中央空调管道清洁机器人机构设计说明

中央空调管道清洁机器人机构设计
一、课题训练容
本课题基于国外已经取得的科研成果，针对中央空调矩形通风管道系统的特点作了深入的分析和论证，在查阅和掌握大量有关文献的基础上，针对矩形的空调管道提出了管道机器人的机构设计方案。

本课题训练容：
1.移动载体的设计﹑撑紧装置的设计﹑机械手的设计
2.零件设计计算以及强度校核
3.对机器人在转弯时的通过性进行了分析
二、设计（论文）任务和要求（包括说明书、论文、译文、计算程序、图纸、作品等数量和质量等具体要求）论文任务：
针对矩形的空调管道设计管道清洁机器人。

论文要求：
1.设计说明书按《科技学院毕业设计（论文）格式模板》要求书写。

2.译文见附页。

3.程序要求框图详细完整，硬件图纸完备，程序清单作为附页附在论文后，程序及电子文档刻成光盘与报告同时上交。

4.设计指标需考虑技术经济性要求。

三、毕业设计（论文）主要参数及主要参考资料
主要参数：
机器人车体长为501mm，宽438mm，高为294mm，车体加上机械手附带毛刷总长为1281mm；机械手总长为792.5mm水平最高行进速度：1m/s；垂直攀爬速度：100mm/s；垂直攀爬载重：10kg；回转半径：0；机械手自由度：4；监视器回转速度：2度/秒；监视器水平回转围：360°；监视器俯仰回转围：240度。

主要参考资料：
[1] GB/T 19210-2003．空调通风系统清洗规[S]．中国标准化，2003，(9):66-67
[2] 甘小明，徐滨士，董世运等．管道机器人的发展现状[J]．机器人技术与应
用，2003，(6)：5-10
[3] 龚振邦等编著．机器人机械设计[M]．：电子工业，1995
[4] 濮良贵，纪名刚等编著.第8版.机械设计[M].：高等教育，2005
[5] 桓，作模，文杰等编著.第7版.机械原理[M].：高等教育，2006
[6] 宋章军，恳，向东等．通风管道智能清污机器人MDCR-I的研制与开发[J]．机
器人，2005，27(2)：142-146
[7] 晓明，车立新，霄鹏等．中央空调管道清扫机器人的设计[J]．机械，2005，
32(1)：39-41
[8] 文彬，建国，蓓智等．管道检测机器人的研制[J]．机械工程师，2005，(1)：
16-18
四、毕业设计（论文）进度表
纺织大学毕业设计（论文）进度表
注：1.本任务书一式两份，一份院（系）留存，一份发给学生，任务完成后附在说明书。

2.“实际完成情况”和“检查人签名”由教师用笔填写，其余各项均要求打印，打印字体和字号按照《纺织大学毕业设计（论文）规》执行。

纺织大学毕业设计（论文）开题报告
目前，国外的管道清洗机器人已形成产业化。

如美国、丹麦、日本、国等诸多国家均有管道清洗机器人系列产品。

纵观国外管道清洗机器人，其结构小异，性能水平也没太大的差别：
1）大多采用轮式或双履带式移动机构；
2）配有高速旋转的清扫机构，用来把管的灰尘打落、清除。

由于管道有矩形管和圆管之分，所以可更换相应的清洗矩形管和圆管的清洁刷；
3）装有CCD摄像头及照明灯，用于探测管道的状况，这在人所不能到达的管道部是必不可少的；
4）由于管道机器人还不可能达到完全自主清洁，故采用线控方式，由操作人员在管道外进行操作。

