高距离吸尘器设计者：李浪，孙雁涛，刘胜魁，李旭辉，邱艳，指导教师：孙明，张克猛（西安交通大学城市学院机械工程系，西安，710018）作品内容简介本作品的主题是民用清洁类机械。

针对高空墙面及天花板的除尘，在普通地面吸尘器的基础上，设计了可以自由升降、旋转、移动的顶棚吸尘器支架，改进了传统吸尘器的洗尘刷结构，研制出了顶棚吸尘器。

本作品由丝杠螺母传动机构带动剪叉式的升降平行四边形机构，实现升降平台的自由升降；通过电机带动，实现吸尘管在空间的自由转动；整个升降平台置于小车之上，从而使吸尘刷具有上、下，前、后，左、右多个自由度，并通过单片机控制，洗尘刷可在高空完成上下、左右移动的除尘作业，进一步还可利用电机驱动小车，使吸尘刷前后运动也实现自动控制，从而实现本作品的完全机电一体化。

作为清洁机械，本作品形成产品后，可供家庭及学校、机关、医院、会馆、教堂等部门使用。

联系人：孙明联系电话：866544228Email：msun@1 作品研制背景及意义1.1 吸尘器发展历史1901年，英国土木工程师布斯到伦敦莱斯特广场的帝国音乐厅参观美国一种车厢除尘器示范表演。

这种除尘器使用压缩空气把尘埃吹入容器内，布斯认为此法并不高明，因为许多尘埃未能吹入容器。

后来，它反其道而行之，用吸尘法，布斯做了个很简单的试验：将一块手帕蒙在椅子扶手上，用口对这手帕吸气，结果使手帕附上了一层灰尘，于是，他制成了吸尘器，用强力电泵把空气吸入软管，通过布袋将灰尘过滤。

1902年布斯的服务公司奉召到西敏斯大教堂，把爱德华七世加冕典礼所用的地毯清理干净。

此后生意日益兴隆。

1906年布斯制成了家庭小型吸尘器，虽名为“小型”，但吸尘器却重达88磅（1磅=0.4536千克），因太重而无法普及。

1907年，美国俄亥俄州的发明家斯班格拉制成轻巧的吸尘器，他当时在一家商店里做管理员，为了减轻清扫地毯的负担，制成了一种吸尘器，用电扇造成真空将灰尘吸入机器，然后吹入口袋。

由于他本人无能力生产销售，1908年把专利转让给皮毛制造商胡佛。

当年胡佛便开始制造一种带轮的“O”型真空吸尘器，销路相当好，这种最早的家用吸尘器设计比较合理，发展至今也无太大原理上的改动。

最早设计的吸尘器是直立式的。

1913年瑞典斯德哥尔摩的温勒·戈林发明了横罐形真空吸尘器，2002年，iRobot开发出智能吸尘器人。

1.2 吸尘器的分类1 卧式在亚欧市场较为常见的吸尘器类型，占整体市场的80%以上。

其特点是外形小巧，存放方便，卧式吸尘器也分为“尘盒式吸尘器”和“尘袋式吸尘器”。

卧式吸尘器2. 立式美洲市场较为常见，适用于大面积的地毯清洁。

立式吸尘器3. 手持式体型小巧，携带及使用非常方便，主要用于车内的清洁，对键盘，电器等也有良好效果。

缺点是：功率较小，吸力不够强劲。

4. 桶式商用吸尘器，多为保洁公司，酒店，写字楼所使用，特点是容量大，能吸水。

5. 杆式近几年逐步增多，多为充电式，特点是体型小巧，使用方便。

6. 机器人吸尘器iRobot机器人吸尘器英文名称为“Roomba”，中文为“伦巴”，是由美国iRobot公司生产的。

美国麻省理工学院（MIT）罗德尼·布鲁克斯教授，主持世界最大的大学实验室——电脑科学暨人工智能实验室（Computer Science and Artificial intelligence Laboratory，简称CSAIL），于1990年带着得意门生——科林·安格尔（Colin Angle）和海伦·格雷纳（Helen Greiner）,以CSAIL所提供的创业基金为基础，创办了iRobot公司。

iRobot最初专注于军用机器人的研究，创造了PackBot等机器人，公司于2002年开始涉足于家用机器人市场，并在2002年推出了具有历史意义的机器人吸尘器Roomba，揭开了机器人吸尘器新篇章。

