摘 要： 光伏組件清潔機器人能夠?qū)崿F(xiàn)光伏組件的自動清掃。文章結(jié)合光伏組件清潔機器人設(shè)計項目，從上方傳動盒模組、中間行走輪模組、下方控制盒模組、傳動桿、萬向節(jié)聯(lián)軸器等方面分析了光伏組件清潔機器人的設(shè)計要點。項目通過萬向節(jié)聯(lián)軸器連接傳動桿與中間行走輪模組、上方傳動盒模組、下方控制盒模組，實現(xiàn)了柔性驅(qū)動，能夠根據(jù)光伏面板的高低落差自動調(diào)節(jié)整體結(jié)構(gòu)，貼合光伏面板，實現(xiàn)自動清掃。

關(guān)鍵詞： 光伏組件清掃機器人;萬向節(jié)聯(lián)軸器;自動清掃

一、 引言

光伏發(fā)電具有能源質(zhì)量高、環(huán)保等優(yōu)點。但是，光伏發(fā)電所用的光伏板組件通常安裝在室外，較為容易受到揚塵、霧霾、雨水、鳥類糞便等的污染。為了保證光伏組件的轉(zhuǎn)換效率，需要使用自動清掃裝置定期對光伏組件面板進行清掃。由于光伏組件的排列存在沉降、錯位落差，因而需要保證光伏組件清潔機器人設(shè)計具有一定的越障能力。

二、 項目概況

光伏組件清潔機器人能夠?qū)崿F(xiàn)光伏組件的自動清掃，有效提升了光伏組件的轉(zhuǎn)換效率。但是，目前市面上大部分光伏組件清潔機器人產(chǎn)品在越障能力方面仍存在不足。由于光伏組件的沉降、落差或障礙事，光伏組件清潔機器人會出現(xiàn)卡澀、清掃不到位的問題。對此，公司開展可貼合光伏面板起伏實行自動清掃的光伏組件清潔機器人研發(fā)項目，要求光伏組件清潔機器人能夠貼合光伏面板通行，并實行自動清掃工作，以提高光伏組件始終處于正常運行狀態(tài)。

三、 光伏組件清潔機器人設(shè)計要點

項目機器人的結(jié)構(gòu)主要包括上方傳動盒模組、框架、中間行走輪模組、下方控制盒模組。中間行走輪模組、上方傳動模組、下方控制盒模組分別固定于框架的中間、左端和右端。此外，項目機器人通過萬向節(jié)聯(lián)軸器設(shè)計實現(xiàn)柔性驅(qū)動，易拆裝的傳動桿設(shè)計便于對設(shè)備進行維護。

（一）上方傳動盒模組

該項目上方傳動盒模組設(shè)有限位輪、行走輪、清掃電機和行走電機。行走輪的作用主要為控制裝置機器人，在行走輪踏面的內(nèi)側(cè)與外側(cè)分別設(shè)置截頭圓錐形的凸緣，截頭圓錐形凸緣的細端鄰接走輪的踏面，行走輪環(huán)形踏面的直徑小于細端端面直徑，踏面一側(cè)的位置形成擋邊，截頭圓錐形凸緣的粗端與行走輪踏面的距離較短，凸緣粗端與細端的圓錐形可以形成導(dǎo)向面。清掃電機的作用主要為將動力傳輸至毛刷上，該項目清掃電機工作介質(zhì)為壓縮空氣0.8～1.0MPa，功率約8kW，工作模式為自動，除塵間形式為半封閉式，工作電源為AC380（1±10 % ）V，50Hz。清掃電機采用氣動馬達驅(qū)動，沒有設(shè)置其他電氣元件，具有較高的實用效果。行走電機的作用主要為將動力傳輸至主動輪上，在傳動盒內(nèi)部設(shè)置充電裝置，行走制動靠電機自身帶的制動器制動，制動器安裝在電機非軸伸端端蓋的位置，運用電磁感應(yīng)將制動器中的銜鐵吸過來，制動摩擦片脫開之后，制動器會自動打開。

