第２１卷第１２期清洗世界
ＶｏＬ２１Ｎｏ１２
：！篮圭！：旦
：：：：：尘！：：翌
２＝：：！：
・新技术、新工艺・
通风除尘管道清洗机器人的开发
毛立民
（东华大学机械工程学院，上海２０００５１）
摘要东华大学在原有一项发明专利基础上进行二次开发，发明了一种新型非等径、变截面管道机器人行走机构，并将此发明技术成功应用于通风除尘管道清洗机器人开发。从科研成果的产业化角度出发，阐述了由东华大学原创研制的通风除尘管道清洗机器人产品设计的一
些特点。
关键词机器人中央空调通风管道中图分类号ＴＶ８３４．４３：
文献标识码Ｂ
ＡｐｐｌｉｃａｔｉＯｎｏｆｐａｔｅｎｔｅｄＶｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｐｉｐｅｃｌｅａｎｉｎｇｒｏｂｏｔ
删ＡＯＬｉｍ抚
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随着人民生活水平的不断提高，中央空调已成为管道大多纵横交错，管路复杂，人工进行管道检测、维修费时费力，不仅效率低下而且存在安全隐患。而用
管道机器人清洗通风管道有着其他管道清洗方式不可比拟的优势，管道清洗机器人不仅可以清洗，还可以实时检查清洗效果以及进行管道探伤、喷涂、消毒等。我国中央空凋通风管道清洗还处于起步阶段，
人们生活中不町或缺的一部分。但室内空气质量不佳而引起的城市“大楼病”正危害着大众的健康，城市“大楼病”的诸多病因中，中央空调常常是罪魁祸
首，不净洁的卒调送风会对人体健康带来不利的影响，引起许多严重的疾病，包括：哮喘、过敏、皮疹、肺结核和军团病等。２００３年我同经历“非典”以后，巾
“非典”以后，国内一些科研单位和企业纷纷研制管
道清洗机器人产一铺，但从专利检索和调研情况看，目
央空调通风管道清洗丌始得到重视。中央卒调通风
收稿口期：２００５
１０一１１
作者简介：毛立民（１９５６一），男，浙汀人，副教授，主要研究方向为机器人机构学，．
万方数据
清洗世界
第２１卷
前市场上国产管道清洗机器人产品大多缺乏自主知识产权，技术性能较单一，产品仓促投放市场，不利于国内管道清洗市场的健康发展。
东华大学在上海市科委的资助下，通过对国外管道清洗机器人产品的深入分析，对东华大学原有一项
发明专利进行二次开发，发明了一种适应非等径、变
截面管道环境的新型管道机器人行走机构，并将此发
明技术成功应用于通风除尘管道清洗机器人产品开
发，２００３年底研制出第一台管道清洗机器人原型样机，经过长时问的试验和改进设计，于２００４年制造出第一台产品样机，该产品样机经过国家权威质量检测机构中国上海测试中心的严格测试，各项技术性能均
达到或超过设计指标。
一◇
图１
机器人进入矩形管姿态
１．１履带足设计
为了实现机器人矩形管道和圆形管道的通用性，
本产品管道清洗机器人采用４个独立驱动的低置摆
轴式履带足行走机构，每只履带两侧装有管壁检测传
感器，机器人可根据管道截面形状自动调节履带足横向摆开角度，有利于增加履带与壁面的附着力和越障能力。
履带足是机器人移动机构的关键部件，其设计应
满足如Ｆ几个方面的要求。
１）履带传动要可靠、结构要合理紧凑，电机输出轴通过一对伞齿轮和３个圆柱齿轮组成的传动系统将运动传递到履带足（图３）。
２）有结构紧凑的传感器安装空间，并且保证传
巨卫圈日圈
感器稳定可靠。万
方数据管道清洗机器人产品除ｒ技术性能要先进以外，
还必须充分考虑产品制造装配和维修的方便性、用户
