應(yīng)用TRIZ理論對太陽能清潔玻璃擦的創(chuàng)新設(shè)計研究

在社會不斷發(fā)展進(jìn)步的今天，國民生產(chǎn)水平不斷提高，人口數(shù)量不斷增長，使得高層建筑不斷興建，并且隨著人們審美水平的提高，以玻璃為代表的壁面結(jié)構(gòu)逐漸取代傳統(tǒng)的粉刷涂層，但在更加簡潔美觀前景下是繁重的壁面清洗任務(wù)。尤其是對高層住戶來說，窗戶清潔更是剛性需求的清潔項目。而目前我國現(xiàn)有清潔方式不僅費(fèi)時、費(fèi)力、清潔程度低而且危險系數(shù)高，針對這些問題應(yīng)用了TRIZ理論進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，解決現(xiàn)有玻璃清潔器技術(shù)及物理矛盾等。首先采用納米海綿的物理去污機(jī)理，依靠海綿內(nèi)的納米級毛細(xì)管開孔結(jié)構(gòu)，結(jié)合納米二氧化鈦光催化原理，輔助降解，自動吸附玻璃表面的污漬；利用紅外感應(yīng)、SLAM和自動控制技術(shù)，自主規(guī)劃路徑，實(shí)現(xiàn)同步定位、地圖構(gòu)建、遙控和測距等功能；結(jié)合可再生資源太陽能，使蓄電池和太陽能交替循環(huán)供電；最后通過無人機(jī)的運(yùn)載、電腦智能終端的控制、永磁的雙層工作方式，實(shí)現(xiàn)對玻璃的自動化全方位清潔，不僅降低了對人力、財力、物力的浪費(fèi)，而且很好的解決一系列現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際問題，具有廣闊的發(fā)展前景。

1  現(xiàn)有玻璃清潔擦存在的矛盾

1.1  物理矛盾

（1）目前市場上玻璃清潔多為人工自行操作，準(zhǔn)備工作較復(fù)雜，成本較高，既費(fèi)時費(fèi)力又具有危險性。

（2）現(xiàn)行玻璃清潔多為伸縮桿式、吊籃式、吊索軌道式，通過橡膠刮刀除掉留在玻璃上的水和污澤，而無法對玻璃幕墻內(nèi)外窗進(jìn)行同步擦洗，存在清洗范圍不全面、不方便、不徹底等諸多清潔問題。

（3）已有的清潔裝置多采用塑料或其他耐受性不持久的材料制成，體積較為龐大，

靈活性較低。

1.2  技術(shù)矛盾

（1）市場上現(xiàn)有的為玻璃清潔器提供動力的，大多為各種式樣規(guī)格的電池蓄電池，不

僅續(xù)航能力弱，而且對環(huán)境危害極大，不利于構(gòu)建生態(tài)文明社會。

（2）在進(jìn)行壁面清洗過程中在所難免會遇到許多障礙，而目前的越障功能還沒有得到很好的解決，現(xiàn)有的蜘蛛式越障操作復(fù)雜繁瑣，結(jié)合使用場景局限性等，不宜推廣。

（3）針對玻璃清潔器本身的安全方面的防護(hù)措施和保護(hù)預(yù)案幾乎沒有。

2  應(yīng)用TRIZ理論對太陽能清潔玻璃擦的創(chuàng)新設(shè)計

2.1  可再生資源——太陽能

在當(dāng)今飛速發(fā)展的社會生活中，隨著一些能源的利用，不可再生資源的遞減，可再生資源無疑成為了這個社會炙手可熱的新型能源。所以應(yīng)用TRIZ理論利用太陽能板開發(fā)成本低、開發(fā)潛力大、耗能較低等優(yōu)點(diǎn)，將其放置在玻璃清潔擦最外層，由太陽能轉(zhuǎn)化為電能，為玻璃清潔擦提供動力，這樣既減少能源的浪費(fèi)，又較優(yōu)的延長玻璃清潔擦的使用壽命等。

2.2  附著清潔方式——雙層永磁

壁面清洗大致有真空、負(fù)壓和磁力三種附著方式，每種都有顯著的優(yōu)勢和限制因素。結(jié)合壁面不同材質(zhì)、高度、構(gòu)造、污染化程度等，應(yīng)用TRIZ理論選擇出最優(yōu)解決方案，最終在玻璃清潔器中提出利用磁體NS相吸原理，將玻璃清潔器設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)，可讓玻璃清潔器完全吸附在玻璃內(nèi)外面，實(shí)現(xiàn)玻璃內(nèi)外的同步清潔。

