自適應(yīng)性多管道清洗機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

齊展飛 陳艷

摘 要 當(dāng)前我國實(shí)行的油污管道清潔方式有兩種，分別是物理清洗和化學(xué)清洗，這兩種方法都需要在人工的操作下進(jìn)行，其清潔效率低下，且造成人工成本的浪費(fèi)。隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的要求也越來越高，對健康意識和環(huán)保意識也越來越強(qiáng)，同時(shí)科技進(jìn)步也推動了清洗技術(shù)和裝備的快速發(fā)展。當(dāng)下的清洗行業(yè)已發(fā)展為新型的潛力行業(yè)，因此，在管道清洗這一領(lǐng)域設(shè)計(jì)出一種實(shí)用的自動清洗裝置顯得尤為重要，本課題的研究，就是想利用Solid works這款軟件的三維繪圖功能，通過數(shù)字化模擬建模來設(shè)計(jì)可用于管道清洗的機(jī)器人，解決現(xiàn)在人工清潔所面臨的的困難和不便。

關(guān)鍵詞 清洗 機(jī)器人 Solid works 設(shè)計(jì)

1研究目的

縱觀國內(nèi)整個(gè)餐飲行業(yè)，由于油煙管道長期得不到清洗，油漬殘留在油煙機(jī)和油煙管道上，時(shí)間久了形成油垢，油垢越厚就越難清洗，不僅影響到油煙機(jī)和油煙管道的使用，縮短設(shè)備的使用壽命，增加運(yùn)營成本，同時(shí)造成污染，形成安全隱患。油煙管道現(xiàn)有清洗方法主要是依靠人工作業(yè)的化學(xué)清洗和物理清洗。工人勞動強(qiáng)度大、效率低，清凈率低、成本高、存在人工清洗不到的死角，對管壁易形成物理損傷及污染環(huán)境等，特別是對豎直管壁的清洗，作業(yè)人員的安全存在較大潛在危險(xiǎn)。因此，在這一應(yīng)用領(lǐng)域研究一種實(shí)用的自動清洗裝置很有必要，將人從這一危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境中解放出來。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人們生活水平的提高，人們對于食品衛(wèi)生，健康的要求越來越高，環(huán)保意識越來越強(qiáng)，如何實(shí)現(xiàn)油煙管道高效率的清洗成了相關(guān)從業(yè)人員關(guān)注的問題。

2研究意義

（1）能自動適應(yīng)不同管徑，不同放置方位的管道機(jī)器人的清洗，特別是可完成豎直油煙管道的清洗。賓館飯店常常位于高層建筑物中整直煙道的清洗是管道清洗的重要任務(wù)。針對現(xiàn)有機(jī)器人不能用于豎直管道清洗的缺點(diǎn)，本課題設(shè)計(jì)了鏈?zhǔn)礁箮凶?、水磁吸附的機(jī)械行走機(jī)構(gòu)，用于完成油煙管道的清洗爬壁任務(wù)。

（2）可提高機(jī)器人的清洗效率?，F(xiàn)有管道機(jī)器人由于機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有一個(gè)自由度，清洗管道壁時(shí)，要通過不斷調(diào)整機(jī)器人的位姿來實(shí)現(xiàn)，使操作變得復(fù)雜，清洗效率較低。

（3）可改善當(dāng)前清洗油煙管道工人的工作環(huán)境、降低工人的勞動強(qiáng)度、節(jié)約清洗成本、消除油煙管道清洗的衛(wèi)生死角、提高管道使用壽命、提高油煙管道的清洗效率、減少火災(zāi)以及可避免化學(xué)清洗導(dǎo)致的污染和純機(jī)械消洗對管道造成的損傷等。

