华大龙

(淮安信息职业技术学院，江苏 淮安 223003)

中央空调风管清洗机器人研究

华大龙

(淮安信息职业技术学院，江苏 淮安 223003)

为了改进中央空调通风系统清洗过程中空间受限和无法检测的弊端，用中央空调风管清洗机器人替代人工操作，以人为本开展清洗机器人设计。通过对清扫过程、风管尺寸及机器人运动范围进行分析，设计了一种中央空调风管清洗机器人，采用履带式运动方式，保证机器人在管道内运行的可靠性以及管道清洗达标。对其结构特点、工作原理、结构设计和控制方案等方面进行了阐述，研究的样机能够应用于中央空调清洗实践，清洁方便易行，节能、环保、健康。

中央空调；风管；机器人；结构；原理；履带式运动

0 引言

在国外，空调需要清洗是常识，空调清洗业已十分发达；而在国内，因为空调刚刚大规模普及，“清洗业”尚不发达，其中蕴含着巨大的市场潜力。随着更多的人意识到空调需要彻底清洗，简单的清洗过滤网和外壳已不能满足要求。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，1990年前后普遍实施，并建立了相应的行业及国家标准。目前发达国家均成立有中央空调风管清洗协会，并已形成一个完整的行业，国外的中央空调风管管道清洗已形成产业化。我国还处于起步阶段，国内一些企业生产的管道清洗机器人产品大多以仿造为主，技术性能较单一，往往因无法进行清洗时的有效监测，使得清洁效果无法保证，此外可靠性、适应性等方面均存在一定的局限性。中央空调作为“写字楼之肺”，其通风系统的清洗是保证空气质量的一个重要环节，但目前中央空调通风系统的清洗存在以下限制：(1) 空间限制。我国通常使用的中央空调通风系统风管的尺寸直径在600 mm以下，基本无法人工进入清洗。(2) 无法监测。即使有部分风管能够人工清洗，却无法进行清洗后的有效监测，清洁效果无法保证。

针对这一现状，本文研究了一种新型的中央空调风管清洗机器人装置，该设备采用履带式双直流电机驱动结构，轮子中均采用滚珠轴承结构，具有驱动力强、行走灵活稳定、调速方便、操作简单等优良性能，操作工人只需观察监视器或电脑监控画面来控制和调节机器人走向、操作清扫消毒臂。本机器人主要是根据常见空调的要求，做出一些不同的清洗方案，在每个方案中再根据实际需要做出不同的工艺，每种工艺都对应一种机器人的工作状态。根据客户不同的需求，实现对空调的清洗。

1 总体结构及工作原理

图1为中央空调风管清洗机器人实体图，图2为结构原理图。

图1 中央空调风管清洗机器人实体图

图2 中央空调风管清洗机器人结构原理图

该机器人的主要组成部分与性能包括：

(1) 机械系统。该设备机械系统主要包括：行走轮及履带、云台及照明灯、升降电动推杆、机械臂、清扫臂。设计了专门的履带式传动系统，其主要特点有：特制的耐磨高摩擦力工业履带在确保机器人长时间大工作量使用的前提下，同时保证了机器人抓地的牢固性。特殊设计的履带传动结构使机器人可以翻越60 mm以上高度的垂直障碍以及爬上40°以上的斜坡。运动系统包含2套完全独立控制的强大动力机构，摇杆设计，使机器人在管道内可以灵活地运动，完成前、后的直线运动以及任意角度的转弯动作。整机车速为0到最大无级可调。转弯可采用一边前进一边后退的方式控制运行，以达到原地360°转弯的目的，也可以采用一边停止一边前进(后退)的方式控制运行，以达到沿某一物体转弯的目的。

(2) 监视录像系统。该设备的监视录像系统被设计为一个相对独立的单元，其主要特点有：整个视频采集系统包含高清晰度低照度枪型摄像机，确保在低照明下的彩色图像效果。独立的视角调整系统，可完成独立的水平方向360°转动以及仰俯方向180°转动，且照明灯光随摄像头动作同时动作，方便机器人在扁平管道和大型管道内的检测，无任何观察死角，该照明系统采用发光二极管，热量小，适合长时间工作。视频采集信号可直接显示在控制箱自带监控显示器上，也可通过视频监控盒直接在笔记本电脑显视器上显示，同时压制存盘，必要时可以刻录存储。

