基于TRIZ理論的消毒機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

代相伍 王繼榮 時(shí)連文 楊家岐 李軍

摘要：? 針對(duì)消毒工作不完善和不及時(shí)而引起的絕大多數(shù)病毒大范圍傳染問(wèn)題，本文利用發(fā)明問(wèn)題解決理論（theory of inventive problem solving，TRIZ），提出一種自動(dòng)消毒機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案。通過(guò)對(duì)消毒機(jī)器人進(jìn)行功能和資源分析，建立了消毒機(jī)器人物場(chǎng)模型，發(fā)現(xiàn)消毒機(jī)器人的技術(shù)矛盾，同時(shí)運(yùn)用發(fā)明原理與矛盾矩陣解決問(wèn)題，得到合適的解決方案，并對(duì)機(jī)器人消毒結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明，該機(jī)器人能自主對(duì)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)并殺菌消毒，真正實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化操作，且電池即將用盡時(shí)，可自主返回充電倉(cāng)充電。此結(jié)構(gòu)安全性能更高，適應(yīng)性更強(qiáng)，提高了消毒的效率和安全性。該研究對(duì)降低生活及工作環(huán)境的病毒感染具有重要意義。

關(guān)鍵詞：? AGV; TRIZ理論; 消毒機(jī)器人; SLAM算法

中圖分類號(hào)： TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

作者簡(jiǎn)介： ?代相伍（1997-），男，河南周口人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人。

通信作者： ?王繼榮（1967-），女，山東威海人，博士，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人。 Email： wangjirong43@163.com

對(duì)生活及工作環(huán)境進(jìn)行必要的消毒能夠大幅度降低病毒感染的機(jī)率。傳統(tǒng)的人工消毒會(huì)增加人與人之間的交叉感染，并且存在消毒效果有限、質(zhì)量不穩(wěn)定以及對(duì)消毒人員造成傷害等問(wèn)題，而消毒機(jī)器人能夠消除這些缺點(diǎn)。因此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)消毒機(jī)器人進(jìn)行了研究。M. A. V. J. Muthugala等人[1]設(shè)計(jì)了一種利用模糊邏輯建立墻體消毒機(jī)器人的跟蹤行為新方法，并在此基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)非單例1型模糊邏輯系統(tǒng)（type 1 fuzzy logic system，T1-FLS）和一個(gè)非單例區(qū)間2型模糊邏輯系統(tǒng)（Interval Type 2 Fuzzy Logic System，IT2-FLS）;J. Miseikis等人[2]設(shè)計(jì)了一種型號(hào)為L(zhǎng)io的帶有多功能手臂的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，能被迅速調(diào)整，以執(zhí)行消毒和遠(yuǎn)程體溫升高檢測(cè)等功能;P.Chanprakon等人[3]開(kāi)發(fā)了一種基于樹(shù)莓Pi的嵌入式系統(tǒng)的紫外線消毒機(jī)器人，用于手術(shù)室或病房的消毒;丁志虎等人[4]設(shè)計(jì)了一款型號(hào)為T(mén)RD-01的智能消毒機(jī)器人，配有高濃度干霧過(guò)氧化氫、紫外線消毒燈及空氣過(guò)濾器;胡福文等人[5]設(shè)計(jì)了綠色消毒智能機(jī)器人，基于酸性氧化電位水淋霧沉降，實(shí)現(xiàn)空氣消毒，并且研究了基于Rao-Blackwellized粒子濾波器的自主導(dǎo)航算法。目前，消毒機(jī)器人的研究熱點(diǎn)是采用一種安全的消毒方式實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的消毒。由于消毒機(jī)器人的消毒存在二次污染、消毒效率低、自動(dòng)化程度不夠高等問(wèn)題。因此，本文基于TRIZ，對(duì)一種全自動(dòng)消毒機(jī)器人進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，建立消毒機(jī)器人物場(chǎng)模型，真正實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化操作。該研究具有較好的應(yīng)用前景。

1TRIZ

TRIZ是由蘇聯(lián)發(fā)明家G.S.Altschuller和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)大約250萬(wàn)份專利文獻(xiàn)進(jìn)行分析、歸納和總結(jié)，并綜合多學(xué)科領(lǐng)域的原理和法則，形成的一套具有完整體系的發(fā)明問(wèn)題解決方法和理論[67]。本文對(duì)消毒機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要采用TRIZ中功能分析、資源分析、物場(chǎng)模型、技術(shù)矛盾與發(fā)明原理等相關(guān)內(nèi)容。

