摘 要：本文设计了一种履带式光伏板清洁机器人。机器人的行走模块采用滑动式履带，可增大与光伏板的接触面积，减小压强，避免对光伏板造成损伤；清洁模块采用辊刷洗刷法，配合外接水管喷水，清洁能力强，且无需搭载水箱，减轻了装置自重。同时，清洁模块与整机采用连接销和杠杆连接的方式，便于辊刷的更换和调节。满足了机器人适应不同光伏板倾斜角、在光伏板上自由清洁、整体质量轻以及快速更换部件等要求，为提高光伏板清洁效率和适应性提供了新的解决方案。

关键词：光伏板；清洁机器人；结构设计；滑动式履带；辊刷洗刷法

一、引言

光伏板长期暴露在室外，容易受到雨水、尘埃和脏污等因素的影响，导致光伏板表面积累大量的灰尘和污垢，影响光伏发电效率 。因此，对光伏板进行定期清洁以提高光伏发电效率变得非常必要[1]。现有的清洁方式存在设备繁重、移动困难等问题。因此，研究和开发新型的光伏清洁机器人，以提高清洁效率和适应性。《积灰对光伏组件输出特性影响建模与分析》[2]表明灰尘沉积在光伏组件 l_Πμ^m 重影响光伏系统输出的稳定性，导致发电量降低的同时缩短了组件的使用寿命。《Comprehensive modeling of dust accumulation on PVmodules through drydeposition processes》[3]和《Decrease in photovoltaic module efficiency becauseof the deposition of pollutants》[4]发现粉尘通过减弱入射的太阳辐照度，降低表面透射率，引入部分阴影效应和提高面板温度，导致光伏面板的效率降低。《Dust as an unalterable deteriorativefactor affecting PV panel's efficiency： Why and how》[5]阐述和总结了灰尘对太阳能电池板效率的影响以及影响光伏电池板灰尘沉积的因素。《光伏组件积灰特性及其透射衰减规律研究》[6]和《光伏板间距对近表面流场和沙尘沉积量的影响》[7]研究得出在太阳总辐照度增时段，总衰减率随太阳入射角以类线性趋势正相关变化。在找到积灰会影响发电产能之后，国内外也逐步开始进行光伏发电系统的清洁优化方案。

二、结构方案设计

设定光伏板以及机器人初始设计参数如下光伏板单块板长度（mm）：2500光伏板单块板宽度（mm）：1800

光伏板总拼接面积（mm2）：7500*7200

履带机器人在光伏板上进行清洁的时候，需要满足一定量的条件，因此设计的过程中主要按照以下几点要求来进行设计：

（1）能够适应不同光伏板的倾斜角；

（2）能够在光伏板上自由清洁；（3）整体质量偏轻；（4）需快速更换能力；

基于上述要求，履带机器人应有的尺寸要求为：

机器人长*宽*高（mm）：＜1500*1200*200

辊刷长度（mm）： <1200

履带触地面积（mm2）：＜750*100

如图2-1 为本设计的技术路线图，根据计算对光伏板清洁机器人进行设计，并对其中重要零件的数据进行计算。运用空间坐标变换理论和空间刚体运动学原理，通过对悬架的简化和抽象，用Solidworks 将实物模型转成可供分析和研究的物理模型和数学模型。

三、履带机器人结构设计

3.1 行走模块

在面对光伏板这类十分脆弱的行走条件上，本设计并没有选择常见的行走轮作为清洁机器人的行走模块，而是选择通过行走电动机驱动履带的运动，轮履式救援机器人可以获得足够的动力，从而实现自主行走。履带可以增大机器人跟光伏板的接触面积，因此，根据压强公式：

P=F/S （3- 1）

其中：

P：压强，单位 Pa；

F：压力，单位 N；

S：接触面积，单位mm2。

在压力也就是机器人质量不变的时候，接触面积越大，对光伏板的压强越小，对光伏板的损伤程度也越小。因此，选择履带行走，不乏是一种正确的选择。

履带行走模块按结构形式分类有两种，分别是：滑动式履带和滚动式履带。

（1）滑动式履带：通常由主动轮、履带、导轨、张紧装置等组成，履带多为整体式，结构简洁。其结构简单，降低了故障率，维护成本低且重量轻，常用于轻量化和高可靠性场景。

（2）滚动式履带：由主动轮、履带、支重轮、托链轮、引导轮、张紧装置等组成，履带与地面接触压力分布均匀，磨损小，适合复杂地形，通过性和承载能力强。但结构复杂、部件多，故障率相对较高，维护成本高且重量重。

图3-1 为本设计所设计的履带行走结构，主要由内外板件作为固定板，中间使用轴和轴套来固定行走轮和履带，使用电机驱动主动齿轮带动履带和从动齿轮行走，中间加装三个小型的行走轮用作固定中间履带以及在光伏板之间跨越的时候中间有承重的地方，以至于不会在跨板过程中底盘与光伏板有相对摩擦，从而导致机器和光伏板的双重损坏。