使用的可靠性。这里主要就管道清洗机器人产品设计要点淡些体会。
受建筑物楼层高度的限制，中央空调通风管道大
多采用扁平矩形截面，管道高度范围相当大，最扁平
的管道高度仅１５０ｍｍ左右。而企业厂房一般楼层
较高，为了减小送风阻力，会采用圆形截面的管道。因此管道清洗机器人设计指标确定为矩形管高度
１５０～６５０
ｍｍ（图１）和圆管最小直径３５０ｍｍ（图２），
能适应大多数通风管道尺寸。
图２机器人进入圆形管姿态
３）履带传动轮要有相应的张紧装置，易于调解履带的张紧程度，并具有防偏带功能。
４）履带足有防护罩壳，罩壳造型要美观，同时起到防尘和保护电器的作用（图４）。
图３履带足
图４履带足罩壳外形
１．２摆腿设计
机器人自适应管径和高度调节（图５）功能是通
过前后履带摆腿的横向对称摆动实现的。
第２１卷
清洗世界
图５高度调节示意图
两摆腿距离和摆腿长度要合理设计。机器人两容易碰到机器人的外罩壳；摆腿长度太大，也会影响带摆动时与罩壳不发生干涉，选定机器人两摆腿关节为了避免管壁检测传感器失灵时，摆腿动作失自主水平姿态调整装置的设定
机器人移动机构的自主水平姿态调整功能主要
中水平姿态传感器的误动作，设定水平传感器延时一清洗作业部件主要包括升降机构、作业器件（毛万
方数据中央空调通风管道规格繁多，管道高度变化很
大，所以一般管道清洗机器人都需配备毛刷升降机构。考察国外管道机器人产品，有三种类型的毛刷升１）单杆悬臂梁升降机构：由毛刷驱动装置固接
在旋转轴上，工作时随旋转轴旋转作为升降机构。这
种机构普遍应用于现有的管道清洗机器人上。
２）螺杆升降机构：由螺杆机构控制毛刷升降。３）竖直升降机构：有些清洗机器人还配备毛刷图６毛刷竖直升降机械
单杆悬臂粱升降机构因为全靠一根轴支撑毛刷全部重量，故摆杆刚性较差，工作时振动剧烈、噪音较囤圜重重函
２．１升降机构设计
腿相距太小，影响机体的平稳性，两腿相距大，机器人所能进人最小圆管直径增大；摆腿长度太小，摆腿时机器人所能进入圆管的最小直径，而且也影响机体的平稳性。在保证机体满足管径范围条件下并满足履距离和摆腿长度。
控，导致驱动电机烧坏。在摆腿上关节设计安装了两个限位开关，限定摆腿收拢和张开的角度，提高了产
品的可靠性。
１．３
降机构。
该机构比单轴升降机构可靠性高，承载能力大。
竖直升降机构，便于机器人在机体尺寸不变的情况下进行大管径管道的清洁工作（如图６所示）。
用于在圆管直行和弯道时的姿态控制。其原理是在机器人机体上装置水平姿态传感器，用于检测机器人的倾斜角度，控制系统根据检测出的倾角大小，发出两侧履带速度调节指令，通过改变两侧履带速度差，纠正机器人的姿态。为了避免机器人正常行走过程定时间才动作。
刷、喷嘴等）两部分。升降机构用于带动位于升降机构前端底座上的作业器件上下摆动，以适应不同高度管道的要求。
大；螺杆升降机构较单轴悬臂梁升降机构可靠性高，但机构升降范同有限；而竖直伸缩机构则机构庞大，
清洗世界
第２１卷
且只能向。睦直方向延伸。
针对这些问题，本产品安装了一种稳定性好、结构简单、操作方便的双曲柄导杆升降机构。两套曲柄
为了限定升降机构曲柄旋转在一定角度范围内，在传动横杆上装有限位开关，操作者无须顾及曲柄同转是否会过头，方便＿『操作。
２．２毛刷设计
管道清洗机器人是利用毛刷、气锤、气管等机械
导杆机构平行安装在机器人机座两侧，形成一个剐性
很好的框架结构。该升降机构由驱动电机、蜗轮蜗
