学 20xx 届毕业设计论文 10 轮子固定在螺母上，电机带动丝杠转动，使得螺母连同轮子往上移动实现撑紧。 这个方案的缺点是机构比较复杂，增加了载重。 B） 齿轮齿条传动 如下图 ： 图 齿轮齿条传动 轮子固定在齿条上，通过电机带动齿轮转动，使得轮子连同齿条往上移动实现撑紧。 这个方案的缺点除了结构复杂外还有摩擦很大。 2) 气动撑紧 由压缩空气驱动气缸提供动力，考虑理由是在所有的驱动方式中，气压驱动操作简单、成本低、易于编程，并且气动能很容易地保持输出压力不变。 考虑方案如 图 ： 图 气压驱动 由于气缸的活塞要求直线往复运动同时又要有轻微的圆弧摆动，因此气缸的武汉纺织大学 20xx 届毕业设计论文 11 安装方式为单耳尾座式。 另外，气缸活塞杆承受的力应作用在杆轴线上，不允许有偏载，因此采用。