一、概述

1 功能及特点

集中空调管道清扫机器人是可根据作业要求更换轮系以适应不同类型管道，沿管道内部自动行走，并携有操作机械和辅助设备（如CCD摄像机、管道清扫等），在操作人员的远距离遥控操作下，能够进行一系列管道作业要求的机-电-仪一体化系统。具备清扫管道并携带摄像机检测管道内状况的功能，可广泛地应用于集中空调管道的检测和维护。

与国内外市场现有产品相比，我们设计的集中空调清扫机器人具有设计新颖、结构紧凑、工作稳定性强、管道适应性强等特点，且外观经特殊表面处理，防尘防锈易于清洁，其关键部件如直流伺服电机、气动马达、轴承等均使用国外知名产品，可靠性较高。

2 组成部分

本集中空调管道清扫机器主要包括以下几个部分：

（1）    灵活的移动载体即行走机构；

（2）    操作臂机构，可携带清扫作业工具如独立驱动的毛刷机构等，由机械手臂和工具头组成；

（3）    信息采集反馈系统，主要由安装在小车上的CCD摄像机及照明光源、视频电缆和管道外的LCD显示器组成，CCD摄像机及照明光源采集现场工作情况，通过视频电缆传送到管道外面的LCD显示器上；

（4）    控制及通信系统，采用单片机实现对清扫小车的控制，以及与控制盒之间的通讯和其他辅助设备，由组合电缆、控制箱、数码影像记录系统和多功能控制手柄组成。

二、结构特性分析

1 移动载体

集中空调清扫机器人采用三轮三角形布置的轮式移动载体，其后两轮为主动轮，前轮为万向从动轮。

两主动轮由两个24V直流伺服大电机分别驱动，采用具有创新理念的电机内置于轮内的布置方式，省去了传动机构，使结构大为紧凑，两轮运动互不干涉，可靠性强。

万向从动轮采用伸缩式设计，可手动调整其与两主动轮的轮距。这种前后轮距可变的三轮式移动载体使得其整体尺寸相对减小，转向灵活。当清扫毛刷工作时，伸缩式的万向从动轮又作为操作臂机构的支撑，以克服清扫毛刷在作业过程中对小车的倾覆力，提高工作稳定性。

集中空调清扫机器人也采用较为特殊的转向方式：

Ø       当两驱动电机转向相同且相等时，小车直线前进或后退；

Ø       两驱动电机转向相同且不等时，小车在前进或后退情况下向左或向右不同半径转向；

Ø       两驱动电机转向相反时，小车原地转弯，这种驱动方式的分配可以使小车的回转半径达到最小，有利于在狭小的管道内作业。

在实际使用中，考虑到清扫不同形状管道对移动载体的要求，可针对圆形和方形的管道截面，对车轮总成进行更换适配，移动载体具有较高的管道适应性。

2 操作臂机构

操作臂机构分为机械手臂和工具头两部分。

机械手臂由一个24V直流伺服小电机独立驱动，电机纵向布置在小车内，车体的防护使电机在恶劣的作业环境下也能安全可靠地工作。电机通过丝杠的螺旋传动，带动机械手臂的旋转，且带有限位装置，使机械手臂可在0～45°范围内自由调节。同时，臂长也可调节，手动调整伸缩后由锁紧装置固定，这样可使该操作臂机构适用于多种规格的空调管道，具有一定的通用性。为了克服所携带的清扫工具毛刷机构在作业过程中对小车的倾覆力，集中空调管道清洗机器人未采用传统的在小车后面加配重的方式，而是通过调整轮距可伸缩的万向从动轮位置，使其成为操作臂机构的支撑，这样节省了小车的驱动力，使小车可以克服更大的电缆阻力而增加其行程，这也是本清扫机器人区别于其他国内外产品的鲜明特点。

清扫工具头携带由压缩空气独立驱动的毛刷，外部气泵产生的压缩空气，流过远程监控装置的受控气阀后为气动马达提供动力，其中受控气阀可调节空气流速。气动马达输出经一对锥齿轮机构改变方向，通过传动轴驱动使毛刷可按不同转速正反向旋转。与电机相比，气动马达能够更好地满足清扫时的动力需求，同时可以长时间连续工作，故障率低，不发热，不存在漏电安全隐患。同时，针对不同管径可更换相应的毛刷，提高工作效率。