研究容、研究方法、研究手段
空调管道清洗机器人应具备清扫管道、喷射清洗气雾或消毒药水或直接进行吸尘、携带摄像机和传感器检测管道状况的功能。

要实现这些功能，机器人必须拥有的“器官”包括：灵活的移动载体、多种清扫和清洗作业工具、CCD摄像机及照明系统、通信系统和操作盒以及一些辅助设备和设施。

本课题研究在于满足基本功能的情况下，使其具有重量轻、体积小、价格低的特点。

中央空调通风管道大多采用扁平矩形截面 ,管道高度围相当大 ,最扁平的管道高度仅 150 mm 左右。

因此管道清洗机器人设计指标确定为矩形管高度各项技术性能均 150～650 mm。

本方案有主要包括：车体、控制臂、多功能臂和远程调控装置，控制臂与多功能臂组成一个主从随动伺服装置。

用于管道清扫、攀越障碍的多功能臂装在车体上，同时还有设有能与空调通风管道联通的负压吸尘管，负压吸尘管与风机连接。

工作原理：将清洁车放入中央空调通风管道，并将负压吸尘管管头插入通风管
道，再用气垫将管道两头封闭，然后选择手动开关，通过开关控制电路和控制电缆控制清洁车的行走、清洁刷的工作以及摄像头转向。

其工作过程是：选择手动开关是清洁车上的摄像头转动将管道壁的结垢情况及清扫状况摄下并在显示器上显示出来，操作人员根据显示情况及清扫状况用手动开关操纵清扫车的运动，并控制清洁刷旋转，将污垢从管壁上扫下再通过与气泵连接的负气吸尘管吸走。

工作简图：
研究步骤
1）进行整体结构设计
2）机器的运动学设计。

根据结构方案确定原动件的参数(功率、转速、线速度等)。

然后做运动学计算，从而确定个运动构件的运动参数（参数、速度、
加速度等）。

3）机器的动力学计算。

结合各部分的结构及运动参数，计算各主要零件所受载荷的大小及特性。

4）零件的工作能力设计。

已知主要零检索瘦的工程再喝的大小和特性，既可做零、部件的初步设计。

设计所依据的工作能力准则，通过计算或类比，即可
决定零、部件的基本尺寸。

5）部件装配草图及总装配草图的设计。

根据已定的主要零、部件的基本尺寸，设计出部件装配及总装配草图。

草图上需对所有零件的外形及尺寸进行结构
化设计。

在此步骤中需很好的协调各零件的结构及尺寸，全面地考虑所设计
的零、部件的结构工艺性，使全部零件有最合理的构型。

6）用CAD软件画出装配图
参考书目
[1]GB/T 19210-2003．空调通风系统清洗规[S]．中国标准化，2003，(9):66-67
摘要
中央空调管道清洁机器人是一种可以沿管道部自动行走，在操作人员的遥控操作下能够进行空调管道的清洁系统。

本论文基于国外已经取得的科研成果，针对中央空调矩形通风管道系统的特点作了深入的分析和论证，在查阅和掌握大量有关文献的基础上，针对矩形的空调管道提出了管道机器人的行走方案。

本次设计分为三个部分：移动载体的设计﹑撑紧装置的设计﹑机械手的设计。

在移动机构中采用车轮式，并且在车体前后设置了万向轮，从而使机器人在管道中有更好的运动能力。

压紧装置和机械手的设计也是课题的重点，压紧装置和移动载体相配合，使得机器人具有垂直上升能力，而清洁的功能通过机械手上面的毛刷来实现，然后对设计中所涉及的零件进行强度校核，最后对机器人在转弯时的通过性进行了分析。

