一種智能安檢防疫機器人控制系統(tǒng)設計

張雨新 陳文哲 成詠華 曾艷 王震生

摘? 要：為了助力新冠疫情防控，降低火車站、客車站等公共場合交叉感染的概率，降低防疫人員工作強度，開發(fā)了一款防疫消殺機器人。該機器人系統(tǒng)以樹莓派為核心控制器，增加了人臉識別模塊、智能測溫模塊、智能消殺模塊，通過系統(tǒng)硬件設計使該機器人系統(tǒng)在功能上集識別、測溫、消殺于一體。同時，設計該系統(tǒng)的外觀結(jié)構(gòu)，并進行材料選擇與測試。通過多次仿真實驗，該機器人基本可以實現(xiàn)消殺作用，且效果良好。

關(guān)鍵詞：防疫機器人;智能消殺;樹莓派;系統(tǒng)仿真

中圖分類號：TP242;TP391.4? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）16-0067-03

Design of an Intelligent Security Inspection and Epidemic Prevention Robot

Control System

ZHANG Yuxin， CHEN Wenzhe， CHENG Yonghua， ZENG Yan， WANG Zhensheng

（Tangshan Polytechnic College， Tangshan? 063299， China）

Abstract： In order to help the prevention and control of the COVID-19 epidemic， reduce the probability of cross-infection in public places such as railway stations and passenger stations， and reduce the work intensity of epidemic prevention personnel， an epidemic prevention and killing robot has been developed. The robot system uses the Raspberry Pi as the core controller， adds a face recognition module， an intelligent temperature measurement module， and an intelligent killing module. Through the hardware design of the system， the robot system integrates recognition， temperature measurement and killing in one function. At the same time， design the appearance and structure of the system， and conduct material selection and testing. Through many simulation experiments， the robot can basically achieve the killing effect， and the effect is good.

Keywords： epidemic prevention robot; intelligent killing; raspberry pi; system simulation

0? 引? 言

自2020年初新冠肺炎疫情暴發(fā)以來，全國人民投身于抗擊疫情的“戰(zhàn)役”中，機器人代替人工完成疫情防控的相關(guān)工作的需求被激發(fā)，防疫機器人的應用研究也逐漸成為熱點。

目前，所研究的防疫機器人主要具有智能測溫、消毒、自主返回充電、語音播報等功能，一般采用輪式和履帶式的運動方式[1]。張雄，劉浩等人提出了一種消毒防疫智能巡檢機器人，以STM32單片機作為控制器，配置多種傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，通過攝像頭和無線模塊實現(xiàn)圖像信息的采集與傳輸，同時機器人身上安放自動噴灑消毒裝置，實現(xiàn)巡檢、消毒及防疫功能[2];李志鵬提出了一款基于Arduino的WIFI智能遙控防疫機器人設計與制作，機器人主要由車體、Arduino控制板、電源模塊、電機驅(qū)動模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊等構(gòu)成。通過藍牙模塊實現(xiàn)手機APP與Arduino控制板之間信號和數(shù)據(jù)的傳輸，能實現(xiàn)在小車遙控模式、循跡模式、避障模式、路徑規(guī)劃模式下的考勤、測溫、防疫藥水噴灑等功能[3]。新冠肺炎疫情防控常態(tài)化背景下，為了減少人與人直接接觸而造成交叉感染，降低工作人員工作強度，設計開發(fā)了一款智能安檢防疫機器人。

1? 系統(tǒng)功能描述

本設計的智能安檢防疫機器人是應用在火車站、客車站和機場等人流密集、流動量較大的場合，主要包括三個功能：身份識別、智能測溫和智能消殺。設備外形如圖1所示。

1.1? 人臉識別

本設計采用檢測門式，當人員通過檢測門時，站到檢測臺上，能夠通過人臉識別識別出個人信息并記錄到數(shù)據(jù)庫中，收集流動人員大數(shù)據(jù)的信息，便于日后流調(diào)。人臉識別裝置安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2? 智能測溫

