室內外多功能清潔器的機械結構設計

劉興達，張 鵬，徐 磊，劉克桓，張 猛，祖承霖

（1.承德應用技術職業學院，河北 承德 067000；2.承德市開發區盛方電子有限公司，河北 承德 067000）

1 背景分析

隨著和諧自然、可持續發展概念深入，人們的環保意識也逐漸提高。太陽能成為了新型能源中的重要組成部分，尤其是光伏發電已經走入了廣大民眾的視野，如太陽能熱水器、太陽能發電板等等，憑借其環保無污染、取材使用便捷等優勢，雖然前期投入較大、費用高，但通過經濟計算，太陽能熱水器在價格上適中，無污染，受到研發人員的廣泛青睞[1]，促使現代小區樓外的太陽能板安裝數量急劇增加，儼然成為現代小區不可或缺的一部分。與之帶來的問題，也給很多用戶造成困擾，例如由于太陽能板需接收太陽能，長期暴露于戶外日光下、戶外高空中，造成表面灰塵積累較大，降低了光電轉化效率[2-4]，不但影響了其本身工作效率，還破壞了樓外美觀，外掛太陽能板成為了現代小區業主日常清掃的一項重要內容。無論傳統工具還是智能化吸塵器，雖然可以供業主清潔太陽能板使用，但是由于樓層原因，高層用戶在清掃室外太陽能板時遇到很多不便，比如太陽能板距離樓梯玻璃較遠，清掃起來困難；高層業主采用傳統清掃方式，需要身體探出窗戶，高層作業危險系數較高；借助傳統掃帚、拖布等工具時，長距離工作費力又很難清潔到位。人們需要一個針對性較強的清潔設備，來提高生活質量。

在室內家具清潔方面，人們的選擇相對較多，產品也較為豐富，如掃帚、拖布以及智能化產品掃地機、吸塵器等，自動化清潔電器為人們的日常生活提供了極大的便捷，但是目前市場上所有的自動化清潔產品大都價格較貴，吸塵器等清潔產品還存在著體積大、吸塵口短的問題，雖然有一些小型吸塵器可以解決狹小空間的清潔，往往需要用戶二次清潔或者使用吸塵器頻繁往復，便捷程度仍有提高的空間。

綜上所述，在全面小康社會的背景下，人們快節奏的生活方式中，尚無相關產品或設備能夠同時解決上述戶外太陽能板、墻角等清潔問題，因此，為了滿足人們日益增長的使用需求，提高家政清潔效率，研究此領域的設備研發有廣闊的應用前景。

2 總體設計方案

室內外多功能自動化清潔器裝置主要用于室內高低墻角和外掛太陽能板的清潔，同時兼具傳統清潔和除塵功能。由可更換清潔頭、移動底座、清潔架、手柄組成，并通過軟管連接至吸塵托倉，整體結構具體如圖1所示。

圖1 整體結構圖

其中清潔器具有2種形式清潔頭，分別用于平面和墻角區域的使用，內置吸塵孔、毛刷、過濾網等，整體固定于移動底座，安裝于清潔架上。在驅動馬達通過主軸帶動齒輪轉動條件下，由皮帶、齒輪將主軸圓周運動轉化為直線運動，從而帶動移動底座在清潔架上做往復直線運動。手柄、吸塵托倉等為動力來源，解決固定區域及制造氣壓差問題，可適用于多種工作角度的需求，在大氣壓和電機、葉輪作用下，實現吸塵目的。配有清潔器啟動開關和三級擋位調節按鈕。整體材質由塑料和鋁合金金屬管構成，內置相關導線。通過單片機實現自動控制，用戶只需固定相應清潔位置，便可徹底解決頻繁往復操作問題，尤其在室外太陽能板的清潔方面，能夠有效去除頑固灰塵，避免了使用者高空探出清掃，還能一鍵開啟清潔器自動工作，由電機和滾刷對情節表面進行擦拭、清掃，解決了用戶遠距離擦拭費力的問題。

