基于消毒機(jī)器人設(shè)計(jì)與方法的研究

張瑜，王新斌，唐倩，李慧

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津，300450)

0 前言

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)于公共衛(wèi)生領(lǐng)域的消毒工作，標(biāo)準(zhǔn)逐漸嚴(yán)格，尤其對(duì)于餐飲行業(yè)、酒店以及公共交通等領(lǐng)域都提高了標(biāo)準(zhǔn)，在新冠狀病毒發(fā)現(xiàn)后，我國(guó)衛(wèi)生有志人士發(fā)明了多種消毒機(jī)器人，但是大多數(shù)機(jī)器人屬于噴霧型機(jī)器人，為了做到大面積消毒以及消毒的高效性，大范圍噴灑高濃度消毒劑以達(dá)到消毒殺菌作用，但其必須有專人負(fù)責(zé)補(bǔ)充消毒液，監(jiān)管機(jī)器人進(jìn)行充電，在實(shí)際的人員操作過(guò)程中也有一定的感染病毒風(fēng)險(xiǎn)，目前市場(chǎng)上有很多機(jī)器人在只能在特定場(chǎng)所應(yīng)用做不到良好的通用性。比如博物館、裝配木地板寫(xiě)字樓，通風(fēng)不良的走廊等，因?yàn)橄疽壕哂幸欢ǜg成分，并且有濃烈的刺激性氣味，對(duì)于不耐腐蝕性地面，氣味敏感人群都會(huì)造成損傷。紫外線消毒是一個(gè)良好的解決方案，但是市場(chǎng)上大多數(shù)紫外線消毒機(jī)器人具有一些統(tǒng)一的短板，比如不能進(jìn)行定向消毒，紫外線照射過(guò)程中產(chǎn)生的臭氧對(duì)動(dòng)植物也會(huì)造成危害，不能合理的控制空間中臭氧的含量，多場(chǎng)合適用性依舊不是很廣，長(zhǎng)時(shí)間紫外線照射會(huì)造成植物的死亡，且機(jī)器人大多數(shù)不能進(jìn)行全地形移動(dòng)，像樓梯、不平整地面等移動(dòng)起來(lái)十分困難。為了解決上述問(wèn)題，使機(jī)器人擁有好的通用性，移動(dòng)能力、紫外線定向消毒，有臭氧無(wú)臭氧紫外線燈協(xié)同工作嚴(yán)格控制空間中的臭氧濃度，無(wú)需人工管理就可進(jìn)行7×24小時(shí)消毒，對(duì)于我國(guó)應(yīng)對(duì)突發(fā)公共衛(wèi)生事件，日常消毒工作的應(yīng)急處置和應(yīng)急保障能力和工作效率需求迫在眉睫[1]。

1 方艙消毒機(jī)器人設(shè)計(jì)

為了滿足消毒機(jī)器人在全場(chǎng)景都可以達(dá)到有效、安全、高效、無(wú)需人工監(jiān)管持續(xù)消毒的衛(wèi)生工作，因此，采用消毒機(jī)器人搭配方艙技術(shù)的解決方案對(duì)消毒機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。消毒機(jī)器人整體部分采用六足仿生機(jī)器人，為了達(dá)到步態(tài)平穩(wěn)采用三角步態(tài)[2]，機(jī)器人主體主要包括六足機(jī)器人底部結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)連接板，液壓傳動(dòng)桿，視覺(jué)識(shí)別結(jié)構(gòu)，機(jī)械臂伸縮桿，定向紫外線射燈結(jié)構(gòu)，電池倉(cāng)，電磁鐵，滾輪等三十四部分組成，如圖1如示。

圖1 機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)