3清潔管道機(jī)器人的工作原理

清潔管道機(jī)器人的構(gòu)造系統(tǒng)主要由清潔機(jī)器人本體、系統(tǒng)外部控制系統(tǒng)和電纜車通信系統(tǒng)組成。首先，清潔機(jī)器人的本體是經(jīng)過行走裝置的驅(qū)動來進(jìn)行正常的運(yùn)動控制，由可以旋轉(zhuǎn)的刀具或清理器件對油污管道的內(nèi)側(cè)的窩溝層進(jìn)行清潔。然后機(jī)器人的本體連接著一臺具有一定壓力的水流沖洗機(jī)，通過這臺水流沖洗機(jī)對已經(jīng)用旋轉(zhuǎn)刀具刮擦過的油污管道進(jìn)行細(xì)致的清洗，把油漬和污垢從管道里沖出去。而電纜車的作用有2種，第一是為清漆機(jī)器人本體提供纜線供電，第二是通過電纜線實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的通信控制。另外，外部控制系統(tǒng)利用一臺高運(yùn)算的計(jì)算機(jī)來控制整個(gè)操作系統(tǒng)。這樣就實(shí)現(xiàn)了在電腦上通過簡單的操作界面來控制清洗管道機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)，利用外部控制系統(tǒng)同時(shí)可以監(jiān)控電源轉(zhuǎn)換器、控制器電路和人家交互設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，完美實(shí)現(xiàn)各部門的功能運(yùn)行。

4管道機(jī)器人的三維模型構(gòu)建

首先，通過數(shù)據(jù)計(jì)算來進(jìn)行機(jī)器人數(shù)字化三維模型的構(gòu)建，并在成功建立的模型基礎(chǔ)上，對機(jī)器人本體的各部位功能進(jìn)行有效的開發(fā)。在管道機(jī)器人的研發(fā)初期，無論是從投入成本的角度考慮還是自從研發(fā)的周期考慮，都需要都管道機(jī)器人進(jìn)行數(shù)字化三維建模，然后針對管道機(jī)器人的內(nèi)部的各個(gè)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行運(yùn)動性能仿真模擬，計(jì)算出機(jī)器人各機(jī)構(gòu)的合理比例和空間面積大小。最后詳細(xì)記錄仿真數(shù)據(jù)為下一步管道機(jī)器人物理本體的制作，提供數(shù)據(jù)支持。

5管道機(jī)器人的內(nèi)部零件設(shè)計(jì)

想要詳細(xì)的計(jì)算出機(jī)器人的內(nèi)部零件的尺寸和適配性，就需要借助Solid works這款超級實(shí)用的三維繪圖軟件，它可以將管道機(jī)器人的內(nèi)部各部件進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)字化模型處理，這也是機(jī)械行業(yè)較為常見的一款三維實(shí)體繪圖軟件。在通過Solid works模擬之后，我們選擇實(shí)用齒輪咬合滾動的鏈條驅(qū)動作為清潔機(jī)器人的運(yùn)動系統(tǒng)，通過一條單旋轉(zhuǎn)的蝸桿來帶動3個(gè)呈現(xiàn)120度夾角的渦輪的運(yùn)轉(zhuǎn)，對應(yīng)的實(shí)體就是，利用單驅(qū)動電機(jī)實(shí)現(xiàn)對3根滾動齒輪的牽引力驅(qū)動。

6整體仿真效果和實(shí)體樣機(jī)制作

在進(jìn)行了管道機(jī)器人內(nèi)部零件的三維設(shè)計(jì)之后，就需要按照各個(gè)零件之間的連動邏輯來進(jìn)行整體的裝配。具體的裝配數(shù)據(jù)如下：定制蝸桿數(shù)量為1，齒輪鏈條的齒數(shù)為28，控制蝸桿轉(zhuǎn)動的電機(jī)轉(zhuǎn)速為勻速0-120r/min，即輸出轉(zhuǎn)軸的角速度為0-720？s勻加速運(yùn)行，根據(jù)轉(zhuǎn)動關(guān)系計(jì)算，齒輪轉(zhuǎn)動角速度為22.58。管道機(jī)器人的本體配備2部支流電機(jī)，一部是行動電機(jī)，它主要是給蝸桿轉(zhuǎn)動和鏈條傳輸提供電力驅(qū)動，并與其共同構(gòu)成機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)。另一部是變徑電機(jī)，主要是為螺母杠桿平衡和平行連桿結(jié)構(gòu)供電，用以清潔機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎變向驅(qū)動。這樣我們便可以根據(jù)清潔機(jī)器人的整體三維仿真設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)有的零件制作條件，初步研制第一代管道機(jī)器人的樣機(jī)。