杆、曲柄、曲柄传动轴、导杆（后伸缩杆）、滑块、前横杆以及前伸缩杆件、清扫装置底座等组成。驱动电机
通过传动横轴上的蜗轮蜗杆驱动曲柄滑块回转，带动
搅动装置将粘在通风除尘管道内表而上的碎屑剥离，
然后利用大功率的集尘器吸走灰尘以达到清洁管道的目的。其毛刷形式主要有矩形管毛刷、圆管毛刷
导杆作上下摆动。整套升降机构有多个高度调节环
节：导杆上下摆动；前伸缩杆向前延伸；旋转横杆件改变后伸缩杆的上翘角度；前伸缩杆延伸。因此本产品
（图７（ａ）、（ｂ））。个别产品采用吸尘器方式，吸尘器形式的管道清洗机器人和家用吸伞器类似，单靠空气
泵产生的负压将污垢吸入，通过一根很长的管子，把
的升降机构能获得很大的高度调节范围。污垢吸到管道外面进行清理工作。如图７（ｃ）所示。
（ａ）矩形管毛刷（ｂ）圆管毛刷（ｃ）吸尘器
图７各类毛刷形式
圆管毛刷与矩形管毛刷均呈圆盘型，不同的是，圆管毛刷轴线与机器人行进方向一致，毛刷直径大小
采用换毛刷传动部件的方法，操作不方便。本产品采
用一种兼容矩形管毛刷和圆管毛刷的毛刷驱动装置。
因圆管毛刷的轴线总是与机器人前进方向一致，而矩形管毛刷的轴线总是与机器人前进方向垂直，且圆管毛刷总是处于机器人正中，矩形管毛刷总是处于机器人两侧，故采用图８所示的管道清洗机器人毛刷
与管道直径相配；矩形管毛刷轴线与机器人行进方向垂直，一般由两个或多个毛刷圆盘组成，分列机器人丽侧，矩形管毛刷的横向跨度与所要清洗的矩形管宽
度相配。
毛刷直径大有利于快速清除灰尘。但是毛刷直
传动箱。该传动箱输入轴传动水平的矩形管毛刷轴
上，矩形管毛刷轴冉通过伞齿轮将传动竖直的圆形管
径过大将使驱动功率增大；毛刷直径过小清洁同一壁面的时间变长，降低了效率，并不易清扫管道端面边
角部位。
对于矩形管道要求能清洁４个面，而圆形管道则
毛刷轴上，实现了矩形管毛刷和圆管毛刷用同一传动
装置。当需要清扫哪类管道，只需换上废类毛刷即
町，而无需更换毛刷传动箱体，大大方便了操作。
要求毛刷直径大于管道直径，同时毛刷回转中心要位
于管道中心位置。２．３毛刷传动装置设计
３．１
管道清洗机器人照明装置设计
机器人在全黑的管道环境内工作，必须加装辅助
［丕团固匿盈
万方数据
现有的管道清洗机器人清洗圆管和矩形管时都
第２１卷清洗世界
是旋转件，不可能在毛刷上安装传感器，在其他地方安装位置传感器则由于距离较远不能精确感知或由于矩形管有四个面就至少要安装４个传感器，使控制
系统变得复杂，所以不宜采用。
一种简便的办法就是加装音频辅助设备。毛刷头切人管壁深浅决定了其声调的高低，开始声音比较
图８毛刷传动简图
尖锐而高，随着毛刷和管壁接触得越来越多，声音会
的照明设备。一些管道清洗机器人产品采用卤素灯照明，卤素灯的优点是亮度高，但也存在发热量大、使命寿命短的缺点。因此本产品采用高亮度Ｉ．ＥＤ照明，使用寿命可达１０万小时，发热低、安全性好。
本产品机器人前后均安装有微型摄像头和照明灯（图９）。微型摄像头位于两照明灯中问；两侧照明灯与壳体成外侧倾斜，以扩大照明灯的照射角。
ｃｃＤ摄像头
开始变得混沌而低沉，所以声音是一个简便又有效鉴别毛刷接触管壁状态的方法，可使操作者了解毛刷清
扫力度是否合适。此外声音还可以提示操作者机器
人在管道内是否碰到障碍。
音频信息由机器人机体上的麦克风输入，通过控
制电缆，在管道外通过音箱或者耳机输出到操作者。音频信息在国外的管道机器人上应用的比较普遍，事实证明有助于管道机器人清洗工作的完成。
参考文献
