消毒防疫智能巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)

張雄，劉浩，鐘宙明，覃坤雪，陳永強(qiáng)，李猛

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津，300222）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、語音識別等高科技技術(shù)被應(yīng)用到各種機(jī)器人上面，使得機(jī)器人更加自動化、智能化，推動了機(jī)器人行業(yè)的迅速發(fā)展。智能巡檢機(jī)器人作為機(jī)器人種類的一種，主要用于各種場所、不同環(huán)境下的日常巡檢工作。通過智能巡檢機(jī)器人進(jìn)行巡檢，克服了傳統(tǒng)人工巡檢容易受到外界氣候、環(huán)境等因素的影響，提高了工作效率，保證了巡檢工作的正常進(jìn)行。

智能巡檢機(jī)器人的類型多種多樣，如變電站智能巡檢機(jī)器人、養(yǎng)殖場智能巡檢機(jī)器人、輸電線路巡檢機(jī)器人等，其功能作用主要表現(xiàn)在日常巡檢過程中的環(huán)境數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控、自動導(dǎo)航等。2020年一場突如其來的新冠疫情給我們的日常生活帶來了嚴(yán)重的影響，居家隔離、減少外出、日常消毒等成為我們生活中的常態(tài)。為了抑制新冠病毒的傳播，在眾多公共場合(如車站候車廳、地鐵站、教室等人流流動密集區(qū))以及隔離區(qū)、病房、手術(shù)室等高危交叉感染區(qū)需要進(jìn)行定期的人工消毒工作，為了減輕工作人員的勞動力度以及避免疫情的傳播，本文提出并設(shè)計(jì)了一種消毒防疫智能巡檢機(jī)器人，在巡檢機(jī)器人的基礎(chǔ)上，安裝消毒噴灑裝置，用于消毒液體的噴灑，完成消毒工作。

本文設(shè)計(jì)的消毒防疫智能巡檢機(jī)器人采用綠色消毒的方式，基于酸性氧化電位水淋霧沉降實(shí)現(xiàn)空氣消毒。根據(jù)功能設(shè)置要求，機(jī)器人在巡檢過程中除了完成正常的環(huán)境數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控等功能外，還能夠噴灑消毒液體。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的消毒防疫智能巡檢機(jī)器人主要用于公共場合下的環(huán)境數(shù)據(jù)采集、圖像信息傳輸?shù)热粘Ｑ矙z工作，同時(shí)通過安放在機(jī)器人本體上的消毒噴灑裝置可以實(shí)現(xiàn)巡檢過程中的消毒液噴灑功能，有效的減少了人力勞動，提高了工作效率，其外觀示意圖如圖1所示。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用功能設(shè)計(jì)需求，智能巡檢機(jī)器人的移動控制方式包括自動循跡控制與遠(yuǎn)程手動控制兩種：自動循跡控制利用磁導(dǎo)航模塊實(shí)時(shí)檢測地面中的電磁線，通過ARM處理器判斷后進(jìn)行電機(jī)方向、速度等參數(shù)的控制，從而使機(jī)器人能夠按照指定路線往復(fù)循環(huán)移動；遠(yuǎn)程控制則利用PC端的上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)查看攝像頭傳輸回來的圖像信息進(jìn)行機(jī)器人的移動路線手動調(diào)整。

圖1 消毒防疫智能巡檢機(jī)器人外觀示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的消毒防疫智能巡檢機(jī)器人的硬件系統(tǒng)主要包括機(jī)器人控制系統(tǒng)、環(huán)境數(shù)據(jù)采集、圖像信息采集等功能設(shè)計(jì)，其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

通過系統(tǒng)硬件框圖可以看出，消毒防疫智能巡檢機(jī)器人的硬件系統(tǒng)以ARM處理器STM32F103ZET6為核心，外圍配置傳感器模塊、導(dǎo)航模塊、運(yùn)動執(zhí)行單元、攝像頭、無線模塊以及消毒噴灑裝置等，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主移動、環(huán)境數(shù)據(jù)檢測、圖像信息采集與傳輸、消毒液體噴灑等功能，