通過檢測門時，進行體溫檢測，采用光電傳感器檢測人員到位信號、用樹莓派做人臉識別、使用非接觸式紅外測溫傳感器檢測人體溫度，當檢測的溫度異常時，系統(tǒng)會發(fā)出報警，被檢測人將進入人工檢測區(qū)域進行后續(xù)處理;當檢測的溫度正常時，啟動智能消殺功能。

1.3? 智能消殺

本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對人體和雙手進行自動消殺功能。一般人體高度為1.6～1.8米（身高低于1.2米的兒童不能使用），根據(jù)身高檢測信號確定噴頭噴殺狀態(tài)，在距離地面0.5米、1米和1.5米分別安裝消殺噴頭，消殺時，用光電開關(guān)對人體高度進行檢測，如果檢測到人體高度1.2米，只有0.5米處噴頭噴殺，檢測到人體高度1.6米，0.5米和1米處噴頭噴殺，檢測到人體高度1.8米，三個噴頭同時噴殺，以確保對人體外衣進行消殺的同時不噴灑到頭部、面部等部位。采用“一進液”變“六出液”，實現(xiàn)了供液和噴灑的支路配合，以及對手部的消毒，手部消毒噴淋機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

設備具有安全可靠的防水、防潮、防觸電措施，防止在消毒和檢測過程中出現(xiàn)漏電，營造安全的檢測和消毒環(huán)境。所用消毒液使用水和鹽電解生成的次氯酸，對人體無危害，對環(huán)境無污染，且成本低，消毒效果好。以上功能全部由機器人自動完成，降低防疫一線工作人員的勞動強度，同時降低人與人接觸造成交叉感染的概率。同時本系統(tǒng)可用在學校、商場等人流密集的場合。

2? 系統(tǒng)硬件設計

2.1? 外觀結(jié)構(gòu)

為了保證所設計設備有足夠的強度和剛度且具有抗腐蝕性，并考慮成本的因素，選擇鋁合金結(jié)構(gòu)作為框架材料，規(guī)格為歐標3030及其配件[4]，連接處使用角件進行加固，結(jié)構(gòu)如圖4所示。此外，根據(jù)系統(tǒng)應用需求確定整個系統(tǒng)高2.5米，寬1.2米，底端旋轉(zhuǎn)盤直徑0.8米。

2.2? 主要元件選擇

2.2.1? 控制器的選擇

本系統(tǒng)采用樹莓派4B+作為控制器。樹莓派4B+樹是一款基于ARM的微型電腦主板，搭載運行頻率1.5 GHz的64位四核處理器;設有千兆以太網(wǎng)和雙頻無線網(wǎng)絡，可實現(xiàn)智能防疫消殺機器人系統(tǒng)與監(jiān)控中心的遠程通信;設有40個端口，用于外接溫度傳感器等各種硬件;設有USB接口，可以連接鼠標、鍵盤，使得使用者可以更加方便地操作設備。相對于單片機，樹莓派4B+能運行Linux等操作系統(tǒng)，且運算能力更強，可以完成復雜多重的任務監(jiān)控管理與調(diào)度，更適合本設計需求[5]。

2.2.2? 圖像采集模塊

在本設計中，用于采集人臉信息的圖像采集模塊選用的是樹莓派攝像頭模塊RPi Camera V2。它是專為樹莓派定制的，具有高質(zhì)量800萬像素，使用索尼IMX219感光芯片和定焦鏡頭，可通過軟排線和樹莓派主板的CSI接口進行連接。

2.2.3? 測溫裝置選擇

本設計選用紅外溫度傳感器MLX90615測量人體體溫。該溫度傳感器的測溫范圍為-40 ℃～115 ℃，在0～50 ℃的范圍內(nèi)可獲得0.5 ℃的測溫精度，分辨率為0.02 ℃，工作電壓3 V，工作電流5 mA，具有SMBus兼容的數(shù)字接口，可實現(xiàn)PWM輸出，滿足本設計的需求。

2.2.4? 電機選擇

在電機選型中，我們選擇5882-50ZY渦輪蝸桿直流減速電機。根據(jù)系統(tǒng)需求，對于電機的最基本的要求為電機扭矩大，可承受100公斤以上的重物，節(jié)省空間，可靠耐用，能耗低，振動小，可正反轉(zhuǎn)且效率高，因此我們選用最常用、最穩(wěn)定的24 V直流減速機，經(jīng)過不同類型對比，最終從承重能力及成本上考慮，選擇了5882-50ZY渦輪蝸桿直流減速電機。

