智能衛(wèi)生機器人的設(shè)計與研究

蔣鑫 沈永楠 常浩 顧振超 焦斯勇 竇巖

摘? 要：本文針對公共設(shè)施以及一般場所的清潔設(shè)計的一款智能衛(wèi)生機器人，該產(chǎn)品主要通過機械手臂的運動和清理裝置的工作配合，外加智能控制系統(tǒng)的指令來解決日常打掃中人工耗時且不能實現(xiàn)全方位清潔問題，而且利用機器代替人工打掃能夠有效的減少病毒的傳播、擴散。利用智能操作系統(tǒng)與機械式結(jié)構(gòu)結(jié)合的技術(shù)能夠精準(zhǔn)的實現(xiàn)清潔工作的要求。底部平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠解決車輛整體平衡的問題。根據(jù)不同的清理要求，自動選擇清理的工具，并且檢測當(dāng)前的衛(wèi)生狀態(tài)來實現(xiàn)多種不同的方案。完美解放了人力，且不占用公共資源。

關(guān)鍵詞：智能控制? 機械手臂? 多功能化? 清潔消毒? 公用設(shè)施打掃

Abstract： In this paper， an intelligent sanitary robot is designed for the cleaning of public facilities and general places. The product mainly uses the movement of the mechanical arm and the working cooperation of the cleaning device， plus the instructions of the intelligent control system to solve the problem of manual time-consuming and unable to achieve all-round cleaning in daily cleaning， and the use of machines instead of manual cleaning can effectively reduce the spread of viruses Diffusion. Using intelligent operating system and mechanical structure technology can accurately achieve the requirements of cleaning work. The bottom balance adjustment system can solve the problem of vehicle overall balance. And a variety of cleaning tools can be automatically selected according to the current state of cleaning. The perfect liberation of human resources， and does not occupy public resources.

Key Words： Intelligent control; Mechanical arm; Multifunctional; Cleaning and disinfection; Utility cleaning

隨著中國人口的不斷增多，越來越多的公共設(shè)施正在逐漸被開發(fā)，如何高效率、自動化、智能化的完成公共設(shè)施的清潔是人們一直所需要探索和研究的。智能衛(wèi)生機器人是一個符合當(dāng)下的產(chǎn)品，針對目前的公共設(shè)施如電梯，銀行存取款機等而開發(fā)的多功能衛(wèi)生消毒機器。傳統(tǒng)靠人為清理時，需要選擇一個特定時間來進行大規(guī)模的清理，而且共用場所（衛(wèi)生間、銀行自助存取款機等）中的環(huán)境對人體也會造成一定損害，易引發(fā)病毒的傳染，費時費力并且不能夠進行有效的清理。現(xiàn)在通過智能衛(wèi)生機器人，可以在晚上或者凌晨人不多的情況下，進行工作。既不會占用公共資源，也不需要人力，節(jié)約時間且效率高，大大解放了勞動力，對于解決衛(wèi)生問題有著重大意義。

1? 智能衛(wèi)生機器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理

1.1 地面清理裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

整體由抽水泵、儲水箱、污水箱、防護輪、刮板、滾刷、電磁開關(guān)閥自動排水裝置、專用殼體以及液位傳感器裝置等組成（見圖1）。采用長方體形狀，滾刷采用柔性材料，兩側(cè)對稱分布。殼體與其他部件為螺紋連接，具有很好的連接保護的作用。在殼體上由液位傳感器、抽水泵、儲水箱和污水箱組成，由抽水泵通過液壓傳動從儲水箱中抽取一定量的水進入裝置內(nèi)部，然后液壓傳動方式從刮板上方細(xì)小噴嘴處出水，灑向地面。底部的滾刷與兩側(cè)板通過螺栓連接實現(xiàn)組合，將水漬與臟污卷起，經(jīng)過刮板與內(nèi)部氣泵共同工作，吸附水漬、臟污到污水箱中，以此循環(huán)。清理工作前后，清理裝置通過液位傳感器監(jiān)測儲水箱中水是否足夠，進而判斷是否需要加水，同時液位傳感器也可以實時監(jiān)測污水箱中廢水的水位判斷是否影響機器工作，它們會將機器狀況隨時傳輸?shù)诫娔X終端以便觀察。最后排污水時，機器內(nèi)部電磁開關(guān)閥通過內(nèi)部電磁感應(yīng)裝置自動控制排水。

