机械设计与制造专业毕业论文中央空调管道清洁机器人的设计

1、摘 要随着经济发展，人们的身心健康越来越受到重视。而污染的中央空调日益成为危及人们身心的祸害根源。因此，中央空调尤其是中央空调管道的检测与清洗越来越受到社会的重视。本文首先阐述了中央空调管道清洗的背景与现状，结合国内外中央空调清洁机器人的发展，阐明了本课题的研究背景和意义，简述了本文的组织形式和研究内容。然后重点介绍了中央空调清洁机器人行走机构、清扫机构和监视控制系统三大结构的设计与实现过程。同时，针对中央空调清洁机器人清扫中央空调管道时存在的难点，本文深入探讨了机器人转弯与安全行走的原理。最后，本文对主要工作和研究内容进行了总结，并对今后的研究方向做出了展望。 关键字： 中央空调，机器人，旋转刷，电动机 / 文档可自由编辑打印目录中央空调管道清洁机器人的设计I摘 要I第一章前 言11.1课题的背景与意义11.2机器人的发展现状及趋势11.2.1国内领先水平的管道清洁机器人21.2.2中央空调管道清洁机器人发展趋势31.3本课题的设计任务3第二章 中央空调管道机器人系统设计52.1工作原理及组成52.2机器人设计原则62.3 整体方案选择7第三章 行走机构设计93.1机器人驱动机构93

2、.1.1电机的选择93.1.2传动齿轮的设计103.1.3传动轴的设计153.2导向轮系统183.2.1导向轮系统原理183.2.2电机的选取183.2.3传动带的选择193.2.4导向轮的设计21第四章 清扫机构- 24 -4.1清扫方案确定- 24 -4.2旋转刷系统主要构件- 25 -4.3构件的选择- 25 -4.3.1气动马达的选择- 25 -4.3.2旋转刷的设计- 27 -第五章 监视控制系统- 28 -5.1摄像头的选择- 28 -5.2摄像头的固定和调整- 28 -5.3监视器- 29 -5.4照明装置- 29 -5.5灰尘收集装置- 30 -第六章 结束语- 31 -参 考 文 献- 33 -谢 辞- 34 -第一章 前 言1.1课题的背景与意义 在室内空气污染来源中,中央空调的污染物与日俱增。2003年8月份中国标准化研究院及卫生部共同起草了GB19210-2003空调通风系统清洗规模和卫生部2003公共场所集中空调通风系统卫生规模，卫生部还于2005年提出了公共场所集中空调通风系统卫生管理办法。目前全国共有上百万台中央空调亟待清洗保养,空调清洗行业正在悄悄兴起。

3、而国内市场上尚无管道清洁机器人产品,本文设计的中央空调管道清洁机器人系统结构简单，自动化程度高,适用范围广，成本较低,对促进我国中央空调管道清洗行业的发展、改善室内空气质量、提高生活和健康水平等具有积极的意义。1.2机器人的发展现状及趋势工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10左右。2004年增长率达到创记录的20。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%1.2.1国内领先水平的管道清洁机器人图1-1中央空调管道清洁机器人技术参数规格：380260180mm(长.宽.高)重量：11.5kg工作电压：36v行走速度：800mm/min9800mm/min 无极变速爬坡能

