中央空调管道清洁机器人的创新设计与分析

0引言

随着经济水平的提高,人们对居住环境的要求越来越高,各类公共场所都安装了大型中央空调,然而, 目前仅能对管道直径较大的通风管道的卫生情况进行监管,常采用人工目测法,仅能探查出风口和进风口的直线段管道,而相对较小的管道往往因缺乏探查手段而直接被忽略[1]。采用其他特殊方式,如手持式伸缩杆相机拍摄,也只是能稍许增加探查范围,但无法定位沉积污染位置,因此基本无法探查处在管道深处的位置,并且采用拆除管道的方法进行清理并不可取[2—3]。从高端写字楼到现代化医院,再到大型商场等场所,中央空调为人们提供了舒适的室内温度环境[4]。然而,长期使用后,中央空调管道内会积累大量灰尘、污垢和微生物,成为室内空气污染的潜在源头。研究显示,未经定期清洗的中央空调管道内,每平方米表面积可附着200~300 g灰尘,且滋生着数十种有害微生物,这些污染物会随着送风系统进入室内,对人体健康造成严重影响,如引发呼吸道疾病、过敏反应等。传统清洁方式存在诸多局限,人工清洗劳动强度大、危险系数高,拆卸清洗成本高昂且耗时费力。在此背景下,设计一种能够智能化、自动化清洁中央空调管道的机器人显得尤为迫切。

1 管道清洁机器人总体设计

如图1所示,中央空调清洁机器人由六大核心部件构成,包括清扫装置、喷水管、监控系统、机体、履带驱动系统、吸尘装置,为中央空调系统的清洁与维护提供高效、智能化的解决方案[5]。其设计充分考虑实际应用需求,兼具创新性与实用性,能够适应复杂多变的管道环境,并通过智能化操作与实时监控实现高效、安全、环保的清洁效果。机器人采用双轮驱动的同步带式移动小车,这种设计确保了机器人在复杂管道内具有稳定性和灵活性,并增强了其在不同坡度和弯道中的通过能力。此外,同步带传动具有高精度和低噪声的特性,能够有效提升运行效率和可靠性。清扫机构采用独立驱动的毛刷设计,适应不同材质表面,提高了清扫效率,且可根据清洁需求调整转速以优化清扫效果。控制系统采用PLC上下位机架构,上位机负责任务规划和指令发送,下位机控制清扫小车和清扫机构操作,实现高效任务执行和现场调整,同时具备通信功能,提升了操作便捷性和智能化水平。此外,机器人还具备高安全性和环保节能特点,严格遵循安全标准,采用低功耗驱动系统和智能电源管理等节能技术,降低了运行成本,减少了环境影响,且操作简便、维护成本低,便于快速部署和长期高效运行。

2 关键机构设计

如图2所示,运动系统包括驱动电机、履带、主动轮、连轴杆。机器人动力传动系统由齿轮传动装置、主动轮、从动轮和连轴杆组成,形成一个高效、稳定的动力传递链路。齿轮传动装置作为核心部件,将电机的旋转动力高效地传递到主动轮。主动轮通过与履带链的紧密啮合,带动履带链滚动,从而实现机器人的移动。连轴杆作为连接主动轮和动力源的关键部件,确保了动力传递的稳定性和可靠性。通过这种设计,动力传动系统能够实现高效的动力分配和精确控制,使机器人在不同地形上都能保持稳定的运行状态。

如图3所示,监视录像系统包括照明灯、摄像头、支撑架、底座。监视录像系统通过摄像头和照明灯的协同工作,实现对管道内部环境的实时监控和录像。摄像头采集的图像通过视频传输模块实时传输到外部显示器或控制终端,操作人员可以根据图像判断管道内的清洁情况和故障点,并远程控制机器人进行清洁作业。此外,系统还可以配备录像功能,记录整个清洁过程,以便后续分析和存档。

