中央空调风管清洗机器人自适应调节机构的研究

中央空调风管清洗机器人自适应调节机构的研究

摘要:根据国内中央空调风管特点及尺寸要求,提出一种风管清洗机器人自适应调节机构。分析了机构的工作原理、力学特性,建立了数学模型,进行了仿真。结果表明,调节机构对这些风管有极强的适应性,同时可增强机器人的牵引能力。

关键词：中央空调管道清洗

0引言

随着经济和社会的飞速发展,越来越多的室内活动场所安装了中央空调。空调长期使用后,其通风管道内灰尘、病菌等污染物会大量堆积,使室内空气受到污染,严重影响人们的身体健康。因此,定期对风管内壁进行检测、清洗等作业是非常必要的。

国外在风管清洗方面的研究起步较早。由于风管错综复杂,人工不易甚至不可能清洗,因此风管清洗普遍采用机器人技术。国外风管采用圆管居多,规格较少,其清洗机器人对特定风管的针对性强。相反,国内大都采用扁形风管,风管设计以及制作极不规范,经常有变径的情况,由于国外风管清洗机器人对中国的具体情况很少做针对性的设计,因此适应性及清洗效果不好。

近几年,国内一些学校和科研单位如清华大学、东华大学等投入了风管清洗机器人的研制,推出了较为实用的产品。但这些产品存在着管道适应能力不强、清洗长度较短等问题。

为了增强管道机器人的适应能力,国内外许多研究机构开展了管道机器人自适应机构的研究。文献对蜗轮蜗杆、升降机和滚珠丝杠螺母副3种适应不同管径的常用调节机构进行了对比分析。文献研制的管道机器人管径适应调节机构由互成120°、空间对称分布的3组平行四边形轮腿机构组成,基于滚珠丝杠螺母调节方式,调节机构的轮腿沿径向伸缩以适应不同直径大小的圆形管道。目前,针对矩形管道的调节机构的研究较少。

目前国内中央空调主风道的截面规格多为宽400～1000mm、高250～500mm的矩形截面。根据国内中央空调风管特点及尺寸要求,本文中我们提出一种基于平行四边形轮腿机构的风管清洗机器人自适应调节机构。该机构可从水平及垂直两个方向分别进行机器人尺寸的调节以增强管道适应性,同时可改善机器人的牵引性能从而增加管内移动作业距离,并具有防走偏、防倾覆功能。

1、调节机构的结构及工作原理

调节机构由两个基于丝杠螺母调节方式、相互垂直且的独立模块组成,这两个模块分别叫做水平模块与垂直模块。

1.1水平模块

水平模块可根据矩形风管水平方向的尺寸变化而动态调整机器人水平方向的大小以增强水平方向的管道适应性。水平模块包含两个左右对称的平行四边形机构。调节电动机采用步进电动机,滚珠丝杠直接装于其输出轴上。当管道水平方向尺寸发生变化时,筒状压力传感器可感受到轮子和管道内壁间的压力变化,调节电动机转动时,丝杠螺母沿轴线方向运动,使平行四边形机构平动,从而使轮子以一个很小的压力贴在矩形管道水平方向内壁上,以适应水平方向尺寸变化,并且可以防止机器人走偏。

1.2垂直模块

垂直模块可根据矩形风管垂直方向的尺寸变化而动态调整机器人垂直方向的大小以增强垂直方向的管道适应性。对于轮式驱动方式的管道机器人,当运动驱动电动机的驱动力足够大时,机器人所能提供的牵引力主要与管壁对驱动轮的正压力及附着系数有关。

当压力传感器发现矩形管道垂直方向的尺寸发生变化时,发出控制信号驱动调节电动机,调节电动机使平行四边形机构张开或者收缩以适应矩形管道垂直方向的尺寸变化。压力传感器可间接测出管道下壁对驱动轮的压力值,通过控制压力的大小以改善牵引性能。显然,调节机构通过张开或收缩,使机器人大小与管道相适应,从而具有防倾覆的功能。

2、调节机构的数学模型

水平模块起水平方向的管道尺寸适应及辅助支撑作用,调节电动机主要克服平行四边形机构铰接处的摩擦力,使平行四边形机构张开至所带从动轮与管道左右内壁刚好接触即可,支撑力很小,对其不作受力分析。由于管道的屏蔽作用,风管清洗机器人的控制采用有线的形式比较可靠。当机器人所拖动的线缆变长使摩擦阻力增加或者爬坡时,机器人自身重量所提供的附着力小于运动驱动电动机的驱动力,导致打滑。为了便于分析,需对垂直模块及驱动模块进行受力分析,建立牵引力、正压力及调节电动机输出转矩间的数学模型。