3.2 清洁模块及辊刷连接

履带机器人在光伏板上行走的同时也需要进行清洁，目前对于处理光伏板上积灰的污垢的有效处理方式有两种，分别是：辊刷洗刷法和喷淋清洁法

（1）辊刷洗刷法：用辊刷洗刷光伏板各处，配合喷淋水管喷水快速清洁其表面。优点是清洁能力强，但效率低，辊刷需定期更换。

（2）喷淋清洁法：在光伏板侧面加装水管和高压喷头，水管连接处用增压水泵增压，以高压喷头喷出的高流速水流清洁光伏板。优点是清洁效率极高，但能力弱，面对顽固污垢效果差，需水量大。对于履带清洁人这种可以在光伏板上自由行走的机器人，很显然更适合辊刷刷洗法。

图3-2 为清洁模块结构，主要由固定板件、电机、辊刷、同步带四个部件组成，由电机带动同步轮通过同步带来传输带动辊刷进行清洁，辊刷上方固定住水管位置，底部有电线与水管接入，用于前部辊刷配合喷淋部件用于清洁。并且由于水管为外接水管进行喷水，因此，无需搭载水箱的优点来减轻装置自重，可有效避免清洁装置在清洁作业时因自身过重而导致光伏组件损伤所带来的经济损失。

在清洁模块中，辊刷是属于非常重要的一个零件，但是辊刷的连接安装方式在市面上有不同的选择。常见的有刚性连接和快速更换两种安装方式。

如图3-3 所示，快速更换方式在连接口横向切除了一部分，并且中间连接孔为圆孔，因此安装时只需要把输出轴段的圆轴放进辊刷突出的半圆孔内，并且在输出轴端设计一个连接腰孔方便使用顶丝来连接腰孔和辊刷上的开口。最终使用顶丝来带动辊刷和输出轴实现统一转动。使用方便，辊刷需要拆装的时候可以轻松拆卸且不必要拆卸其余部分。并且在辊刷和轴件加工过程中只需要使用车刀车出正常圆形就行，相比较于刚性连接会更为便捷。

综上所述，考虑到辊刷的使用寿命大概在3-5 个月，因此尽管顶丝没有刚性连接的稳定性，但是在这段期间内也不会出现很大问题，并且顶丝损坏过后可以便捷更换，本设计选用的是快速更换的辊刷。

3.3 清洁模块与整机连接

清洁模块作为长期需要清理以及更换辊刷等的重要部件，辊刷的刷毛是有一定柔韧性的，因此在用一段时间过后外部的刷毛会有一定变形，但是内部刷毛却十分崭新，为了减小更换辊刷的成本，本设计也设计了一个可调节的方式。如图3-4使用一个大号外六角头的M8螺母来作为杠杆的施力端来将辊刷部分进行抬升和降落，并且因为力矩很大所以在螺丝端受力很大，因此选择M8的强抗压螺栓。

SolidWorks 建模时，先构建行走模块三维模型，以内外板件为框架，经拉伸、切除等生成钣金结构，预留电机安装孔与轴套固定槽。行走轮参数化建模，履带用曲面建模，通过螺旋线扫描生成主体并创建啮合齿形，确保与行走轮配合。清洁模块以辊刷为核心，通过配合约束实现传动连接。固定板件利用钣金功能生成带连接销孔与调节槽的结构，满足快速拆装需求。

整机装配时，以左右履带为基准，对称安装两侧行走组件，用连接销与杠杆结构固定清洁模块于中部框架。在电机位置添加标准件，通过配合关系确保动力传递准确。建模中同步进行干涉检查，优化关键部位，最终形成含179 个零部件的完整装配体模型，如图3 - 5 所示。

四、总结

文章介绍了机器人大体结构及模块划分，围绕适应不同光伏板倾斜角、自由清洁、轻量化及快速更换四大核心需求，完成了行走模块与清洁模块的 设计 行走模块采用滑动式履带结构，通过增大接触面积降低对光伏板的压强，中间辅助承重轮设计使其 稳跨越板间间隙；清洁模块运用辊刷洗刷法结合外接水管喷淋，配合快速更换式辊刷与杠杆调节结构，在提升清洁效率的同时显著降低运维成本。

基于各模块的参数设计，利用SolidWorks 完成了机器人的三维模型构建。最终形成包含 179 个零部件的完整装配体。直观呈现了机器人的结构布局的同时，通过干涉检查优化了部件间的配合关系，为后续力学仿真及工程制造提供了数字原型。通过结构创新与仿真验证，为光伏板清洁提供了轻量化、高适应性的解决方案，后续可进一步优化材料耐磨性及动态控制算法，推动机器人向智能化运维方向发展。

参考文献

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[7]李煜雯， 李诗源， 徐路遥， et al. 光伏板间距对近表面流场和沙尘沉积量的影响 [J]. 应用力学学报， 2021，38（04）： 1745-1752.

课题项目：2025 年湖北省大学生创新创业训练计划项目：天穹洁能者—云端协同光伏板自主清洁系统（编号：202511654121）

作者简介：侯文博，男，2003.12-，汉族，湖北襄阳，机械设计与结构优化；李汶玲，女，2004.01-，汉族，湖北武汉，工业设计；李祉奕，女，2005.09-，汉族，湖北咸宁，机械制造自动化；谢星月，女，2005.07-，汉族，湖北荆门，动力传动；刘禹凡，男，2005.04-，汉族，湖北荆门，轻量化材料与结构创新。

通讯作者：汪宇康，男，1990.10-，汉族，湖北武汉，硕士，讲师，机械工程。