中央空调管道清扫机的设计

孟昭兴+张荣芳

山东协和学院机电工程学院

【摘 要】针对中央空调风道狭小，人工清洗困难的现状。设计了一种可替代人工，吸尘集尘一体化，通过无线控制的清洗机器人。本产品是由清扫消毒装置、移动装置、检测装置等结构组成。以STC12C5A60S2单片机为主控芯片，采用AQMH2407电机驱动芯片、无线遥控模块等构成外围扩展电路实验调试表明该产品能够自动完成管道清洗功能。

【关键词】清洗机器人；中央空调管道；远程监控

1.引言

中央空调风道系统与室内空气接触，所以风道内清洁程度直接关系着人们的身体健康。但是由于中央空调风道的保养却得不到重视而且不易清扫，因此中央空调风道造成的室内空气污染始终危害着人们的健康。但是由于传统人工清洁方式清扫不彻底且易留死角，并且清扫产生的粉尘危害人体健康，机器人是可以替代人工成功解决风道内部问题清洁的有效途径，因而自主研发机器人进行清扫开始成为最佳选择方向。

2.总体设计方案

中央空调主要应用于一些楼宇结构中，因为国内中央空调风道没有规范化，大都纵横交错且截面大小不同，因而机器人在进行作业时必须实现检测、吸尘集尘、消毒等功能。同时机体须适应风道大小才能灵活运转。中央空调风道清洗机器人设计科学合理，机体包括清扫装置、移动结构、消毒装置、检测装置，已基本实现智能化和半自动化。该机器人可以深入风道中进行作业活动，并自动收集清理下来的污物，待清洗完成后自动喷洒消毒液，基本实现了吸尘集尘一体化，清洁消毒同步化。然后通过无线传输设备反馈给工作人员。清扫彻底且不会留下死角。本产品功能齐全，运转灵活，清扫彻底且不留下死角。投入应用后有利于改善室内空气质量和促进国内清洗行业的迅速发展。中央空调风道清洗机器人采用模块化设计，主要由清扫消毒装置、移动装置、检测装置组成如图1所示：

3.结构设计

国内中央空调风道内部表面材料大部分为镀锌钢板，摩擦力极小，同时机器人在风道内部需克服较大的清洁阻力。因此采用履带式行走方式，后輪为主动轮，由STC12C5A60S2单片机搭配AQMH2407电机驱动芯片驱动两个减速电机来分别控制左右两轮，使小车的回转半径达到最小。STC12C5A60S单片机按照AQMH2407电机驱动芯片工作要求发送控制信号。当两侧电机转向相同时，小车直线前进或后退，当两侧电机转向相反时，小车原地拐弯。使得机器人可以灵活实现前进后退拐弯等功能。操作简单，可以使机器人在风道内自由移动且不会出现行进迟缓、打滑等现象。

3.1电机驱动芯片

设计采用AQMH2407ND直流电机驱动模块，由于其尺寸极小，支持电压范围广，最大可达24V，并且每路都支持三线控制端，信号可外接PWM，且正反转控制信号可串联限位开关，它的控制信号使用灌电流驱动方式，并且支持绝大多数单片机直接驱动。此外，这种芯片使用光耦对全部信号进行隔离，拥有静电泄放回路。

3.2矩形螺旋轨迹清扫设计

本装置改变现有机器人只能做一维纵向运动的模式，采用横向纵向二维运动，拟合矩形清扫轨迹达到不留死角的效果。在毛刷旋转运行时，机器人可以根据风道尺寸大小来控制清洁臂横向纵向摆动的幅度，形成矩形螺旋轨迹。保证风道内部每一个点都能被清洁毛刷清洁至少一次，实现无死角清洁。机体前端使用带有横向驱动电机的云台来控制清洁臂横向摆动幅度。云台上端使用轴承与轴连接来控制清洁臂。同时清洁臂嵌有减速电机，通过联轴器和短轴与毛刷连接，以此来控制毛刷的自由旋转。同时解决了由于各部分电机负载差异，电机本身参数差异等因素造成机器人清洁臂行进中走偏的问题，保证了在一定精度上拟合应有轨迹清扫，满足清洁需求。同时在横向纵向一个矩形轨迹周期内，保证了机器人行走距离小于毛刷宽度，解决了机器人在风道内部的导向问题。

3.3无线串口模块的选择

采用E12-TTL无线通信模块进行远程控制，E12-TTL模块是亿和电子科技有限公司推出的一款中心频率为433MHz的无线通信模块。它具有TTL电平的串口通信接口，支持波特率为1200-57600多达7种波特率。E12-TTL模块采用进口高性能无线射频芯片，以及超低功耗性能单片机构成。用户无需关心复杂的无线通信设备以及传输算法，只需要通过TTL串口连接到设备，2个模块即可取代一条传统的串口线，省去布线工作，且比传统串口传输距离更远，同时可以通过控制模块完成多种不同的操作。

3.4消毒装置设计

消毒装置置于机器人尾端，由喷雾高压泵和消毒瓶构成，，喷雾高压泵动力足，覆盖面较广，不会有死角遗留。消毒液为无味无毒液体，非常适合在人群密集处或家居使用。

3.5远程监控结构设计

远程监控结构采用E12-TTL无线串口模块，在机器人作业过程中，该结构可以控制机器人移动驱动电机、二维运动平台驱动电机、清洁毛刷驱动电机进行相应运动。机体自身携带摄像头，安装在机器人前方以增加监控的视野范围，由于机器人在能见度低下的风道内工作将照明灯分布在摄像头周围，以减小灯光对摄像头的影响。此外，LCD显示屏能将机体上所带摄像头反馈的视频信号实时显示在显示屏上。通过观察显示屏，工作人员可以对机器人所处状态进行判断，从而控制机器人前进后退或转弯、二维云台横向纵向摆动、自动拟合矩形清扫轨迹等运动。

4.调试结果分析

本产品可以应用在一些大型工厂和楼宇当中，主要适用于国内生产的扁平管道中，操作简单且效率高效，可帮助清洁公司清扫一些错综复杂的通风管道，也可以供单位内部使用。除了能够在通风管道中进行作业，还可以清理油烟管道。

参考文献：

[1]孙方明，孙学发，刘沛，等.中央空调通风道系统的清洁[J].清洗世界，2007，23（6）：36-38.

[2]杨雄.风管清洗机器人国产化研究及应用[J].清洗世界，2004，20，（11）：37-40.

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[4]崔建波，高丽萍.集中空调风道清洗现状与前景分析[J].清洗世界，2004，20，（9）：21-25.

基金项目：

2016大学生创新创业训练项目：管道清洗机器人的设计（201613324066）。