在机器人不同的作业环境下或进行不同的作业程序时,需要卸载或者更换清扫工具头，为了方便快捷地安装和卸载工具头,采用接插式快换接口将其与机械手臂相连接。该接口采用圆形对称设计,且接口上对称分布了四个卡槽，外层由滚花螺母锁紧固定，操作灵活，更换方便，只需清扫工具头旋转90°安装就可将操作臂机构的清扫方向改为径向或纵向，以适应工程要求，这种设计在方便竖直方向插拔的同时，还可防止清扫工具头在水平外力作用下被碰掉。

3 信息反馈采集系统

信息采集反馈系统主要由安装在小车上的CCD摄像机及照明光源、视频电缆和管道外的LCD显示器组成，在照明光源的辅助下CCD摄像机获取作业环境信息，经视频电缆传输后在管道外的LCD显示器上显示。

集中空调清扫机器人采用摄像和照明一体化的安装方式，节省了空间，使小车结构更为紧凑。在小车前后各装有一个摄像照明一体机，为远程操作者提供360°的视角，其中照明使用白光LED新光源，节能防眩，保证了远程遥控的彩色高清晰画面。

4 控制及通信系统的设计

控制及通信系统主要由组合电缆、控制箱、数码影像记录系统和多功能控制手柄组成。

由于集中空调管道清扫机器人还不能达到完全自主清洁，需要操作者根据车载CCD传送回来的现场作业信息对机器人清扫进行人为干预，故采用线控的方式，且考虑到机器人在深入管道内作业时可能出现故障，若无法排除可将其拖拽出管道。

本集中空调管道清扫机器人采用单片机实现对清扫小车的控制，单片机放置在控制箱内，组合电缆的两头分别与车体尾部和控制箱上的防水航空接插件相连，完成二者间的通讯。

在实际操作中，数码影像记录系统能够在能直观视频的同时，实现图像数据的即时输出、保存、传送。

多功能控制手柄将机器人移动控制、摄像照明方向转换、操作手臂升降和清扫刷速度控制操纵装置集成，使一个操作员就可以便捷操控，提高工作效率。

三、技术参数

1 机器人车体

外形尺寸：40（长）*29（宽）*16（高）cm （不含清扫工具）

重量：12 kg

电源：220 V

控制方式：线控操纵

行走速度：0～10 m/min 无级变速

最大爬坡角：45°

最大越障高度：5 cm

有效行进距离：25 m

清扫刷最高转速：380 r/min

2 直流伺服大电机组件

型号： Faulhaber（瑞士）DC-Micromotor 3257G024CR+32/3S

Nominal voltage（标称电压）：24 Volt

Terminal resistance（终端电阻）：1.63 Ω

Output power（最大输出功率）：83.2 W

Efficiency（最大效率）：83%

Recommended values（建议值）：

Speed up to（最大转速）：5000 rpm

Torque up to（最大转矩）：70 mNm

Current up to（thermal limits）（最大电流（受温度限制））：2.3 A

Reduction ratio（减速比）：159∶1

3 直流伺服小电机组件

型号： Faulhaber（瑞士）DC-Micromotor 2342G024CR+26/1

Nominal voltage（标称电压）：24 Volt

Terminal resistance（终端电阻）：7.10 Ω

Output power（最大输出功率）：19.00 W

Efficiency（最大效率）：81%

Recommended values（建议值）：

Speed up to（最大转速）：7000 rpm

Torque up to（最大转矩）：16 mNm

Current up to（thermal limits）最大电流（受温度限制）：0.720 A

Reduction ratio（减速比）：159∶1

4 气动马达

型号： Alats Copco（瑞典）Vanemotor LZB14 AR008-11

Max. power(最大功率)：0.10 kw

Speed at max power（最大功率时的转速）：380r/min

Torque at max power（最大功率时的转矩）：2.5 Nm

Min. starting torque（最小驱动转矩）：3.1 Nm

Free speed（空载转速）：760 r/min

Air consumption at max power（最大功率时的空气流量）：3.6 l/s

Weihgt（重量）：0.33 kg