关键词:机器人；管道；机构设计；中央空调；清洁
Abstract
A Central air condition duct clean robot is a mechanical system, which can walk automatically inside a pipe. It works in central air condition pipes under the control of an operator with a remote device. Base on the results which have been made in this area so far, the author made a comprehensive study on some theoretical and practical problems for a special type pipe robot. Through reading a large quantity of professional books on pipe robot, the author gives a full study of its motion theory, driving model and configuration, and a detailed of the technical issues related to explanation pipe robot research and manufacturing. According to rectangular pipe’s characteristics, a system of pipe robot is presented. This design is divided into three parts: the design of mobile carriers, the design of support device，the design of manipulator. We use wheel-type mobile mechanism as the moving device, and set a caster in front of the robot, as well as in the back, which allowing the robot having a better athletic ability in the pipeline. Compression devices and robot design is the key issue. With the compression and mobile device, the robot can move vertically. Then check the strength of the parts involved in design. At last robot’s traveling-capability at
the corner is discussed.
Keywords: robot; pipe; mechanism design; central air condition; clean
目录
1.绪论 (1)
1.1 论文背景、意义及要求 (1)
1.2 国外、国研究概况 (2)
1.3 市场需求预测 (4)
1.4 设计的重点与难点 (4)
2 机器人的设计 (5)
2.1空调管道系统介绍及清洗原理 (5)
2.2 机器人移动载体方案设计 (6)
2.2.1 总体方案设计 (6)
2.2.2 传动方案的设计 (8)
2.3 撑紧机构方案设计 (9)
2.4 机械手方案设计 (11)
2.4.1 自由度分配方案设计 (11)
2.4.2 关节传动方案设计 (11)
3. 具体设计计算 (12)
3.1 移动载体传动计算 (12)
3.1.1 左右驱动轮传动计算 (12)
3.1.2 后万向轮传动计算 (20)
3.2 撑紧启动系统的设计计算 (25)
3.2.1 气缸的选择 (25)
3.2.2 启动辅助元件和回路的选择设计 (26)
3.3 机械手的具体设计计算 (27)
3.3.1 电机的选择及传动比的分配 (27)
3.3.2 传动齿轮﹑蜗轮蜗杆的尺寸计算 (28)
3.4 轴的设计﹑计算和校核 (29)
3.5 轴承的寿命计算 (33)
4机器人转弯时的管道通过性分析 (35)
4.1 管道机器人在水平直角弯管的通过性分析 (35)
4.2 管道机器人在矩形管水平圆弧形弯头的通过性分析 (36)
5 结构设计 (37)
6. 总结与展望 (38)
参考文献 (40)
外文资料 (41)
中文译文 (46)
致 (51)
1 绪论
1.1 论文背景、意义及要求
室空气品质(IAQ一一Indoor Air Quality)是近十年国际空调界最关注的课题之一。

现代建筑为满足舒适性和工艺性两方面越来越高的要求，普遍引入了空调系统，但是随着各种合成建材的使用、现代办公设备如计算机等的普及、建筑密闭性的提高、运行管理水平的局限以及为了节能或降低造价而尽可能减小新风量等原因，使室产生的有害气体和生物污染物得不到合理稀释和置换。

C02含量升高，有害细菌繁生，致使空气品质劣化，出现各种呼吸道疾病症状，表现如困倦、乏力、胸闷、精神恍惚、过敏、工作效率下降等。

人们90％的时间是呆在室的，室的空气污染程度比室外严重2—50倍左右，如果不清沽空调风道，甚至可以严重到100倍以上。

目前我国的中央空调大多采用“间接式盘管换热”，即水在管流动、空气在盘管外流动，与管水进行热量交换。

这种设计会在凝结水盘形成高湿环境，如果施工不当或设计不周，甚至会造成凝结水聚积。

一旦室外空气中致病微生物通过新风入口由灰尘带入，或者室空气中的致病微生物从回风口盘旋而上，就会粘附在盘管上，沉降在凝结水盘中。

而凝结水盘的高湿环境正有利于病原微生物的大量繁殖，它们同时还会被送入空调到达的每一个空间。

再加上中央空调管道的许多有害颗粒和灰尘、病菌、病毒、尘螨及碳放射物等，在送风过程中也会对人体健康带来不利的影响。

科学家曾做过一项对比实验：开空调1小时后，室空气中细菌的含量是不开空调房间的3—4倍。

城市“大楼病”的诸多病因中，中央空调常常是罪魁祸首。

当前，人们已认识到中央空调风管的灰尘是传播病毒的载体，重视了中央空调的清洗，但是结果不尽人意。

原因有三：一是我国大多数中央空调普遍使用粗效过滤器，最多只能过滤空气中40％的可悬浮颗粒物，近60％的颗粒物进入中央空调，依然为病毒载体，当通风时，仍有可能产生交叉感染；二是目前人们只注重中央空调机组的清洗和水处理，殊不知风管面积远远大于机组面积，而中央空调系统95％以上的藏尘量在风管，水洗仅降低机体10％水垢的产生；三是没有机器人参与清洗，人进入风管清洗又存在二次污染。