3 主要結構設計

3.1 可更換清潔頭結構設計

可更換清潔頭主要用于不同的清潔環境，為本設計的功能設計部分，如圖2所示，其主要有2種形式：平面式主要應用于外掛太陽能板等平面區域，滾動毛刷可隨清潔頭移動實現清掃的功能；折角式主要應用于墻角等折角區域，由于墻角清掃困難，單獨開設吸塵孔，增加吸塵能力。2種形式基本覆蓋了室內外主要環境，滾動毛刷增強了對灰塵的清掃能力。

圖2 可更換清潔頭

2種形式清潔頭外部交錯地分布吸塵孔、毛刷，在工作過程中毛刷在電機帶動下往復運動，模擬傳統清潔中掃除功能，吸塵孔實現對灰塵的吸附。內部設有存儲倉，可實現塵土緩存，并內置過濾網，可替換清洗，避免長期使用滋生細菌。

3.2 清潔架結構設計

圖3為室內外多功能清潔器機械結構的主體部分，整體設計為矩形結構，設置橫梁除滿足矩形結構穩定外，配有曲柄連桿結構，與手柄連接。并通過軟管與吸塵托倉相連，主要功能為為清潔頭提供動力及清潔區域固定，有效地減少用戶頻繁擦拭等工作。手柄和清潔器整體框架用于固定清潔區域，可伸縮設計能夠滿足不同距離的使用需求。其移動底座用于安裝可更換清潔頭，內設空倉通過吸塵管連接頭與吸塵托倉連接，將清潔過程中的灰塵臟物進行實時吸附存儲，減少清潔頭內儲塵量，避免二次回流造成污染。為了加強工作過程的穩定程度，配有固定導軌用于移動底座與清潔架連接。齒輪導軌為清潔器的移動頭提供路徑索引，在驅動馬達帶動下齒輪轉動，與齒輪導軌嚙合將主軸圓周運動轉化為直線運動，并帶動移動底座在清潔架上做往復直線運動，滿足移動底座往復運動使用。在清潔架外部周圍配有密封條，用于穩定和避免灰塵飛揚。

圖3 清潔架結構示意圖

3.3 手柄及托倉設計

如圖3所示，手柄通過曲柄連桿與清潔架相連，滿足手柄方向的選擇和固定，結構上具備兩級伸縮機制，可根據需求選擇，配有清潔器啟動開關和擋位調節按鈕，提供3種調節模式，對清潔托倉吸塵能力進行控制，滿足使用過程中吸塵擋位調節。與此同時，手柄末端手持處內置單片機，采用PWM控制技術，對電機進行控制[5-7]，其電路設計如圖4所示，用于控制移動底座上驅動馬達正反轉時間，實現往復運動功能，通過行程開關改變驅動馬達轉動方形，通過歸零按鍵用于驅動移動底座至初始位置，便于更換移動清潔頭。

圖4 清潔頭控制電路圖設計

清潔托倉內置雙扇葉，由一個電機工作，提高設備吸塵能力。外形美觀大方，提供手提和推拉2種模式，滿足用戶的個性化使用需求，整體采用流線型設計。

4 系統結構調試

系統結構調試主要分為2部分，即機械結構安裝、電機控制調試。第一，機械結構安裝，將設計結構轉化為3D打印圖紙，依據清潔架外形結構進行裝配，根據干涉、嚙合關系等進行圖紙尺寸修改，確保機械傳動機構能夠實現良好的運動耦合關系。第二，進行電機的運動調試，采用減速電機將電能轉化為機械能，通過實訓設備電源進行供電，為保障安全，采用12 V直流供電形式，測試可移動清潔頭是否可以在電機的牽引下，在導軌上進行往復運動，測試結果驗證了結構設計的合理性。

5 結論

目前，對于戶外太陽能板的清潔裝置研發還比較匱乏，除了傳統人力清潔外，家庭智能化清潔設備難易滿足使用需求。與傳統清潔方式方法相比，本裝置提供了一種自動戶外太陽能板清潔方式，避免了用戶高空戶外作業，提高了安全性。與此同時能夠滿足室內使用需求，尤其針對墻角等區域具有良好清潔效果。更重要的是，本清潔器具備良好兼容性，清潔架可以與傳統吸塵器相連，拓寬了固有家政清潔器的應用領域，用戶選用時可根據實際情況選購。