一種可用于消毒的移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)

嚴(yán)健

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730060）

0 引 言

當(dāng)前，全球疫情大肆蔓延，各國(guó)人民都在積極應(yīng)對(duì)。接種疫苗是當(dāng)前阻礙病毒傳播最有效的途徑，我們?cè)诜e極接種疫苗并及時(shí)排查可疑人員軌跡的同時(shí)，為了最大限度地降低人民群眾的感染風(fēng)險(xiǎn)，我們還需更大力度的加強(qiáng)公共衛(wèi)生安全的防護(hù)，尤其在人員較為密集的公共場(chǎng)所，諸如學(xué)校、醫(yī)院、大型超市及各類批發(fā)市場(chǎng)等，更需要加大力度進(jìn)行消毒殺菌操作。若是靠工作人員對(duì)此類人員流動(dòng)較大的場(chǎng)所進(jìn)行人工消毒維護(hù)，將會(huì)形成工作效率低，防護(hù)工作任務(wù)繁重的不利局面。為了緩解人工任務(wù)的壓力，近些年來(lái)越來(lái)越多的服務(wù)型機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的定義，服務(wù)型機(jī)器人指的是為人類執(zhí)行有用任務(wù)的機(jī)器人。而在諸多的服務(wù)機(jī)器人中，消毒機(jī)器人就是其中典型的代表。據(jù)統(tǒng)計(jì)，消毒機(jī)器人具有更高的消毒工作效率。對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的四十平方米的公共衛(wèi)生場(chǎng)所，傳統(tǒng)的人工推車或普通的醫(yī)療機(jī)械手一次消毒一般需要六小時(shí)，而消毒機(jī)器人能夠在三小時(shí)之內(nèi)完成消殺任務(wù)，大大減輕了工作人員的工作強(qiáng)度，同時(shí)避免了發(fā)生交叉感染病毒的危害。本文以人流量較大的公共場(chǎng)所為出發(fā)點(diǎn)，從實(shí)現(xiàn)功能和經(jīng)濟(jì)角度考慮，設(shè)計(jì)了一款可用于消毒殺菌的自動(dòng)避障移動(dòng)機(jī)器人。該款機(jī)器人所要實(shí)現(xiàn)的功能有以下幾點(diǎn)，一是在移動(dòng)過(guò)程中利用紅外傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)避障；二是能夠自主判別消毒水箱的水位，當(dāng)水位低于最低限度會(huì)有報(bào)警功能，以便對(duì)其續(xù)加；三是可用Wi-Fi 模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控，操作高效簡(jiǎn)便；四是能夠適應(yīng)大多數(shù)復(fù)雜的工作環(huán)境，可以覆蓋整個(gè)公共場(chǎng)所，不留死角。

本文設(shè)計(jì)的可用于消毒殺菌的自動(dòng)避障移動(dòng)機(jī)器人主要分為硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及其他輔助裝置的配合。文章主要從上述幾個(gè)方面進(jìn)行闡述。

1 機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)主要由行走模塊、噴灑模塊、控制模塊和檢測(cè)模塊四部分組成?？刂颇K相當(dāng)于該移動(dòng)消毒機(jī)器人的“中樞神經(jīng)”，對(duì)機(jī)器人整體運(yùn)行起決定作用。具體如圖1所示。

圖1 機(jī)器人硬件系統(tǒng)框架圖

控制模塊中采用12 V、12 000 mAh 的大容量鋰電池作為電源裝置，電源裝置通過(guò)給STM32 主控制板和L298N 驅(qū)動(dòng)模塊持續(xù)供電，從而控制驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的行走模塊和噴灑模塊的正常運(yùn)行。為了使移動(dòng)機(jī)器人操作更為簡(jiǎn)便有效，控制模塊中加入Wi-Fi 遙控模塊，使得該移動(dòng)消毒機(jī)器人能夠適用于更為復(fù)雜多變的、人工不便進(jìn)入的工作環(huán)境。行走模塊采用車體底盤式設(shè)計(jì)，底盤下方對(duì)稱安裝四個(gè)65 mm橡膠輪胎的麥克納姆車輪，對(duì)四個(gè)車輪均分別使用12 V 直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，目的在于保持動(dòng)力強(qiáng)勁，保證移動(dòng)機(jī)器人的靈活運(yùn)動(dòng)及適應(yīng)各類相對(duì)復(fù)雜的環(huán)境。底盤整體使用鋁合金材料，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、同時(shí)在底盤下部搭載懸掛緩震裝置，以此既能增強(qiáng)移動(dòng)機(jī)器人整體的承載能力，又能使機(jī)器人在工作中保持自身的平衡。具體如圖2所示。

