淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
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系統識別號 U0002-1708200912270400
中文論文名稱 風管清潔機器人之機構設計與研發
英文論文名稱 The Development and Design of Duct Cleaning Equipment
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 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 葉書瑞
研究生英文姓名 Shu-Jui Yeh
學號 696371995
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-23
論文頁數 83頁
口試委員 指導教授-楊智旭
委員-張振平
委員-翁慶昌
中文關鍵字 通風管線  風管維護清潔  風管清潔機器人 
英文關鍵字 Ventilation System  Duct Cleaning Maintenance  Duct Cleaning Robot 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本論文研究目的是設計一部風管清潔機器人,主要研究項目包括:(1)移動平台設計,(2)清潔機構設計,(3)機構輕量化設計,(4)控制電路設計,(5)控制介面設計,和(6)機器視覺設計,達到機器人能夠進入風管系統內部探勘與清潔維護,因為國內尚無風管清潔機器人,而國外所發展的機器人重量與尺寸大小不符合國內需求,成本也相當昂貴,所以本研究成果將可提供國內產業使用。
研究成果包括完成機構上的設計與改良,使機器人具有穩定的機體結構與承載之功能;採用履帶驅動,使其行進時更加穩定,提升穿越障礙物時車體穩定性;機體重量也考量輕量化設計方案,讓風管能承載機器人之重量;加裝清潔機構,讓機器人具有清潔風管之基本能力,經由機電整合後可使其成為具有清潔維護通風管線系統功能的風管清潔機器人。
經由實驗測試結果得知,目前風管清潔機器人具有可控制之能力、可前後行走、原地旋轉、穿越障礙物、影像傳輸等功能,可利用本研究所建立之雛型機構作為未來改進的參考,進一步設計將以輕量化、縮小化為目標,使清潔機器人各方面功能均得到提升,發展出更適合國內需求之風管清潔機器人。
英文摘要 The objective of this thesis is to design a duct cleaning robot. The research work includes: (1) a platform design, (2) a cleaning mechanism design, (3) weight optimum design, (4) electrical circuit design, (5) control interface design, and (6) machine vision design. The duct cleaning robot can be applied into the ventilation system for detection and cleaning. Because there is no duct cleaning robot in Taiwan now and imported duct cleaning robot is too heavy, too expensive and the bulk is too huge which are not suitable for the domestic duct. So, the research result will be a good solution for domestic robotic appliance.
The research includes redesign and modify the structural mechanison for more loading ability. The tracked is applied to be the transmission part of this robot in order to improve its dynamic stability and capability of overcoming obstacle. The weight optimum design is able to reduce its own weight in order to improve its loading capability. The cleaning mechanism is installed on this robot to implement its cleaning capability. Finally, the duct cleaning robot is tested by experiment after integration of all these sub-systems.