1.2 機械手臂

機械手臂由底盤、滾輪、機械手、連接組件、酒精棉刷和透水裝置組成。手臂的與移動底座通過螺釘連接實現(xiàn)固定，使之具有較好的固連性。在電腦終端通過偵測高處衛(wèi)生情況后，信號傳輸給機械手臂執(zhí)行相應(yīng)工作，首先機械手通過螺栓連接可以實現(xiàn)大幅度的伸長與縮短，在遇到一些特殊的角落也可以輕松觸碰。隨后，連接部位上裝備的透水裝置和酒精棉刷開始互相配合工作，連接部位與機械手內(nèi)部具有滾珠通過滾動連接可以實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。透水裝置內(nèi)部裝有微型液壓水泵，可以噴灑一定范圍的水霧，同時酒精棉刷材質(zhì)也具有強力的吸水性能，它與連接部位通過吸附式的結(jié)構(gòu)進行組合，不需要多次更換。整個機械手臂也可通過轉(zhuǎn)動裝置里的滾輪的滾動連接實現(xiàn)自由旋轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)大范圍轉(zhuǎn)動。

1.3 三級機械臂

三級機械臂的設(shè)計中，主要包括PLC控制器，監(jiān)控系統(tǒng)，以及伺服驅(qū)動裝置，多個傳感器模塊（見圖2）。通過監(jiān)測系統(tǒng)觀察清理環(huán)境，機械手臂的運動狀態(tài)通過以太網(wǎng)采集，獲得有效數(shù)據(jù)，完成與工作環(huán)境的實時交換，由多個傳感器接收處理，視覺信息處理反應(yīng)給電腦終端，通過對照分析由終端給出清理方案，信號傳達(dá)給機械臂上執(zhí)行模塊，伺服驅(qū)動裝置啟動從而使機械手臂獲得規(guī)定的運動軌跡，完成三級機械臂的運動。

1.4 整體裝置的具體實施流程

清理衛(wèi)生時，電腦端下達(dá)命令，機器自動行進指定的公共設(shè)施中。機器通過機械手臂中感應(yīng)裝置檢測環(huán)境中的衛(wèi)生狀況反饋給電腦終端，進行數(shù)據(jù)匹配，然后傳輸指令給機器通過車輪移動到指定的區(qū)域。車輪用了減震效果顯著的柔性材料來增強抓地力，同時具備良好的支撐作用，保護上方的清潔裝置不受影響。到達(dá)目的地后系統(tǒng)將通過電腦終端指示清理裝置和酒精棉刷）開始進入工作狀態(tài)。首先通過三級機械臂的往復(fù)運動（機械臂通過各部分的螺栓連接實現(xiàn)組合）將清理裝置平穩(wěn)放置在需要清潔表面上，隨后清理裝置將會通過內(nèi)部紅外線偵測地面狀況開始進行清潔，烘干等步驟。底部的滾刷會通過四個方位的移動來進行清潔，地面的污水、污漬將會隨時儲存到裝置中的污水箱中，不會二次弄臟地面。底座上的機械手臂同樣可以偵測高處的衛(wèi)生狀況且通過轉(zhuǎn)動裝置實施360°方位調(diào)節(jié)并且控制自由機械手的伸縮和移動實現(xiàn)上升或下降達(dá)到合適高度，手臂上的透水系統(tǒng)配合酒精棉刷來實現(xiàn)清潔、消毒任務(wù)。酒精棉刷清理過程時，不斷與清理表面接觸表面消毒液體產(chǎn)生消耗、揮發(fā)，通過透水系統(tǒng)進行補充消毒水以確保酒精棉刷清理工作有效進行。最后工作完成后機器通過接受終端指令停止運轉(zhuǎn)，自動行出打掃場所。

2? 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 衛(wèi)生機器人整體控制系統(tǒng)的設(shè)計

衛(wèi)生機器人的運動行駛，采用無人駕駛技術(shù)，內(nèi)部由單片機主控電路和電機驅(qū)動電路一同組成機器人行駛系統(tǒng)的硬件部分，外部由攝像、紅外線感應(yīng)裝置等組成，通過主控電路的核心控制單元來進行算法的處理和信號發(fā)送，紅外線感應(yīng)裝置采用相機的感光部分接收紅外輻射傳遞的信號，利用模電轉(zhuǎn)換原理，將紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號以得到可見光的圖片即所需的外部環(huán)境數(shù)據(jù)。