2.3  越障方式——驅(qū)動履帶及三角輪

清潔器在進(jìn)行壁面清洗過程中在所難免會遇到障礙，比如建筑物表面材料的不平整，窗框之間的凸起等，這些看似細(xì)小的細(xì)節(jié)，每一種都會或多或少地給機(jī)器人的工作帶來危險。

傳統(tǒng)玻璃清潔費(fèi)時、費(fèi)力，更無法解決越障等問題，所以應(yīng)用TRIZ理論在玻璃清潔器移動方面，將在玻璃清潔器底部最前方安裝三角輪，可以在任何方向移動，實(shí)現(xiàn)裝置移動的靈活性；在玻璃清潔器底部兩側(cè)，安裝驅(qū)動履帶，實(shí)現(xiàn)窗戶與窗戶之間的跨障礙移動。

2.4  智能監(jiān)測系統(tǒng)——SLAM技術(shù)

對于灰塵的智能清潔，應(yīng)用TRIZ理論安裝微型紅外線攝像頭和紅外線測距傳感器，來實(shí)現(xiàn)裝置的智能清潔。即應(yīng)用所面對障礙物體積、距離不同，紅外的信號感應(yīng)強(qiáng)度各異原理，識別、規(guī)劃和監(jiān)測路徑；利用SLAM技術(shù)——及時定位與地圖構(gòu)建，或并發(fā)建圖與定位。通過概率統(tǒng)計和多特征匹配來達(dá)到定位基準(zhǔn)和減少定位誤差等?？梢悦枋鰹椋簩⒁粋€機(jī)器人放入未知環(huán)境中的未知位置，是否有辦法讓機(jī)器人一邊移動一邊逐步描繪出環(huán)境完整的地圖構(gòu)建。利用以上技術(shù)，將工作中的環(huán)境描繪出來，進(jìn)行掃描、測距并識別出灰塵的位置，進(jìn)行智能清潔。通過這點(diǎn)，可讓玻璃清潔器實(shí)現(xiàn)自動規(guī)劃路線、偵測窗框、自動清潔窗戶等。

2.5  遠(yuǎn)程操控——電腦智能終端

在一些應(yīng)用場景下，除了機(jī)器自主智能運(yùn)行外，還可人為遠(yuǎn)程參與和操作，即應(yīng)用TRIZ理論利用電腦或手機(jī)的智能終端，通過清潔玻璃器上的傳感器來捕捉其是否靜止或運(yùn)動時的一切信息。如從終端上能夠獲取清潔玻璃器的實(shí)時高度、清潔面積、清潔程度及自身工作狀態(tài)等，從而實(shí)現(xiàn)對清潔器的遠(yuǎn)程操控。同時也提出在玻璃清潔器中安裝紅外遙感器，配置可遙控娛樂的手柄，增加趣味性，操控機(jī)器更方便。

2.6  安放方式——自運(yùn)行或無人機(jī)運(yùn)載

雖然清潔器足以在大多數(shù)的矮中高玻璃幕墻實(shí)現(xiàn)自由行走，簡易越障，智能到達(dá)指定高度和位置，但對于一些特殊的高層建筑，難度系數(shù)較大，人為放置更會增加危險性，所以應(yīng)用TRIZ理論采用無人機(jī)運(yùn)載，由人控制無人機(jī)，無人機(jī)運(yùn)載玻璃清潔器飛至高空，抵達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)，從而實(shí)行高空的清潔。

2.7  智能報警防掉落系統(tǒng)

在外形、運(yùn)行、智能終端、軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)、機(jī)型配置皆已完善的前提下，出于安全考慮，以防機(jī)器在運(yùn)行中掉落而引起不必要的損失和傷害，應(yīng)用TRIZ理論在裝置中安裝智能報警防掉落系統(tǒng)。一旦玻璃清潔器脫離玻璃表面，紅外感應(yīng)器會最先感知、識別并做出判斷，一方面會向電腦智能終端輸送信號，提前預(yù)警；另一方面激活應(yīng)急系統(tǒng)，達(dá)到在機(jī)體掉落的瞬間，其內(nèi)部安全降落傘的立即彈出，從而實(shí)現(xiàn)安全降落的目的。

3  應(yīng)用TRIZ理論對太陽能清潔玻璃擦的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計（最終理想解）