［Ｉ］邓宗全，毕德学管道机器人［Ｍ］哈尔滨：哈尔滨工业
大学出版社
［２］邓宗全，刘福利，李笑，等管内机器人研究中的几项新
技术［Ｊ］高新技术，１９９４（５）．
照明灯
［３］毛立民，李恩光自主变位四履带足机器人行走机构：
图９摄像头照明灯
３．２毛刷清扫效果辅助检测装置
管道清洗是通过毛刷转动、升降机构摆动和机器人移动来完成的，但有时操作者仅通过摄像头拍摄的图形难以判别毛刷与管壁的接触状态。考虑到毛刷
［５］（４］
中国，ｚＬ９９１１６９４２５［Ｐ］
彭商贤，龚进峰，刘斌履带式管内机器人：中国，
ｚ∞１２２７５１２３［Ｐ：
程良伦，杨宜民一种新型管道内机器人的研究［Ｊ：机器人，１９９９，２ｌ（４）．
万方数据
通风除尘管道清洗机器人的开发
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：
毛立民， MAO Limin
东华大学机械工程学院,上海,200051清洗世界
CLEANING WORLD2005，21(12)1次
参考文献(5条)
1.邓宗全.毕德学 管道机器人
2.邓宗全.刘福利.李笑 管内机器人研究中的几项新技术 1994(5)3.毛立民.李恩光 自主变位四履带足机器人行走机构4.彭商贤.龚进峰.刘斌 履带式管内机器人
5.程良伦.杨宜民 一种新型管道内机器人的研究 1999(4)
相似文献(10条)
1.学位论文 王琪忠 中央空调风管清洗机器人关键技术的研究 2007
随着社会经济的发展，人们的身心健康也越来越受到重视。而污染的中央空调日益成为危及人们身心的根源。因此，中央空调尤其是中央空调风管的检测与清洗越来越受到社会的重视。在国外，中央空调风管清洗机器人的研究与应用己经发展了相当长的一段时间，而且技术日趋成熟，然而国内则刚刚起步。本论文对中央空调风管清洗机器人的关键技术进行研究，就是为其早日实现批量化、国产化生产和应用做出一定贡献。 论文所研究的风管清洗机器人正是应用于中央空调风管的检测和清洗。风管清洗机器人从结构上可分为机械系统和控制系统两大部分。机械系统主要包括移动小车、清洗装置和视觉及超声波避障系统；而控制系统主要包括车载控制系统和控制箱两部分。论文重点对以下方面进行了研究和探讨： 1．清洗机器人系统的总体规划，系统的具体参数要求、系统组成、主要功能、清洗方案以及清洗的要求和清洗质量的评价标准等； 2．移动小车车体的移动方案、驱动方式、驱动装置及移动小车的越障能力、移动小车在风管内转弯时的通过性和最小转弯半径等； 3．清洗装置中清洗臂举升机构和清洗刷的优化设计，清洗臂作业空间和清洗力分析等； 4. 清洗机器人视觉系统的设计，图象处理、特征提取原理及算法，超声波避障系统的设计等； 5．清洗机器人车载控制系统的硬件选用和软件设计，驱动电机和CCD摄像头控制电机的调速、位置伺服控制等； 6．机器人控制箱的整体设计，控制箱硬件的选用，控制任务的划分与实现、通讯协议的指定和通讯模块等问题； 最后对本课题研究存在的不足以及将来的改进方向进行了分析说明。
2.学位论文 于磊杰 基于DSP的履带式中央空调清洗机器人研究 2007
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本文主要阐述了研究中央空调管道清扫机器人的必要性,介绍了国内外关于中央空调清扫机器人的研究情况,分析了中央空调道清扫机器人在研究方面存在的问题,并对今后中央空调道清扫机器人的发展趋势作了预测.
