應用TRIZ理論對太陽能清潔玻璃擦的創新設計研究

呂朋玉 朱團 劉鋮琳 魏巳琪 宋迎雪 馬慧琳

【摘 要】針對當前高空清潔作業的安全系數不高、消耗人力資源大、操作時繁瑣等問題，應用TRIZ創新原理進行系統分析，將紅外遙感、自動控制技術方法和太陽能板、雙層永磁、納米海綿等有機結合起來，對清潔玻璃擦的設計原理、設備、能源的利用和作業方式進行創新設計，找出最理想的解決方法，實現雙層太陽能可控的玻璃擦清潔方式，達到高效快速、節能環保、安全實用、操作簡便的目的。

【關鍵詞】TRIZ理論;太陽能;玻璃擦;創新設計

【中圖分類號】TU241 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）06-0000-00

在社會不斷發展進步的今天，國民生產水平不斷提高，人口數量不斷增長，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構逐漸取代傳統的粉刷涂層，但隨之而來的是繁重的壁面清洗任務。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。而目前我國現有清潔方式不僅費時、費力、清潔程度低而且危險系數高。針對這些問題，應用TRIZ理論進行創新設計，可解決現有玻璃清潔器技術及物理矛盾等。首先采用納米海綿的物理去污機理，依靠海綿內的納米級毛細管開孔結構，結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、SLAM和自動控制技術，自主規劃路徑，實現同步定位、地圖構建、遙控和測距等功能;結合可再生資源太陽能，使蓄電池和太陽能交替循環供電;最后通過無人機的運載、電腦智能終端的控制、永磁的雙層工作方式，實現對玻璃的自動化全方位清潔，不僅減少了人力、財力、物力，而且能很好地解決一系列現實生活中的實際問題，具有廣闊的發展前景。

1 現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操作，準備工作較復雜，成本較高，既費時費力又具有危險性。

?（2）現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漬，而無法對玻璃幕墻內外窗進行同步擦洗，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 技術矛盾

?（1）市場上現有的玻璃清潔器大多靠各種式樣規格的電池蓄電池提供動力，不僅續航能力弱，而且對環境危害極大，不利于構建生態文明社會。

?;（2）在進行壁面清洗過程中會遇到許多障礙，而目前的越障功能還沒有得到解決，現有的蜘蛛式越障操作復雜繁瑣，結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措施和保護預案幾乎沒有。

2 應用TRIZ理論對太陽能清潔玻璃擦的創新設計

2.1 可再生資源——太陽能

在當今飛速發展的社會生活中，隨著一些能源的利用，不可再生資源的遞減，可再生資源成為社會炙手可熱的新型能源。應用TRIZ理論利用太陽能板開發成本低、開發潛力大、耗能較低等優點，將其放置在玻璃清潔擦最外層，由太陽能轉化為電能，為玻璃清潔擦提供動力，這樣既可減少能源的浪費，又能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、負壓和磁力3種附著方式，每種都有顯著的優勢和限制因素。結合壁面不同材質、高度、構造、污染化程度等，應用TRIZ理論選擇出最優解決方案，最終在玻璃清潔器中提出利用磁體NS相吸原理，將玻璃清潔器設計為雙層結構，可讓玻璃清潔器完全吸附在玻璃內外面，實現玻璃內外的同步清潔。

2.3 越障方式——驅動履帶及三角輪

清潔器在進行壁面清洗過程中會遇到障礙，如建筑物表面材料不平整、窗框之間凸起等，這些看似細小的細節，每一種都會或多或少地給機器人的工作帶來危險。

傳統玻璃清潔方法存在費時、費力、無法解決越障等問題。而應用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，實現裝置移動的靈活性;在玻璃清潔器底部兩側，安裝驅動履帶，實現窗戶與窗戶之間的跨障礙移動。

2.4 智能監測系統——SLAM技術

對于灰塵的智能清潔，應用TRIZ理論安裝微型紅外線攝像頭和紅外線測距傳感器，可實現裝置的智能清潔。即應用所面對障礙物體積、距離不同，紅外的信號感應強度各異的原理，識別、規劃和監測路徑;利用SLAM技術——及時定位與地圖構建，或并發建圖與定位。通過概率統計和多特征匹配來達到定位基準和減少定位誤差等。可以描述為將一個機器人放入未知環境中的未知位置，是否有辦法讓機器人一邊移動一邊逐步描繪出完整的地圖構建。利用以上技術，將工作中的環境描繪出來，進行掃描、測距并識別出灰塵的位置，進行智能清潔，可讓玻璃清潔器實現自動規劃路線、偵測窗框、自動清潔窗戶等。