(3) 清洁消毒系统。该设备的清洁和消毒系统可以控制调节高度，被设计成2部分：1) 清洁部分有清扫矩形和圆形管道的2种清扫刷头，刷子为通用的直径260 mm尼龙毛刷，可以互换。2种型号的清扫头互换简便。毛刷为特殊设计毛刷，在清洗矩形管道时，2只毛刷之间衔接连贯，且外侧刷毛外倾，具有良好的侧壁清洗能力，清洗无任何死角。2) 消毒部分有喷雾头、管道及外接送液部分，通过泵送将消毒液均匀喷涂于风管内壁。该喷头消毒系统喷头高度一般为风管高度的2/3处。

(4) 控制系统。控制系统主要包括摇杆控制模块、清扫刷控制模块、机械臂升降控制模块、调速模块、云台控制模块。该控制系统采用输入为交流220 V、50 Hz，输出为低于36 V的直流安全电压，配备笔记本电脑，机器人的工作速度0～15 m/min可调，整个控制面板简洁明了，操作十分方便。

2 机器人主要技术参数设计

分析中央空调风管清洗机器人工作流程，确定机器人各部分装置的基本结构形式，根据清洗管道的长度、宽度和圆形管道的直径等参数及承载要求，确定此装置本体结构具体尺寸，在此基础上，进行样机的整体机构设计。此外，还要考虑机器人的安全性、操控性、外观等问题。设计后的机器人主要技术参数具体如表1所示。

表1 中央空调风管清洗机器人主要技术参数

3 控制系统方案设计

机器人控制系统总体方案，采用AC220 V电源，电脑电源(功率小于100 W)采用电源照明开关，按下开关，内部指示灯亮，云台照明灯亮，控制箱整体得电。按下此开关时必须连接好控制箱、综合电缆和机器人。采用摇杆开关控制机器人本体的前进、后退和各方向的转弯动作。采用清扫刷转向控制模块，根据实际需要控制该组开关，一般为机器人的前进方向转动，从机器人左侧看，清扫底面时为顺时针方向转动，其余3面为逆时针转动。采用机械臂升降控制模块，该组开关用于调整清洗力度和高度以及消毒喷雾高度。此组开关受上下行程控制，当达到最上或最下时，推杆会停止动作，只有按下反向开关，才能继续动作。调整时为能清洗干净，而又不致减速太多，消毒喷雾头以风管的一半以上2/3以下为宜。采用调速切换按扭模块，按下此开关后，机器人进入无级调速状态(除清扫臂以外)，机器行走速度和机械臂上升下降速度为可调。通过下面的调速电位器控制速度，适用于小半径的转弯和机械臂高度的微调。采用云台控制按扭模块，此组开关用于控制摄像机角度。正常行进时，保持摄像机在机器人本体正中，即观察监视器上所能观察到的机械臂或前轮是在画面中间还是两边，清洗风管上面时可仰起摄像机观察。当按下按扭时不动作，为到行程，须按反向按扭。采用控制输出和视频输入模块，连接综合电缆和RCA莲花插头，传输及控制视频信号，对准航空插头的凹凸限位后插入，插头的最大突起在最上面，自带监视器、显示视频输入的内容。需要录制时将视频信号输出的莲花插头接至监控盒的视频输入端(黄颜色)进行录制。

机器人系统工作过程如下：系统上电后自检，确认系统是否工作正常，若不正常则报警，若正常检测系统是否在机械原点，若不在原点，则进行原点搜索，原点搜索完成后，与触摸屏进行通信，并在自动控制情况下接受触摸屏控制。通过触摸屏发给系统前进信号，系统自动运行，运行一个流程完毕等待并执行下次触摸屏发出的控制命令。控制流程如图3所示。

图3 控制系统工作流程图

4 结语

和计算机网络技术一样，中央空调风管清洗机器人的广泛应用正日益改变着人类的生活环境，在这种发展趋势下，本文设计了中央空调风管清洗机器人，代替人工完成清洗各类形状中央空调风管的简单重复性、劳动强度高的工作，提高清洗工作的自动化程度，提高生产率，降低生产成本。该机器人可进入150 mm的扁平矩形管道或350 mm以上直径的圆管；清扫毛刷高度可达到650 mm以上；采用计算机视频监测技术，监测资料便于保存、分析、检索、携带；采用高亮度LED照明，亮度高、发热低、寿命长。风管清洗后的积尘量应达到每平方米风管内表面小于1.0 g，部件清洗后应无残留污染物检出。消毒后的风管内壁细菌总数、真菌总数的去除率应大于90%，致病菌不得检出。

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2009年江苏省教育厅高校科研成果产业化推进项目，项目编号JHZD09-66

2014-09-22

华大龙(1976—)，男，江苏淮安人，硕士研究生，副教授，研究方向：电子产品设计。