孟昭興+張榮芳

山東協(xié)和學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

【摘 要】針對(duì)中央空調(diào)風(fēng)道狹小，人工清洗困難的現(xiàn)狀。設(shè)計(jì)了一種可替代人工，吸塵集塵一體化，通過無線控制的清洗機(jī)器人。本產(chǎn)品是由清掃消毒裝置、移動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置等結(jié)構(gòu)組成。以STC12C5A60S2單片機(jī)為主控芯片，采用AQMH2407電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、無線遙控模塊等構(gòu)成外圍擴(kuò)展電路實(shí)驗(yàn)調(diào)試表明該產(chǎn)品能夠自動(dòng)完成管道清洗功能。

【關(guān)鍵詞】清洗機(jī)器人；中央空調(diào)管道；遠(yuǎn)程監(jiān)控

1.引言

中央空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)與室內(nèi)空氣接觸，所以風(fēng)道內(nèi)清潔程度直接關(guān)系著人們的身體健康。但是由于中央空調(diào)風(fēng)道的保養(yǎng)卻得不到重視而且不易清掃，因此中央空調(diào)風(fēng)道造成的室內(nèi)空氣污染始終危害著人們的健康。但是由于傳統(tǒng)人工清潔方式清掃不徹底且易留死角，并且清掃產(chǎn)生的粉塵危害人體健康，機(jī)器人是可以替代人工成功解決風(fēng)道內(nèi)部問題清潔的有效途徑，因而自主研發(fā)機(jī)器人進(jìn)行清掃開始成為最佳選擇方向。

2.總體設(shè)計(jì)方案

中央空調(diào)主要應(yīng)用于一些樓宇結(jié)構(gòu)中，因?yàn)閲鴥?nèi)中央空調(diào)風(fēng)道沒有規(guī)范化，大都縱橫交錯(cuò)且截面大小不同，因而機(jī)器人在進(jìn)行作業(yè)時(shí)必須實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、吸塵集塵、消毒等功能。同時(shí)機(jī)體須適應(yīng)風(fēng)道大小才能靈活運(yùn)轉(zhuǎn)。中央空調(diào)風(fēng)道清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)科學(xué)合理，機(jī)體包括清掃裝置、移動(dòng)結(jié)構(gòu)、消毒裝置、檢測(cè)裝置，已基本實(shí)現(xiàn)智能化和半自動(dòng)化。該機(jī)器人可以深入風(fēng)道中進(jìn)行作業(yè)活動(dòng)，并自動(dòng)收集清理下來的污物，待清洗完成后自動(dòng)噴灑消毒液，基本實(shí)現(xiàn)了吸塵集塵一體化，清潔消毒同步化。然后通過無線傳輸設(shè)備反饋給工作人員。清掃徹底且不會(huì)留下死角。本產(chǎn)品功能齊全，運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，清掃徹底且不留下死角。投入應(yīng)用后有利于改善室內(nèi)空氣質(zhì)量和促進(jìn)國內(nèi)清洗行業(yè)的迅速發(fā)展。中央空調(diào)風(fēng)道清洗機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由清掃消毒裝置、移動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置組成如圖1所示：

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

國內(nèi)中央空調(diào)風(fēng)道內(nèi)部表面材料大部分為鍍鋅鋼板，摩擦力極小，同時(shí)機(jī)器人在風(fēng)道內(nèi)部需克服較大的清潔阻力。因此采用履帶式行走方式，后輪為主動(dòng)輪，由STC12C5A60S2單片機(jī)搭配AQMH2407電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)兩個(gè)減速電機(jī)來分別控制左右兩輪，使小車的回轉(zhuǎn)半徑達(dá)到最小。STC12C5A60S單片機(jī)按照AQMH2407電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片工作要求發(fā)送控制信號(hào)。當(dāng)兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)向相同時(shí)，小車直線前進(jìn)或后退，當(dāng)兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)向相反時(shí)，小車原地拐彎。使得機(jī)器人可以靈活實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退拐彎等功能。操作簡單，可以使機(jī)器人在風(fēng)道內(nèi)自由移動(dòng)且不會(huì)出現(xiàn)行進(jìn)遲緩、打滑等現(xiàn)象。

3.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片

設(shè)計(jì)采用AQMH2407ND直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，由于其尺寸極小，支持電壓范圍廣，最大可達(dá)24V，并且每路都支持三線控制端，信號(hào)可外接PWM，且正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)可串聯(lián)限位開關(guān)，它的控制信號(hào)使用灌電流驅(qū)動(dòng)方式，并且支持絕大多數(shù)單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。此外，這種芯片使用光耦對(duì)全部信號(hào)進(jìn)行隔離，擁有靜電泄放回路。

