空调风管清扫机器人的研究综述.pdf

CleaningWorld2023年7 月专论与综述第39卷第7 期洗世界清文章编号：1 6 7 1-8 9 0 9（2 0 2 3）7-0 0 7 2-0 0 3空调风管清扫机器人的研究综述张力文，周建民，刘晓艳，刘芳（成都纺织高等专科学校智能建造与环境工程学院，四川成都611731)摘要：风管清扫机器人代替人工完成风管灰尘清扫任务。在介绍风管清扫系统组成后，详述了国内外风管清扫机器人的研究和应用现状，总结了风管机器人的动力源与移动系统、举升与清扫系统、感知与控制系统的结构特点。最后展望了风管清扫机器人的发展趋势。关键词：风管清洁；清扫；机器人；除尘中图分类号：TU834.6文献标识码：A0引言近年来中央空调的使用越来越广泛，除商场、医院、办公楼等公共建筑中，越来越多的家庭也开始使用，然而中央空调的通风管道成了许多细菌和有害颗粒的藏身之所和传播通道，因此对中央空调管道定期清洗是十分必要的。目前风管清洗有人工推送软轴毛刷清扫或控制清扫机器人清扫两种方式，软轴毛刷清洗方式，结构简单，成本低但主要用于圆形风管，且清扫力度不可控，清扫效果不佳。而清扫机器人则不受风管截面形状限制，且清扫过程可监控，效果好。由于国内多为高楼，受层高限制，风管多为宽度大，高度小的矩形管，且管路复杂、管道截面尺寸各异，因此多采用清扫机器人。本文首先介绍风管清扫机器人系统的构成，清扫机器人的产生与现状，然后分析其结构和关键技术，使大家对清扫机器人有一个完整的认识，最后对清扫机器人的发展趋势进行展望。1国内外现状调研1.1国外现状发达国家从2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初开始重视中央空调的风道清洗，因此风管清洗市场成熟，清扫设备的研究和开发也相应比较成熟。加拿大Ventcare公司生产的BANDY机器人（图1(a)），采用履带式设计，配有摄像头，可对清扫过程中进行观察，其刷头类型与刷头高度可根据风管形状与尺寸来选择。西班牙Teinnova公司生产的Multibot机器人（图1(b)），采用模块化重构设计，其清扫机构更换为喷洒机构，即可变为消毒机器人。此外还有丹麦Danductclean公司、英国hasman公司等，都已生产出自己的风管清扫机器人。(a)BANDY机器人(b)Multibot机器人图1风管清扫机器人1.2国内现状国内在2 0 0 3年非典以前，人们的健康意识较弱，国内风管清洗市场几乎为空白，清扫机器人全为国外品牌且设备价格高昂，因此国内一些科研院校开始风管清扫设备的研究。2005年上海交大韩晓明团队设计了一款双轮同步带移动小车，用两个2 4V电机分别驱动左前轮和右后轮，以实现小车的前进后退与转弯，毛刷臂可在30 范围内调节，毛刷对称布置在刷臂两侧，配有两台摄像头，可应用于宽50 0 1 50 0 mm、高基金项目：校级教育科学研究项目“中央空调风管清洗装置的结构设计与分析”（项目编号：2 0 2 0 fzlkc01）。作者简介：张力文（1 98 8-），女，硕士研究生，毕业于西南石油大学，工程师，主要从事建筑机械的研究和教学工作。收稿日期：2 0 2 3-0 3-1 3。73.第3 9 卷张力文等人的研究综述250500mm的矩形风管。同年，清华大学宋章军团队也成功研制MDCR-1型清洁机器人。它采用后轮驱动设计，车体采用玻璃钢，机械手臂采用防水碳钎维复合材料，机械手臂可俯仰、伸缩与摆动，以调节刷头的高度与角度，同时配有吸尘与喷洒模块，最大行程约30 m，可应用于圆形和矩形风管。之后哈尔滨工业大学、浙江大学、东华大学等都对清扫机器人的结构或控制系统进行过研究，并取得一定的成绩。目前部分研究成果已经转换为产品，如亚欣电器公司生产的YX-QSR-IIA清扫机器人，主要应用于扁平式矩形风管，可在最小150mm高的风管中作业，清扫臂可上下升降以增大刷头的工作范围，配有一个红外摄像头。安徽快通公司生产的KT-976风扫吸一体机器人，小车底部可吸尘，清扫系统可上下升降，在刷头处配有摄像头，最高爬坡角度为45，行走速度约每分钟11m，适应于8 0 0 mm以下的风管。2清扫机器人结构组成典型的清扫机器人可分为三个部分：动力源与移动系统、举升与清扫系统、感知与控制系统。2.1动力源与移动系统动力源是清扫机器人移动的动力来源，由于风管纵横交错、管路复杂，有高差与弯道，因此要求清扫机器人有进退、转弯、越障、爬坡等能力。目前风管清扫机器人都选择结构简单、调速方便的电机驱动。因为空调风管有屏蔽作用，所以信号传输只能采用有线的形式，为减小开孔数量，一般风管机器人的电缆长度控制在30 m。移动机构是清扫机器人风管适应能力的重要指标之一，常见的移动平台有轮式、履带式、复合式三种。总的来说，轮式的优点为结构简单，转向方便，移动速度快等，但由于其与风管壁接触面积小，故爬坡和越障能力有限，不适于在支管较多或有大坡度的风管中工作。履带式结构，因履带与风管壁接触面积大，故承载力强、附着性能好，运动平稳，有较好的爬坡和越障能力，但移动速度较慢，灵活性差。