应用TRIZ理论对太阳能清洁玻璃擦的创新设计研究

在社会不断发展进步的今天，国民生产水平不断提高，人口数量不断增长，使得高层建筑不断兴建，并且随着人们审美水平的提高，以玻璃为代表的壁面结构逐渐取代传统的粉刷涂层，但在更加简洁美观前景下是繁重的壁面清洗任务。尤其是对高层住户来说，窗户清洁更是刚性需求的清洁项目。而目前我国现有清洁方式不仅费时、费力、清洁程度低而且危险系数高，针对这些问题应用了TRIZ理论进行创新设计，解决现有玻璃清洁器技术及物理矛盾等。首先采用纳米海绵的物理去污机理，依靠海绵内的纳米级毛细管开孔结构，结合纳米二氧化钛光催化原理，辅助降解，自动吸附玻璃表面的污渍；利用红外感应、SLAM和自动控制技术，自主规划路径，实现同步定位、地图构建、遥控和测距等功能；结合可再生资源太阳能，使蓄电池和太阳能交替循环供电；最后通过无人机的运载、电脑智能终端的控制、永磁的双层工作方式，实现对玻璃的自动化全方位清洁，不仅降低了对人力、财力、物力的浪费，而且很好的解决一系列现实生活中的实际问题，具有广阔的发展前景。

1  现有玻璃清洁擦存在的矛盾

1.1  物理矛盾

（1）目前市场上玻璃清洁多为人工自行操作，准备工作较复杂，成本较高，既费时费力又具有危险性。

（2）现行玻璃清洁多为伸缩杆式、吊篮式、吊索轨道式，通过橡胶刮刀除掉留在玻璃上的水和污泽，而无法对玻璃幕墙内外窗进行同步擦洗，存在清洗范围不全面、不方便、不彻底等诸多清洁问题。

（3）已有的清洁装置多采用塑料或其他耐受性不持久的材料制成，体积较为庞大，

灵活性较低。

1.2  技术矛盾

（1）市场上现有的为玻璃清洁器提供动力的，大多为各种式样规格的电池蓄电池，不

仅续航能力弱，而且对环境危害极大，不利于构建生态文明社会。

（2）在进行壁面清洗过程中在所难免会遇到许多障碍，而目前的越障功能还没有得到很好的解决，现有的蜘蛛式越障操作复杂繁琐，结合使用场景局限性等，不宜推广。

（3）针对玻璃清洁器本身的安全方面的防护措施和保护预案几乎没有。

2  应用TRIZ理论对太阳能清洁玻璃擦的创新设计

2.1  可再生资源——太阳能

在当今飞速发展的社会生活中，随着一些能源的利用，不可再生资源的递减，可再生资源无疑成为了这个社会炙手可热的新型能源。所以应用TRIZ理论利用太阳能板开发成本低、开发潜力大、耗能较低等优点，将其放置在玻璃清洁擦最外层，由太阳能转化为电能，为玻璃清洁擦提供动力，这样既减少能源的浪费，又较优的延长玻璃清洁擦的使用寿命等。

2.2  附着清洁方式——双层永磁

壁面清洗大致有真空、负压和磁力三种附着方式，每种都有显著的优势和限制因素。结合壁面不同材质、高度、构造、污染化程度等，应用TRIZ理论选择出最优解决方案，最终在玻璃清洁器中提出利用磁体NS相吸原理，将玻璃清洁器设计为双层结构，可让玻璃清洁器完全吸附在玻璃内外面，实现玻璃内外的同步清洁。

2.3  越障方式——驱动履带及三角轮

清洁器在进行壁面清洗过程中在所难免会遇到障碍，比如建筑物表面材料的不平整，窗框之间的凸起等，这些看似细小的细节，每一种都会或多或少地给机器人的工作带来危险。

传统玻璃清洁费时、费力，更无法解决越障等问题，所以应用TRIZ理论在玻璃清洁器移动方面，将在玻璃清洁器底部最前方安装三角轮，可以在任何方向移动，实现装置移动的灵活性；在玻璃清洁器底部两侧，安装驱动履带，实现窗户与窗户之间的跨障碍移动。