（二）中間行走輪模組

該項目中間行走輪內(nèi)部設(shè)置了主動輪，主要用于控制裝置機器人運動。主動輪包括制動器和輪轂電機。進行主動輪制動器設(shè)計時，要根據(jù)項目要求設(shè)計制動塊冷卻通道，制動塊冷卻通道主要是為了輸送輪轂電機的冷卻液。除此之外，制動器還包括制動圓盤和制動圓盤冷卻通道，并且在主動輪中間插入一個滑動密封件，將制動圓盤冷卻通道與輪轂電機冷卻回路連接在一起，能夠提升主動輪的制動效果。

該項目中間行走輪模組中的輪轂電機主要包括：輪轂電機本體、輪軸、磁編碼器，磁編碼器等。項目將輪轂電機與磁極固定連接在一起、輪軸與磁編碼芯片連接在一起，輪轂電機圍繞輪軸轉(zhuǎn)動，輪轂電機本體轉(zhuǎn)動時，可以實現(xiàn)磁極同步轉(zhuǎn)動。磁編碼芯片能夠?qū)⒋艠O變化轉(zhuǎn)為編碼信號，以達到輸出編碼信號的目的。磁編碼器包括固定座和外殼兩部分，外殼與輪轂電機本體固定連接在一起，磁極設(shè)置在外殼內(nèi)部的側(cè)壁上，采用固定方式連接固定座與輪軸，磁編碼芯片設(shè)置在固定座上，以達到提升輪轂電機編碼精度的目的。

（三）下方控制盒模組

下方控制盒模組主要包括：限位輪、控制主板、行走輪，其中行走輪主要用于控制裝置機器人運動。該項目控制主板采用PCBA主體，將一條邊框設(shè)置為圓弧形邊框，并在沿邊框的位置設(shè)置2個通信接口、1個電源接口、復(fù)數(shù)個普通接口，在PCBA主體上設(shè)置1個電源轉(zhuǎn)模塊和MCU模塊，并將MCU模塊與電源轉(zhuǎn)模塊連接在一起，電源轉(zhuǎn)換模塊與電源接口連接、MCU模塊與通信接口模塊連接。按照項目設(shè)計要求將普通接口分別于MCU模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊連接起來。另外，該項目控制主板的PCBA本體之間主要通過通訊接口實現(xiàn)聯(lián)機，要在PCBA本體背面位置規(guī)劃功能標識區(qū)，按照要求印上PCBA本體的功能編號和功能標識。同時，每個防呆接口都設(shè)置了對應(yīng)接口編號。

下方控制輪的限位輪主要包括銷軸、底座和雙列圓柱滾子軸承、下支撐板、滾輪、上支撐板等。在限位輪設(shè)計中，將雙列圓柱滾子軸承設(shè)置在下支撐板與上支撐板之間、銷軸之上，滾輪外圓周面上設(shè)置一圈環(huán)形凸槽，設(shè)置在容納筒體坡口端面上，要求筒體對接處的V型槽始終與同一軸向位置。

（四）毛刷

進行光伏組件清潔機器人設(shè)計期間，我們通過開口銷與定位銷配合將毛刷與上方傳動盒模組連接在一起，以滿足項目對光伏組件清潔的要求。采用的毛刷類型為細纖維毛刷，毛刷設(shè)置在清潔機器人外殼底端外側(cè)，運用均勻固定方式，毛刷底端安裝了緩沖墊，并在上方傳動盒模組上設(shè)置安裝孔和開口槽，以達到100 % 利用排刷和盤刷刷絲的目的。此外，在毛刷下方設(shè)置刷架，刷絲能夠有效緩沖刷架，保證開展清潔工作期間，刷絲不會拍打電池板，有效避免損傷電池板。