因此，加强中央空调通风管道的清洗，消除病毒的污染源，必须要求从事中
央空调清洗的专业队伍技术先进，设备精良，这使管道清扫机器人步入了历史舞台。

国外从20世纪70年代末80年代初开始重视中央空调的风道清洗，同时，随着计算机、传感器、现代控制理论和技术的发展，为管道机器人的研究应用提供了技术保证。

自从1980年丹达克林发明了世界上第一台风管清洗机器人直到1990年前后，国外的中央空调清洗得以普遍实施，并建立了相应行业及国家标准。

据调研，目前安装有中央空调系统的各类楼宇有3000多幢，由于此类管道通常纵横交错，大管道由人来进行管道检测、维修工作不仅费时费力，而且不卫生。

口径小、长度长的管道不仅人无法进去检查，而且清扫起来也不容易。

因此，管道清扫机器人的出现是一种必然的趋势。

管道清扫机器人能轻松的爬入管道配合其他管道清洗设备将管道中的灰尘、尘螨，甚至昆虫尸体，死老鼠等垃圾一扫而空，最后还能对管道进行消毒。

可适用于各种中央空调和除尘等管道的管道检测、清洗、消毒、喷漆等作业。

本设计要求达到的指标：可清洁水平、垂直管道；水平最高行进速度：1m/s；垂直攀爬速度：100mm/s；垂直攀爬载重：10kg；回转半径：0；机械手自由度：4；监视器回转速度：2度/秒；监视器水平回转围：360°；监视器俯仰回转围：240度；供电方式：电缆；具备自动故障和报警功能。

1.2 国外、国研究概况
空调清洁技术起源于60余年前，是随着中央空调技术同时诞生的。

国外从20世纪70年代末80年代初开始重视中央空调的风道清洗，直到1990年前后中央空调清洗才得以普遍实施，并建立了相应行业及国家标准。

目前在所有发达国家无一例外地实施了中央空调的清洗。

风管清洗在国外是一个比较成熟的市场，气清洗机器人设备的研究和开发业相应地比较成熟。

据统计，国际上生产清洗机器人的厂家不下20家，其中比较著名的有瑞典的Wintclean机器人（售价100万元），丹麦的Danduct机器人（售价80万元），加拿大的Airtox机器人（售价60万元），还有美国的Nikro、Vsi（售价均为40万元）等。

这些国外管道机器人，其形状结构小异，性能也能大致相当。

空调管道机器人应具备的功能有清扫管道灰尘、喷洒消毒药水、携带CCD摄像机和传感器单元等，因此机器人必须拥
有的“器官”有移动载体、安装清洗工具的部件、CCD摄像系统和照明系统、通讯系统、操纵控制系统和其他一些辅助设备等。

我国对中央空调风管清洗的重要性认识比较晚，对中央空调风管设备的研制起步也比较晚。

目前我国对集中式空调的管理尚属空白。

据了解，有关清洁公共场所空调的规定和措施，只有卫生部在2003年6月发出的《公共场所中央空调通风系统卫生规》的通知，这还是因为受非典的启示。

该规对场所的空调系统卫生提出了检测标准，并规定公共场所要定期更换或清洗空调通风系统的过滤器（网）、冷却塔等。

在颁布《公共场所中央空调通风系统卫生规》后，我国的中央空调风管清洗市场迅速升温，全国各科研机构、企业单位纷纷投入到中央空调风管清洗设备的研制，并取得了很好的成果。

据报道，东华大学在该校的一项“自主变位四履带足机器人行走机构”发明专利基础上，首先二次开发了一种具有自主知识产权的新型管道机器人行走机构，能很好的解决管道机器人适应非等径、变截面管道环境的难题。