给出了垂直模块及驱动模块的受力情况。其中,丝杠螺母对推杆的轴向推力为F,矩形管道下壁对驱动模块两侧驱动轮的正压力以N1、N2表示,管道上壁对垂直模块从动轮的正压力为P(叫做附加正压力),机器人重量为mg,设机器人重量垂直于管道下壁的分力为Fm,当管道在垂直方向不倾斜时Fm等于mg。则有力平衡方程如下N1+N2=P+Fm(1)N1+N2记为∑N。显然,垂直模块没撑紧时P较小(最小为0),随着撑紧程度的增加,P不断加大。

得∑N=P+Fm(2)在坐标系XOY中,设矩形管道上壁与从动轮交点的纵坐标为y,E点的横坐标为x,则y=Lsinα+r(3)L1sinβ=Lsinα+h′(4)x=Lcosα+L1cosβ(5)对垂直模块,应用虚功原理,得Pdy+Fdx=0(6)设调节电动机输出转矩为T,滚珠丝杠螺母副的传动效率为η,丝杠螺母的导程为Ph,机器人的牵引力为Fe,φ为附着系数,有T=Ph2πηF(7)Fe=φ∑N(8)则Fe=2πηφ(tanα+tanβ)PhT+φFm(9)由式(9)可知,若所需牵引力小于重量引起的附着力,垂直模块的从动轮不必与风管上壁接触,即调节电动机输出转矩为0。当所需牵引力大于重量引起的附着力时,为保证驱动轮不打滑,需要调节电动机带动垂直模块压紧管壁,以增大驱动轮对管道下壁的附加正压力,增强机器人的牵引能力。

3、调节机构的仿真分析

风管清洗机器人首先要满足额定牵引力的要求,还要尽可能增加所适应的管道尺寸范围。由于调节电动机的转动引起α的变化,垂直模块张开角α的大小对应所适应矩形管道垂直方向的尺寸大小,所以须研究T、F、P、D(机器人垂直方向的尺寸)与α的关系。在额定牵引力下,通过Matlab仿真T、F、P、D随α变化的曲线。由图3可知,α的最大取值范围是0～π/2,机器人垂直方向的尺寸大小D为H+H′+2r+Lsinα。垂直模块及其相关参数取值如下:L=365mm,L1=L2=380mm,H=20mm,H′=70mm,η=0.55,Fe=10kg,φ=0.6,Fm=10kg,r=26mm。采用Matlab,仿真出Ph分别为1mm、2mm、3mm、4mm时T、F、P、D随α的变化曲线,如图4所示。通过对图4进行分析,可得出如下结论。

(1)清洗机器人在风管内工作过程中,当驱动力足够大且重力引起的附着力小于驱动力时,垂直模块的调节电动机输出一定的转矩使驱动轮对管壁产生一个附加正压力P。若在调节过程中,保持附加正压力P不变,则牵引力不变。

(2)当α从0～π/2变化时,垂直模块的张开尺寸不断变大,所能适应的风管垂直方向的尺寸不断变大。

(3) 当垂直模块张开角度相同且牵引力输出相同时,若选用的丝杠螺母的导程较小,则调节电动机所需输出的转矩也较小,对调节电动机的要求降低。选用导程相对较小的丝杠螺母副。

(4)当α从0～π/2变化即所适应的风管垂直方向尺寸增加时,若保持相同的牵引力输出,其调节电动机输出的转矩T按如图所示的曲线不断变小,相应的平行四边形机构张开所需推力F也按类似的曲线不断变小。

α取值在0附近亦即所适应风管的垂直尺寸大小在下限附近时,调节电击机需要输出的转矩及螺母给平行四边形机构的推力都很大,张开比较费力,机构负荷较大,对机构的强度、刚度、使用寿命等都有较大影响。另外,这种情况下必须用大转矩电机作为调节电动机,其外形尺寸、质量较大,导致调节机构过于庞大,影响机器人性能。为了克服上述缺点,可把α取值控制在0.3～1.4rad之间。此时,T与α的曲线近似于线性变化,调节电动机的输出转矩相对较小,转矩变化范围也较小,利于调节电机的输出控制。如图4所示,当导程为1mm时,调节电动机的最大转矩为0.071N·m。这样可选额定输出转矩很小的电动机作为调节电动机。不难算出,此处机器人所适应的合理尺寸范围约为249.8～500.6mm。

(5)水平模块在调节过程中,需克服的阻力极小,其从动轮对水平管壁施加一个较小的设定压力以保持管壁的接触即可,其调节机构的α′可从0～π/2变化。水平模块适应的矩形风管水平方向尺寸为2(h+r+L′sinα′)。令r=26mm,h=100mm,则L′=400mm,L1′=L2′=410mm,所适应的水平方向矩形风道尺寸范围为252～1052mm。

4、结论

提出一种中央空调风管清洗机器人自适应调节机构,该机构可从水平与垂直两个方向独立调节以适应管道尺寸,同时能增强机器人牵引能力。通过理论分析,论证了机构的可行性。仿真结果表明,该机构对国内中央空调风管有极强的适应性。