（1）消毒機(jī)器人本體上端，安裝有多個(gè)不同波長(zhǎng)大功率紫外線燈管，可以對(duì)于大范圍空間區(qū)域進(jìn)行消毒殺菌，滿足大區(qū)域消毒工作，并且為了減輕重量和成本外側(cè)底部設(shè)有鋼化塑料底座，同時(shí)為了使機(jī)器人靈活移動(dòng)內(nèi)部通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸設(shè)有六足結(jié)構(gòu)，六足結(jié)構(gòu)表面設(shè)有驅(qū)動(dòng)連接版，通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸的第一液壓傳動(dòng)桿，它的另一端連接設(shè)置于機(jī)器人本體表面，并且在機(jī)器人本體表面定裝了視覺(jué)識(shí)別結(jié)構(gòu)，其主要有兩個(gè)攝像頭一個(gè)超聲波測(cè)距器組成，如需特殊場(chǎng)景還可以進(jìn)行擴(kuò)展傳感器的添加，兩個(gè)攝像頭中一個(gè)是視覺(jué)識(shí)別攝像頭用來(lái)監(jiān)測(cè)機(jī)器人前方物體，使用FasterR-CNN 中的altopt算法進(jìn)行檢測(cè)可以正確有效的識(shí)別出數(shù)據(jù)集中的物品，更加方便的做定制[3]。另一個(gè)是測(cè)距攝像頭并且擁有紅外線感知和補(bǔ)光燈，保證在光線昏暗的情況下，攝像頭依舊可以捕獲清晰物體。為了達(dá)到定向紫外線光照消毒機(jī)器人表面的機(jī)械臂底座，連接機(jī)械臂是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及伸縮桿組成，在機(jī)械臂頂端有一個(gè)定向紫外線燈，其采用不同波長(zhǎng)紫外燈結(jié)合高反射陽(yáng)極氧化鋁組成使之可以定向消毒殺菌，在實(shí)際消毒工作中，當(dāng)消毒機(jī)器人的攝像頭識(shí)別到植物、動(dòng)物、或者紫外線敏感物體時(shí)，使用機(jī)械臂對(duì)其進(jìn)行消毒衛(wèi)生工作，在保證消毒效率的同時(shí)也避免紫外線敏感物體受到傷害，機(jī)器人內(nèi)部設(shè)有電池倉(cāng)其中共6個(gè)電池組，內(nèi)部的磁極裝置中間連接一個(gè)彈簧磁吸式連接頭，用來(lái)吸附連接電池進(jìn)行供電，電磁鐵和液壓桿相配合控制電池蓋的開(kāi)合，做到自動(dòng)連接、斷開(kāi)電池。

（2）為了保證機(jī)器人的重量輕便性，和更久的續(xù)航能力，機(jī)器人底盤采用鋼化塑料結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人進(jìn)行移動(dòng)工作時(shí)耗能更小，支撐足安裝塊鉗狀連接桿通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸與支撐足安裝塊旋轉(zhuǎn)連接，支撐足安裝塊與行走足固定連接，如圖2所示。

圖2 行走足結(jié)構(gòu)

（3）行走足為了達(dá)到更好的避震效果內(nèi)側(cè)通過(guò)旋轉(zhuǎn)桿進(jìn)行鏈接，第二液壓傳動(dòng)桿的一端通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸鏈接于支撐足，在內(nèi)滑槽內(nèi)部有減震滑動(dòng)支撐桿，同時(shí)為了達(dá)到更好地抓地能力底端固定設(shè)有半圓形橡膠頭來(lái)增加機(jī)器人的抓地能力和摩擦力，并且橡膠頭可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)并且在底部有一個(gè)滑輪，在平整地面移動(dòng)時(shí)可以使用滑輪移動(dòng)，減少耗電量，增加電池的續(xù)航能力。