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6.期刊论文 王娅.任升峰.徐明刚.张建华.WANG Ya.REN Sheng-feng.XU Ming-gang.ZHANG Jian-hua 中央空调管道清洁机器人系统的设计 -机械设计与研究2005,21(6)
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7.期刊论文 曹毅.谢启武.何世钧.韩宇辉.CAO Yi.XIE Qi-Wu.HE Shi-Jun.HAN Yu-Hui 中央空调垂直风管清洁机器人机构设计 -机电产品开发与创新2008,21(6)
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8.期刊论文 韩晓明.车立新.谢霄鹏.杨汝清 中央空调管道清扫机器人的设计 -机械2005,32(1)
针对目前国内中央空调特点,设计了一种专门用于中央空调管道清扫的机器人.该机器人有移动小车和毛刷机构组成,采用PLC控制,从结构和软件上均保证了其工作的安全性和可靠性.
9.期刊论文 王安敏.刘国建.岳小鹤.WANG ANMIN.LIU GUOJIAN.YUE XIAOHE 中央空调风管吸尘机器人的开发 -微计算机信息2007,23(8)
中央空调风管吸尘机器人借鉴了中央空调风管清洗机器人和家用吸尘机器人的技术,融合了计算机技术、控制技术、电子技术等诸多学科技术.它拥有完整的移动、检测、吸收、监控以及大功率低噪音的污物收集等功能,能够实现水平管道的清洁,解决中央空调通风系统的卫生死角,提高工作效率和工作质量.
10.会议论文 徐晓璐.马俊.张潇.方敏 中央空调管道清洁机器人的设计 2008
根据目前中央空调管道清洁的现状,设计了一套人工控制的变截面喷气式管道清洁机器人系统,适用于主流截面中央空调管道的清扫.介绍了机器人的主要系统结构和特点,利用solidedge建立了机器人的三维实体造型.对其经济巨与实用性加以论述.
引证文献(1条)
1.王安敏.刘国建.岳小鹤 中央空调风管吸尘机器人的开发[期刊论文]-微计算机信息 2007(08)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hxqx200512007.aspx
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第２１卷第１２期清洗世界
ＶｏＬ２１Ｎｏ１２
：！篮圭！：旦
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２＝：：！：
・新技术、新工艺・
通风除尘管道清洗机器人的开发
毛立民
（东华大学机械工程学院，上海２０００５１）
摘要东华大学在原有一项发明专利基础上进行二次开发，发明了一种新型非等径、变截面管道机器人行走机构，并将此发明技术成功应用于通风除尘管道清洗机器人开发。从科研成果的产业化角度出发，阐述了由东华大学原创研制的通风除尘管道清洗机器人产品设计的一
些特点。
关键词机器人中央空调通风管道中图分类号ＴＶ８３４．４３：
文献标识码Ｂ
ＡｐｐｌｉｃａｔｉＯｎｏｆｐａｔｅｎｔｅｄＶｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｐｉｐｅｃｌｅａｎｉｎｇｒｏｂｏｔ
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（Ｃｏｌｌｅｇｅ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥ“ｇｉｎｅｅｄ“ｇ，Ｄ０ｎｇｈｕａｕｎｉｖｅｒｓｉ‘ｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ
２０００５１）
Ｉｎ幽ｓｐ印ｅｒ，ａ
ｎｅｗ
ｄｅｓｊｇｎ
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ｃ啪ｓ洒∞ｄｕｅｅｄ，
ｗｈｉｃｈｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｔＤｏ“ｇｈｕａＵｎｊｖｅｒｓ】ｔｙｂａｓｅｄｉｎ
ｎｏｎ—ｃｏｎｓｔａｎｔ
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ｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｓｅｃｔｉｏｎ—ｖａｒｉａｂＩ。ｐｉｐｅｈｎｅ．
Ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｉｄｅａｓｏｆ
ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｗｅｒｅａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓｒｏｂｏｔ；ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏ“ｐｉｐ８；ｃｅｎｔｒａｌａｉｒ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ
随着人民生活水平的不断提高，中央空调已成为管道大多纵横交错，管路复杂，人工进行管道检测、维修费时费力，不仅效率低下而且存在安全隐患。而用
管道机器人清洗通风管道有着其他管道清洗方式不可比拟的优势，管道清洗机器人不仅可以清洗，还可以实时检查清洗效果以及进行管道探伤、喷涂、消毒等。我国中央空凋通风管道清洗还处于起步阶段，
人们生活中不町或缺的一部分。但室内空气质量不佳而引起的城市“大楼病”正危害着大众的健康，城市“大楼病”的诸多病因中，中央空调常常是罪魁祸
首，不净洁的卒调送风会对人体健康带来不利的影响，引起许多严重的疾病，包括：哮喘、过敏、皮疹、肺结核和军团病等。２００３年我同经历“非典”以后，巾
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道清洗机器人产一铺，但从专利检索和调研情况看，目
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收稿口期：２００５
１０一１１
作者简介：毛立民（１９５６一），男，浙汀人，副教授，主要研究方向为机器人机构学，．
万方数据
清洗世界
第２１卷
前市场上国产管道清洗机器人产品大多缺乏自主知识产权，技术性能较单一，产品仓促投放市场，不利于国内管道清洗市场的健康发展。
东华大学在上海市科委的资助下，通过对国外管道清洗机器人产品的深入分析，对东华大学原有一项
发明专利进行二次开发，发明了一种适应非等径、变
截面管道环境的新型管道机器人行走机构，并将此发
明技术成功应用于通风除尘管道清洗机器人产品开
发，２００３年底研制出第一台管道清洗机器人原型样机，经过长时问的试验和改进设计，于２００４年制造出第一台产品样机，该产品样机经过国家权威质量检测机构中国上海测试中心的严格测试，各项技术性能均
达到或超过设计指标。
一◇
图１
机器人进入矩形管姿态
１．１履带足设计
为了实现机器人矩形管道和圆形管道的通用性，
本产品管道清洗机器人采用４个独立驱动的低置摆
轴式履带足行走机构，每只履带两侧装有管壁检测传
感器，机器人可根据管道截面形状自动调节履带足横向摆开角度，有利于增加履带与壁面的附着力和越障能力。
履带足是机器人移动机构的关键部件，其设计应
满足如Ｆ几个方面的要求。
１）履带传动要可靠、结构要合理紧凑，电机输出轴通过一对伞齿轮和３个圆柱齿轮组成的传动系统将运动传递到履带足（图３）。
２）有结构紧凑的传感器安装空间，并且保证传
巨卫圈日圈
感器稳定可靠。万
方数据管道清洗机器人产品除ｒ技术性能要先进以外，
还必须充分考虑产品制造装配和维修的方便性、用户
使用的可靠性。这里主要就管道清洗机器人产品设计要点淡些体会。
受建筑物楼层高度的限制，中央空调通风管道大
多采用扁平矩形截面，管道高度范围相当大，最扁平