■2.1 控制器模塊

消毒防疫智能巡檢機(jī)器人的控制器模塊選擇意法半導(dǎo)體ST公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的32位ARM處理器STM32F103ZET6，該處理器具有較高的工作頻率，功能強(qiáng)大的定時(shí)器以及豐富的I/O外設(shè)接口、多種通信接口等，其實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 主控板實(shí)物圖

■2.2 傳感器模塊

傳感器模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人巡檢過程中的環(huán)境數(shù)據(jù)采集，主要包括溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器以及空氣質(zhì)量傳感器，不同類型的傳感器通過各自的數(shù)據(jù)傳輸方式與STM32處理器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)溫濕度、光照強(qiáng)度及空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)檢測。

■2.3 運(yùn)動執(zhí)行單元

運(yùn)動執(zhí)行單元實(shí)現(xiàn)智能巡檢機(jī)器人的自主移動功能，由驅(qū)動模塊、電機(jī)以及麥克納姆輪組成，電機(jī)采用行星減速電機(jī)MD36N，該行星減速電機(jī)能夠把輸入的低轉(zhuǎn)矩高轉(zhuǎn)速通過齒輪組轉(zhuǎn)換成高轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速輸出，從而在變速中提供較大的合力矩，并且保持較平穩(wěn)的速度傳遞(始終有齒輪良好的嚙合)，其實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 行星減速電機(jī)及麥克納姆輪實(shí)物圖

■2.4 導(dǎo)航模塊

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的固定線路導(dǎo)航，本文設(shè)計(jì)的消毒防疫智能巡檢機(jī)器人配置了專為AGV磁條導(dǎo)航設(shè)計(jì)的磁導(dǎo)航傳感器D-MNSV6-X8，通過D-MNSV6-X8傳感器感應(yīng)到磁條磁場信號后，輸出開關(guān)量信號，給主控器提供所需要的磁條信號；同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)自動循跡過程中的障礙物檢測與避障功能，配置有超聲波和紅外傳感器。

圖5 PC上位機(jī)軟件界面圖

■2.5 消毒噴灑裝置

消毒噴灑裝置采用自吸隔膜水泵和霧化噴頭的形式實(shí)現(xiàn)，自吸隔膜水泵的泵體與電機(jī)分離，泵體內(nèi)無機(jī)械部件、無磨損。具有自吸功能、熱保護(hù)、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、可以長時(shí)間連續(xù)空轉(zhuǎn)，接通電體內(nèi)的液體開始自動減壓回流，水管內(nèi)的壓力不會增加，方便消毒液體的噴灑。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

消毒防疫智能巡檢機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)是在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過軟件程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)智能巡檢機(jī)器人的自主移動、環(huán)境數(shù)據(jù)檢測、圖像信息采集與傳輸以及消毒液體的噴灑等功能。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)包括智能巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)以及PC端上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容，分別實(shí)現(xiàn)智能巡檢機(jī)器人的控制與人機(jī)交互界面。

智能巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)程序針對STM32處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用C語言進(jìn)行程序編寫，主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集、循跡檢測、電機(jī)控制等程序設(shè)計(jì)。

PC端上位機(jī)軟件針對人機(jī)交互而進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)環(huán)境下對機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。軟件設(shè)計(jì)基于可視化的基礎(chǔ)開發(fā)工具QT5.12開發(fā)，設(shè)計(jì)的人機(jī)交互監(jiān)控畫面主要包括視頻監(jiān)控界面、數(shù)據(jù)監(jiān)控界面、巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制界面等。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)集成后使后臺監(jiān)控操作人員的操作效率極大提高。PC上位機(jī)界面如圖5所示。

4 結(jié)束語

本文提出一種消毒防疫智能巡檢機(jī)器人，綜合運(yùn)用手機(jī)APP、物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式、傳感器等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人自動模式和遙控模式的控制。自動模式下，機(jī)器人根據(jù)磁導(dǎo)航傳感器檢測地面中嵌入的磁導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)自動循跡，從而對公共場所進(jìn)行防疫消毒。遙控模式下，通過機(jī)載攝像機(jī)觀察公共場所消毒環(huán)境的工況條件，用戶根據(jù)工況條件，對不同消毒環(huán)境的霧化距離和藥液流量進(jìn)行動態(tài)調(diào)控。