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系統識別號 U0002-1208201322435300
中文論文名稱 輪型風管清潔機器人設計
英文論文名稱 The Design of an Air Duct Cleaning Wheeled Robot
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 101
學期 2
出版年 102
研究生中文姓名 潘致中
研究生英文姓名 Chin - Chung Pan
學號 600371065
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-07-15
論文頁數 66頁
口試委員 指導教授-楊智旭
委員-張士行
委員-王銀添
中文關鍵字 通風系統;風管維護清潔;風管清潔機器人 
英文關鍵字 Industry ventilation system;duct cleaning robots;duct exploration;air duct maintenance 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究的目的是設計一部適合國內風管的探索與清潔機器人,以改善作業環境的通風品質,維護人體健康。隨著國內勞工對作業環境空氣品質的要求隨之增加,而通風管線為影響室內空氣品質的重要因素之一。通風管線自裝設後幾乎從未進行清潔維護,主要的原因即在於風管管線為封閉型,所以各式工具很難進入清潔維護。
目前國外針對風管管線之清潔維護經常使用自動裝置或機器人(Robot)來進行內部探勘及清潔,其體積通常較大,重量也較重,適合國外之大樓風管清潔使用,且售價與製作成本高昂。本論文擬設計與製作一台風管探索與清潔機器人,使其能藉即時影像辨識系統進行探索與清潔決策判斷,並使用於國內之風管管線內部進行清潔任務。研究的項目分有五項,包括:(1)機器人之移動平台設計,(2)清潔機構模組設計,(3)控制電路設計,(4)人機介面設計,(5)機械手臂機構設計。
本研究將可提高風管清潔維護之可行性與效率。此外,可以降低機器人之製作成本,讓台灣的通風管線清潔維護普及化,讓室內環境的空氣品質得以確保,提升國內勞工之工作效率。
英文摘要 The objective of this research is to design and implement a duct exploration cleaning robot to maintain the duct. Industry ventilation is always considered a solution of improving the chemistry damage to the operational environment. The requirement of the air quality of the
operational environment is more and more important than industry ventilation system.
In the literature review, most of them focused on system mechanism design. It seldom mentioned how to clean it. Normally, the duct is not cleaned after the installation due to the closed form configuration. The main reason is that the cleaning tools can not get into the duct easily.
Nowadays, the imported auto-cleaning equipments or robots of
foreign are used to investigate and clean the duct. But these equipments or robots are too heavy and the size is too huge to operate. For these reasons, the imported equipments or robots are expensive and not suitable for the domestic duct in Taiwan. The research works of this thesis are: (1)
the movement platform of the duct cleaning robot, (2) the cleaning mechanism of robot, (3) the control circuit of the robot, (4) the control interface of the robot and (5) the gripper arm of the duct cleaning robot.
The purpose of this research is to design a duct exploration and cleaning robot for the domestic duct and reduce the cost of robot. The performance of the ventilation system will be increased as well and the cleaning operation for the duct will became more popular in Taiwan.
論文目次 中文摘要................................................... I
英文摘要...................................................II
目錄..................................................... IV
圖目錄 ............................................ .......VI
表目錄 .................................................... X
第一章 緒論................................................ 1
1-1、前言 ................................................. 1
1-2、相關文獻 ............................................. 3
1-3、研究動機與目的 ........................................ 11
第二章 基礎理論 ........................................... 13
2-1、RGB 色彩分析 ........................................ 13
2-2、YCbCr 色彩分析 ...................................... 14
2-3、影像二值化 ........................................... 15
第三章 機器人系統 .......................................... 17
3-1、機器人硬體部分 ........................................ 17
3-2、機器人軟體部分 ........................................ 24
第四章 研究步驟 ........................................... 29
4-1、風管清潔機器人之硬體規劃與電路設計 ....................... 29
4-2、控制晶片與機器視覺的控制器設計........................... 31
4-3、即時影像處理及辨識 .................................... 37
4-4、資訊介面 ............................................ 39
4-5、系統整合............................................. 41
4-6、機器人模擬轉彎通過性分析 ............................... 44
第五章 實驗結果與驗證 ...................................... 47
5-1、環境限制與實驗假設 .................................... 47
5-2、清潔系統控制流程 ...................................... 49
5-3、髒汙情形及障礙物影像辨識 ............................... 50
5-4、通過障礙物模擬實驗 .................................... 53
5-5、模擬坡度實驗 ......................................... 55
5-6、直線風管清潔模擬實驗 ................................... 57
第六章結論與討論 ........................................... 60
6-1、結論 ................................................ 60
6-2、討論 ................................................ 62
參考文獻 ................................................. 63

圖目錄
圖1.1 風管機器人正視圖[9] .................................................................... 3
圖1.2 風管機器人側視圖[9] .................................................................... 4
圖1.3 文獻[10]之機器人實體圖 .............................................................. 5