電機的驅(qū)動電路是通過驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)監(jiān)測機器人行進過程中的道路狀況并且實時反饋給控制芯片，其中紅外線感應(yīng)裝置具有避障系統(tǒng)，主要采用的是避障傳感器，機器人收到指令行進時，若在計算好的路徑上出現(xiàn)障礙物，通過避障傳感器發(fā)射出具有低頻率的紅外線，紅外線定然會受到阻礙并且會反射回避障傳感器內(nèi)部的接收管接收，通過比較器處理之后，此時的信號輸出串口會持續(xù)輸出一個低電頻的信號，可通過電腦終端算法計算其面積，并與數(shù)據(jù)庫中原有的目標(biāo)形狀進行比較，通過這種方式來判斷是否為障礙物，若前方為行人，則通過單片機控制語音指令芯片提示前方人員注意避讓。當(dāng)行進路徑確實為障礙物時，通過算法計算得出機器人與障礙物此時兩者之間的距離。當(dāng)兩者之間的距離小于所設(shè)置的最小安全距離時，則運行出對此時狀態(tài)有效的算法并進行安全的避讓，若障礙物體型較大實在無法避讓，則機器人立即反饋給用戶到現(xiàn)場排除障礙。機器人的工作狀態(tài)通過調(diào)節(jié)模塊中內(nèi)部傳感器進行實時參數(shù)調(diào)整，能夠適時、準(zhǔn)確的反饋給電腦終端以便調(diào)整機器人下一步工作。同時平衡機器人的整體受力，防止發(fā)生側(cè)翻等意外事故。用戶可通過控制系統(tǒng)界面發(fā)出指令，內(nèi)部預(yù)設(shè)的完整程序進而控制電機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)行駛。機器人上有無線連接裝置，可以通過物聯(lián)網(wǎng)模塊連接以太網(wǎng)或局域網(wǎng)，實現(xiàn)在電腦、手機及專業(yè)的通訊設(shè)備上使用控制。

2.2 平衡系統(tǒng)的設(shè)計

由測量系統(tǒng)測量貨物質(zhì)量數(shù)值，在微控制器中以PID算法（見圖3），并將計算所得數(shù)值通過PWM方式傳回電動機芯片，告知滑移距離調(diào)整配重塊的位置，從而完成車輛的前后平衡。行駛中，采用最常使用的PI控制器，芯片根據(jù)攝像感應(yīng)系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，計算位置參數(shù)，電動機運轉(zhuǎn)使配重塊移動的對應(yīng)位置，電動機調(diào)整機器人的運動速度，兩者相互配合，使其平穩(wěn)工作，并且根據(jù)感應(yīng)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)實時調(diào)整。

3? 智能衛(wèi)生機器人的檢驗測試

智能衛(wèi)生機器人經(jīng)過組裝成功后，還需要將其投入實際生活中來進行檢驗測試，通過在有效范圍內(nèi)給定其有關(guān)的指令，觀察機器人是否能有效的執(zhí)行相關(guān)指令以及是否能夠達(dá)到預(yù)測的目標(biāo)。更為重要的是還需嚴(yán)格檢查智能衛(wèi)生機器人的安全問題，例如在使用過程中是否有漏電、漏水、操作失靈等安全隱患。在機器人使用的過程中也要時刻檢測，評估機器人的風(fēng)險，能夠在其使用過程中安全無誤。若通過各種的檢測各項指標(biāo)都合格，則智能衛(wèi)生機器人可通過批量生產(chǎn)，可以運用到我們平時的生活中。

4? 結(jié)語

隨著智能的時代發(fā)展，提高工作效率，利用機械來代替人工來完成具有一定危險性工作已經(jīng)成為常態(tài)。本研究項目，通過對已有的清理裝置進行改良，保留其基本的機械結(jié)構(gòu)，加之以智能系統(tǒng)以及多功能機械手臂，可實現(xiàn)對于大多公共設(shè)施的自動清理任務(wù)。完美解放了人力，且不占用公共資源。

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