應(yīng)用TRIZ理論對太陽能清潔玻璃擦的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計如下：

3.1  俯視結(jié)構(gòu)——玻璃內(nèi)側(cè)外機(jī)身

（1）外表面留有三角形設(shè)計，內(nèi)部為儲水海綿，由水、酒精、乙二醇、納米二氧化鈦等化學(xué)成分輔助降解，清潔后的液體與兩側(cè)清潔盤等建立廢水回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效的循環(huán)利用。

（2）由于清洗任務(wù)需要在高空中完成，所以很多時候地面工作人員無法用肉眼判斷出工作狀況，所以需要在清洗擦中部位置上安裝相應(yīng)的攝像裝置和傳感器，其利用SLAM技術(shù)（同步定位與地圖構(gòu)建軟件技術(shù)）與紅外感應(yīng)相結(jié)合，繪制出玻璃面的全景圖，從而控制玻璃擦的移動。完成一些情況的自我判斷，類似于工作位置、環(huán)境和狀態(tài)等，清潔擦能輕松完成自我檢測任務(wù)，形成良好地互動。 

（3）玻璃擦表面更有利用人體工程學(xué)設(shè)計的手柄，便捷舒適。

3.2  仰視結(jié)構(gòu)——緊挨玻璃側(cè)的機(jī)身及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（1）玻璃兩側(cè)裝置相同，均有三角輪和兩驅(qū)動履帶設(shè)計。移動裝置采用的履帶式,應(yīng)用增大接觸面積，壓強(qiáng)減小等原理，改善其附著面小不穩(wěn)定，適應(yīng)性能力弱，越障無法實(shí)現(xiàn)等問題。

利用齒輪傳動系統(tǒng)使驅(qū)動履帶帶動清潔盤勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，以及機(jī)械學(xué)家萊洛研究三角輪的穩(wěn)固、堅定、耐壓等特性，使驅(qū)動履帶和三角輪完美協(xié)作實(shí)現(xiàn)越障功能。

（2）三角輪下為耐用可更換的清潔棉設(shè)計。納米清潔海綿采用物理去污的機(jī)理，依靠納米級毛細(xì)管開孔結(jié)構(gòu)，基于納米TIO2光催化反應(yīng)，氧化分解有機(jī)物和細(xì)菌，達(dá)到短期殺菌除臭、節(jié)能實(shí)用，安全環(huán)保的目的。

（3）兩側(cè)是可轉(zhuǎn)動清潔盤與超細(xì)纖維清潔布的結(jié)合，不僅協(xié)助普通擦拭，更是針對拐角去污。較好解決了盲區(qū)清潔問題。

（4）驅(qū)動輪下為“仿汽車雨刮器”刮水條設(shè)計。與支撐架、直流電機(jī)、清潔盤、接水板和刮水板等形成廢水回收過濾系統(tǒng)，從而達(dá)到壁面清洗和廢水回收的目的。

清洗系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)方式：通過電機(jī)驅(qū)動三角輪帶動清潔盤達(dá)到清洗目的,兩側(cè)清潔盤與刮水條形成的封閉井帶有回流過濾系統(tǒng),從而達(dá)到壁面清洗和廢水回收的目的。

3.3  側(cè)視結(jié)構(gòu)——外側(cè)將置于和機(jī)體剖面大小相同可再生資源——太陽能板

（1）清潔器能源供給方式:常見的內(nèi)置電池，但其制約著清潔器連續(xù)工作時長和輸出功率；較為先進(jìn)的纜供電,其嚴(yán)重限制了清潔器的移動范圍和應(yīng)用場所。

由上述可知清潔器移動、運(yùn)行的能源問題是一大困擾因素。所以將在機(jī)身安置太陽能板，整個移動裝置動能來自太陽能和電能,即可直充也可通過太陽能供給使用。其原理是把光能轉(zhuǎn)化為直流電，再通過太陽能控制器、逆變器、蓄電池最終轉(zhuǎn)化為交流電。為其提供循環(huán)不斷地電量，成功預(yù)防斷電后意外的發(fā)生，節(jié)能環(huán)保。

（2）在太陽能板與內(nèi)核系統(tǒng)間安有永磁，其核心部件為兩塊堪稱“磁王”的釹鐵硼強(qiáng)力磁鐵，利用磁場作用N、S極相吸，實(shí)現(xiàn)雙層清潔的工作方式。