2.5 遠程操控——電腦智能終端

在一些應用場景下，除了機器自主智能運行外，還可人為遠程參與和操作，即應用TRIZ理論利用電腦或手機的智能終端，通過清潔玻璃器上的傳感器來捕捉其是否靜止或運動時的一切信息。如從終端上能夠獲取清潔玻璃器的實時高度、清潔面積、清潔程度及自身工作狀態等，從而實現對清潔器的遠程操控。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，操控機器更方便。

2.6 安放方式——自動運行或無人機運載

雖然清潔器足以在大多數的矮、中、高玻璃幕墻實現自由行走，簡易越障，智能到達指定高度和位置，但對于一些特殊的高層建筑，難度系數較大，人為放置更會增加危險性。對此，應用TRIZ理論采用無人機運載，由人控制無人機，無人機運載玻璃清潔器飛至高空，抵達目標地點，進行高空清潔作業。

2.7 智能報警防掉落系統

在外形、運行、智能終端、軟件系統、硬件系統、機型配置皆已完善的前提下，出于安全考慮，以防機器在運行中掉落而引起不必要的損失和傷害，應用TRIZ理論在裝置中安裝智能報警防掉落系統。一旦玻璃清潔器脫離玻璃表面，紅外感應器會最先感知、識別并做出判斷，一方面會向電腦智能終端輸送信號，提前預警;另一方面激活應急系統，達到在機體掉落的瞬間，其內部安全降落傘立即彈出，從而實現安全降落的目的。

3 應用TRIZ理論對太陽能清潔玻璃擦的結構功能設計（最終理想解）

應用TRIZ理論對太陽能清潔玻璃擦的結構功能設計如下。

3.1 俯視結構——玻璃內側外機身

?（1）外表面留有三角形設計，內部為儲水海綿，由水、酒精、乙二醇、納米二氧化鈦等化學成分輔助降解，清潔后的液體與兩側清潔盤等建立廢水回收系統，實現高效的循環利用。

?（2）由于清洗任務需要在高空中完成，因此地面工作人員難以用肉眼判斷工作狀況，需要在清洗擦中部位置上安裝相應的攝像裝置和傳感器，利用SLAM技術（同步定位與地圖構建軟件技術）與紅外感應相結合，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、環境和狀態等，清潔擦能輕松完成自我檢測任務，形成良好的互動。

?（3）玻璃擦設置根據人體工程學設計的手柄，便捷舒適。

3.2 仰視結構——緊挨玻璃側的機身及其內部結構

{1}玻璃兩側裝置相同，均有三角輪和兩驅動履帶設計。移動裝置采用的履帶式，應用增大接觸面積，壓強減小等原理，改善其附著面小不穩定、適應性能力弱、越障無法實現等問題。利用齒輪傳動系統使驅動履帶帶動清潔盤勻速運轉，機械學家萊洛研究證明三角輪具有穩固、堅定、耐壓等特性，驅動履帶和三角輪完美協作實現越障功能。{2}三角輪下為耐用可更換的清潔棉。納米清潔海綿采用物理去污的機理，依靠納米級毛細管開孔結構，基于納米TiO2光催化反應，氧化分解有機物和細菌，達到短期殺菌除臭、節能實用，安全環保的目的。{3}兩側是可轉動清潔盤與超細纖維清潔布的結合，不僅協助普通擦拭，還可以針對拐角去污，較好地解決了盲區清潔問題。{4}驅動輪下為“仿汽車雨刮器”刮水條設計。支撐架、直流電機、清潔盤、接水板和刮水板等形成廢水回收過濾系統，從而達到壁面清洗和廢水回收的目的。