2消毒機(jī)器人的TRIZ分析

消毒機(jī)器人由能源裝置（鋰電池）、驅(qū)動(dòng)裝置（伺服電機(jī)）、傳動(dòng)裝置（連桿機(jī)構(gòu)）、控制裝置（單片機(jī)系統(tǒng)）、消毒裝置（紫外線消毒燈）和感知裝置（傳感器）多個(gè)系統(tǒng)組成。消毒機(jī)器人系統(tǒng)如圖1所示。

2.1消毒機(jī)器人的功能分析

對(duì)消毒機(jī)器人功能進(jìn)行分類，主要分為技術(shù)系統(tǒng)、用途、技術(shù)功能以及主要功能。技術(shù)系統(tǒng)包括動(dòng)力系統(tǒng)、消毒系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng);用途是殺菌消毒;技術(shù)功能主要是自主導(dǎo)航和多場(chǎng)景自主識(shí)別;主要功能是對(duì)待消毒區(qū)域識(shí)別，機(jī)器人自主判斷，并完成殺菌消毒工作。

2.2資源分析

1）物質(zhì)資源。該消毒機(jī)器人由連桿、紫外線消毒燈、滾珠絲杠、軸承、支架、電機(jī)、傳感器、單片機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)向車（automated guided vehicle，AGV）等組成。

2）空間資源。該消毒機(jī)器人消毒模塊由三根紫外線消毒燈由中心向外擴(kuò)散分布，提高了空間使用率。

3）能量資源。主要有電能、電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能、消毒燈產(chǎn)生的光能和熱能。

4）時(shí)間資源。AGV小車以及帶動(dòng)消毒燈伸縮結(jié)構(gòu)的直流電機(jī)在單片機(jī)控制下可實(shí)現(xiàn)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。

2.3消毒機(jī)器人物場(chǎng)分析

利用物場(chǎng)模型對(duì)智能消毒機(jī)器人裝置進(jìn)行問(wèn)題描述。消毒機(jī)器人物場(chǎng)模型如圖2所示，消毒機(jī)通過(guò)人工操作，對(duì)消毒區(qū)域進(jìn)行殺菌消毒，該研究被作用對(duì)象是消毒機(jī)，而作用對(duì)象是人。人用手工操作消毒設(shè)備進(jìn)行消毒，增大了人與人之間交叉感染的機(jī)率，對(duì)人產(chǎn)生有害影響，因此，需要添加一個(gè)場(chǎng)來(lái)抵消有害作用，消除人與消毒設(shè)備的直接接觸，將有害作用消除。經(jīng)過(guò)查表分析得到方案模型，引入AGV小車，能夠避免消毒過(guò)程中人與消毒設(shè)備的直接接觸，消除了有害作用。

對(duì)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)、理想化結(jié)果和達(dá)到理想解所遇到的障礙等進(jìn)行如下分析：

1）設(shè)計(jì)最終目標(biāo)。消毒機(jī)器人對(duì)最終設(shè)計(jì)的目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)、安全的殺菌消毒。

2）理想化最終結(jié)果。不需要人為操控，消毒機(jī)器人可以安全、智能、自主消毒。

3）達(dá)到理想解的障礙。因消毒機(jī)器人智能化程度達(dá)不到要求。

4）出現(xiàn)此障礙的結(jié)果。因消毒機(jī)器人不能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)殺菌消毒，且傳統(tǒng)消毒方式需要有人工操作，空氣中增加了可吸入顆粒物。

5）不出現(xiàn)此障礙的條件。消毒機(jī)器人能識(shí)別不同的場(chǎng)景自主導(dǎo)航，并采取更健康的消毒方式。

6）創(chuàng)造這些條件所用資源。智能識(shí)別分析系統(tǒng)，電能，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械能、消毒燈發(fā)光產(chǎn)生的光能和熱能等。