而复合式则集合了轮式与履带式的优势，具有更强的平稳性和越障能力，且能同时适用于矩形风管和圆形风管，但结构复杂，应用较少。2.2举升与清扫系统由于风管尺寸各异，需要调节刷头的高度，因此大多的清扫机器人设计有举升机构，通过电机带动各种传动机构，实现清扫机构的举升。（1）曲柄连杆机构。该机构（图2（a）由电机驱动主动杆在90 范围内旋转，以控制清洗臂的升降运动，且清洗臂可伸缩，以增大清扫机构的清扫范围，该机构能传递较大动力，制造简便，易于加工。(a)曲柄连杆(b)电动推杆图2举手类型（2 双曲柄机构。该机构与曲柄连杆机构类似，电机带动曲柄在一定角度内转动，以实现清扫机构的升降，并通过弹簧保持该机构的稳定性。（3)电动推杆（图2(b）。电机带动螺纹杆旋转，螺纹杆上的螺母将沿螺纹杆移动，迫使与螺母连接的推杆移动，从而带动清扫机构上下移动。（4）X 型伸缩臂。在主动杆处施加一定大小和方向的力，使升降机构升起或者回落，从而使固定在连接杆的清扫机构跟着升起或者回落，以达到适应不同管径的目的。清扫机构的结构形式相对简单，基本采用动力源加刷头组合。除少数动力源采用气动驱动外，多数采用电机驱动刷头的形式，由于受重心等因素影响，电机一般都尽可能靠近车体位置。为保证清洁效果，刷头样式与尺寸根据风管形状和大小来选择，常见的毛刷形式有圆形刷、滚筒刷、鞭形刷（图3（a）、吸尘式（图3（b）刷头。当清扫圆型风管时，选择合适尺寸的圆形刷效果较好；清扫矩形风管时，可选滚筒刷、鞭形刷和吸尘式刷头，其中滚筒刷适（a）鞭形刷头(b）吸尘式刷头图3刷头类型X欢迎投稿，欢迎刊登广告！欢迎投稿，欢迎刊登广告！com716sina.cclean2欢迎欢迎投稿刊登厂74清洗世界第7 期用于电机驱动，鞭形刷适用于压缩空气驱动。2.3感知与控制系统目前国内外在售的风管清扫机器人，普遍存在智能化弱、自动化程度低的问题。感知系统主要靠摄像头，在照明灯的辅助下，拍摄管道内的情况，再将画面传回至管外显示屏。控制系统则完全依靠人工进行，例如清扫机器人的移动路径和清扫机构高度等都凭借人工遥控来完成。虽然市场上清扫机器人缺乏对环境的感知能力、不能实现智能清扫，但有许多的研究项目已经开始向自动化方向探索。如清华大学研制的MDCR-1型清洁机器人，感知系统除了摄像头提供视觉信号外，增加了距离感知和位姿感知。青岛科技大学王琪忠提出设计超声波测距系统并设定阈值，当小车与管壁距离小于设定值时，清扫机器人在该方向的移动将被限定。湖南大学朱茜提出通过感知系统获取周围物体的位置与运动信息，经过算法处理后，对清扫机器人进行运动控制，并规划好路径，最终实现自主导航和自动清扫功能。3发展趋势3.1模块化可重构技术风管的清洁除清扫外，还需要进行消毒和检测，目前清扫机器人只能满足某单一作业要求，一次清洁需携带三款不同机器人，增加了作业成本，不利于提高效率。而模块化可重构技术，通过不同模块间的组合，快速构建不同能力的机器人，以满足高效率、高品质的任务要求。如动力与移动系统加上举升喷洒系统，可构成消毒机器人。3.2多传感器融合技术现在的机器人缺乏感知系统，大多只依靠摄像头来传递风管内的信号。面对复杂的工作环境（灰尘、铁锈、各种废弃物）单一的传感器不能快速有效的完成任务，因此利用多传感器的互补性，提高感知系统的可靠性与稳定性。3.3深度学习的机器人技术智能化是风管清扫机器人的研究热点之一，增强机器人的学习能力，同时研究路径规划算法，实现工作区域的边界信息识别，完成清扫机器人的自动控制。4结论综上所述，虽然现有的清扫机器人技术已经取得了一些成果，并逐渐开始应用。但还存在模块化程度低，智能化程度不高的问题。目前的清扫机器人基本都是遥控型机器人，不具有自主行走和自主清扫的能力，在清扫过程中，操作人员要随时观察管内状况，以便发出正确的指令，由于清扫时间长，容易疲劳，加之视角受限，易引发误操作。同时清扫机器人不能一次性完成清洁、消毒、检测任务，需要分步进行，且每步都需要操作人员判定后方可进行，这增加了工作人员的劳动强度。因此需要相关研究人员在模块化、自动化、智能化方向进行进一步的探索。参考文献：1李恒武，一种自适应型空调管道清洗机器人的结构研制与运动分析 D.武汉理工大学，2 0 1 1.2 华华大龙.中央空调风管清洗机器人研究 J.机电信息，2 0 1 4(30):1 52-1 53.3 韩晓明，车立新，谢霄鹏，等，中央空调管道清扫机器人的设计 .机械，2 0 0 5(0 1):39-41.4宋章军，陈唇，杨向东，等.通风管道智能清污机器人MDCRI的研制与开发 J.机器人，2005(2):142-146.5谷忠朋，黄添彪，张玉莲，等.中央空调管道清洁机器人机构设计 .机械设计与制造工程，2020(6):28-30.6于舰.管道机器人的设计与运动控制研究 D.长春工业大学，2 0 1 9.7王琪忠.中央空调风管清洗机器人关键技术的研究D.青岛科技大学，2 0 0 7.8 朱茜。风管清扫机器人的路径规划方法研究 D.湖南大学，2 0 1 3.9王永雄.管道机器人控制、导航和管道检测技术研究 D.上海交通大学，2 0 1 2.