自动清扫地板上的灰尘，自动清扫地板上的灰尘，自动清理毛发和碎物，清扫任务完成后，自动返回充电，智能吸尘器的核心技术是芯片和里面的软件，iRobot智能吸尘器机器人Roomba使用先进的iAdapt 技术，这是一个由软件和感应器组成的专利系统。

iAdapt让Roomba可以主动对清扫环境进行监控，每秒钟思考次数超过60次，并且能够以40种不同的动作进行反应，以便彻底清扫房间。

高端吸尘器，可自动打扫和充电，优点是：噪音小，体积小，能够轻松进入传统吸尘器不能到达的地方。

智能吸尘器机器人7. 便携式吸尘器它一般有四种形式：肩式吸尘器：体积较小，使用时背在肩上，小功率输出。

杆式吸尘器：形状似杆，上端为把手，下端为吸嘴，小功率输出。

手提式吸尘器：体积更小，可直接握在手中使用，小功率输出。

微型式吸尘器：多用电池供电，体积更小，多用于清洁衣物、仪器等，微功率。

吸尘器是指利用电动机驱动风机而产生负压进行除尘的清洁器。

又称为真空吸尘器。

按吸尘器的装配和类型可分为：立式，电动机主轴垂直于地面；卧式，电动机主轴平行于地面；便携式，可分为手持式、肩式、杆式。

按吸尘器的使用功能可分为：干式、水过滤可吸灰尘式、干湿两用式。

改革开放以来中国清洁行业正在慢慢起步，据不完全统计，目前国内约有4000家左右的清洁用品制造商、分销商和代理商，仅是商业和工业用途清洁产品的最终用户就达到了500万家上，这还不包括数以亿计的普通市民所使用的清洁产品。

工商业清洁用品的产值据估算约有200亿人民币，而国际厂商在中国的投资额目前约有30亿元人民币。

我国是世界吸尘器的主要生产地，世界上销售的吸尘器有80%以上都是产自中国。

欧美及日本为代表的发达国家对吸尘器的需求量非常大，也是我国吸尘器出口的主要地区，这些国家的吸尘器市场已经成熟。

我国经济持续快速的发展，消费者收入水平的提高，居住环境的改善等因素都是小家电企业看好国内吸尘器市场的主要原因。

另外，城市中每年有大量的人口搬进新居，对吸尘器的潜在要求很大。

从20世纪90年代中后期开始，中国吸尘器的销量每年以38%的速度上升。

如今吸尘器不但功能越来越多，外观日趋美化，其价格也越来越便宜，受到了不少市民的喜爱。

中国吸尘器市场主流品牌主要有飞利浦、美的、松下、海尔、三洋等。

2006年1-12月，全国吸尘器累计产量为52，285，519.00台。

与2005年同期增长了6.69%；2007年，中国吸尘器累计产量为16，969，815.00台，与2006年同期相比增长了21。

63%。

虽然在全球金融危机和经济增速放缓的背景下，国内家电却独树一帜。

0100020003000400050006000700020042005200620072008200920102011我国吸尘器产量增长趋势 我国吸尘器产量增长趋势随着当今社会的发展，人们的生活节奏越来越快。

作为便捷的清洁用具，吸尘器也已经进入了我国的城乡，遍及千家万户。

但面对高空的墙角、天花板、柜顶等卫生死角，先进的地面吸尘器却派上用场，往往还需要人工登梯进行高空作业，难免存在安全隐患，特别对腿脚不利的老年家庭，更应引起重视。

为此，在地面吸尘器的基础上，我们研制出了顶棚吸尘器，为吸尘器拓展一个新的应用空间，将吸尘器的概念和工作原理提升到了一个新的层面。

2 设计方案 2.1 升降机构 顶棚吸尘器的核心功能是能够对不同高度的空间面、壁进行除尘，因此吸尘器必须有一个灵活、平稳、自由的升降机构，以满足清洁过程中的各种需求。