2.4技術(shù)矛盾與發(fā)明原理解決復(fù)雜問(wèn)題

傳統(tǒng)AGV小車導(dǎo)航主要有電磁導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航和二維碼導(dǎo)引等方式。電磁導(dǎo)航需要在AGV運(yùn)行軌跡下方埋設(shè)金屬線，致使周圍分布有電場(chǎng)和磁場(chǎng)，通過(guò)檢測(cè)相應(yīng)電磁場(chǎng)的強(qiáng)度，獲得機(jī)器人行駛過(guò)程中的空間位置[8]。穩(wěn)定性高，但美觀不足，并且路徑變得更困難。激光導(dǎo)航以激光雷達(dá)作為探測(cè)外部周圍環(huán)境的傳感器，從而進(jìn)行導(dǎo)航定位[9]，其成本高，對(duì)環(huán)境要求相對(duì)苛刻，只適用于無(wú)遮擋環(huán)境。目前，采用視覺(jué)傳感器進(jìn)行導(dǎo)航是較為先進(jìn)的視覺(jué)導(dǎo)航，其具有響應(yīng)速度快、成本低、獲取信息量大等優(yōu)勢(shì)[10]，但技車檢測(cè)路徑的測(cè)量精度，則系統(tǒng)的復(fù)雜性會(huì)增加。提高AGV的適應(yīng)性和通用性，其可靠性又會(huì)受到影響。通過(guò)對(duì)AGV小車進(jìn)行矛盾分析，得到自動(dòng)化程度、測(cè)量精度及適應(yīng)性和通用性的優(yōu)化參數(shù)，同時(shí)也得到了可維修性、系統(tǒng)的復(fù)雜性及可靠性的惡化參數(shù)。三對(duì)技術(shù)矛盾矩陣表如表1所示，由文獻(xiàn)[11]中TRIZ矛盾矩陣表可查得發(fā)明原理分別為：1分割原理，8重量補(bǔ)償原理，10預(yù)先作用原理，13反向作用原理，24借助中介物原理，27廉價(jià)替代品原理，34拋棄或再生原理，35物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)怼Ｓ杀?可以得知，在自動(dòng)化程度和可維修性組成的技術(shù)矛盾中。采用分割原理，通過(guò)對(duì)AGV小車上安裝的激光傳感器、深度攝像頭傳感器、超聲波傳感器等接口類型進(jìn)行改變，使之能夠分解成與小車相互獨(dú)立的單元。簡(jiǎn)化安裝與拆卸操作，便于更換機(jī)器人底盤(pán)損壞的部件，提高自動(dòng)化程度的同時(shí)，也增加了機(jī)器人的可維修性。在測(cè)量精度和系統(tǒng)復(fù)雜性構(gòu)成的技術(shù)矛盾中，采用廉價(jià)替代品原理，用測(cè)量精度相對(duì)低一點(diǎn)的激光傳感器和超聲波傳感器輔助配合測(cè)量。代替測(cè)量精度較高的激光傳感器，既能節(jié)約成本，又能夠保證測(cè)量精度的準(zhǔn)確性。在適應(yīng)性和通用性與可靠性構(gòu)成的技術(shù)矛盾中，采用反向作用原理，將傳統(tǒng)的四輪驅(qū)動(dòng)換成兩輪，減少的兩輪（支撐軸不可動(dòng)）可用旋轉(zhuǎn)360°的萬(wàn)向輪（支撐軸可動(dòng)）進(jìn)行代替，使機(jī)器人能夠在更小的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)360°完成轉(zhuǎn)彎操作，以便適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，不會(huì)因?yàn)槿藶楦蓴_而停止工作。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，主要有以下幾種傳統(tǒng)消毒方式，即采用濃度75%的酒精消毒液噴灑，高濃度H2O2蒸汽消毒，酸性氧化電位水淋霧沉降實(shí)現(xiàn)空氣消毒，或用紫外線消毒。在醫(yī)院手術(shù)間[12]和隔離病房[13]等場(chǎng)所采用消毒液噴灑方式會(huì)對(duì)環(huán)境和人體造成一定的影響，利用紫外線照射消毒對(duì)環(huán)境和人影響相對(duì)較小，比較清潔[14]，但對(duì)設(shè)備的制造精度要求更高。因此，如果改用紫外線方式消毒殺菌，所需要的機(jī)械結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，整體消毒模塊的質(zhì)量增加，減弱了機(jī)器人的靈活性。目前，移動(dòng)消毒機(jī)器人[15]存在著巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，市場(chǎng)上普遍采用的單根紫外線燈消毒方式，其照射面積有限，且消毒時(shí)間較長(zhǎng)，消毒效率有待提高，而采用多根紫外線燈同時(shí)工作時(shí)，部分地方會(huì)重復(fù)照射，造成能源浪費(fèi)。通過(guò)TRIZ分析可知，需要優(yōu)化的參數(shù)為形狀和作用時(shí)間，惡化的參數(shù)為制造精度和能量損失。兩對(duì)技術(shù)矛盾構(gòu)成的部分矛盾矩陣表如表2所示。由TRIZ矛盾矩陣表可查得發(fā)明原理為：30柔性殼體或薄膜原理，32顏色改變?cè)恚?0復(fù)合材料原理。

由表2可以看出，在形狀和制造精度構(gòu)成的技術(shù)矛盾中，可以利用復(fù)合材料發(fā)明原理，將機(jī)器人外觀不受力或者受力不大的區(qū)域采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物工程塑料替代鋼結(jié)構(gòu)，可有效降低整體質(zhì)量，減弱底盤(pán)受載，提高了消毒機(jī)器人的靈活性。利用顏色改變發(fā)明原理，將高透性亞克力板[16]作為紫外線燈的燈罩，增加透光面積，提高了消毒效率和效果。作用時(shí)間和能量損失構(gòu)成的物理矛盾無(wú)法解決，考慮到實(shí)際情況，殺菌消毒是優(yōu)先目標(biāo)，決定增加紫外線消毒燈的數(shù)量，在原有單根消毒燈的基礎(chǔ)上增加兩根，三根消毒燈互成120°角排列。

