應(yīng)用TRIZ理論對(duì)太陽(yáng)能清潔玻璃擦的創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

在社會(huì)不斷發(fā)展進(jìn)步的今天，國(guó)民生產(chǎn)水平不斷提高，人口數(shù)量不斷增長(zhǎng)，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(jiǎn)潔美觀(guān)前景下是繁重的壁面清洗任務(wù)。尤其是對(duì)高層住戶(hù)來(lái)說(shuō)，窗戶(hù)清潔更是剛性需求的清潔項(xiàng)目。而目前我國(guó)現(xiàn)有清潔方式不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、清潔程度低而且危險(xiǎn)系數(shù)高，針對(duì)這些問(wèn)題應(yīng)用了TRIZ理論進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，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(jí)毛細(xì)管開(kāi)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(dòng)吸附玻璃表面的污漬；利用紅外感應(yīng)、SLAM和自動(dòng)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(cè)距等功能；結(jié)合可再生資源太陽(yáng)能，使蓄電池和太陽(yáng)能交替循環(huán)供電；最后通過(guò)無(wú)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(duì)玻璃的自動(dòng)化全方位清潔，不僅降低了對(duì)人力、財(cái)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(wèn)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(chǎng)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(shí)費(fèi)力又具有危險(xiǎn)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(guò)橡膠刮刀除掉留在玻璃上的水和污澤，而無(wú)法對(duì)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(wèn)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(chǎng)上現(xiàn)有的為玻璃清潔器提供動(dòng)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(duì)環(huán)境危害極大，不利于構(gòu)建生態(tài)文明社會(huì)。

（2）在進(jìn)行壁面清洗過(guò)程中在所難免會(huì)遇到許多障礙，而目前的越障功能還沒(méi)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(chǎng)景局限性等，不宜推廣。

（3）針對(duì)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(méi)有。

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

2.1  可再生資源——太陽(yáng)能

在當(dāng)今飛速發(fā)展的社會(huì)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(wú)疑成為了這個(gè)社會(huì)炙手可熱的新型能源。所以應(yīng)用TRIZ理論利用太陽(yáng)能板開(kāi)發(fā)成本低、開(kāi)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(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，為玻璃清潔擦提供動(dòng)力，這樣既減少能源的浪費(fèi)，又較優(yōu)的延長(zhǎng)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(shì)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(jì)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(dòng)履帶及三角輪

清潔器在進(jìn)行壁面清洗過(guò)程中在所難免會(huì)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(huì)或多或少地給機(jī)器人的工作帶來(lái)危險(xiǎn)。

傳統(tǒng)玻璃清潔費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，更無(wú)法解決越障等問(wèn)題，所以應(yīng)用TRIZ理論在玻璃清潔器移動(dòng)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)裝置移動(dòng)的靈活性；在玻璃清潔器底部?jī)蓚?cè)，安裝驅(qū)動(dòng)履帶，實(shí)現(xiàn)窗戶(hù)與窗戶(hù)之間的跨障礙移動(dòng)。

2.4  智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)——SLAM技術(shù)

對(duì)于灰塵的智能清潔，應(yīng)用TRIZ理論安裝微型紅外線(xiàn)攝像頭和紅外線(xiàn)測(cè)距傳感器，來(lái)實(shí)現(xiàn)裝置的智能清潔。即應(yīng)用所面對(duì)障礙物體積、距離不同，紅外的信號(hào)感應(yīng)強(qiáng)度各異原理，識(shí)別、規(guī)劃和監(jiān)測(cè)路徑；利用SLAM技術(shù)——及時(shí)定位與地圖構(gòu)建，或并發(fā)建圖與定位。通過(guò)概率統(tǒng)計(jì)和多特征匹配來(lái)達(dá)到定位基準(zhǔn)和減少定位誤差等?？梢悦枋鰹椋簩⒁粋€(gè)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(dòng)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(lái)，進(jìn)行掃描、測(cè)距并識(shí)別出灰塵的位置，進(jìn)行智能清潔。通過(guò)這點(diǎn)，可讓玻璃清潔器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃路線(xiàn)、偵測(cè)窗框、自動(dòng)清潔窗戶(hù)等。

2.5  遠(yuǎn)程操控——電腦智能終端

在一些應(yīng)用場(chǎng)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(guò)清潔玻璃器上的傳感器來(lái)捕捉其是否靜止或運(yùn)動(dòng)時(shí)的一切信息。如從終端上能夠獲取清潔玻璃器的實(shí)時(shí)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(duì)清潔器的遠(yuǎn)程操控。同時(shí)也提出在玻璃清潔器中安裝紅外遙感器，配置可遙控娛樂(lè)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(wú)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(jiǎn)易越障，智能到達(dá)指定高度和位置，但對(duì)于一些特殊的高層建筑，難度系數(shù)較大，人為放置更會(huì)增加危險(xiǎn)性，所以應(yīng)用TRIZ理論采用無(wú)人機(jī)運(yùn)載，由人控制無(wú)人機(jī)，無(wú)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(bào)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(bào)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(huì)最先感知、識(shí)別并做出判斷，一方面會(huì)向電腦智能終端輸送信號(hào)，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(duì)太陽(yáng)能清潔玻璃擦的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)（最終理想解）

