室内外多功能清洁器的机械结构设计

刘兴达，张 鹏，徐 磊，刘克桓，张 猛，祖承霖

（1.承德应用技术职业学院，河北 承德 067000；2.承德市开发区盛方电子有限公司，河北 承德 067000）

1 背景分析

随着和谐自然、可持续发展概念深入，人们的环保意识也逐渐提高。太阳能成为了新型能源中的重要组成部分，尤其是光伏发电已经走入了广大民众的视野，如太阳能热水器、太阳能发电板等等，凭借其环保无污染、取材使用便捷等优势，虽然前期投入较大、费用高，但通过经济计算，太阳能热水器在价格上适中，无污染，受到研发人员的广泛青睐[1]，促使现代小区楼外的太阳能板安装数量急剧增加，俨然成为现代小区不可或缺的一部分。与之带来的问题，也给很多用户造成困扰，例如由于太阳能板需接收太阳能，长期暴露于户外日光下、户外高空中，造成表面灰尘积累较大，降低了光电转化效率[2-4]，不但影响了其本身工作效率，还破坏了楼外美观，外挂太阳能板成为了现代小区业主日常清扫的一项重要内容。无论传统工具还是智能化吸尘器，虽然可以供业主清洁太阳能板使用，但是由于楼层原因，高层用户在清扫室外太阳能板时遇到很多不便，比如太阳能板距离楼梯玻璃较远，清扫起来困难；高层业主采用传统清扫方式，需要身体探出窗户，高层作业危险系数较高；借助传统扫帚、拖布等工具时，长距离工作费力又很难清洁到位。人们需要一个针对性较强的清洁设备，来提高生活质量。

在室内家具清洁方面，人们的选择相对较多，产品也较为丰富，如扫帚、拖布以及智能化产品扫地机、吸尘器等，自动化清洁电器为人们的日常生活提供了极大的便捷，但是目前市场上所有的自动化清洁产品大都价格较贵，吸尘器等清洁产品还存在着体积大、吸尘口短的问题，虽然有一些小型吸尘器可以解决狭小空间的清洁，往往需要用户二次清洁或者使用吸尘器频繁往复，便捷程度仍有提高的空间。

综上所述，在全面小康社会的背景下，人们快节奏的生活方式中，尚无相关产品或设备能够同时解决上述户外太阳能板、墙角等清洁问题，因此，为了满足人们日益增长的使用需求，提高家政清洁效率，研究此领域的设备研发有广阔的应用前景。

2 总体设计方案

室内外多功能自动化清洁器装置主要用于室内高低墙角和外挂太阳能板的清洁，同时兼具传统清洁和除尘功能。由可更换清洁头、移动底座、清洁架、手柄组成，并通过软管连接至吸尘托仓，整体结构具体如图1所示。

图1 整体结构图

其中清洁器具有2种形式清洁头，分别用于平面和墙角区域的使用，内置吸尘孔、毛刷、过滤网等，整体固定于移动底座，安装于清洁架上。在驱动马达通过主轴带动齿轮转动条件下，由皮带、齿轮将主轴圆周运动转化为直线运动，从而带动移动底座在清洁架上做往复直线运动。手柄、吸尘托仓等为动力来源，解决固定区域及制造气压差问题，可适用于多种工作角度的需求，在大气压和电机、叶轮作用下，实现吸尘目的。配有清洁器启动开关和三级挡位调节按钮。整体材质由塑料和铝合金金属管构成，内置相关导线。通过单片机实现自动控制，用户只需固定相应清洁位置，便可彻底解决频繁往复操作问题，尤其在室外太阳能板的清洁方面，能够有效去除顽固灰尘，避免了使用者高空探出清扫，还能一键开启清洁器自动工作，由电机和滚刷对情节表面进行擦拭、清扫，解决了用户远距离擦拭费力的问题。

