通風(fēng)管道機(jī)器人哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院05級honest摘要:目前，我國的各種通風(fēng)管道由于充滿灰塵和各種病菌而吐出“臟氣”，長時間在污染嚴(yán)重的集中空調(diào)環(huán)境中生活，很容易引起呼吸困難、頭疼頭暈、等癥狀，給健康帶來嚴(yán)重的危害。在對通風(fēng)管道調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，專門開發(fā)了清洗通風(fēng)管道的機(jī)器人。主要介紹了這種機(jī)器人的蠕動行走，行星齒輪轉(zhuǎn)彎，變截面行走和單片機(jī)控制系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明該機(jī)器人具有較的適應(yīng)能力，工作穩(wěn)定可靠，在高級賓館、高級寫字樓、醫(yī)院、高級商場、學(xué)校和高科技廠房等公共場所的通風(fēng)管道中可以發(fā)揮很大的作用，應(yīng)用前景十分廣闊。關(guān)鍵詞：通風(fēng)管道；機(jī)器人；自鎖；控制；絲桿通風(fēng)管道作為一類特殊的管道，不同的管道直徑大小不一，同一根管道的直徑也有可能不一樣大，管路相對來說有點復(fù)雜，管道機(jī)器人進(jìn)入通風(fēng)管道配合其他清洗設(shè)備將灰塵清除，現(xiàn)在國內(nèi)外的通風(fēng)管道機(jī)器人大多數(shù)能完成水平直通等徑管道的清洗作業(yè)，為了提高機(jī)器人的通風(fēng)管道適應(yīng)行和效率，本課題發(fā)明并設(shè)計了一種變截面并可以轉(zhuǎn)彎的機(jī)器人。該機(jī)器人具有自主檢測和調(diào)節(jié)能力，多角度轉(zhuǎn)彎能力，適用于變直徑，多角度的通風(fēng)管道的清洗。方案及方案論證：首先根據(jù)通風(fēng)機(jī)器人的高效和自鎖的行走特點用絲桿的螺旋來控制水平方向上的行走，一是絲桿有很好的自鎖性能保證水平方向的行走的穩(wěn)定，二是由于知道絲桿的螺紋的間距很均勻，有很好的行程確定行可以保證水平方向的行走的確定性，三是絲桿有很好的減速性，把電機(jī)很快的轉(zhuǎn)速變成穩(wěn)定的水平行走。再加上和直流恒速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)配合就把絲桿的最大的有點發(fā)揮出來了，簡直是如虎添翼，一來在后端固定的基礎(chǔ)上電機(jī)正轉(zhuǎn)可以讓絲桿的前端滑塊向前運動，二來在前端固定電機(jī)反轉(zhuǎn)可以讓絲桿后端向前運動，這就讓機(jī)器人不斷的向前運動，由于怕一根絲桿的強度不夠和穩(wěn)定性不夠，于是決定采用兩根絲桿平行排列，用一副等徑帶輪連接兩根平行絲桿來保證絲桿的同時傳遞性和穩(wěn)定性。其次，兩邊的支撐開始時有兩種方案，一是采用平面連桿機(jī)構(gòu)配合橡膠塊絲桿支撐圖來支撐，二是采用絲桿的自鎖配合橡膠來支撐。經(jīng)過激烈的討論最后決定采用第二種方案。那為什么拋棄第一種方案呢？如果采用第一種方案，那么由于平面連桿機(jī)構(gòu)的主要的力都集中在桿上，造成連桿和橡膠配合時橡膠不能均勻的受力和只有一小部分受力，那會使橡膠和管壁的摩擦力不足而不能支撐。第二種方案由于也是采用的是絲桿和直流恒速電機(jī)的配合，原理同上。本打算一個光桿左邊接個左旋，右邊接個右旋，這樣就會支撐的很好，但考慮到經(jīng)濟(jì)因素，左旋的成本太高而且不好加工，所以最后的第二種方案如上面絲桿支撐圖所示。管道機(jī)器人整體圖第三，多角度轉(zhuǎn)彎的結(jié)構(gòu)是主要是齒輪配合，采用一個齒輪靜止，另一個齒輪繞著靜止的齒輪運動的齒輪配合。