然后再在此基础上研制成功一种可用于矩形和圆形通风管道的清扫、视频检测、喷涂消毒的多功能清洗机器人产品。

该机器人和家用的吸尘器差不多大小，四个脚上有四条履带，能够在9厘米高的台阶上下。

它最大的本领就是能顺畅自如地爬到中央空调的各个角落，甚至到各种形状的通风管道中清扫管道中的垃圾，并且通过视频系统消除各个角落里的细菌、病毒，喷涂各种消毒液。

该机器人具有以下几个特点和优势：1）行走机构具备自主管障碍和防倾覆功能，适用复杂的矩形管道或者圆形管道环境清扫作业要求（国外产品大多仅适用圆形管道）；2）管道清洗机器人能进入圆管260mm以上直径、矩形管道140mm以上高度的空调、除尘管道进行清洗；3）机器人采用模块化结构设计和多电机驱动技术，结构简单、维护方便；4）机器人采用计算机图像处理技术。

拍摄资料便于保存、播放、携带（国外产品大多采用来录像机储存资料）。

中国科学院兰分院科研人员研制成功的清洁机器人样机是根据400毫米×400毫米和500毫米×500毫米空调通风管道设计的，具有在管道中行走、对管道污染情况进行观察和对污染物进行清洁的功能。

中国科学院兰分院科技合作处工作人员介绍，国自主研发的这种清洁机器人具有在管道前进、后退和转弯等功能，行走速度在每分钟0.5米到1米之间；清洁系统主要是安装在机器人上、可在管道外部控制的清洁动力刷；电缆长度超过30米，不易损害，能够满足基本
需要。

同国外同类装置相比，该机器人具有尺寸小、成本低、行动灵活、操作可靠、清洁效率高和应用领域广等特点，并且在移动机构的驱动系统、主动控制臂系统、照明系统和清洁系统的设计上均有创新。

国在中央空调管道清洁设备方面的研究越来越多,并取得了一定的突破性成果。

但是,包括以上所叙述的设备在, 目前国研制出来的中央空调管道清洁设备还仅限于水平管道或有小坡度管道的清洗,至今还没有发现可用于垂直管道清洗的中央空调管道清洁设备。

1.3 市场需求预测
据介绍我国有超过500 万个各类中央空调需清洗保养，而且每年正在以10%的速度递增，而这些中央空调大部分运行了20 年以上却从未清洗。

就目前而言无论从中央空调风道专业清洗服务公司来讲还是从国外空调风道清洗机器人设备厂家来看，都不能应付这一庞大的清洗市场。

从国方面来说，国空调管道清洗行业市场还未形成，空调风道清洗行业刚刚起步，国几乎没有清洗公司能够具备一流的清洗服务队伍，满足各类客户需求，而设备生产厂家除了国外发达国家的成熟产品外，国能够适应各类风道特点并且技术成熟，实用性强的清洗机器人设备厂家更是凤毛麟角。

所以我国目前许多地区的中央空调通风管道清洗市场是一片空白！从国外方面来说，虽然国外厂家的机器人性能成熟，但是它是根据自身的中央空调风道的而制造的，但国外的中央空调风道是标准和规的，而我国的中央空调风道是根据建筑面积设计安装的，各个风道不尽相同，生产规格统一程度较低，各生产厂家的产品规格不尽相同，属非标产品。

使得国外进口的清洗设备对于国很多中央空调来说并不适用，很大一部分不能对我国中央空调风道产生作用。

从以上分析可以看出，我国的中央空调通风管道清洗市场是有很大潜力的，尤其是在 2003 年“非典”疫情传播后，人们对中央空调给人们带来的疾病隐患有了相当大的认识，国家相应地出台了强制性空调清洗的法规，使得风道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。