4、力：不小于40度越障碍能力：不小于45mm垃圾铲负重：2kg照明：高亮度LED立体清扫能力：长摆臂水平摆动有效宽度达1250mm，垂直摆动有效高度为1000mm，短摆臂水平摆动有效宽度达800mm，垂直摆动有效高度为800mm特点： 采用双滚刷结构在摆臂与风管侧壁形成夹角时，保证将管道角部彻底清洗干净（采用与管道垂直相切角度旋转毛刷的机构是不可能将角部清洗干净的）。摆臂可以实现水平和垂直摆动分别控制（速度为较适宜的往返10次/每分钟），可同步运动，亦可停在摆臂行程当中的任意位置，以适应矩形风管和圆形风管的不同操作要求，实现真正的立体清扫。 由软轴机提供的强大动力（550瓦）既保证了毛刷大扭矩、高转速的工作要求，毛刷旋转方向亦可随时调整（清扫管道底面时毛刷可将较大的颗粒粉尘抽扫到前方，提高了清洗洁净度）。 摄像机云台置于车体后部，广角镜头可全视角观察到一米处毛刷在最大摆动位置的工作状态（视角1.5米），同时履带行走机构也始终在视线内，方便确定机器人工作位置，清扫过程一览无余。 滚刷尺寸直径较大，厚度较小，只要车体能通过就能进行清洗工作，不会发生毛刷与风管由于尺寸原因卡住的情况，清洗高度在

5、250mm至600mm的管道时摆臂只需水平摆动即可，一次行走就可完成方形或矩形管道的高效清洗。 为防止清洗较窄管道发生水平摆动行程不能到位有可能造成齿轮传动机构发生过载而损坏，特殊设计了摆臂角度自适应机构。 一机多能，清扫机器人前端装配上垃圾清运铲，可以清理管道内的块状物体，装配上标准软轴毛刷可方便地清扫圆形管道，装配上气鞭可以方便地对格栅式消声孔板进行清洗，装配上气溶胶喷雾装置即可完成大截面管道全部空间的消毒工作。1.2.2中央空调管道清洁机器人发展趋势国内有超过500万个各类中央空调需要清洗保养，而且每年正在以10%的速度递增，这些中央空调大部分运行了20年以上却从未清洗。随着我国经济的发展，人们对室内空气质量所带来的危害越来越重视，尤其是2003年“非典”疫情的传播，已使人们对中央空调带来的疾病隐患有了相当深刻的认识。为了保障公众健康，2006年3月1日，卫生部制定并实施了公共场所集中空调通风系统卫生管理办法，中央空调的卫生问题得到了前所未有的关注，对空调管道进行定期清洗势在必行。因此，中央空调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，对中央空调清洁机器人的研究与开发更

6、是具有一定的社会价值和商业价值。1.3本课题的设计任务本次设计的任务是设计一个中央空调管道清洁机器人，要求机器人可以在管道内实现前进、后退、按一定曲率半径回转及原地转向等动作，能高效地完成管道内的清污工作。具体设计内容为：（1）了解中央空调管道清洁机器人的基本构成及工作原理，熟悉其设计、生产的基本知识。（2）进行管道清洁机器人的总体方案设计及其零部件设计。（3）设计原始参数：1）机器人可以在管道内实现前进、后退、按一定的曲率半径回转及原地转向等动作。2）机器人的尺寸大小：高度范围：170400mm长度范围：310780mm宽度范围：300800mm3）机器人的运动速度为412m/min4）可以实现局部最大爬坡能力5）管内越障2mm6）最大行程150m第二章 中央空调管道机器人系统设计2.1工作原理及组成本次设计的机器人（如图2-1）用于污染的中央空调管道的清洁，整体结构主要由行图2-1中央空调管道清洁机器人走机构、清扫机构和监视控制系统三部分组成，行走机构又分为驱动机构、导向轮系统两部分。驱动机构（如图2-2）所示，驱动方式为单电机驱动机器人前轴。在清扫之前，通过调整支撑臂上的螺钉来调

