中央空调管道清洁机器人的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 2.44MB 65 页 15积分

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摘

摘摘

摘要

要要

要

随着社会的不断发展，中央空调系统被广泛应用于公共场所的室内环境温度

调节，已成为人们生活和工作中不可缺少的电器设备。然而中央空调通风管道内

的积尘由于未能得到及时的清扫而引发的空气污染会对人们的身心健康带来极大

危害。同时大量的积尘还会影响中央空调的制冷效果，并造成一定的能源浪费。

因此，从人们身心健康和节能环保的角度出发，中央空调管道的定期检测与清扫

是非常必要的，其研究与实现颇具实用价值和商业价值。

本文首先介绍了中央空调通风管道污染的危害性和定期清扫的必要性，并对

国内外中央空调管道清扫机器人的研究状况进行了分析。

为了实现管道清洁机器人行走的稳定性，本文通过对腿足式、轮式和履带式

行走机构进行对比分析，结合中央空调管道的内部情况，提出了一种主要由同步

带轮和双面同步带构成的履带式移动机构。为了实现机器人具有检测和清扫两种

功能，本设计采用了模块化设计，使清扫机构和监控设备的更换和拆装变得快捷

方便。通过对现有清扫毛刷的构造及其清扫效率和适用管道类型的研究分析，本

文结合我国现有中央空调管道的特点，提出了一款新型的清扫毛刷，此毛刷形式

不但可适用于矩形和圆形两种截面形状的中央空调管道，而且其清扫覆盖面更广，

效率更高；另外还提出一种与此毛刷形式相配套的毛刷传动装置，可实现毛刷的

快速更换和拆装。

然后设计和搭建了本机器人控制系统的硬件组成电路。由于机器人的行走和

清扫要求运行时间长电能消耗大，故本设计采用有线供电的方式。现有中央空调

管壁多为金属，对无线电有屏蔽作用，故本设计采用通过串口转换实现 PC 与单

片机的通信方式。

最后详细叙述了控制系统的控制逻辑并编写了相应控制程序代码。为了实现

机器人检测状态下的自主行走，本文提出了一种能够实现机器人在通风管道内自

动转弯的控制算法，并依据控制需要设计了相应的人机交互控制界面。

关键词

关键词关键词

关键词：

：：

：中央空调

中央空调中央空调

中央空调机器人

机器人机器人

机器人通风管道清洁

通风管道清洁通风管道清洁

通风管道清洁履带式移动机构

履带式移动机构履带式移动机构

履带式移动机构

ABSTRACT

With the development of science and technology, the Central Air Conditioning has

been widely used in adjusting the indoor environment of a public place and also

become a very necessary electrical apparatus in our common life. However, the dust in

the tube of Central air conditioning which is not cleaned in time can induce air

pollution and great harm to people. The dust can also influence the function of the

central air conditioning and this will consequently increase energy consumption. So,

regular detecting and cleaning of the central air conditioning is very necessary for

people's health and our environment, the research it has great practical and commercial

value.

First, the paper introduces the harm of the air pollution from Central

Air-Conditioning and the necessary of the regular cleaning. The current situation and

developing direction of the central air conditioning cleaning robots both in the

domestic and abroad are analyzed in the thesis, subsequently, the research meaning and

main content of the thesis are expounded.

Second, the thesis put forward a new type of crawler-walking mechanism which is

composed of belt pulleys and double-sided belt based on the result of contrast analysis

on leg-walking mechanism ,wheel walking mechanism and crawler-walking

mechanism and inner condition of the central air conditioning ,this mechanism can

keep the stability of cleaning robot. The robot take modular design，which make the

machine assembled easily, congregating two functions including detecting and

cleaning. Through the research of construction of cleaning brush and its cleaning

efficiency and types of pipes, the thesis put forward a new cleaning brush with

rectangular or circular cross section based on the characteristic of the central air

conditioning in our country, this type of brush is more efficient and can cover more

area. Transmissions device which is coordinated with the brush is also been put

forward, this device can be easily assembled.