2.3? 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示[6]。

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括以下七大模塊：

（1）人臉識別模塊，用于識別被檢測人的身份信息，記錄人員流動情況，用于日后流調(diào)。

（2）溫度檢測模塊，用于被檢測人的溫度檢測。

（3）報警模塊，當被檢測人的體溫≥37.3 ℃時，發(fā)出報警，提醒工作人員進行重復測溫并處理。

（4）顯示模塊，用于實時顯示溫度檢測結(jié)果。

（5）供液模塊，用于為消毒模塊提供消毒液。

（6）消毒模塊，用于對人體進行噴殺消毒。

（7）手部消毒模塊，用于對被檢測人的手部進行消毒。

3? 系統(tǒng)軟件設計

本設計可選用全自動智能消殺，具體流程為：

（1）消殺機器人首先對被測人員進行身份識別。

（2）身份識別后，身份信息為云端數(shù)據(jù)庫內(nèi)信息，顯示屏顯示身份信息正常，則進行下一步;身份信息不為云端數(shù)據(jù)庫內(nèi)信息，語顯示屏顯示身份信息異常并發(fā)出報警，則終止服務。

（3）身份信息檢測通過后，紅外測溫傳感器C1啟動測溫，≥37.3 ℃，系統(tǒng)啟動報警，并顯示在顯示屏上，服務終止;<37.3 ℃，系統(tǒng)提示正常顯示在顯示屏上，并進行下一步。

（4）人站到消毒轉(zhuǎn)盤上，對射式光電傳感器C2接收到信號啟動并發(fā)送信號給直流電機K1，直流電機帶動的消毒轉(zhuǎn)盤啟動，由動力泵F和電磁閥E1、E2控制的消毒機構(gòu)啟動消毒，15 s后停止。

（5）人將手伸入手部消毒機構(gòu)，反射式光電傳感器C3接收到信號啟動并發(fā)送信號給有動力泵F和電磁閥E3、E4控制的手部消毒，5 S后結(jié)束。

（6）手部消毒結(jié)束后5 S，回到初始狀態(tài)。工作流程示意圖如圖6所示。

4? 結(jié)? 論

本文設計了一款智能安檢防疫機器人，采用樹莓派4B+為控制器、采用樹莓派攝像頭模塊RPi Camera V2進行人臉信息的圖像采集、使用紅外溫度傳感器進行溫度采集，設計了外形尺寸為2.5 m×1.2 m×1.2 m的防疫機器人原型系統(tǒng)，自動完成溫度檢測、人臉識別和防疫消殺，大大降低接觸式傳播的風險，減少工作人員的工作強度，適用在火車站、商場等人員流動密集的場合。

參考文獻：

[1] 前瞻產(chǎn)業(yè)研究院.2020年中國防疫機器人發(fā)展報告：防疫前線的鋼鐵戰(zhàn)士[R/OL].[2021-04-18].http：//www.d-long.cn/eWebEditor/uploadfile/2020092419341439680177.pdf.

[2] 張雄，劉浩，鐘宙明，等.消毒防疫智能巡檢機器人的設計 [J].電子制作，2021（1）：23-24+42.

[3] 李志鵬.基于Arduino的WIFI智能遙控防疫機器人設計 [J].電子世界，2020（12）：181-182.

[4] 崔丹丹，曾艷，王海龍.基于PLC控制的智能洗浴設備研制 [J].工業(yè)技術(shù)與職業(yè)教育，2021，19（2）：8-10.

[5]潘志倩，基于樹莓派的智能“魔鏡”設計 [J].電子技術(shù)應用，2021（2）：45-48.

[6] 曾艷，王震生，王康，等.一種新型的移動機器人主控板設計 [J].數(shù)碼設計，2020（15）：54-55.

作者簡介：張雨新（1983—），女，漢族，吉林榆樹人，副教授，碩士研究生，研究方向：機電一體化技術(shù)。