7、节两个导向轮（如图2-3）的横向距离，保证机器人处于管道中央时导向轮两端距管道壁各有约20mm。清扫工程中，两导向轮分别以大小相同，方向相反的速度旋转（其中左导向轮逆时针旋转，右导向轮顺时针旋转），其旋转速度比机器人前进速度略大。如左边的导向轮碰到管道的左壁，则导向轮的切向摩擦力F向机器人中心偏移，简化成牵引力F，及顺时针的扭矩M，迫使机器人右转。其左转的原理相同。清洁工作主要由旋转刷系统完成，旋转刷装置是机器人清扫系统的核心工作部件之一，旋转刷由气动马达驱动,与气动马达相连的刷杆采用伸缩式结构,可以进行长度调节;旋转刷头可拆卸并且有不同的材料和尺寸系列,整个装置可以进行俯仰调整,从而保证在管道都能彻底清扫到管道的边角和顶部。在清扫过程中,利用气动马达吹出的高压空气将扫落的灰尘吹向前方,便于抽风机抽出。设计的旋转刷头有四种材料系列:尼龙刷、钢刷、不锈钢刷和铜刷。尼龙刷适用于所有材质的管道,不会对管道壁造成损伤;钢刷适用于各种钢管;不锈钢刷适用于钛合金管道和铜镍合金管道;铜刷适用于材质为有色金属的管道。清洁过程中，通过监视系统可以方便的对清扫情况进行实时监控，当出现清扫效果不理想时可以操

8、纵机器人后退再清扫一次。此外通过记录清扫过程，也可避免一些经济问题。目前全国共有上百万台中央空调亟待清洗保养,空调清洗行业正在悄悄兴起。而国内市场上尚无管道清洁机器人产品,本文设计的中央空调管道清洁机器人系统结构简单,自动化程度高,适用范围广,成本较低,对促进我国中央空调管道清洗行业的发展、改善室内空气质量、提高生活和健康水平等具有积极的意义。2.2机器人设计原则（最小运动惯量原则）：由于机器人运动部件多，运动状态经常改变，必然产生冲击和振动，采用最小运动惯量原则，可增加机器人运动平稳性，提高机器人动力学特性。为此，在设计时应注意在满足强度和刚度的前提下，尽量减小运动部件的质量，并注意运动部件对转轴的质心装配。（尺度规划优化原则）：当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺度优化以选定最小的臂杆尺寸，这将有利于机器人刚度的提高，使运动惯量进一步降低。（高强度材料选用原则）：由于操作机从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起作用的，选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的。 （刚度设计的原则）：机器人设计中，刚度是比强度更重要的问题，要使刚度最大，必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸，提高

9、支承刚度和接触刚度，合理地安排作用在臂杆上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形。 （可靠性原则）：机器人因机构复杂、环节较多，可靠性问题显得尤为重要。一般来说，元器件的可靠性应高于部件的可靠性，而部件的可靠性应高于整机的可靠性。可以通过概率设计方法设计出可靠度满足要求的零件或结构，也可以通过系统可靠性综合方法评定机器人系统的可靠性。 （工艺性原则）：机器人是一种高精度、高集成度的自动机械系统，良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。仅有合理的结构设计而无良好的工艺性，必然导致机器人性能的降低和成本的提高。2.3 整体方案选择 本次设计的主要难题是机器人的前进后退及转向控制，为此两个比较成熟的方案：方案一：双电机各驱动机器人两个前轮，工作人员通过摄像头观察机器人在管道中的运行情况，适时调整两电机的速度，对机器人进项转向控制。方案二：单电机驱动机器人的前轴，在机器人前方左右两端各安装一个导向轮系统，两个导向轮的角度可调。清扫管道之前，调整两个导向轮之间的横向距离比管道宽度略窄，以大小相同方向相反的转速与机器人驱动轮同时启停，导向轮转动线速度比驱动轮线速度略大，当某一导向轮碰到管壁时，导向轮的切向力和电机的牵引力的合力会迫使机器人转向，从而保证机器人始终运行在管道的中央并能完成自动转向。相比较而言，方案一结构简单，控制灵活，但两电机的速度差的控制不好把握，两电机启动的同步度不好控制，而且对工作人员的技术要求较高，工作人员的劳动强度较大，机器人的自动化程度较低；方案二采用导向轮系统，在机械结构设计上是个创新，提高了机器人

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