Then the hardware circuit of robot control system is designed and constructed. As

the robot walking and cleaning requirements of running a long time, the power

consumption is great, so the design uses a cable-powered. The existing central air

conditioning wall is mostly metal, shielding effect on the radio, communication

between PC and MCU is converted via the serial.

Finally, the control logic of the control system has been described in detail and the

corresponding control code has been written. In order to realize the autonomous

walking when robot in the detection state, the thesis put forward the automatically

turning control algorithm of the robot and design the interactive control interface.

Key Words: Central Air-conditioning, Robot, Duct Cleaning,

Crawler-walking Mechanism

目

目目

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中文摘要

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中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论.................................................................................................................. 1

§1.1 课题研究背景及意义 ...................................................................................... 1

§1.1.1 中央空调通风管道污染的危害性和必要性 ........................................ 1

§1.1.2 我国中央空调通风管道卫生状况 ........................................................ 2

§1.2 国内外研究现状 .............................................................................................. 3

§1.2.1 国外通风管道清洁机器人的研究现状 ................................................ 3

§1.2.1 国内中央空调清洁机器人的研究现状 ................................................ 4

§1.3 论文研究内容 .................................................................................................. 6

§1.4 本章小结 .......................................................................................................... 7

第二章中央空调管道清洁机器人的总体设计及关键技术研究 ................................ 8

§2.1 中央空调管道清洁机器人的清洁过程及测评指标 ...................................... 8

§2.2 中央空调管道清洁机器人的主要组成及功能 .............................................. 9

§2.3 机器人关键技术理论分析 .............................................................................11

§2.3.1 移动机构的运动学分析 .......................................................................11

§2.3.2 履带式移动机构的转弯通过性分析 .................................................. 12

§2.3.3 履带式移动机构转向分析 .................................................................. 16

§2.3.4 越障碍和沟道能力的研究 .................................................................. 18

§2.3.5 机器人在管道中移动拖线阻力分析 .................................................. 20

§2.3 本章小结 ........................................................................................................ 22

第三章中央空调管道清洁机器人行走装置的设计 .................................................. 23

§3.1 中央空调管道清洁机器人移动方式的选择 ................................................ 23

§3.2 中央空调管道清洁机器人移动机构的设计 ................................................ 23

§3.3 履带式行走机构关键组成零件的设计 ........................................................ 25

§3.3.1 双面同步带的设计 .............................................................................. 25

§3.3.2 同步带轮的设计 .................................................................................. 27

§3.3.3 同步带张紧装置的设计 ...................................................................... 28

§3.3.4 自润滑轴承 .......................................................................................... 28

§3.4 驱动装置的设计 ............................................................................................ 29

§3.4.1 驱动方式的选择 .................................................................................. 29

§3.4.2 驱动电机的选择 .................................................................................. 30

§3.4.3 联轴器选用 .......................................................................................... 31

§3.5 本章小结 ........................................................................................................ 32

第四章中央空调管道清洁机器人清洁装置的设计 .................................................. 33

§4.1 清洁装置的总体设计 .................................................................................... 33

§4.2 清洁毛刷的设计 ............................................................................................ 34

§4.2.1 清洁毛刷的类型 .................................................................................. 34

§4.2.2 清洁毛刷的设计 .................................................................................. 34

§4.3 清洁毛刷高度调节装置的设计与研究 ........................................................ 36

§4.3.1 清洁毛刷高度调节机构的设计 .......................................................... 36

§4.3.2 清洁毛刷高度调节机构传动装置 ...................................................... 38

§4.4 刷头换向器的设计 ........................................................................................ 39

§4.5 清洁毛刷驱动电机的选择 ............................................................................ 39

§4.6 本章小结 ........................................................................................................ 40

第五章控制系统硬件设计及软件编程 ...................................................................... 41

§5.1 机器人控制系统硬件设计 ............................................................................ 41