控制器选用日本松下公司的两台FPO系列PLC。小车和毛刷机构由车载PLC直接进行控制,而管道外的操作者可在操作面板上通过管外PLC与管内车载PLC之间的通信,实现对清扫机器人的作业监控。由于所采用的FPO系列PLC本身仅具有RS232接口,通信距离有限(小于15 m),为满足清扫机器人长距离作业(小于100 m)的需求,在控制系统中采用C—NET适配器,进行RS232/RS485通信标准的转换。RS485是一种差动平衡式信号传输协议,能够实现1 200 m左右距离的可靠通信,且只需两根信号电缆,减少了清扫机器人行进过程中的拖线阻力,避免了机器人长距离拖缆作业[6]。

3 工作原理

管道清洁机器人的工作原理流程如图4所示。流程从起点开始,机器人首先通过管道入口进入管道内部。随后,动力系统启动,为后续操作提供必要的动力支持。履带式行走机构随即运行,使机器人能够在管道内灵活移动。接下来,清扫机构启动,毛刷旋转或喷射装置开始对管道内壁进行清洁。清扫机构刮除或冲洗管道内壁的污垢,同时吸尘装置将刮下的污垢收集起来。与此同时,监视系统启动,摄像头和照明灯开始工作,摄像头采集管道内部图像,并通过视频传输模块实时传送到外部显示器。操作人员根据监控画面判断清洁效果,并根据需要调整机器人的工作状态。如果需要调整,则机器人在调整工作状态后继续清洁作业;如果不需要,则直接继续清洁作业。在整个清洁过程中,系统记录关键数据和图像,便于后续分析和存档。清洁作业持续进行,直至清洁任务完成,机器人通过履带行走机构退出管道,整个清洁任务结束。

4仿真分析

本研究利用solidworkssimulation模块,针对清洁机器人三维实体模型的导向轮支撑臂和摄像头支架进行静应力分析,验证其机械结构设计是否合理、功能能否实现,并针对运行过程中的节点位移与变形数据展开实时采集及统计分析。

如图5所示,对采用铝合金材质、厚度为10 mm的导向轮支撑臂进行静应力分析,对其表面施加20 N的载荷,最大屈服应力达到6.204×108N/m2,变形比例为8 580.81。这一数值表明铝合金支撑架在该载荷下具有较高的强度,能够承受较大的应力而不发生塑性变形。

如图6所示,对采用镀膜碳纤维、厚度为12 mm的摄像头支架进行静应力分析,对其表面施加20 N的载荷,产生的最大屈服应力为2.920×108N/m2,说明摄像头支架具有很高的刚性,在较小载荷下几乎不会发生变形。变形比例为43749.8,虽然变形比例较大,但实际位移量仍然很小,这表明碳纤维材料在轻量化的同时能够保持良好的结构性能,适用于对重量和强度都有较高要求的摄像头支架。

5结论

本文介绍的中央空调管道清洁机器人,凭借其独特的结构设计和智能化功能,有效解决了复杂多变的管道清洁难题。机器人采用双轮驱动同步带式移动小车设计,确保稳定性和灵活性;独立驱动毛刷清扫机构提高清扫效率,适应不同材质管道内壁;信息采集反馈系统实时监控管道内部情况,提高清洁透明度;PLC上下位机架构控制系统实现高效任务执行和灵活现场调整。通过静应力分析,验证了关键部件的强度和刚性,确保了其在实际应用中的可靠性和耐用性。该机器人应用前景广阔,可以为改善室内环境质量和保障公共健康提供有力的技术支持。

[参考文献]

[1]钱佳旺,李会军,宋爱国.一种小型履带式管道机器人的研究与设计[J].测控技术,2024,43(6):1-7.

[2]王文胜,李世蛟.基于单目视觉传感器障碍物躲避的智能车设计[J].传感器与微系统,2023,42(4):119-122.

[3] 高佳明,黄民,唐凯,等.基于STM32的管道机器人控制系统设计与实现[J].北京信息科技大学学报(自然科学版),2022,37(2):38-43.

[4]李莉,张欢,金明.金属填料过滤器特性的试验研究[J].节能,2007(7):17-20.

[5]郑波.高层办公建筑常规中央空调系统设计节能措施应用研究[J].建材发展导向,2024,22(6):132-135.

[6]韩晓明,车立新,谢霄鹏,等.中央空调管道清扫机器人的设计[J].机械,2005(1):39-41.

《机电信息》2025年第17期第10篇