3消毒機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

基于TRIZ，消毒機(jī)器人分為消毒模塊和移動(dòng)模塊。移動(dòng)模塊采用激光導(dǎo)航AGV小車，消毒模塊采用三根紫外線消毒燈互成120°排列，用滾珠絲杠帶動(dòng)伸縮。消毒模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，該模塊由外骨架、滾珠絲杠、連桿、紫外線消毒燈等構(gòu)成。

消毒模塊上方裝有伺服電機(jī)帶動(dòng)中間滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)連桿，帶動(dòng)消毒燈伸出，三根消毒燈互相成120°角排列，最大限度地實(shí)現(xiàn)了光照的均勻分布，確保消毒機(jī)器人360°無(wú)死角殺菌消毒。在非消毒時(shí)間，為避免消毒燈因觸碰到障礙物而受到損壞，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)連桿將消毒燈撤回，并且消毒燈外側(cè)裝有高透性亞克力板，與外殼配合形成內(nèi)部相對(duì)封閉的空間，有效的減少了灰塵。

移動(dòng)模塊為自動(dòng)導(dǎo)向車，由車體框架、蓄電和充電裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行裝置、導(dǎo)向裝置、控制中心、安全保護(hù)裝置等組成。消毒機(jī)器人上下結(jié)構(gòu)如圖4所示。

工作過(guò)程中，移動(dòng)模塊通過(guò)傳感器模塊（激光傳感器[17]、深度攝像頭傳感器、超聲波傳感器等）采集的信息，基于SLAM算法[18]，機(jī)器人能夠在環(huán)境位置和自身位置都不能確定的情形下，以自身中心為坐標(biāo)中心逐漸建造增量式地圖[19]，并對(duì)自身位置和姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的估算，最終做到自身的自主定位和導(dǎo)航[20]，并能識(shí)別周圍環(huán)境的信息。同時(shí)，將采集到的環(huán)境信息發(fā)送給單片機(jī)，由控制中心控制AGV小車電機(jī)的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)消毒機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。使用過(guò)程中，僅需要將智能消毒機(jī)器人帶到現(xiàn)場(chǎng)，操作機(jī)器人進(jìn)行全地圖掃描，并標(biāo)記好相應(yīng)的位置，機(jī)器人便能自主對(duì)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)并消毒殺菌，電池即將用盡時(shí)，自主返回地圖中標(biāo)記為充電倉(cāng)的地點(diǎn)充電。相比于其他消毒機(jī)器人在消毒過(guò)程中每次都需要人為操控的現(xiàn)狀，該機(jī)器人僅需首次對(duì)消毒區(qū)域進(jìn)行掃描建模，便可在接下來(lái)的消毒過(guò)程中自動(dòng)消毒，真正實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)消毒，可以適應(yīng)辦公區(qū)、機(jī)場(chǎng)、車站、購(gòu)物場(chǎng)所等地面平坦的場(chǎng)合。

4結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用TRIZ進(jìn)行了智能消毒機(jī)器人的方案以及局部結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，為消毒機(jī)器人提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。采用目前相對(duì)安全的紫外線消毒方式，并對(duì)移動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新。在研究過(guò)程中，由于算法和程序方面的欠缺，使得該消毒機(jī)器人與其他消毒機(jī)器人相比，雖然自動(dòng)化程度有所提高，但還不能達(dá)到完全自動(dòng)化，有待進(jìn)一步的深入優(yōu)化算法。本文對(duì)消毒機(jī)器人的創(chuàng)新發(fā)展提供了一種方案與思路，在接下來(lái)的工作中，可以著重在尋找更清潔的消毒方式以及更加智能化的算法兩方面深入研究。

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Abstract：?? In view of the large-scale infection of most viruses caused by imperfect and untimely disinfection， this paper proposes a structural scheme of automatic disinfection robot based on the theory of inventive problem solving （TRIZ）. Through the analysis of the function and resources of the disinfection robot， the human field model of the disinfection machine is established， and the technical contradiction of the disinfection robot is found. At the same time， the invention principle and contradiction matrix are used to solve the problem， and the appropriate solution is obtained， and the disinfection structure of the robot is designed. The research results show that the robot can detect and disinfect the environment independently， realize the automatic operation， and return to the charging bin for charging when the battery is about to run out. This structure has higher safety performance and stronger adaptability， which improves the efficiency and safety of disinfection. This study is of great significance to reduce the virus infection in living and working environment.

Key words： AGV; TRIZ theory; disinfection robot; SLAM algorithm