§5.1.1 电源模块 .............................................................................................. 42

§5.1.2 主控制模块 .......................................................................................... 42

§5.1.3 电机驱动模块 ...................................................................................... 43

§5.1.4 电机调速模块 ...................................................................................... 46

§5.1.5 数据传递方式 ...................................................................................... 48

§5.1.6 超声波测距模块 .................................................................................. 49

§5.2 机器人软件系统设计 .................................................................................... 51

§5.2.1 协调执行层 .......................................................................................... 51

§5.2.2 数据传输层 .......................................................................................... 54

§5.2.3 应用控制层 .......................................................................................... 55

§5.3 本章小结 ........................................................................................................ 56

第六章总结与展望 ...................................................................................................... 57

参考文献 ........................................................................................................................ 58

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 61

致谢........................................................................................................................ 62

第一章绪论

第一章

第一章第一章

第一章绪

绪绪

绪论

论论

论

§§

§1.1

1.11.1

1.1

课题研究背景

课题研究背景课题研究背景

课题研究背景及意义

及意义及意义

及意义

§§

§1.1.1

1.1.11.1.1

1.1.1

中央空调通风管道

中央空调通风管道中央空调通风管道

中央空调通风管道污染的危害性

污染的危害性污染的危害性

污染的危害性和必要性

和必要性和必要性

和必要性

根据中央空调系统的工作原理，经过处理后的空气将经过通风管道进入室内，

但由于中央空调通风管道长期封闭且内部相对较为湿润，并且管道内部空间狭小

不利于清洁，很容易滋生细菌和病毒等有害物质。中央空调系统中滋生的病菌又

会随着空气流动在室内广泛传播，在空调内部造成空气的二次污染

[1]

。据统计，

现有大多数中央空调系统主要采用粗效过滤

[2]

的方式，此方式最多只能过滤掉空

气中 40%左右的可吸入颗粒物，其余大部分会进入中央空调系统。这些可吸入颗

粒物中的一部分有可能携带着各种病毒在空调风管内流动传播，继而诱发交叉感

染。另部分形状较小的可吸入微粒在流动过程中相互粘结从而形成大灰尘，并积

聚在中央空调通风管道转角和各个壁面上，它们日积月累便导致了微生物的迅速

滋生。据专家统计，存在于风管中的有害物质主要包括：灰尘、病毒、真菌、霉

菌、有害细菌、各种微生物以及昆虫尸体和花粉等，它们便是污染室内空气的元

凶。

在风机的作用下，通风管道中的这些病毒及微生物随着空气流动进入室内。

更为严重的是，这些被污染的空气有可能会重新回到中央空调系统，然后经过简

单过滤后又再次排出，从客观上来讲这样非但没净化空气，反而在一定程度上浓

缩了有害气体和物质，使得室内空气相比室外的其污染程度会严重上好几倍

[3,4,5]

。

清洁的、管理得当的中央空调系统可以排除和稀释通风管道内壁上附着的污

染物，对改善室内空气质量有积极的意义。但同时，管理和使用不得当、清洗不

及时的中央空调系统，反而是产生、诱发和加剧空气污染，从而引发一系列危害，

例如：（1）诱发细菌滋生；（2）寄生物和昆虫的繁衍；（3）空气流通效果变差；

（4）空调系统制冷、制热效果下降，耗能增加；（5）容易导致室内精密设备发生

故障；（6）增加火灾隐患。由于细菌滋生和微生物的繁衍会引起不良建筑综合症

和相关疾病，可能导致的疾病主要有：(1)急性传染病(如SARS 和军团病)

[6,7]

；(2)