（4）當(dāng)傳感器檢測(cè)到路徑以及虛擬墻時(shí)，會(huì)把數(shù)據(jù)信息傳送到圖像處理系統(tǒng)中在云端進(jìn)行計(jì)算并且發(fā)送給機(jī)器人執(zhí)行指令，視覺(jué)識(shí)別結(jié)構(gòu)表面固定補(bǔ)光燈和紅外線感知定焦攝像頭,如果機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)看不清前方物體或者黑夜情況下，補(bǔ)光燈打開(kāi)進(jìn)行補(bǔ)光，保證攝像頭可以看到清晰物體結(jié)構(gòu)以便提高識(shí)別度。

（5）在機(jī)器人電量不足時(shí)，消毒機(jī)器人搜索最近的充電倉(cāng)規(guī)劃路線并前往充電倉(cāng)進(jìn)行充電，進(jìn)入充電倉(cāng)指定位置，機(jī)器人開(kāi)啟電池倉(cāng)蓋，斷開(kāi)機(jī)器人內(nèi)部磁吸式接電器，彈簧伸縮裝置彈出電池，方艙中電池牽引帶磁極通電，磁吸電池，牽引帶牽引至電池存放區(qū)充電時(shí)，新電池由第二牽引帶牽引到機(jī)器人電池倉(cāng)接口處，彈性伸縮裝置將電池送入機(jī)器人電池倉(cāng)，機(jī)器人電池倉(cāng)第一磁極通電連接，液壓升縮桿控制電池盒蓋關(guān)閉，第二次磁極通電完成電池更換，如圖3所示。

圖3 方艙（充電倉(cāng)結(jié)構(gòu)）主體結(jié)構(gòu)

2 使用效果

多波長(zhǎng)紫外線燈管能夠?qū)Υ蠓秶鷧^(qū)域進(jìn)行消毒殺菌[4]，死角區(qū)域，可通過(guò)機(jī)械臂底座上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂伸縮桿旋轉(zhuǎn)調(diào)整方向，在不同場(chǎng)景中都可以用傳感器獲得的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)控機(jī)器人的消毒方式，真正的做到了良好的通用性，在視覺(jué)攝像頭部分，采用傳感器與雙攝像頭融合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，定焦變焦攝像頭相互協(xié)作，紅外線測(cè)距儀，超聲波傳感器，可以精準(zhǔn)的定位空間位置，合理的規(guī)劃消毒機(jī)器人前進(jìn)路徑，高效的識(shí)別算法可以讓物體識(shí)別度更加精準(zhǔn)，在特殊環(huán)境下也可以想要使用也可以人工采集數(shù)據(jù)建立模型，使之可以應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的消毒場(chǎng)景，底部重組的六足結(jié)構(gòu)，給機(jī)器人移動(dòng)提供了更多的可能性，不論是攀爬樓梯，還是平整的地面都可以進(jìn)行穩(wěn)定，快速的移動(dòng)，方艙技術(shù)與消毒機(jī)器人進(jìn)行耦合，使機(jī)器人續(xù)航問(wèn)題得到了解決，從傳統(tǒng)的給電池充電到直接更換充滿電的電池可以讓機(jī)器人無(wú)需等待，持續(xù)工作[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，目前機(jī)器人領(lǐng)域不斷向智能化，數(shù)字化轉(zhuǎn)型，雖然說(shuō)能夠攜帶高效的消毒劑進(jìn)入需要消毒場(chǎng)景進(jìn)行消毒可能對(duì)于病原體來(lái)說(shuō)更加的直接有效，但是這種消毒方法很難在日常環(huán)境之中使用，因?yàn)闀?huì)對(duì)人體產(chǎn)生二次傷害，如何通過(guò)最新技術(shù)解決當(dāng)下難題是每一個(gè)研究人員長(zhǎng)久的思考，通過(guò)以上設(shè)計(jì)改進(jìn)傳統(tǒng)消毒機(jī)器人，多傳感器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)的融合移動(dòng)消毒機(jī)器人做到更加便利化、智能化、專業(yè)化。隨著中國(guó)自主研發(fā)能力的提升，消毒機(jī)器人將朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、輕柔化的方向發(fā)展[6]。