方案一： 置于小推车上的升降台采用丝杠螺母机构，通过转动螺母，实现自由升降，摇臂可在铅垂面内上下摆动120 ，同时又随套管一道在水平面内实现自由转动，从而根据吸尘需要，完成吸尘刷上下、左右、前后的吸尘动作：当手柄在滑道最上方时，吸尘吸气管处于水平状态，此时通过转动螺母，将平台调整到人的身高达不到的高度，并沿横向推动小车，吸尘刷即在该高度的立面除尘；如此通过不断调整手柄的角度和平台的高度，即可完成壁面不同高度的吸尘；当手柄下滑到一定的位置，洗尘刷与天花板接触，即可通过套筒的摆动和小车的慢慢纵向移动，完成天花板的吸尘；当手柄沿滑道划过90°，并协调调整平台到合适的高度，此时吸气管位于竖直状态，可通过推动小车小范围内的移动，以围绕天花板上的障碍物进行天花板小范围的除尘。

单位：万台该方案完全人工操作，简单易行，造价低。

但较为笨重，且不宜实现机电一体化。

其工作简图如图1示。

图1 方案一示意图 图2撑杆照片 图3撑杆机构简图方案二：将方案一的升降机构改为可以电动控制的推力杆，实物照片如图2所示。

该推力杆采用丝杠螺母传动，并通过电动丝杠转动，带动与螺母固定的套筒升降，实现升降台的自动上下运动，机构简图如图3所示。

该方案的工作原理与方案一相同。

其优点实现了可控的自由升降。

由于套筒、手柄部分没有改进，且受撑杆系列限制，选型很难配套，致使机构显得头重脚轻，稳定性不够。

方案三：升降部分引入了剪叉式升降机构，采用电动撑杆的驱动，既可实现升降的智能化，又有效地加强了整体的稳定性；采用电机带动吸尘管在空间的自由转动，利用撑杆在一定范围内自由控制吸尘管在空间的方位；下一步还可利用电机驱动小车，以实现吸尘器的全部智能化自动控制。

方案三的照片见图4。

剪叉式升降机构如图5所示，它广泛用于高空作业专用设备，具有较高的稳定性。

本作品利用这一特点，有效的克服了方案二的头重脚轻的问题。

该机构的简图如图6所示。

其中A 、B 为固定架，与小车固定连接，A 、C 、E 、F 、G 、H 均为铰链连接，5和AB 杆构成移动副，8和CD 杆构成移动副。

在推力杆2的带动下实现机构上下运动。

作为机构的驱动装置，推杆的最佳安装位置如图（a ）所示，由于市场现货选型受限，本作品实际安装位置如图（b ）所示。

图4吸尘器照片该机构具有如下特点：（1）平台上升和下降过程均匀、平稳。

（2）结构紧凑，外观简洁，维护使用灵活、方便。

（3）承载力强，工作效率高。

（4）可选配件范围广泛，全方位满足客户需求。

（5）清洁无污染，利用环境维护。

该机构一般采用液压传动。

考虑到家庭用机械的特点，液压式传动技术难度较大，成本高、维护不太方便，且本作品的实际载荷也不大，综合考虑，我们改用了物美廉价的机械式撑杆传动（螺母、螺杆等），由电动机驱动。

图5 剪叉式升降机构实物图3 工作原理及性能3.1 升降平台升降机构由底座、臂架和工作台三部分组成。

底座用于支撑整个机构，并为装于机构底部的滑块提供导向，采用钢板焊接而成；臂架为双层剪叉式平行四边形机构，采用高强度无缝矩形钢管制作；工作台用于安装吸尘器管架及其传动系统，需要承受一定的重量，故宜采用高强度的轻质材料制作，例如钢板或PVC 材料。

本作品仅提供比例缩小的样机，故采用了有机玻璃制作。