開始時也想到了渦輪渦桿，但渦輪渦桿一是太貴，再一個就是傳動的準(zhǔn)確性不是那么好，而用齒輪傳動就有很多好處了，齒輪配合是兩個模數(shù)相同的，齒距相等的齒輪配合，所以傳動的準(zhǔn)確性就很好，一個齒輪通過聯(lián)軸器和步進(jìn)電機(jī)的輸出軸連接,另一個齒輪和要旋轉(zhuǎn)的部分連接,再一個就是說如果在前端支撐后者后端支撐松開的情況下齒輪肯定會旋轉(zhuǎn),那么就麻煩了,解決的方案是讓和齒輪連接的步進(jìn)電機(jī)不斷的運動就給要下去的部分一個力,這個力使整個機(jī)器人保持水平,通過不斷的實驗最后選擇讓步進(jìn)電機(jī)輸出合適的轉(zhuǎn)速。齒輪的成本也相對來說比較便宜，加上用步進(jìn)電機(jī)控制齒輪的旋轉(zhuǎn)就能很好的控制整個機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)角度了。第四，用單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)控制整個系統(tǒng)?？紤]到價格等方面的因素，我們采用較簡單的控制流程，該控制裝置的流程圖下圖所示：YNNY第五,電子電路部分主要是采用AVR單片機(jī)控制和以下電路圖.M1-M2撐M2松M1松M4正轉(zhuǎn)M1松M3縮M2緊M1緊M2松M1緊M3伸開始中斷結(jié)束ENDM4反轉(zhuǎn)M2緊AVR單片機(jī)連接電路圖第六,機(jī)構(gòu)的主要框架,軸承座,帶輪,光軸,聯(lián)軸器都采用鋁材料,因其讓整個機(jī)器人的重量比較輕,能使兩支撐臂用較小的力就能支撐起整個機(jī)器人,再一個就是其能承受較大的應(yīng)力,在鋁板上能很好的轉(zhuǎn)孔,攻絲等操作,無論是在選擇橫速電機(jī)還是步進(jìn)電機(jī)上,都遵循這樣一條原則:在滿足力矩,功率的基礎(chǔ)上,盡可能的減少他們的質(zhì)量,這也是為了減少整個機(jī)器人的質(zhì)量,軸承的選擇也是這樣,在滿足和光軸配合的基礎(chǔ)上,盡量減少軸承的質(zhì)量.把三個橫速電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)都是一端用軸承和軸承座支撐起來,另一端把他固定在鋁板上,鋁板的一端用螺柱和電機(jī)相連,另一端和用鋁板做的大支座相連,這樣保證電機(jī)的穩(wěn)定和輸出。由于電機(jī)輸出軸和小齒輪的中心孔不是同一個尺寸，采用一個小聯(lián)軸器把他們連接起來,又不斷的實驗大小齒輪的距離保證小齒輪與大齒輪嚙合平穩(wěn)。帶輪和光軸的也不是同一個尺寸,也采用小的聯(lián)軸器把他們連接,再涂上一些AB膠就使整個結(jié)構(gòu)特別牢固。實驗結(jié)果表明在實際使用中該機(jī)器人體現(xiàn)了很好的適應(yīng)性,能適應(yīng)不同直徑的通風(fēng)管道,整套控制系統(tǒng)能很好的協(xié)調(diào)多個電機(jī)的驅(qū)動控制以達(dá)到同時運行,實現(xiàn)了開始時機(jī)器人的基本設(shè)計功能。此機(jī)構(gòu)性能比較優(yōu)越，能很好的完成各種清洗通風(fēng)管道任務(wù)。其主要特點有：整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能很好的提高清洗工作效率，可以多角度自鎖控制比以往的機(jī)構(gòu)有很大的優(yōu)越性，此機(jī)構(gòu)很好的降低了能耗，大大的減少了無效行程。噪聲低，采用了摩擦式的水平取送方式，大大降低了噪聲污染，更適合現(xiàn)在人們對生活環(huán)境的要求?？刂品绞胶唵?，降低了控制方面的成本，而且可靠性也有提高