2.4  智能监测系统——SLAM技术

对于灰尘的智能清洁，应用TRIZ理论安装微型红外线摄像头和红外线测距传感器，来实现装置的智能清洁。即应用所面对障碍物体积、距离不同，红外的信号感应强度各异原理，识别、规划和监测路径；利用SLAM技术——及时定位与地图构建，或并发建图与定位。通过概率统计和多特征匹配来达到定位基准和减少定位误差等。可以描述为：将一个机器人放入未知环境中的未知位置，是否有办法让机器人一边移动一边逐步描绘出环境完整的地图构建。利用以上技术，将工作中的环境描绘出来，进行扫描、测距并识别出灰尘的位置，进行智能清洁。通过这点，可让玻璃清洁器实现自动规划路线、侦测窗框、自动清洁窗户等。

2.5  远程操控——电脑智能终端

在一些应用场景下，除了机器自主智能运行外，还可人为远程参与和操作，即应用TRIZ理论利用电脑或手机的智能终端，通过清洁玻璃器上的传感器来捕捉其是否静止或运动时的一切信息。如从终端上能够获取清洁玻璃器的实时高度、清洁面积、清洁程度及自身工作状态等，从而实现对清洁器的远程操控。同时也提出在玻璃清洁器中安装红外遥感器，配置可遥控娱乐的手柄，增加趣味性，操控机器更方便。

2.6  安放方式——自运行或无人机运载

虽然清洁器足以在大多数的矮中高玻璃幕墙实现自由行走，简易越障，智能到达指定高度和位置，但对于一些特殊的高层建筑，难度系数较大，人为放置更会增加危险性，所以应用TRIZ理论采用无人机运载，由人控制无人机，无人机运载玻璃清洁器飞至高空，抵达目标地点，从而实行高空的清洁。

2.7  智能报警防掉落系统

在外形、运行、智能终端、软件系统、硬件系统、机型配置皆已完善的前提下，出于安全考虑，以防机器在运行中掉落而引起不必要的损失和伤害，应用TRIZ理论在装置中安装智能报警防掉落系统。一旦玻璃清洁器脱离玻璃表面，红外感应器会最先感知、识别并做出判断，一方面会向电脑智能终端输送信号，提前预警；另一方面激活应急系统，达到在机体掉落的瞬间，其内部安全降落伞的立即弹出，从而实现安全降落的目的。

3  应用TRIZ理论对太阳能清洁玻璃擦的结构功能设计（最终理想解）

应用TRIZ理论对太阳能清洁玻璃擦的结构功能设计如下：

3.1  俯视结构——玻璃内侧外机身

（1）外表面留有三角形设计，内部为储水海绵，由水、酒精、乙二醇、纳米二氧化钛等化学成分辅助降解，清洁后的液体与两侧清洁盘等建立废水回收系统，实现高效的循环利用。

（2）由于清洗任务需要在高空中完成，所以很多时候地面工作人员无法用肉眼判断出工作状况，所以需要在清洗擦中部位置上安装相应的摄像装置和传感器，其利用SLAM技术（同步定位与地图构建软件技术）与红外感应相结合，绘制出玻璃面的全景图，从而控制玻璃擦的移动。完成一些情况的自我判断，类似于工作位置、环境和状态等，清洁擦能轻松完成自我检测任务，形成良好地互动。 

（3）玻璃擦表面更有利用人体工程学设计的手柄，便捷舒适。

3.2  仰视结构——紧挨玻璃侧的机身及其内部结构

（1）玻璃两侧装置相同，均有三角轮和两驱动履带设计。移动装置采用的履带式,应用增大接触面积，压强减小等原理，改善其附着面小不稳定，适应性能力弱，越障无法实现等问题。

利用齿轮传动系统使驱动履带带动清洁盘匀速运转，以及机械学家莱洛研究三角轮的稳固、坚定、耐压等特性，使驱动履带和三角轮完美协作实现越障功能。

（2）三角轮下为耐用可更换的清洁棉设计。纳米清洁海绵采用物理去污的机理，依靠纳米级毛细管开孔结构，基于纳米TIO2光催化反应，氧化分解有机物和细菌，达到短期杀菌除臭、节能实用，安全环保的目的。