开发适合我国中央空调管道清洗机器人产品有很大的经济价值。

1.4 设计的重点与难点
本次设计主要由三大主要部分的设计构成：（1）移动载体的设计，（2）撑紧装置的设计，（3）机械手的设计。

对于管道机器人，移动载体的设计是一个重点。

由于机器人工作于空间狭小的管道中，要求其移动载体具有很好的转弯能
力。

国清洗市场的产品仅适于水平管道的清洗，而本设计要求机器人同时还要能清洗垂直管道。

因此，怎样使中央空调管道清洁设备具有能攀爬垂直管道的能力并具有良好的转弯能力是该产品设计的一个重点也是难点。

压紧装置和机械手的设计也是该课题的重点。

压紧装置与移动载体相配合，使得机器人具有垂直上爬能力，因此，压紧装置的设计合理与否，直接关系到机器人的工作能力。

机械手的设计关系到机器人的工作质量。

机器人的工作管道截面面积小，同时机器人的垂直上爬是依靠摩擦力实现的，这对整机的空间尺寸大小和自身重量提出了严格限制。

这要求机器人的各部件空间尺寸要尽量地小、质量要尽量地轻。

这给机器人的结构设计提出了很大的难题。

2 机器人的设计
2.1空调管道系统介绍及清洗原理
中央空调通风管道按截面形状分有圆管和方管，按管道轴线类型分有直管、弯管（L 型弯管）、T 型管和十字型管等，管径和接头没有规，有较多的斜坡或台阶。

在实际的空调通风管道中，使用方管比圆管要多，原因是方管在制作时高度比宽度小，所占去的高度比圆管要少，并且方管安装方便，所以方管使用比例大。

由于加工、使用等原因，实际使用的管道并不一定时理想的几何体，履带、管道均有一定的弹性，在重力、外界挤压等力的作用下会产生变形。

我们在研究管行走机构动力学时，在不失实际意义的情况下假定：
1.管道具有理想的几何形状，接头和分叉都是理想的几何过度。

2.管道及机器人的履带变形可以忽略。

管道清洁机器人的清扫原理：
(1)使用机器人进行风管部检查；
(2)采用气囊封堵风口；
(3)机器人清扫风管壁；
(4)使用集尘净化器吸收风管的菌团和杂质；
(5)监视器观察风管壁的清洗效果，并录像备案；
(6)恢复风口和工作区域。

如图2.1所示：
图2.1 中央空调通风管道清洗示意图
2.2 机器人移动载体方案设计
2.2.1 总体方案设计
机器人移动载体的设计是本次设计的难点之一如果仅限于地面移动，机器人的移动载体形式有车轮形、履带形、腿脚形、躯干形等四种形态。

与其他移动机构相比，车轮形移动机构具有以下一些优点：高速稳定地移动、能量利用率高、机构和控制简单、能借鉴当今已积累的汽车技术与经验等。

因此本设计采用轮式结构。

按照车轮数目的不同，轮式载体可分为单轮至四轮及五轮以上等几种。

其中单轮与两轮主要是用来进行直立稳定移动控制问题的基础研究，而不是着眼于机器人移动机构的实用化问题。

如果单考虑平面移动的话，三轮机构已经可以了，但从加强移动过程中的稳定性角度来考虑，目前多数采用的是四轮机构。

五轮以上的机构的提出，是因为它在装载重物时具有较大的稳定性，而且适用于台阶、阶梯等非平地状态的移动。

因此，本设计采用四轮机构的移动载体。

典型的四轮移动机构有如下几种：
1)两轮独立驱动方式
如下图2.2所示：
图2.2 驱动方式图
前后两个为辅助轮（万向轮），左右两轮为独立驱动轮，其自转中心与车体中心重合。

它的转向不是通过操舵机构的动作，而是依靠左右两轮的差速实现的，当两轮以相反速度方向转动时，车体能饶自身中心自转，以便在狭窄场合改变方向。

这种车轮布置方式在灵活性和稳定性上都是比较好的，由于没有操舵机构，因此该机构也比较简单，可以减轻重量，适合空调管道机器人要求体积小重量轻的要求。

它的缺点是当遇到沟槽使得左右两驱动轮被架空时，由于驱动轮不着地不能产生动力，这样的话整个机器人便不能移动了。

2)汽车车轮配置方式
如图2.3所示：
图2.3 车轮配置方式
两个操舵轮需要同一个操舵机构来协调转向，此外后轮配有差动齿轮装置，增加了机构的复杂性。

由于它的结构比较复杂，所以仅用于智能汽车等的研究方面，而在机器人的移动机构中不太采用。