清潔玻璃擦結(jié)構(gòu)、功能、運(yùn)行詳解：

技術(shù)工作原理：利用太陽能供電，達(dá)到綠色節(jié)能環(huán)保的目的；結(jié)合納米清潔海綿，對玻璃面污垢進(jìn)行吸附式清潔處理；利用磁體NS相吸原理，將其設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)；結(jié)合自動控制和紅外遙感技術(shù)，使其更加便于操控；并利用萬向輪，減少其在清潔時的阻力等，實(shí)現(xiàn)了太陽能雙層可控清潔擦的創(chuàng)新設(shè)計。 

制動轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：其制動裝置依靠太陽能電磁板、蓄電池，由太陽能電磁板提供電能帶動玻璃擦的運(yùn)行，其特點(diǎn)具有使用壽命長、減少能源浪費(fèi)等特點(diǎn)。（注：蓄電池是對太陽能電磁板轉(zhuǎn)化的多余的電能進(jìn)行儲蓄）。

外聯(lián)智能系統(tǒng)：首先通過無人機(jī)將清潔玻璃器送到指定位置；再利用電腦或手機(jī)的智能終端，通過清潔玻璃器上的傳感器來捕捉其是否靜止或運(yùn)動時的一切信息。（如：從終端上能夠獲取清潔玻璃器的實(shí)時高度、清潔面積、清潔程度及自身工作狀態(tài)等）從而實(shí)現(xiàn)對清潔器的遠(yuǎn)程操控。

為了玻璃清潔擦的使用周期壽命和可持續(xù)利用性，為其裝備上了自動警報系統(tǒng)，可在動力匱乏時能迅速提醒使用者，作出反應(yīng)防止不必要的損失，因太陽能雙層清潔擦較適用于高層建筑物的玻璃清潔，所以還為產(chǎn)品安裝了與降落傘工作原理相一致的類降落傘，使機(jī)體在不慎掉落時傘包能夠自動彈出，安全降落到地面上（降落裝置的材質(zhì)和大小不僅與機(jī)型的質(zhì)量和體積呈正比，而且還會根據(jù)玻璃清潔器發(fā)生掉落時所受的重力和降落傘展開后受到向上的空氣阻力等正負(fù)加和，計算出最大承重力等，有效保證玻璃清潔器由高層發(fā)生意外掉落時的勻速安全降落）。

4  太陽能清潔玻璃擦的應(yīng)用及推廣

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，高樓大廈拔地而起，美觀的玻璃幕墻應(yīng)用越來越多，但由于常年受日曬、風(fēng)吹雨打及大氣中的化學(xué)侵蝕，極易被風(fēng)化，產(chǎn)生污垢，嚴(yán)重影響建筑物的標(biāo)致和市容。所以基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及人們對于生活、工作環(huán)境的要求不斷提高，應(yīng)用TRIZ理論對太陽能雙層清潔玻璃擦進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計研究，采用SLAM技術(shù)和紅外攝像頭，輔助玻璃擦進(jìn)行對玻璃表面清潔程度的監(jiān)測，規(guī)劃玻璃擦清潔路徑，并與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相互協(xié)調(diào)，紅外線傳感器測距數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)端傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備控制端，控制終端和玻璃擦能進(jìn)行良好交互；控制設(shè)備可以根據(jù)玻璃擦應(yīng)答對本次操作結(jié)果進(jìn)行提示，實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行；玻璃擦有一定的跨越障礙物功能，且其上裝有紅外線攝像頭為地面操作者提供操作信息，更好地體現(xiàn)太陽能雙層清潔玻璃擦在高工作業(yè)中智能化的優(yōu)勢。使用無人機(jī)將太陽能雙層清潔玻璃擦輸送到其工作的區(qū)域，大大的降低了工作人員施工的危險性。其內(nèi)部自動報警系統(tǒng)設(shè)計在高空作業(yè)時，可有效防止因風(fēng)雪、雨、大霧、低溫等惡劣天氣造成玻璃擦掉落，給工作區(qū)域以下的活動的人群帶來傷害。

應(yīng)用TRIZ理論對太陽能雙層清潔玻璃擦的創(chuàng)新設(shè)計很好地解決了目前清潔作業(yè)成本高、難度大、效率低、危險性高等問題，不僅節(jié)約資源、新穎獨(dú)特，而且降低了清潔成本、提高了工作效率，作為一種創(chuàng)新型的高空作業(yè)技術(shù)產(chǎn)品，很好解決了一系列現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際問題，具有十分重要的意義。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://m.00559.cn/w/qk/21223.html