（五）傳動桿

該項目共有傳動桿兩根，設(shè)計人員采用平行設(shè)置方式，每根傳動桿都分為兩節(jié)，兩節(jié)傳動桿分別設(shè)置于下方控制盒模組、中間行走輪模組、上方傳動盒模組之間，采用分別固定方式，傳動桿始終在移動區(qū)域內(nèi)部運動，內(nèi)部設(shè)有傳動桿導(dǎo)向元件，由固定托架穿過傳動桿導(dǎo)向槽到達支持家，支持架覆蓋傳動桿的整個頂面?？紤]到傳動桿橫截面在移動區(qū)域內(nèi)成形的問題，傳動桿的固定托架和導(dǎo)向槽壁要形成一個楔形空間。另外，我們將傳動桿支撐架設(shè)計成彎曲止動鉤，要求止動鉤包圍傳動桿的縱向端面，傳動桿的縱向端面與止動鉤內(nèi)側(cè)要形成楔形間隔空間，固定托架與傳動桿之間采用螺釘安裝方式，該項目采用的傳動桿為金屬沖壓板件，傳動桿導(dǎo)向元件為壓鑄件和注塑件。

（六）萬向節(jié)聯(lián)軸器設(shè)計

開展萬向節(jié)聯(lián)軸器設(shè)計期間，將傳動桿與下方控制盒模組、中間行走輪模組、上方傳動盒模組全部連接于萬向節(jié)聯(lián)軸器上。該項目萬向節(jié)聯(lián)軸器主要包括：電機聯(lián)軸套、減速器聯(lián)軸套。在剎車軸與電機聯(lián)軸套之間設(shè)置萬向節(jié)，運用固定連接方式，將剎車輪與高強度螺栓連接于萬向節(jié)頂部，萬向節(jié)的底部采用電機聯(lián)軸套和固定螺栓方式連接。項目采用的聯(lián)軸器是由尼龍柱銷聯(lián)結(jié)成的。該項目萬向節(jié)聯(lián)軸器每節(jié)最大轉(zhuǎn)動角度為30°，成品孔徑為φ20，成品孔公差為H7，安裝長度為550-650Lmax，兩個接頭的偏轉(zhuǎn)角度相同，內(nèi)接投插銷設(shè)置在同一平面上，輸出軸與輸入軸同樣設(shè)置在同一平面上。

萬向節(jié)聯(lián)軸器具有傳遞運動和轉(zhuǎn)矩的作用，具備不同程度的軸向、徑向、角向補償性能，并具有不同程度的減振、緩沖作用，使得機器人能夠根據(jù)光伏面板的高低落差自動調(diào)節(jié)整體結(jié)構(gòu)使其完全貼合光伏面板，順利執(zhí)行清掃任務(wù)。

四、 總結(jié)

綜上，項目設(shè)計的光伏組件清潔機器人通過上方傳動盒模組中的限位輪支撐在光伏面板側(cè)邊框，通過下方控制盒模組中的控制主板發(fā)送指令到上方傳動盒模組的清掃電機和行走電機，毛刷接收清掃電機傳輸?shù)膭恿?zhí)行清掃任務(wù)，主動輪接收行走電機傳輸?shù)膭恿崿F(xiàn)在光伏面板上來回運動;通過萬向節(jié)聯(lián)軸器實現(xiàn)柔性驅(qū)動，在光伏組件之間存在較大落差、沉降或障礙時，其行走輪能貼合光伏組件表面，實行自動行走清掃，滿足光伏組件定期清掃光伏面板的要求，保證了光伏面板發(fā)電效率。

參考文獻：

[1]閆九祥，王亞麗，魏盼盼，等.一種新型太陽能光伏板清潔機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].山東科學(xué)，2017，30（4）：112-117.

[2]段春艷，馮澤君，許繼源，等.光伏電站運維機器人系統(tǒng)的設(shè)計與制作[J].電子世界，2019（1）：125-127.

[3]王璐.一種光伏發(fā)電站組件自動清掃機器人的應(yīng)用[J].電工技術(shù)，2018，476（14）：102-103.

作者簡介：? 鄭翠英，南京天創(chuàng)電子技術(shù)有限公司。