的管道高度仅１５０ｍｍ左右。而企业厂房一般楼层
较高，为了减小送风阻力，会采用圆形截面的管道。因此管道清洗机器人设计指标确定为矩形管高度
１５０～６５０
ｍｍ（图１）和圆管最小直径３５０ｍｍ（图２），
能适应大多数通风管道尺寸。
图２机器人进入圆形管姿态
３）履带传动轮要有相应的张紧装置，易于调解履带的张紧程度，并具有防偏带功能。
４）履带足有防护罩壳，罩壳造型要美观，同时起到防尘和保护电器的作用（图４）。
图３履带足
图４履带足罩壳外形
１．２摆腿设计
机器人自适应管径和高度调节（图５）功能是通
过前后履带摆腿的横向对称摆动实现的。
第２１卷
清洗世界
图５高度调节示意图
两摆腿距离和摆腿长度要合理设计。机器人两容易碰到机器人的外罩壳；摆腿长度太大，也会影响带摆动时与罩壳不发生干涉，选定机器人两摆腿关节为了避免管壁检测传感器失灵时，摆腿动作失自主水平姿态调整装置的设定
机器人移动机构的自主水平姿态调整功能主要
中水平姿态传感器的误动作，设定水平传感器延时一清洗作业部件主要包括升降机构、作业器件（毛万
方数据中央空调通风管道规格繁多，管道高度变化很
大，所以一般管道清洗机器人都需配备毛刷升降机构。考察国外管道机器人产品，有三种类型的毛刷升１）单杆悬臂梁升降机构：由毛刷驱动装置固接
在旋转轴上，工作时随旋转轴旋转作为升降机构。这
种机构普遍应用于现有的管道清洗机器人上。
２）螺杆升降机构：由螺杆机构控制毛刷升降。３）竖直升降机构：有些清洗机器人还配备毛刷图６毛刷竖直升降机械
单杆悬臂粱升降机构因为全靠一根轴支撑毛刷全部重量，故摆杆刚性较差，工作时振动剧烈、噪音较囤圜重重函
２．１升降机构设计
腿相距太小，影响机体的平稳性，两腿相距大，机器人所能进人最小圆管直径增大；摆腿长度太小，摆腿时机器人所能进入圆管的最小直径，而且也影响机体的平稳性。在保证机体满足管径范围条件下并满足履距离和摆腿长度。
控，导致驱动电机烧坏。在摆腿上关节设计安装了两个限位开关，限定摆腿收拢和张开的角度，提高了产
品的可靠性。
１．３
降机构。
该机构比单轴升降机构可靠性高，承载能力大。
竖直升降机构，便于机器人在机体尺寸不变的情况下进行大管径管道的清洁工作（如图６所示）。
用于在圆管直行和弯道时的姿态控制。其原理是在机器人机体上装置水平姿态传感器，用于检测机器人的倾斜角度，控制系统根据检测出的倾角大小，发出两侧履带速度调节指令，通过改变两侧履带速度差，纠正机器人的姿态。为了避免机器人正常行走过程定时间才动作。
刷、喷嘴等）两部分。升降机构用于带动位于升降机构前端底座上的作业器件上下摆动，以适应不同高度管道的要求。
大；螺杆升降机构较单轴悬臂梁升降机构可靠性高，但机构升降范同有限；而竖直伸缩机构则机构庞大，
清洗世界
第２１卷
且只能向。睦直方向延伸。
针对这些问题，本产品安装了一种稳定性好、结构简单、操作方便的双曲柄导杆升降机构。两套曲柄
为了限定升降机构曲柄旋转在一定角度范围内，在传动横杆上装有限位开关，操作者无须顾及曲柄同转是否会过头，方便＿『操作。
２．２毛刷设计
管道清洗机器人是利用毛刷、气锤、气管等机械
导杆机构平行安装在机器人机座两侧，形成一个剐性
很好的框架结构。该升降机构由驱动电机、蜗轮蜗
杆、曲柄、曲柄传动轴、导杆（后伸缩杆）、滑块、前横杆以及前伸缩杆件、清扫装置底座等组成。驱动电机
通过传动横轴上的蜗轮蜗杆驱动曲柄滑块回转，带动
搅动装置将粘在通风除尘管道内表而上的碎屑剥离，
然后利用大功率的集尘器吸走灰尘以达到清洁管道的目的。其毛刷形式主要有矩形管毛刷、圆管毛刷
导杆作上下摆动。整套升降机构有多个高度调节环
节：导杆上下摆动；前伸缩杆向前延伸；旋转横杆件改变后伸缩杆的上翘角度；前伸缩杆延伸。因此本产品
（图７（ａ）、（ｂ））。个别产品采用吸尘器方式，吸尘器形式的管道清洗机器人和家用吸伞器类似，单靠空气
泵产生的负压将污垢吸入，通过一根很长的管子，把
的升降机构能获得很大的高度调节范围。污垢吸到管道外面进行清理工作。如图７（ｃ）所示。
（ａ）矩形管毛刷（ｂ）圆管毛刷（ｃ）吸尘器
图７各类毛刷形式