圖1.4 文獻[11]之機器人實體圖 .............................................................. 5
圖1.5 中央空調風管清潔示意圖 ............................................................ 7
圖1.6 WintClean Air 公司風管清潔機器人及清潔模組 ......................... 8
圖1.7 Danduct 公司風管清潔機器人 ....................................................... 9
圖2.1 RGB 色彩混合表現示意圖 .......................................................... 14
圖2.2 YCbCr 色彩空間分佈圖 ............................................................... 15
圖3.1 清潔毛刷實體圖 .......................................................................... 18
圖3.2 直流馬達外觀 .............................................................................. 18
圖3.3 機械手臂 ...................................................................................... 19
圖3.4 機器人移動平台外觀 .................................................................. 22
圖3.5 照明攝影機構 .............................................................................. 23
VII
圖3.6 伺服馬達外觀 .............................................................................. 23
圖3.7 攝影機外觀 .................................................................................. 24
圖3.8 影像擷取畫面 .............................................................................. 25
圖3.9 控制盒外觀 .................................................................................. 26
圖3.10 Basic Stamp 2 控制器外觀 ......................................................... 27
圖3.11 Propeller 控制器外觀 .................................................................. 27
圖4.1 初步設計構想與車台示意圖 ...................................................... 29
圖4.2 模擬風管內部影像 ...................................................................... 31
圖4.3 影像擷取程式主介面 .................................................................. 32
圖4.4 影像進階設定 .............................................................................. 33
圖4.5 影像擷取設定 .............................................................................. 33
圖4.6 人機介面與Basic Stamp 2 控制板傳輸架構 ............................ 34
圖4.7 直流減速馬達 .............................................................................. 36
圖4.8 風管內障礙物影像 ...................................................................... 38
圖4.9 處理後影像 .................................................................................. 38
圖4.10 陀螺儀 ........................................................................................ 39
VIII
圖4.11 三軸加速度計 ............................................................................. 39
圖4.12 通訊阜設定介面 ........................................................................ 40
圖4.13 資料顯示介面 ............................................................................ 40
圖4.14 機構設計流程圖 ........................................................................ 42
圖4.15 風管清潔機器人前視圖 ............................................................ 43
圖4.16 風管清潔機器人側視圖 ............................................................ 43
圖4.17 水平直角風管示意圖 ................................................................ 46
圖5.1 實驗流程圖 .................................................................................. 48
圖5.2 動作控制流程圖 .......................................................................... 49
圖5.3 影像系統介面 .............................................................................. 51
圖5.4 模擬髒汙影像處理結果 ............................................................... 51
圖5.5 模擬障礙物影像處理結果 .......................................................... 52
圖5.6 穿越障礙物攝影連續定格圖 ....................................................... 54
圖5.7 爬坡攝影連續定格圖 ................................................................... 56
圖5.8 模擬風管實體圖 ........................................................................... 58
圖5.9 模擬風管實驗之位置示意圖 ....................................................... 58
圖5.10 模擬風管清潔攝影連續定格圖 ................................................. 59

表目錄
表3.1 國內常用風管規格表 .................................................................. 20
表4.1 直流馬達之基本規格 ................................................................... 36
表6.1 機器人規格比較表 ...................................................................... 61
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[21] WintClean Air 公司:http://www.wintcleanair.com/
[22] Danduct 公司: http://www.danduct.com/
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http://www.nadca.com/international/
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[28] 維基百科(http://en.wikipedia.org/wiki/YCbCr)
[29] 美明實業股份有限公司: http://www.mmfrp.com.tw/pro-c.htm
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[31] Yu-Chang Hu, “Image Motion Estimation for Medical Image
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