From the experimental results, this robot can be controlled to move forward and backward, rotate with respect to a fixed axis, overcome obstacles and transmit images capability. A future study will be focused on the modification of this developed prototype. Hopely, a lither and reductive robot will be developed to clean a duct of the domestic ventilation system.
論文目次 目錄
誌謝 I
中文摘要 II
英文摘要 IV
目錄 VI
圖目錄 IX
表目錄 XII
第一章 序論 1
1.1. 前言 1
1.2. 研究動機與目的 1
1.3. 文獻回顧 4
第二章 風管清潔機器人之雛型架構 15
2.1. 機器人機構系統 15
2.1.1. 整體系統架構 15
2.1.2. 機械結構系統 16
2.2. 驅動系統與電源電路系統 24
2.2.1. 機器人驅動系統與電源電路系統架構 24
2.2.2. 電源穩壓電路 27
2.2.3. 馬達驅動電路 29
2.2.4. 資料處理模組 32
第三章 研究方法與步驟 36
3.1. 風管清潔機器人之硬體規劃與設計 36
3.1.1. 規劃與設計 36
3.1.2. 設計與改善方案 37
3.1.3. 機構改良設計 43
3.2. 控制晶片與機器視覺之控制系統 46
3.3. 進行系統整合實驗測試分析 46
第四章 實驗結果與未來改進方案 47
4.1. 風管清潔機器人之機構改良與設計 47
4.1.1. 結構材料 50
4.1.2. 車體機構設計 50
4.1.3. 履帶 51
4.1.4. 攝影機構 53
4.1.5. 清潔機構 53
4.1.6. 傳輸方式 57
4.2. 風管清潔機器人之電路改良與設計 58
4.2.1. 系統開發工作平台更換 59
4.2.2. 加速度感測器電路架設之實作 60
4.3. 清潔機器人之人機界面改良與設計 61
4.3.1. 遠端操控架構 62
4.3.2. 軟硬體架構 62
4.3.3. 人機監控架構 64
第五章 結論與未來展望 74
5.1 結論 74
5.2 未來展望 76
參考文獻 78
附錄 81
附錄一 81
附錄二 82
圖目錄
圖1.1 雲林科技大學研製之風管機器人正視圖 [10] 5
圖1.2 雲林科技大學研製之風管機器人側視圖 [10] 5
圖1.3 雲林科技大學研製之馬達驅動硬體架構圖 [10] 6
圖1.4 雲林科技大學研製之風管機器人實體電路板 [10] 7
圖1.5 雲林科技大學研製之風管機器人攝影機與鏡頭組立圖 [10] 8
圖1.6 SEGWAY自走車 10
圖1.7 韓國 HUBO為足型機器人 10
圖1.8 坦克車體圖 11
圖1.9 瑞典WINTCLEAN AIR公司生產的風管清潔機器人 [17] 12
圖1.10 瑞典WINTCLEAN AIR公司開發的五種功能 [17] 13
圖1.11 丹麥DANDUCT 公司所生產的風管清潔機器人 [18] 14
圖2.1 本論文所設計的履帶型風管清潔機器人實體圖 15
圖2.2 風管清潔機器人等視圖 17
圖2.3 風管清潔機器人右視圖 17
圖2.4 風管清潔機器人前視圖 17
圖2.5 風管清潔機器人上視圖 18
圖2.6 遠端遙控車體分解圖 19
圖2.7 穿越障礙物分解圖 21
圖2.8 爬坡分解圖 23
圖2.9 馬達驅動電路與電源轉換電路 25
圖2.10 馬達回授微處理器轉接電路 25
圖2.11 ALTERA公司所開發的SOPC開發板 26
圖2.12 電路設計區塊圖 27
圖2.13 APW7080穩壓IC的參考電路 29
圖2.14 POLOLU 30A MOTOR DC DRIVER 模組之實體圖 31
圖2.15 人機介面與SOPC開發板傳輸架構 32
圖2.16 MAXON公司馬達型號300869之馬達實體圖 35
圖3.1 初步設計馬達固定方式 37
圖3.2 初步設計短連結塊之馬達固定方式 38
圖3.3 舵輪軸心部分鑽孔、攻螺牙 40
圖3.4 馬達固定片 41
圖3.5 馬達軸鑽孔攻牙圖 42
圖3.6 齒輪連結塊與馬達軸連結圖 42
圖3.7 齒輪連結塊改良圖 43
圖3.8 齒輪連結塊改良前後圖 44
圖3.9 凹槽裝置改良圖 44
圖3.10 短連結塊改良圖 45
圖3.11 長連結塊改良圖 45
圖4.1 初期研究所設計之履帶型風管清潔機器人實體圖 48
圖4.2 機器人硬體機構之預期成果示意圖 51
圖4.3 原履帶,寬:5公分,重量:280克 52
圖4.4 欲更換履帶,寬:2.2公分,重量:90克 52
圖4.5 本論文所使用之清潔機構 54
圖4.6 機器人裝置清潔機構示意圖 (未裝置) 55
圖4.7 機器人裝置清潔機構示意圖 (已裝置) 55
圖4.8 整體流程圖 56
圖4.9 初期所完成之驅動系統與電源電路系統實體圖 58
圖4.10 HITACHI 公司所推出的型號H48C 三軸加速度計 61
圖4.11 遠端操控架構 62
圖4.12 機器人端架構 63
圖4.13 第一版介面 65
圖4.14 第二版介面 66
圖4.15 機器人的人機介面之預期成果 69
圖4.16 影像擷取程式主介面 71
圖4.17 調整選單 71
圖4.18 鏡頭靜止(左圖),鏡頭晃動(右圖) 73
表目錄
表2.1 腳位名稱與用途 30
表2.2 POLOLU 30A 高功率DC馬達驅動器規格 31
表2.3 馬達封包格式 33
表2.4 MAXON公司馬達型號300869之基本規格 35
表4.1 介面功能項目表 68
表4.2 影像功能項目表 72
參考文獻 參考文獻
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