油煙管道清洗機器人的設(shè)計

1、    油煙管道清洗機器人的設(shè)計    李亮亮 薛蕊 賈昊林 李杰【摘 要】針對各種油煙管道、中央空調(diào)管道及通風管道內(nèi)的油漬形成的油垢、積聚的棉塵形成的污染設(shè)計了一種油煙管道清洗機器人。機器人由主控系統(tǒng)、清洗裝置、圖像傳輸、照明系統(tǒng)、監(jiān)測模塊等組成。設(shè)計采用stm32f103作為主控核心，由直流伺服電機搭建的云臺對管道進行有效的清洗。gps定位裝置與圖像傳輸功能，可以觀察管道內(nèi)環(huán)境和機器人的準確定位，實現(xiàn)了在與傳感器的人機交互中避免機器人在通過較復雜環(huán)境下產(chǎn)生的碰撞。機器人采用履帶式行走機構(gòu)，保障機器人在管道有足夠的吸附力，確保機器人有越障和爬

2、坡能力。改設(shè)計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;履帶式;stm32f103;圖像傳輸引言改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，第三產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，餐飲經(jīng)濟的發(fā)展歷程有目共睹，遍地開花的酒家、賓館、飯店，正催生巨大的社會財富1，2。但是，在帶來人們完全的美食享受和生活需要的同時，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3。油煙管道清洗機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

3、垢清洗，能夠在危險區(qū)域進行遠程作業(yè)，解放了勞動力、降低了勞動成本，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4。1硬件系統(tǒng)設(shè)計stm32f103內(nèi)核為arm 32位cortex-m3，最高工作頻率為72mhz，stm3232f103單片機，具有成本低、低功耗的特點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;具有上電復位和掉電復位功能，工作電壓低，并且擁有休眠，停止，待機3種低功耗模式，這些大大降低了單片機的工作能耗;stm32系列單片機有swd和jtag兩種調(diào)試方式，選擇性強。單片機資源豐富，功能強大，擁有高頻率的內(nèi)核，工作速度快，效率高的特點。

4、整體設(shè)計框圖如圖1所示。1.1驅(qū)動電路油煙管道清洗機器人的驅(qū)動方式主要有：氣動驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電機驅(qū)動三種基本驅(qū)動。由于電機驅(qū)動具有適用性較強，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、邏輯判斷和計算等工作，可實現(xiàn)超小型化，具有機械自鎖性，安裝方便，維護檢修方便等優(yōu)點，故選用電機驅(qū)動。履帶式行走裝置通過控制四個直流減速電機的正反轉(zhuǎn)來控制機器人的行進方向，用電機的差速旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)機器人的旋轉(zhuǎn)掉頭。驅(qū)動電路如圖2所示。1.2行走機構(gòu)的設(shè)計機器人的行走方式主要有：輪式、步行移動式、履帶式、爬行式、蠕動式機器人和游動式。由于油煙管道長期得不

5、到清洗，時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)計加入了永磁性磁鐵，通過性和爬坡能力得到了進一步的加強，故選用履帶式來作為機器人的行走方式。1.3兩自由度云臺的設(shè)計兩自由度的云臺是用來攜帶清洗噴頭按照一定的運動軌跡來運動，實現(xiàn)對管道四周的油垢進行清洗。云臺的搭建采用的是伺服電機，伺服電機具有控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類

6、，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(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)計圖像傳輸系統(tǒng)使用攝像頭電路板與raspberry pi通過一條15芯的排線進行連接。僅有兩個連接座需要連接，排線需要安裝到攝像頭電路板和 raspberry pi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，排線末端的藍色標記應(yīng)該背對著電路板。而raspberry pi 部分，藍色標記應(yīng)該正對著網(wǎng)絡(luò)接口方向。攝像頭是個重要的考慮點，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

7、該系統(tǒng)程序設(shè)計部分主要有基于solidworks軟件三維模型的設(shè)計，基于altium designer軟件的電路設(shè)計，基于keil軟件的程序設(shè)計，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。首先建立一個零件，繪制草圖，進行相應(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行裝配工作，來驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性，確保實物組裝及運行的可靠性。零部件繪制和裝配體界面見圖3。2.2基于altium designer軟件的電路設(shè)計使用altium designer軟件進行系統(tǒng)電路原理圖和pcb圖繪制，進入軟件后默認

8、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)的對話框中點擊工程按鈕，在右側(cè)的對話框中選中pcb工程。進入pcb設(shè)計界面，開始設(shè)計電路原理圖。電路原理圖設(shè)計完成后對原理圖進行編譯，單擊工程按鈕，在彈出的下拉菜單中點擊編譯按鈕。編譯完成后若沒有錯誤則可以將原理圖更新到pcb中。點擊設(shè)計工具欄，在彈出的下拉菜單中點擊更新按鈕，將原理圖更新到pcb中，確定完板子大小后，對pcb版面進行布局和布線，完成后見圖4，至此電路板設(shè)計完畢。3 結(jié)論該機器人結(jié)合機械、電子以及計算機技術(shù)，通過靈活的上機位控制，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)，加大了機器人能夠清洗的范圍

9、。該作品將機械、電子技術(shù)及計算機技術(shù)相結(jié)合，是一種效率較高、操作靈活、價格低廉的油煙管道清洗機器人。機器人的行進機構(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)，能夠與行進機構(gòu)相結(jié)合，清洗管道內(nèi)的任何位置。通過機器人自帶的影像數(shù)據(jù)采集機構(gòu)，傳回電腦上機位將影像顯示出來，經(jīng)過分析后，確定所需清洗區(qū)域。本次設(shè)計實現(xiàn)的主要任務(wù)如下：（1）簡述了投油煙管道清洗機器人在國內(nèi)外的基本研究現(xiàn)狀，并且說明了本設(shè)計的研究意義和油煙管道清洗機器人未來的發(fā)展趨勢。（2）設(shè)計油煙管道清洗機器人結(jié)構(gòu)，特制磁吸附式履帶結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵機構(gòu)采用3d打印技術(shù)進行零件打造。同時提出了一套以stm32為控制核心，以csi攝像頭作為視覺傳輸?shù)挠布O(shè)計，做出了系統(tǒng)硬件配置的具體結(jié)構(gòu)圖和原理圖。分析并實現(xiàn)了油煙管道清洗機器人需要實現(xiàn)的各項需求功能，設(shè)計出了油煙管道清洗機器人的各硬件部分。（3）利用keil5編程軟件完成油煙管道清洗機器人程序的設(shè)計編寫，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器人的運行調(diào)試。參考文獻：1李愛民，于滸，李云鵬，等.管道清淤機器人的設(shè)計j.輕工科技，2019，35（3）：64-65.2趙超.zigbee