圆管毛刷与矩形管毛刷均呈圆盘型，不同的是，圆管毛刷轴线与机器人行进方向一致，毛刷直径大小
采用换毛刷传动部件的方法，操作不方便。本产品采
用一种兼容矩形管毛刷和圆管毛刷的毛刷驱动装置。
因圆管毛刷的轴线总是与机器人前进方向一致，而矩形管毛刷的轴线总是与机器人前进方向垂直，且圆管毛刷总是处于机器人正中，矩形管毛刷总是处于机器人两侧，故采用图８所示的管道清洗机器人毛刷
与管道直径相配；矩形管毛刷轴线与机器人行进方向垂直，一般由两个或多个毛刷圆盘组成，分列机器人丽侧，矩形管毛刷的横向跨度与所要清洗的矩形管宽
度相配。
毛刷直径大有利于快速清除灰尘。但是毛刷直
传动箱。该传动箱输入轴传动水平的矩形管毛刷轴
上，矩形管毛刷轴冉通过伞齿轮将传动竖直的圆形管
径过大将使驱动功率增大；毛刷直径过小清洁同一壁面的时间变长，降低了效率，并不易清扫管道端面边
角部位。
对于矩形管道要求能清洁４个面，而圆形管道则
毛刷轴上，实现了矩形管毛刷和圆管毛刷用同一传动
装置。当需要清扫哪类管道，只需换上废类毛刷即
町，而无需更换毛刷传动箱体，大大方便了操作。
要求毛刷直径大于管道直径，同时毛刷回转中心要位
于管道中心位置。２．３毛刷传动装置设计
３．１
管道清洗机器人照明装置设计
机器人在全黑的管道环境内工作，必须加装辅助
［丕团固匿盈
万方数据
现有的管道清洗机器人清洗圆管和矩形管时都
第２１卷清洗世界
是旋转件，不可能在毛刷上安装传感器，在其他地方安装位置传感器则由于距离较远不能精确感知或由于矩形管有四个面就至少要安装４个传感器，使控制
系统变得复杂，所以不宜采用。
一种简便的办法就是加装音频辅助设备。毛刷头切人管壁深浅决定了其声调的高低，开始声音比较
图８毛刷传动简图
尖锐而高，随着毛刷和管壁接触得越来越多，声音会
的照明设备。一些管道清洗机器人产品采用卤素灯照明，卤素灯的优点是亮度高，但也存在发热量大、使命寿命短的缺点。因此本产品采用高亮度Ｉ．ＥＤ照明，使用寿命可达１０万小时，发热低、安全性好。
本产品机器人前后均安装有微型摄像头和照明灯（图９）。微型摄像头位于两照明灯中问；两侧照明灯与壳体成外侧倾斜，以扩大照明灯的照射角。
ｃｃＤ摄像头
开始变得混沌而低沉，所以声音是一个简便又有效鉴别毛刷接触管壁状态的方法，可使操作者了解毛刷清
扫力度是否合适。此外声音还可以提示操作者机器
人在管道内是否碰到障碍。
音频信息由机器人机体上的麦克风输入，通过控
制电缆，在管道外通过音箱或者耳机输出到操作者。音频信息在国外的管道机器人上应用的比较普遍，事实证明有助于管道机器人清洗工作的完成。
参考文献
［Ｉ］邓宗全，毕德学管道机器人［Ｍ］哈尔滨：哈尔滨工业
大学出版社
［２］邓宗全，刘福利，李笑，等管内机器人研究中的几项新
技术［Ｊ］高新技术，１９９４（５）．
照明灯
［３］毛立民，李恩光自主变位四履带足机器人行走机构：
图９摄像头照明灯
３．２毛刷清扫效果辅助检测装置
管道清洗是通过毛刷转动、升降机构摆动和机器人移动来完成的，但有时操作者仅通过摄像头拍摄的图形难以判别毛刷与管壁的接触状态。考虑到毛刷
［５］（４］
中国，ｚＬ９９１１６９４２５［Ｐ］
彭商贤，龚进峰，刘斌履带式管内机器人：中国，
ｚ∞１２２７５１２３［Ｐ：
程良伦，杨宜民一种新型管道内机器人的研究［Ｊ：机器人，１９９９，２ｌ（４）．
万方数据
通风除尘管道清洗机器人的开发
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：
毛立民， MAO Limin
东华大学机械工程学院,上海,200051清洗世界
CLEANING WORLD2005，21(12)1次
参考文献(5条)
1.邓宗全.毕德学 管道机器人
2.邓宗全.刘福利.李笑 管内机器人研究中的几项新技术 1994(5)3.毛立民.李恩光 自主变位四履带足机器人行走机构4.彭商贤.龚进峰.刘斌 履带式管内机器人
5.程良伦.杨宜民 一种新型管道内机器人的研究 1999(4)
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