清洗系統的主要實現方式：通過電機驅動三角輪帶動清潔盤達到清洗目的，兩側清潔盤與刮水條形成的封閉井帶有回流過濾系統，從而達到壁面清洗和廢水回收的目的。

3.3 側視結構——外側將設置和機體剖面大小相同的可再生資源——太陽能板

?（1）清潔器能源供給方式：常見的內置電池，但其制約著清潔器連續工作時長和輸出功率;較為先進的纜供電，其嚴重限制了清潔器的移動范圍和應用場所。由上述可知清潔器移動、運行的能源問題是一大困擾因素。因此，在機身安置太陽能板，整個移動裝置動能來自太陽能和電能，既可直充也可通過太陽能供給使用。其原理是把光能轉化為直流電，再通過太陽能控制器、逆變器、蓄電池最終轉化為交流電。為其提供循環不斷的電量，成功預防斷電后意外的發生，節能環保。

?（2）在太陽能板與內核系統間安裝永磁，其核心部件為2塊堪稱“磁王”的釹鐵硼強力磁鐵，利用磁場作用N、S極相吸，實現雙層清潔的工作方式。

清潔玻璃擦結構、功能、運行詳解如下。

技術工作原理：利用太陽能供電，達到綠色節能環保的目的;結合納米清潔海綿，對玻璃面污垢進行吸附式清潔處理;利用磁體NS相吸原理，將其設計為雙層結構;結合自動控制和紅外遙感技術，使其更加便于操控;并利用萬向輪，減少其在清潔時的阻力，實現太陽能雙層可控清潔擦的創新設計。

制動轉換系統：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行，其特點是使用壽命長、減少能源浪費等（注：蓄電池是對太陽能電磁板轉化的多余的電能進行儲蓄）。

外聯智能系統：首先通過無人機將清潔玻璃器送到指定位置;再利用電腦或手機的智能終端，通過清潔玻璃器上的傳感器來捕捉其靜止或運動時的一切信息，如從終端上能夠獲取清潔玻璃器的實時高度、清潔面積、清潔程度及自身工作狀態等，從而實現對清潔器的遠程操控。

為了玻璃清潔擦的使用周期壽命和可持續利用性，為其裝備上了自動警報系統，可在動力匱乏時迅速提醒使用者，作出反應防止不必要的損失，因太陽能雙層清潔擦較適用于高層建筑物的玻璃清潔，所以還為產品安裝了與降落傘工作原理相同的類降落傘，使機體在不慎掉落時傘包能夠自動彈出，安全降落到地面上（降落裝置的材質和大小不僅與機型的質量和體積呈正比，而且還會根據玻璃清潔器發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加和，計算出最大承重力等，有效保證玻璃清潔器由高層發生意外掉落時的勻速安全降落）。

4 太陽能清潔玻璃擦的應用及推廣

隨著國內經濟快速發展，高樓大廈拔地而起，美觀的玻璃幕墻應用越來越多，但由于常年受日曬、風吹雨打及大氣中的化學侵蝕，極易被風化，產生污垢，嚴重影響建筑物的標致和市容。因此，基于物聯網技術及人們對于生活、工作環境的要求不斷提高，應用TRIZ理論對太陽能雙層清潔玻璃擦進行創新設計研究，采用SLAM技術和紅外攝像頭，輔助玻璃擦進行對玻璃表面清潔程度的監測，規劃玻璃擦清潔路徑，并與物聯網技術相互協調，紅外線傳感器測距數據通過遠端傳輸到移動設備控制端，控制終端和玻璃擦能進行良好交互;控制設備可以根據玻璃擦應答對本次操作結果進行提示，實現智能化運行;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，更好地體現太陽能雙層清潔玻璃擦在高工作業中智能化的優勢。使用無人機將太陽能雙層清潔玻璃擦輸送到其工作的區域，大大降低了工作人員施工的危險性。其內部自動報警系統設計在高空作業時，可有效防止因風雪、雨、大霧、低溫等惡劣天氣造成玻璃擦掉落，避免了給工作區域以下的活動的人群帶來傷害。

應用TRIZ理論對太陽能雙層清潔玻璃擦的創新設計很好地解決了目前清潔作業成本高、難度大、效率低、危險性高等問題，不僅節約資源、新穎獨特，而且降低了清潔成本、提高了工作效率，作為一種創新型的高空作業技術產品，很好地解決了一系列現實生活中的實際問題，具有十分重要的意義。

參 考 文 獻

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[責任編輯：鐘聲賢]