油煙管道清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)

鄭明東 薛蕊 紀(jì)光洋 王大志

摘要：針對餐廳、家庭、酒店等廚房中油煙管道清潔工作，設(shè)計(jì)了一種油煙管道機(jī)器人，該機(jī)器人可以有效清潔存在于管道內(nèi)壁中的油煙凝固堆積問題。機(jī)器人用過控制系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)、攝像通訊、傳感器模塊組成。設(shè)計(jì)主要使用STM32單片機(jī)做控制中樞，通過攝像頭傳輸圖像識別管道中油煙堆積情況，控制清潔系統(tǒng)對管道進(jìn)行清潔。在圖像傳輸?shù)募夹g(shù)上增加GPS定位，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊并遠(yuǎn)程通訊的目的。行走方式采用履帶式設(shè)計(jì)保障機(jī)器人在管道有足夠的吸附力，確保機(jī)器人有越障和爬坡能力。改設(shè)計(jì)有效解決了因空間狹小清洗困難甚至無法清洗的的問題，降低了環(huán)境污染和安全隱患，有效提高了作業(yè)的安全性和作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：油煙管道;GPS;履帶式;遠(yuǎn)程控制;圖像傳輸

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對于生活質(zhì)量的要求越來越高，餐飲行業(yè)的發(fā)展迅速，遍地開花的酒家、賓館、飯店，萌生出更長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)道路。但是，在帶來人們完全的美食享受和生活需要的同時(shí)，酒家、賓館等廚房等排出的油煙對環(huán)境的污染日益成為嚴(yán)重困擾城市居民生活的主要環(huán)境問題。管道積存的大量油垢更會給環(huán)境帶來極大的污染和安全隱患。油煙管道清洗機(jī)器人主要針對各種油煙管道，尤其是狹窄管道以及具有一定斜度甚至是垂直管道的油垢清洗，能夠在危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程作業(yè)，解放了勞動(dòng)力、降低了勞動(dòng)成本，有效提高了作業(yè)的安全性和作業(yè)效率，提高了我們的環(huán)境質(zhì)量。

1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STM32F103內(nèi)核為ARM32位Cortex-M3，最高工作頻率為72MHz，STM3232F103單片機(jī)，具有成本低、低功耗的特點(diǎn)深受追求高性能電子愛好者的青睞。不同存儲空間的Flash存儲器和SRAM存儲器;具有上電復(fù)位和掉電復(fù)位功能，工作電壓低，并且擁有休眠，停止，待機(jī)3種低功耗模式，這些大大降低了單片機(jī)的工作能耗;STM32系列單片機(jī)有SWD和JTAG兩種調(diào)試方式，選擇性強(qiáng)。單片機(jī)資源豐富，功能強(qiáng)大，擁有高頻率的內(nèi)核，工作速度快，效率高的特點(diǎn)。整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.1驅(qū)動(dòng)電路

油煙管道清洗機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要有：氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種基本驅(qū)動(dòng)。由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有適用性較強(qiáng)，不受環(huán)境溫度影響，輸出轉(zhuǎn)矩范圍廣，控制方便，能自由地采用直流、交流、短波、脈沖等各種信號，適于放大、記憶、邏輯判斷和計(jì)算等工作，可實(shí)現(xiàn)超小型化，具有機(jī)械自鎖性，安裝方便，維護(hù)檢修方便等優(yōu)點(diǎn)，故選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。履帶式行走裝置通過控制四個(gè)直流減速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制機(jī)器人的行進(jìn)方向，用電機(jī)的差速旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)掉頭。驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

1.2行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)器人的行走方式主要有：輪式、步行移動(dòng)式、履帶式、爬行式、蠕動(dòng)式機(jī)器人和游動(dòng)式。由于油煙管道長期得不到清洗，時(shí)間久了就會形成油垢，而履帶具有接地比壓低，牽引力大，并且此設(shè)計(jì)加入了永磁性磁鐵，通過性和爬坡能力得到了進(jìn)一步的加強(qiáng)，故選用履帶式來作為機(jī)器人的行走方式。

1.3兩自由度云臺的設(shè)計(jì)

兩自由度的云臺是用來攜帶清洗噴頭按照一定的運(yùn)動(dòng)軌跡來運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對管道四周的油垢進(jìn)行清洗。云臺的搭建采用的是伺服電機(jī)，伺服電機(jī)具有控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

1.4圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖像傳輸系統(tǒng)使用攝像頭電路板與RaspberryPi通過一條15芯的排線進(jìn)行連接。僅有兩個(gè)連接座需要連接，排線需要安裝到攝像頭電路板和RaspberryPi上。您需要正確安裝，否則攝像頭無法工作。對于攝像頭電路板，排線末端的藍(lán)色標(biāo)記應(yīng)該背對著電路板。而RaspberryPi部分，藍(lán)色標(biāo)記應(yīng)該正對著網(wǎng)絡(luò)接口方向。攝像頭是個(gè)重要的考慮點(diǎn)，對幀率和分辨率有需求的話，采用CSI接口，圖像采集和數(shù)據(jù)處理通過專門的數(shù)據(jù)通道和指令，USB攝像頭CPU占用率太高。故選用的是CSI攝像頭。

2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)部分主要有基于SolidWorks軟件三維模型的設(shè)計(jì)，基于AltiumDesigner軟件的電路設(shè)計(jì)，基于Keil軟件的程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)控制技術(shù)路線等。

2.1基于SolidWorks軟件三維模型的設(shè)計(jì)

