油煙管道清洗機器人的設計

李亮亮 薛蕊 賈昊林 李杰

【摘?要】針對各種油煙管道、中央空調管道及通風管道內的油漬形成的油垢、積聚的棉塵形成的污染設計了一種油煙管道清洗機器人。機器人由主控系統、清洗裝置、圖像傳輸、照明系統、監測模塊等組成。設計采用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，可以觀察管道內環境和機器人的準確定位，實現了在與傳感器的人機交互中避免機器人在通過較復雜環境下產生的碰撞。機器人采用履帶式行走機構，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坡能力。改設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，降低了環境污染和安全隱患，有效提高了作業的安全性和作業效率。

【關鍵詞】油煙管道;履帶式;STM32F103;圖像傳輸

引言

改革開放以來，隨著我國經濟的飛速發展，第三產業蓬勃興起，餐飲經濟的發展歷程有目共睹，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境的污染日益成為嚴重困擾城市居民生活的主要環境問題。管道積存的大量油垢更會給環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垢清洗，能夠在危險區域進行遠程作業，解放了勞動力、降低了勞動成本，有效提高了作業的安全性和作業效率，提高了我們的環境質量[4]。

1硬件系統設計

STM32F103內核為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，擁有高頻率的內核，工作速度快，效率高的特點。整體設計框圖如圖1所示。

1.1驅動電路

油煙管道清洗機器人的驅動方式主要有：氣動驅動、液壓驅動、電機驅動三種基本驅動。由于電機驅動具有適用性較強，不受環境溫度影響，輸出轉矩范圍廣，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，可實現超小型化，具有機械自鎖性，安裝方便，維護檢修方便等優點，故選用電機驅動。履帶式行走裝置通過控制四個直流減速電機的正反轉來控制機器人的行進方向，用電機的差速旋轉來實現機器人的旋轉掉頭。驅動電路如圖2所示。

1.2行走機構的設計

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，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統中，用作執行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉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，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

1.4圖像傳輸系統的設計

圖像傳輸系統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該背對著電路板。而Raspberry Pi 部分，藍色標記應該正對著網絡接口方向。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，圖像采集和數據處理通過專門的數據通道和指令，USB攝像頭CPU占用率太高。故選用的是CSI攝像頭。

2 軟件系統設計

該系統程序設計部分主要有基于SolidWorks軟件三維模型的設計，基于Altium Designer軟件的電路設計，基于Keil軟件的程序設計，系統控制技術路線等。

2.1基于SolidWorks軟件三維模型的設計

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，來驗證結構設計的可行性，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軟件的電路設計

使用Altium Designer軟件進行系統電路原理圖和PCB圖繪制，進入軟件后默認打開的界面為Home界面。在Home界面單擊文件工具欄下新建按鈕，在右側的對話框中點擊工程按鈕，在右側的對話框中選中PCB工程。進入PCB設計界面，開始設計電路原理圖。

電路原理圖設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，至此電路板設計完畢。

3 結論

該機器人結合機械、電子以及計算機技術，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構，加大了機器人能夠清洗的范圍。該作品將機械、電子技術及計算機技術相結合，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。機器人的行進機構采用磁吸附式履帶，能夠適應不同的油煙管道。采用兩自由度云臺結構，能夠與行進機構相結合，清洗管道內的任何位置。通過機器人自帶的影像數據采集機構，傳回電腦上機位將影像顯示出來，經過分析后，確定所需清洗區域。

本次設計實現的主要任務如下：

（1）簡述了投油煙管道清洗機器人在國內外的基本研究現狀，并且說明了本設計的研究意義和油煙管道清洗機器人未來的發展趨勢。

（2）設計油煙管道清洗機器人結構，特制磁吸附式履帶結構，關鍵機構采用3D打印技術進行零件打造。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的硬件設計，做出了系統硬件配置的具體結構圖和原理圖。分析并實現了油煙管道清洗機器人需要實現的各項需求功能，設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計編寫，從部分到整體，從基本模塊調試到最終系統穩定，完成油煙管道清洗機器人的運行調試。

參考文獻：

[1]李愛民，于滸，李云鵬，等.管道清淤機器人的設計[J].輕工科技，2019，35（3）：64-65.

[2]趙超.ZigBee無線數據傳輸模塊的設計組網及在管道自動化中的應用[J].科學與信息化，2017，31：115.

[3]管道機器人自動適應機構設計與越障分析[J].薛耀勇，張繼忠，張磊.制造業自動化.2018（06）.

[4]白宇豪，劉冬，張雨璇，等.石油井管道探測機器人的設計[J].南方農機，2020（1）：34-35.

作者簡介：

李亮亮（1998-），男，山東省日照市人，學士，研究方向：控制工程。

薛蕊（1981-），女，山東省濟寧人，碩士，副教授，研究方向：控制工程。

賈昊林（1998-2020），男，山東省煙臺人，學士，研究方向：控制工程。

李杰（1998-），男山東濟南人，學士，研究方向：控制工程。

基金項目：

該項目由國家級創新創業訓練項目《攀壁式擦玻璃機器人》（S202013320003）支持。

（作者單位：青島黃海學院）