过敏性肺炎、加湿器热病、哮喘等过敏症；(3)“空调综合症”，容易产生烦闷、

乏力、嗜睡和恶心等不良症状，还容易患上感冒。

从上可知，污染的中央空调通风管道是导致室内污染的主要因素之一，不洁

的空调通风管道不但会间接导致人类产生疾病并引起空调效果的严重下降，还会

中央空调管道清洁机器人的研究

造成大量的能源浪费。

近几年，随着我国经济的高速发展，人们对生活和工作的环境质量的要求的

提高，中央空调系统被广泛应用于办公楼、大型超市、宾馆等公共场所进行室内

环境温度调节。由于中央空调通风管道未能及时清洗导致人们患上各种疾病的相

继曝光，尤其是在 2003 年非典爆发之后，中央空调通风管道的清洁卫生越加受到

人们的关注并引起了国家有关部门的重视，随后国家有关部门陆续颁布了一系列

相关法律法规来加强我国在中央空调系统卫生方面的监督和管理，例如，国家质

监局在 2003 年6月颁布的《空调通风系统清洗规范》，卫生部在 2003 年8月颁布

的《公共场所集中通风系统卫生规范》以及于 2006 年3月颁布的《公共场所集中

空调通风系统清洗规范》等。因此可见，中央空调通风管道的定期清洁是非常必

要且不容忽视的。

§§

§1.1.

1.1.1.1.

1.1.2

我国中央空调通风管道卫生状况

我国中央空调通风管道卫生状况我国中央空调通风管道卫生状况

我国中央空调通风管道卫生状况

随着当今社会的不断进步与发展，越来越多的商场、写字楼、宾馆等公共场

所为了满足人们对室内空气的温度、气流速度、相对湿度等的要求多装有中央空

调系统，来对室内上述指标进行调节，使人们有一个舒适的工作和学习环境。为

了保证空调房间内部的温度恒定防止热量散失，所以其空间要求相对封闭，而此

时室内的温度和相对湿度等条件又很适合致病性微生物的滋生和繁衍。由于公共

场所的中央空调系统通风管道常常疏于清扫，所以在通风管道内存在大量的大肠

杆菌、军团菌、溶血性链球菌及各种呼吸道疾病细菌、病毒性细菌等，附着在通

风管道上的这些病菌将随着流动的空气进入室内并影响到生活或工作在此环境内

的人们的身体健康，增加了他们患上疾病的可能。

2004 年卫生部对全国 30 个省、自治区、直辖市开展了公共场所中央空调通

风系统卫生状况监督检查。在这次全国检查中，共抽检了 60 多个城市具备中央空

调设施的 937 家公共场所，其中宾馆饭店 540 家，大型商场、超市 397 家，检测

样品 5600 件

[7,8,9]

。调查结果显示，接受检查的所有中央空调中，有 90%以上达不

到国家相关卫生标准，有的竟然在通风管道中清出了几吨垃圾，还有大量死亡的

老鼠和蟑螂。卫生部的卫生监督检查结果表明，441 家中央空调通风系统属于严

重程度的污染，占抽检总数的 47.1%；438 家为中等程度的污染，占抽检总数

46.7%；只有 58 家达到要求，合格率仅为 6.2%，通风管道内最高积尘量是国家标

准的 486 倍。另据世界卫生组织统计估计，世界上大部分人 60%到90%的时间是

在室内环境中度过的，而世界上 30%的摩登建筑都受到室内环境污染的危害，不

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摘要：

摘摘摘摘要要要要随着社会的不断发展，中央空调系统被广泛应用于公共场所的室内环境温度调节，已成为人们生活和工作中不可缺少的电器设备。然而中央空调通风管道内的积尘由于未能得到及时的清扫而引发的空气污染会对人们的身心健康带来极大危害。同时大量的积尘还会影响中央空调的制冷效果，并造成一定的能源浪费。因此，从人们身心健康和节能环保的角度出发，中央空调管道的定期检测与清扫是非常必要的，其研究与实现颇具实用价值和商业价值。本文首先介绍了中央空调通风管道污染的危害性和定期清扫的必要性，并对国内外中央空调管道清扫机器人的研究状况进行了分析。为了实现管道清洁机器人行走的稳定性，本文通过对腿足式、轮式和履带式...

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