為保證建模效果使用SolidWorks軟件，繪制各部件的零件圖。首先建立一個(gè)零件，繪制草圖，進(jìn)行相應(yīng)特征處理，完成零件的繪制，待各部分零部件繪制完畢后進(jìn)行裝配工作，來驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，確保實(shí)物組裝及運(yùn)行的可靠性。零部件繪制和裝配體界面見圖3。

2.2基于AltiumDesigner軟件的電路設(shè)計(jì)

使用AltiumDesigner軟件進(jìn)行系統(tǒng)電路原理圖和PCB圖繪制，進(jìn)入軟件后默認(rèn)打開的界面為Home界面。在Home界面單擊文件工具欄下新建按鈕，在右側(cè)的對話框中點(diǎn)擊工程按鈕，在右側(cè)的對話框中選中PCB工程。進(jìn)入PCB設(shè)計(jì)界面，開始設(shè)計(jì)電路原理圖。

電路原理圖設(shè)計(jì)完成后對原理圖進(jìn)行編譯，單擊工程按鈕，在彈出的下拉菜單中點(diǎn)擊編譯按鈕。編譯完成后若沒有錯(cuò)誤則可以將原理圖更新到PCB中。點(diǎn)擊設(shè)計(jì)工具欄，在彈出的下拉菜單中點(diǎn)擊更新按鈕，將原理圖更新到PCB中，確定完板子大小后，對PCB版面進(jìn)行布局和布線，完成后見圖4，至此電路板設(shè)計(jì)完畢。

2.3基于Keil軟件的程序設(shè)計(jì)

油煙管道清洗機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)使用C語言編程。C語言工作效率比匯編語言低，但是C語言的開發(fā)使用速度快，在于它開發(fā)容易，設(shè)計(jì)自由，指令較多，代碼設(shè)計(jì)方式多樣，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富多樣，包括結(jié)構(gòu)化的操作代碼，代碼編寫自定義，代碼的移植率高等特點(diǎn)。但是匯編語言不好去理解，別人也很難讀，所以使用率較低。使用C語言程序設(shè)計(jì)能夠有效的縮短開發(fā)周期。

Keil通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境將C編譯器、鏈接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等這些部分組合在一起，組成一個(gè)完整的開發(fā)系統(tǒng)，運(yùn)用C語言編程，Keil是最佳選擇。用Keil5新建一個(gè)基于ARM的工程并保存，就可以進(jìn)行程序的編寫與調(diào)試，Keil5的編程界面見圖5。

2.4系統(tǒng)控制技術(shù)路線

首先將機(jī)器人放置在管道的中央，在清洗狀態(tài)下，CSI攝像頭捕捉的畫面通過無線連接方式傳輸?shù)斤@示器，通過控制無線遙控裝置控制噴水桿移動(dòng)至指定位置，噴出清潔水，清潔毛刷并按照預(yù)定動(dòng)作清洗四個(gè)管道壁表面，當(dāng)清洗一周完成后，云臺上的清洗噴頭回到初始位置，機(jī)器人前進(jìn)一段距離，云臺擺動(dòng)，再次清洗四個(gè)表面，直到云臺回到初始位置，如此反復(fù)，最終完成整個(gè)管道的清洗。系統(tǒng)控制技術(shù)路線圖如圖6所示。

3結(jié)論

該機(jī)器人結(jié)合機(jī)械、電子以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過靈活的上機(jī)位控制，以滿足清洗油煙管道的需要。尤其是充分利用了云臺結(jié)構(gòu)，加大了機(jī)器人能夠清洗的范圍。該作品將機(jī)械、電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，是一種效率較高、操作靈活、價(jià)格低廉的油煙管道清洗機(jī)器人。機(jī)器人的行進(jìn)機(jī)構(gòu)采用磁吸附式履帶，能夠適應(yīng)不同的油煙管道。采用兩自由度云臺結(jié)構(gòu)，能夠與行進(jìn)機(jī)構(gòu)相結(jié)合，清洗管道內(nèi)的任何位置。通過機(jī)器人自帶的影像數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)，傳回電腦上機(jī)位將影像顯示出來，經(jīng)過分析后，確定所需清洗區(qū)域。

本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要任務(wù)如下：

（1）簡述了投油煙管道清洗機(jī)器人在國內(nèi)外的基本研究現(xiàn)狀，并且說明了本設(shè)計(jì)的研究意義和油煙管道清洗機(jī)器人未來的發(fā)展趨勢。

（2）設(shè)計(jì)油煙管道清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)，特制磁吸附式履帶結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵機(jī)構(gòu)采用3D打印技術(shù)進(jìn)行零件打造。同時(shí)提出了一套以STM32為控制核心，以CSI攝像頭作為視覺傳輸?shù)挠布O(shè)計(jì)，做出了系統(tǒng)硬件配置的具體結(jié)構(gòu)圖和原理圖。分析并實(shí)現(xiàn)了油煙管道清洗機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)需求功能，設(shè)計(jì)出了油煙管道清洗機(jī)器人的各硬件部分。

（3）利用KEIL5編程軟件完成油煙管道清洗機(jī)器人程序的設(shè)計(jì)編寫，從部分到整體，從基本模塊調(diào)試到最終系統(tǒng)穩(wěn)定，完成油煙管道清洗機(jī)器人的運(yùn)行調(diào)試。

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作者簡介

鄭明東（2000-），男，山東省濟(jì)寧市人，學(xué)士，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

該項(xiàng)目由國家級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目《油煙管道清潔機(jī)器人》（S2021133 20030）支持。