3.2矩形螺旋軌跡清掃設(shè)計(jì)

本裝置改變現(xiàn)有機(jī)器人只能做一維縱向運(yùn)動(dòng)的模式，采用橫向縱向二維運(yùn)動(dòng)，擬合矩形清掃軌跡達(dá)到不留死角的效果。在毛刷旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人可以根據(jù)風(fēng)道尺寸大小來控制清潔臂橫向縱向擺動(dòng)的幅度，形成矩形螺旋軌跡。保證風(fēng)道內(nèi)部每一個(gè)點(diǎn)都能被清潔毛刷清潔至少一次，實(shí)現(xiàn)無死角清潔。機(jī)體前端使用帶有橫向驅(qū)動(dòng)電機(jī)的云臺(tái)來控制清潔臂橫向擺動(dòng)幅度。云臺(tái)上端使用軸承與軸連接來控制清潔臂。同時(shí)清潔臂嵌有減速電機(jī)，通過聯(lián)軸器和短軸與毛刷連接，以此來控制毛刷的自由旋轉(zhuǎn)。同時(shí)解決了由于各部分電機(jī)負(fù)載差異，電機(jī)本身參數(shù)差異等因素造成機(jī)器人清潔臂行進(jìn)中走偏的問題，保證了在一定精度上擬合應(yīng)有軌跡清掃，滿足清潔需求。同時(shí)在橫向縱向一個(gè)矩形軌跡周期內(nèi)，保證了機(jī)器人行走距離小于毛刷寬度，解決了機(jī)器人在風(fēng)道內(nèi)部的導(dǎo)向問題。

3.3無線串口模塊的選擇

采用E12-TTL無線通信模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，E12-TTL模塊是億和電子科技有限公司推出的一款中心頻率為433MHz的無線通信模塊。它具有TTL電平的串口通信接口，支持波特率為1200-57600多達(dá)7種波特率。E12-TTL模塊采用進(jìn)口高性能無線射頻芯片，以及超低功耗性能單片機(jī)構(gòu)成。用戶無需關(guān)心復(fù)雜的無線通信設(shè)備以及傳輸算法，只需要通過TTL串口連接到設(shè)備，2個(gè)模塊即可取代一條傳統(tǒng)的串口線，省去布線工作，且比傳統(tǒng)串口傳輸距離更遠(yuǎn)，同時(shí)可以通過控制模塊完成多種不同的操作。

3.4消毒裝置設(shè)計(jì)

消毒裝置置于機(jī)器人尾端，由噴霧高壓泵和消毒瓶構(gòu)成，，噴霧高壓泵動(dòng)力足，覆蓋面較廣，不會(huì)有死角遺留。消毒液為無味無毒液體，非常適合在人群密集處或家居使用。

3.5遠(yuǎn)程監(jiān)控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控結(jié)構(gòu)采用E12-TTL無線串口模塊，在機(jī)器人作業(yè)過程中，該結(jié)構(gòu)可以控制機(jī)器人移動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、清潔毛刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。機(jī)體自身攜帶攝像頭，安裝在機(jī)器人前方以增加監(jiān)控的視野范圍，由于機(jī)器人在能見度低下的風(fēng)道內(nèi)工作將照明燈分布在攝像頭周圍，以減小燈光對(duì)攝像頭的影響。此外，LCD顯示屏能將機(jī)體上所帶攝像頭反饋的視頻信號(hào)實(shí)時(shí)顯示在顯示屏上。通過觀察顯示屏，工作人員可以對(duì)機(jī)器人所處狀態(tài)進(jìn)行判斷，從而控制機(jī)器人前進(jìn)后退或轉(zhuǎn)彎、二維云臺(tái)橫向縱向擺動(dòng)、自動(dòng)擬合矩形清掃軌跡等運(yùn)動(dòng)。

4.調(diào)試結(jié)果分析

本產(chǎn)品可以應(yīng)用在一些大型工廠和樓宇當(dāng)中，主要適用于國內(nèi)生產(chǎn)的扁平管道中，操作簡單且效率高效，可幫助清潔公司清掃一些錯(cuò)綜復(fù)雜的通風(fēng)管道，也可以供單位內(nèi)部使用。除了能夠在通風(fēng)管道中進(jìn)行作業(yè)，還可以清理油煙管道。

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基金項(xiàng)目：

2016大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目：管道清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)（201613324066）。