（3）两侧是可转动清洁盘与超细纤维清洁布的结合，不仅协助普通擦拭，更是针对拐角去污。较好解决了盲区清洁问题。

（4）驱动轮下为“仿汽车雨刮器”刮水条设计。与支撑架、直流电机、清洁盘、接水板和刮水板等形成废水回收过滤系统，从而达到壁面清洗和废水回收的目的。

清洗系统的主要实现方式：通过电机驱动三角轮带动清洁盘达到清洗目的,两侧清洁盘与刮水条形成的封闭井带有回流过滤系统,从而达到壁面清洗和废水回收的目的。

3.3  侧视结构——外侧将置于和机体剖面大小相同可再生资源——太阳能板

（1）清洁器能源供给方式:常见的内置电池，但其制约着清洁器连续工作时长和输出功率；较为先进的缆供电,其严重限制了清洁器的移动范围和应用场所。

由上述可知清洁器移动、运行的能源问题是一大困扰因素。所以将在机身安置太阳能板，整个移动装置动能来自太阳能和电能,即可直充也可通过太阳能供给使用。其原理是把光能转化为直流电，再通过太阳能控制器、逆变器、蓄电池最终转化为交流电。为其提供循环不断地电量，成功预防断电后意外的发生，节能环保。

（2）在太阳能板与内核系统间安有永磁，其核心部件为两块堪称“磁王”的钕铁硼强力磁铁，利用磁场作用N、S极相吸，实现双层清洁的工作方式。

清洁玻璃擦结构、功能、运行详解：

技术工作原理：利用太阳能供电，达到绿色节能环保的目的；结合纳米清洁海绵，对玻璃面污垢进行吸附式清洁处理；利用磁体NS相吸原理，将其设计为双层结构；结合自动控制和红外遥感技术，使其更加便于操控；并利用万向轮，减少其在清洁时的阻力等，实现了太阳能双层可控清洁擦的创新设计。 

制动转换系统：其制动装置依靠太阳能电磁板、蓄电池，由太阳能电磁板提供电能带动玻璃擦的运行，其特点具有使用寿命长、减少能源浪费等特点。（注：蓄电池是对太阳能电磁板转化的多余的电能进行储蓄）。

外联智能系统：首先通过无人机将清洁玻璃器送到指定位置；再利用电脑或手机的智能终端，通过清洁玻璃器上的传感器来捕捉其是否静止或运动时的一切信息。（如：从终端上能够获取清洁玻璃器的实时高度、清洁面积、清洁程度及自身工作状态等）从而实现对清洁器的远程操控。

为了玻璃清洁擦的使用周期寿命和可持续利用性，为其装备上了自动警报系统，可在动力匮乏时能迅速提醒使用者，作出反应防止不必要的损失，因太阳能双层清洁擦较适用于高层建筑物的玻璃清洁，所以还为产品安装了与降落伞工作原理相一致的类降落伞，使机体在不慎掉落时伞包能够自动弹出，安全降落到地面上（降落装置的材质和大小不仅与机型的质量和体积呈正比，而且还会根据玻璃清洁器发生掉落时所受的重力和降落伞展开后受到向上的空气阻力等正负加和，计算出最大承重力等，有效保证玻璃清洁器由高层发生意外掉落时的匀速安全降落）。

4  太阳能清洁玻璃擦的应用及推广

随着国内经济快速发展，高楼大厦拔地而起，美观的玻璃幕墙应用越来越多，但由于常年受日晒、风吹雨打及大气中的化学侵蚀，极易被风化，产生污垢，严重影响建筑物的标致和市容。所以基于物联网技术以及人们对于生活、工作环境的要求不断提高，应用TRIZ理论对太阳能双层清洁玻璃擦进行创新设计研究，采用SLAM技术和红外摄像头，辅助玻璃擦进行对玻璃表面清洁程度的监测，规划玻璃擦清洁路径，并与物联网技术相互协调，红外线传感器测距数据通过远端传输到移动设备控制端，控制终端和玻璃擦能进行良好交互；控制设备可以根据玻璃擦应答对本次操作结果进行提示，实现智能化运行；玻璃擦有一定的跨越障碍物功能，且其上装有红外线摄像头为地面操作者提供操作信息，更好地体现太阳能双层清洁玻璃擦在高工作业中智能化的优势。使用无人机将太阳能双层清洁玻璃擦输送到其工作的区域，大大的降低了工作人员施工的危险性。其内部自动报警系统设计在高空作业时，可有效防止因风雪、雨、大雾、低温等恶劣天气造成玻璃擦掉落，给工作区域以下的活动的人群带来伤害。

应用TRIZ理论对太阳能双层清洁玻璃擦的创新设计很好地解决了目前清洁作业成本高、难度大、效率低、危险性高等问题，不仅节约资源、新颖独特，而且降低了清洁成本、提高了工作效率，作为一种创新型的高空作业技术产品，很好解决了一系列现实生活中的实际问题，具有十分重要的意义。

本文来源：《企业科技与发展》：http://www.zzqklm.com/w/qk/21223.html