3 主要结构设计

3.1 可更换清洁头结构设计

可更换清洁头主要用于不同的清洁环境，为本设计的功能设计部分，如图2所示，其主要有2种形式：平面式主要应用于外挂太阳能板等平面区域，滚动毛刷可随清洁头移动实现清扫的功能；折角式主要应用于墙角等折角区域，由于墙角清扫困难，单独开设吸尘孔，增加吸尘能力。2种形式基本覆盖了室内外主要环境，滚动毛刷增强了对灰尘的清扫能力。

图2 可更换清洁头

2种形式清洁头外部交错地分布吸尘孔、毛刷，在工作过程中毛刷在电机带动下往复运动，模拟传统清洁中扫除功能，吸尘孔实现对灰尘的吸附。内部设有存储仓，可实现尘土缓存，并内置过滤网，可替换清洗，避免长期使用滋生细菌。

3.2 清洁架结构设计

图3为室内外多功能清洁器机械结构的主体部分，整体设计为矩形结构，设置横梁除满足矩形结构稳定外，配有曲柄连杆结构，与手柄连接。并通过软管与吸尘托仓相连，主要功能为为清洁头提供动力及清洁区域固定，有效地减少用户频繁擦拭等工作。手柄和清洁器整体框架用于固定清洁区域，可伸缩设计能够满足不同距离的使用需求。其移动底座用于安装可更换清洁头，内设空仓通过吸尘管连接头与吸尘托仓连接，将清洁过程中的灰尘脏物进行实时吸附存储，减少清洁头内储尘量，避免二次回流造成污染。为了加强工作过程的稳定程度，配有固定导轨用于移动底座与清洁架连接。齿轮导轨为清洁器的移动头提供路径索引，在驱动马达带动下齿轮转动，与齿轮导轨啮合将主轴圆周运动转化为直线运动，并带动移动底座在清洁架上做往复直线运动，满足移动底座往复运动使用。在清洁架外部周围配有密封条，用于稳定和避免灰尘飞扬。

图3 清洁架结构示意图

3.3 手柄及托仓设计

如图3所示，手柄通过曲柄连杆与清洁架相连，满足手柄方向的选择和固定，结构上具备两级伸缩机制，可根据需求选择，配有清洁器启动开关和挡位调节按钮，提供3种调节模式，对清洁托仓吸尘能力进行控制，满足使用过程中吸尘挡位调节。与此同时，手柄末端手持处内置单片机，采用PWM控制技术，对电机进行控制[5-7]，其电路设计如图4所示，用于控制移动底座上驱动马达正反转时间，实现往复运动功能，通过行程开关改变驱动马达转动方形，通过归零按键用于驱动移动底座至初始位置，便于更换移动清洁头。

图4 清洁头控制电路图设计

清洁托仓内置双扇叶，由一个电机工作，提高设备吸尘能力。外形美观大方，提供手提和推拉2种模式，满足用户的个性化使用需求，整体采用流线型设计。

4 系统结构调试

系统结构调试主要分为2部分，即机械结构安装、电机控制调试。第一，机械结构安装，将设计结构转化为3D打印图纸，依据清洁架外形结构进行装配，根据干涉、啮合关系等进行图纸尺寸修改，确保机械传动机构能够实现良好的运动耦合关系。第二，进行电机的运动调试，采用减速电机将电能转化为机械能，通过实训设备电源进行供电，为保障安全，采用12 V直流供电形式，测试可移动清洁头是否可以在电机的牵引下，在导轨上进行往复运动，测试结果验证了结构设计的合理性。

5 结论

目前，对于户外太阳能板的清洁装置研发还比较匮乏，除了传统人力清洁外，家庭智能化清洁设备难易满足使用需求。与传统清洁方式方法相比，本装置提供了一种自动户外太阳能板清洁方式，避免了用户高空户外作业，提高了安全性。与此同时能够满足室内使用需求，尤其针对墙角等区域具有良好清洁效果。更重要的是，本清洁器具备良好兼容性，清洁架可以与传统吸尘器相连，拓宽了固有家政清洁器的应用领域，用户选用时可根据实际情况选购。