應(yīng)用TRIZ理論對(duì)太陽(yáng)能清潔玻璃擦的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)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(jì)，內(nèi)部為儲(chǔ)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(pán)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(shí)候地面工作人員無(wú)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(dòng)。完成一些情況的自我判斷，類(lèi)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(cè)任務(wù)，形成良好地互動(dòng)。 

（3）玻璃擦表面更有利用人體工程學(xué)設(shè)計(jì)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(dòng)履帶設(shè)計(jì)。移動(dòng)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(wú)法實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題。

利用齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)使驅(qū)動(dòng)履帶帶動(dòng)清潔盤(pán)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(jiān)定、耐壓等特性，使驅(qū)動(dòng)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(jì)。納米清潔海綿采用物理去污的機(jī)理，依靠納米級(jí)毛細(xì)管開(kāi)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(dòng)清潔盤(pán)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(duì)拐角去污。較好解決了盲區(qū)清潔問(wèn)題。

（4）驅(qū)動(dòng)輪下為“仿汽車(chē)雨刮器”刮水條設(shè)計(jì)。與支撐架、直流電機(jī)、清潔盤(pán)、接水板和刮水板等形成廢水回收過(guò)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(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)三角輪帶動(dòng)清潔盤(pán)達(dá)到清洗目的,兩側(cè)清潔盤(pán)與刮水條形成的封閉井帶有回流過(guò)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(yáng)能板

（1）清潔器能源供給方式:常見(jiàn)的內(nèi)置電池，但其制約著清潔器連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)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(dòng)范圍和應(yīng)用場(chǎng)所。

由上述可知清潔器移動(dòng)、運(yùn)行的能源問(wèn)題是一大困擾因素。所以將在機(jī)身安置太陽(yáng)能板，整個(gè)移動(dòng)裝置動(dòng)能來(lái)自太陽(yáng)能和電能,即可直充也可通過(guò)太陽(yáng)能供給使用。其原理是把光能轉(zhuǎn)化為直流電，再通過(guò)太陽(yáng)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(yáng)能板與內(nèi)核系統(tǒng)間安有永磁，其核心部件為兩塊堪稱(chēng)“磁王”的釹鐵硼強(qiáng)力磁鐵，利用磁場(chǎng)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(yáng)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(duì)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(jì)為雙層結(jié)構(gòu)；結(jié)合自動(dòng)控制和紅外遙感技術(shù)，使其更加便于操控；并利用萬(wàn)向輪，減少其在清潔時(shí)的阻力等，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能雙層可控清潔擦的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。 

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

外聯(lián)智能系統(tǒng)：首先通過(guò)無(wú)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(guò)清潔玻璃器上的傳感器來(lái)捕捉其是否靜止或運(yùn)動(dòng)時(shí)的一切信息。（如：從終端上能夠獲取清潔玻璃器的實(shí)時(shí)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(duì)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(dòng)警報(bào)系統(tǒng)，可在動(dòng)力匱乏時(shí)能迅速提醒使用者，作出反應(yīng)防止不必要的損失，因太陽(yáng)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(lèi)降落傘，使機(jī)體在不慎掉落時(shí)傘包能夠自動(dòng)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(huì)根據(jù)玻璃清潔器發(fā)生掉落時(shí)所受的重力和降落傘展開(kāi)后受到向上的空氣阻力等正負(fù)加和，計(jì)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(shí)的勻速安全降落）。

4  太陽(yáng)能清潔玻璃擦的應(yīng)用及推廣

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，高樓大廈拔地而起，美觀(guān)的玻璃幕墻應(yīng)用越來(lái)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(duì)于生活、工作環(huán)境的要求不斷提高，應(yīng)用TRIZ理論對(duì)太陽(yáng)能雙層清潔玻璃擦進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究，采用SLAM技術(shù)和紅外攝像頭，輔助玻璃擦進(jìn)行對(duì)玻璃表面清潔程度的監(jiān)測(cè)，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(xiàn)傳感器測(cè)距數(shù)據(jù)通過(guò)遠(yuǎn)端傳輸?shù)揭苿?dòng)設(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(duì)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(xiàn)攝像頭為地面操作者提供操作信息，更好地體現(xiàn)太陽(yáng)能雙層清潔玻璃擦在高工作業(yè)中智能化的優(yōu)勢(shì)。使用無(wú)人機(jī)將太陽(yáng)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(xiǎn)性。其內(nèi)部自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)在高空作業(yè)時(shí)，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(dòng)的人群帶來(lái)傷害。

應(yīng)用TRIZ理論對(duì)太陽(yáng)能雙層清潔玻璃擦的創(chuàng)新設(shè)計(jì)很好地解決了目前清潔作業(yè)成本高、難度大、效率低、危險(xiǎn)性高等問(wèn)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(wèn)題，具有十分重要的意義。

本文來(lái)源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://m.k2057.cn/w/qk/21223.html