7整體的運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

清潔機(jī)器人的整個(gè)控制系統(tǒng)是由電腦終端控制系統(tǒng)、DSP主控器、單片機(jī)從動器等主要構(gòu)成，在總線通信和串口連接通信的網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)上，通過結(jié)合驅(qū)動電路、濕度和溫度傳感器、速度測量儀和人機(jī)交互電路，形成完成的控制鏈，共同實(shí)現(xiàn)對清潔機(jī)器人的運(yùn)動控制和運(yùn)動參數(shù)的記錄顯示。在利用Solid works軟件繪制時(shí)，以VC++6.0作為編譯語言，把電腦端的控制系統(tǒng)劃分為三個(gè)區(qū)域，分別是端口設(shè)置區(qū)域、動態(tài)數(shù)據(jù)顯示區(qū)域和指令發(fā)送及反饋區(qū)域。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)情況在電腦操作界面上顯示為動態(tài)曲線和動態(tài)數(shù)據(jù)兩種模式，而動態(tài)數(shù)據(jù)會按照時(shí)段記錄并保存在data.txt文件之中，以方便隨時(shí)查閱。

8運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

清潔機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)主要由電機(jī)、從動控制器、溫度和濕度傳感器、速度測量儀以及驅(qū)動電路組成。電機(jī)是供電保障;從動控制器是功能單片機(jī)，負(fù)責(zé)及時(shí)響應(yīng)電腦主操控系統(tǒng)的信息指令;溫度和濕度傳感器負(fù)責(zé)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，將機(jī)器人的運(yùn)動實(shí)況及時(shí)反饋給電腦主控系統(tǒng);速度測量儀的功能和溫度濕度傳感器相似;驅(qū)動電路可以控制機(jī)器人直行轉(zhuǎn)彎伸縮等運(yùn)動方式。另外，機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)需要一部交流電源適配器給控制系統(tǒng)內(nèi)部供電。

9外部操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

外部操作系統(tǒng)主要由主控制器、操作面板、液晶顯示器、上下位機(jī)通信模塊等構(gòu)成。主控制器的核心是DSP，其功能是及時(shí)接收電腦主控制系統(tǒng)的指令，電腦終端的指令在經(jīng)過調(diào)試之后，可以經(jīng)過上下位機(jī)通信機(jī)制向運(yùn)動系統(tǒng)的從動控制器發(fā)送指令，操控機(jī)器人的運(yùn)動與否，同時(shí)可以接收從動控制器的反饋信息，并通過R式串行調(diào)制通信的方式，將反饋信息再發(fā)送給電腦主控制系統(tǒng)并在液晶顯示器顯示出來。操作面板的最大功能是實(shí)現(xiàn)操作模式的轉(zhuǎn)換，在一定條件下可以將自動工作模式調(diào)整為手動控制模式，讓人可以直接控制機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)。

11總結(jié)

通過對管道清潔領(lǐng)域的研究我們發(fā)現(xiàn)，目前管道清潔仍然存在許多棘手的問題，于是我們便設(shè)通過設(shè)計(jì)智能機(jī)器人的方式來解決這些問題。本文通過對清潔機(jī)器人工作原理的和設(shè)計(jì)理念的研究，結(jié)合SW這款三維繪圖軟件對機(jī)器人各系統(tǒng)部件進(jìn)行建模，通過對仿真參數(shù)的分析，深入進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最后得出清潔機(jī)器人的整體性能參數(shù)，為清潔機(jī)器人的實(shí)際制作提供數(shù)據(jù)支持。

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