中央空调风道清洁机器人设计思考研究

李耀臣

摘 要：随着经济和科技的快速发展，为清扫中央空调管道因长期使用积存下来的大量灰尘和污垢，设计了一套新型的中央空调管道清洁机器人，该机器人具有体积小、质量轻、使用方便、清扫彻底等特点。清扫机器人在前方两侧安装的导轮结构，可以实现空调风道复杂环境的自如导向;气动马达带动圆头型毛刷旋转和上下摆动，可以将空调风道的死角和顶板彻底清理;照明和监视系统可以清楚地观察到风道内的污垢，实现远距离操控伸缩式毛刷杆，可以满足各种尺寸空调管道的清扫工作。

关键词：中央空调;管道清洁;机器人

引言

随着我国国民经济和城市建设的快速发展，中央空调已成为改善人们工作与生活环境的必备设施。目前全国共有上百万台中央空调亟待清洁保养，其中相当一部分中央空调的通风系统从未进行过彻底的清洁，清洁面积大且纵横交错的中央空调通风管道已经成为长期的卫生死角，由此造成的室内空气污染问题严重影响着人们的身体健康。

1中央空调管道清洁机器人设计的需求

1.1具有灵活的结构特点

事实上，在不同的行业领域中所采用的中央空调管道系统型号并不相同，且空调内的管道系统结构也不相同。因此，所设计出的管道清洁机器人要具有较为灵活的结构特点，满足各种上下左右的移动要求。

1.2具有较高的清洗清扫功能

中央空调管道具有大、数量多等特点，因此在管道内所滞留存在的不仅仅是体积质量较大的灰尘，还可能出现动物尸体等。因此，管道清洗机器人要具有强大的清洗清扫能力，能够满足各种清洗标准，甚至在绿色生活理念下，管道清洁机器人还需要拥有一些附加的功能。

2整体设计方案

在全面了解国外典型空调清扫机器人的基础上，本文设计了一套新型的清洁机器人，机器人在管道中检查和清理污垢过程如下：首先将气囊塞入管道内，并进行充气，使得气囊堵住等待清扫管道的两端，将需要清扫的区域隔离出来，防止清扫中的灰尘向其他区域飘散;管道内壁的灰尘掉落后，使用大型集尘净化器吸收管内被扫落的灰尘和杂质;最后使用摄像传感装置查看管内的清洗情况。该清洁机器人系统的特点和优势如下：1）整套设备小巧轻便，便于搬运携带;采用履带行走方式，前进、后退自如;导向装置使机器人遇到障碍时能够自动转向;工作时可以通过监控设备实时查看管道内污垢附着情况，从而实现清扫过程的远距离遥控。2）除污彻底化。系统严格按照中央管道空调清洗协会提出的生产标准进行设计，由气动马达带动毛刷转动彻底清扫管道边角和顶部的灰尘，并且可以使用气动马达将支撑杆抬高或降低，再利用大型集尘净化装置把管道内扫落的灰尘高效地收集，然后进行处理。3）可视范围广。清扫过程中，可通过摄像传感装置查看管道清洁状况，并进行相应的操作。

3中央空调管道清洁机器人的各个机构设计分析

3.1控制系统设计分析

控制系统是确保清洗机器人做好行走、清扫工作的重要环节。基于电气自动化技术的发展，空调管道系统的清洗机器人控制系统主要由视觉观测模块和清洗装置模块2个部分组成。其中，清洗装置系统同行走系统结合在一起，需要完成驱动、升降、转向以及清洗作业，而视觉观测系统则需要将空调管道内部的图像信息、图片拍摄传输到电脑系统中，由工作人员根据观测到的图像信息对清洗装置展开控制。在控制系统中的电机控制驱动模块主要是由步进电机驱动和直流电机驱动2个子系统组成，采用分组控制的方式，分别控制速度和运转方向，如此很大程度地提升了清洗機器人的行走机构和清扫机构的协调运作效率。

3.2行走机构设计分析

行走机构设计需要满足各种特殊的空调管道的清洗需求。如：对于竖直管道的清洗，对于管道内有障碍物情况下的行走。在本设计中主要采用中心兑成的腿足型行走机构。该行走机构主要由电机座、滑轨、电磁铁脚等组成。工作原理是由电机驱动轮组带动曲柄连杆机构推动滑块在滑轨上实现往复运动，同时利用磁铁脚的吸附作用，当齿轮齿条传动时，则磁铁被推出，吸附在管道壁上，当需要移动时，就给电磁铁通电，取消吸附力。根据实际的清洗需求可知，该清洗机器人的行走机构需要满足爬坡、转向、升降以及越障等功能作用，以下对不同功能参数展开设计分析。爬坡，最大坡度为60°;转向，最大转弯角度为90°，且转弯半径可以为60mm;升降，最大高度可以达到300mm，最小高度为200mm，且管道截面尺寸高度随机处理;越障，最大高度尺寸为90mm。

3.3监视控制器

监视控制器需要安装一个小型摄像头，并固定在机器人的可调节臂上，在操作期间通过不断调整相机的视角观察管道内复杂的环境。目前主流摄像头所采用的感光元件主要有2种：1）CCD（chargecoupleddevice，电荷耦合器件）组件，具有成像清晰、抗抖动、体积小等优点，但价格略高。2）CMOS（complementarymetaloxidesemi-conductor，互补金属氧化物半导体），是一种低质量成像的摄像产品，在光线较暗的环境下工作时必须另外搭配光源，但其具有价格低、响应性低、功耗低等优点，并且成像效果能够满足空调管道清扫的成像需求。

3.4清洁毛刷设计

安装在清洁臂前端，采用圆柱形设计，端面采用碗状曲面，以提高毛刷的清洁效果。毛刷采用220V双轴交流电机直接驱动，毛刷与电机输出轴间采用D形孔连接，并安装有3根调整螺钉，以调整毛刷与电机轴的同轴度。该设计保证了清洁毛刷在清洁风道壁时转速与输出力矩间有较大的刚度，使得毛刷能在不同清洁阻力的作用下转速变化不大，即在风道内管壁积灰程度不同的情况下依然能保证毛刷良好的清洁效果，同时去掉了毛刷与驱动电机间的动力传动装置，简化了设计。考虑到清洁臂的平衡问题，清洁臂后端应加适当配重。

3.5清洗机构设计分析

清洗机构模块是整个清洁机器人的重要组成部分，其决定着该机器人的工作效率，清洗有效性以及市场应用率和推广价值。通过对行走机构的设计分析之后，已经初步解决清洗机器人在空调管道内部的工作路径、工作方向，但是清洗方式则又需要对清洗下的杂质进行合理地回收，对各种顽固污渍进行全面清洗。因此，清洗机构需要具有清洗装置和回收装置。清洗机构设计。清洗机构需要拥有清洗刷头、刷柄以及吸尘管。清洗结构的驱动机构主要原理是摆动，通过对吸尘管和刷头角度的控制，在一定时间内改变相对位置，完成对管道内部的全面清洗。因此，可以采用蛇骨结构，利用两端固定节和蛇骨骨节，根据所需要的长度规格进行相邻骨节的铰接，如此只需拽动一侧的金属线，就可以实现角度变化弯曲。

结语

随着智能时代的发展，本文设计的中央空调管道清洁机器人通过分析、仿真与验证，结果表明其解决了中央空调管道式通风系统的清洗难题，证明该机器人对中央空调管道内的清洁工作有较强适应能力，同时对同类型的机器人机构设计与研究具有参考价值。

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