圖2 移動(dòng)機(jī)器人控制與行走流程

噴灑模塊主要有水箱、水泵、霧化噴頭、PVC軟管等組成。PVC 軟管將自吸水泵與霧化噴頭連接起來(lái)，電源通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊L298N 持續(xù)向水泵供電，通過(guò)水泵提供動(dòng)力將消毒液輸出至另一端口，經(jīng)霧化噴頭將其霧化后送至公共場(chǎng)所。通過(guò)轉(zhuǎn)換開關(guān)可調(diào)節(jié)噴頭流量大小，根據(jù)消毒區(qū)域的特點(diǎn)切換出消毒的兩種不同模式，即噴灑模式或霧化模式。檢測(cè)模塊主要涉及到水箱水位檢測(cè)裝置和紅外避障裝置。當(dāng)水箱中消毒液水位下降到一定程度時(shí)，通過(guò)控制模塊來(lái)借助水位傳感器檢測(cè)發(fā)出報(bào)警，以提醒加入消毒液，保證實(shí)現(xiàn)消毒工作的正常連續(xù)運(yùn)行。為了行走模塊在消毒工作中能以連續(xù)工作不停頓，在消毒機(jī)器人外部安裝紅外避障裝置，檢測(cè)機(jī)器人前方是否存在障礙物，以此來(lái)保持機(jī)器人連續(xù)工作。具體如圖3所示。

圖3 移動(dòng)機(jī)器人噴灑與檢測(cè)流程

所設(shè)計(jì)的用于消毒殺菌的自動(dòng)避障移動(dòng)機(jī)器人硬件各部分具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 行走模塊數(shù)據(jù)參數(shù)

由于該消毒移動(dòng)機(jī)器人主要應(yīng)用在公共場(chǎng)所，因而外觀設(shè)計(jì)尤為重要。外部框架設(shè)計(jì)既要突出實(shí)用性，將其設(shè)計(jì)為流線型，又要符合審美需求，外觀突出簡(jiǎn)單明了。以卡通熊貓頭像造型作為外觀設(shè)計(jì)，既可以主觀上給人以親切感，在工作過(guò)程中大多數(shù)人不會(huì)因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)外觀的單調(diào)而產(chǎn)生排斥，又巧妙地將噴霧裝置嵌放在卡通熊貓的口腔內(nèi)部，不會(huì)使人感覺突兀，整體設(shè)計(jì)渾然天成。利用三維軟件對(duì)消毒移動(dòng)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算，具體硬件框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。在移動(dòng)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，機(jī)器人的中樞核心—控制模塊固定于機(jī)器人外殼體底部平面上，集中放置在一起便于控制管理，在整體結(jié)構(gòu)下方固定行走模塊的驅(qū)動(dòng)電機(jī)組，在移動(dòng)機(jī)器人殼體內(nèi)部，距離控制模塊往上80 mm 處內(nèi)嵌平板，用于固定放置消毒液水箱，殼體內(nèi)部設(shè)有自上向下的貫通線槽，便于布線。此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于移動(dòng)機(jī)器人殼體內(nèi)部的噴灑模塊與控制模塊相分離，互不影響，防止水箱內(nèi)消毒液體的泄露而影響電路元件的正常運(yùn)行，同時(shí)有效地利用了殼體內(nèi)部的有限空間，使得該消毒移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，不同模塊劃分清晰，便于控制。

圖4 消毒移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

2 機(jī)器人軟件控制設(shè)計(jì)

機(jī)器人整體軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循“總—分”的邏輯關(guān)系。“總”的軟件控制指的是借助STM32 主控制板來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路各大模塊的總控，該部分為移動(dòng)消毒機(jī)器人的主程序，是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心；“分”的軟件控制指的是各個(gè)分模塊的子程序，分別用來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊的具體功能。具體如圖5所示。

圖5 機(jī)器人軟件系統(tǒng)框架圖

該消毒移動(dòng)機(jī)器人采用STM32 主控制板作為主控芯片，電源供電模塊給主控制芯片持續(xù)供電，STM32 主控制板作為核心，分別控制每個(gè)模塊及設(shè)備。具體有通過(guò)L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，以此驅(qū)動(dòng)行走模塊；通過(guò)L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)噴灑模塊，以此完成機(jī)器人消毒防疫任務(wù)；通過(guò)控制避障模塊使得機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中避免碰撞障礙物，從而機(jī)器人能持續(xù)進(jìn)行消毒任務(wù)；通過(guò)控制水位檢測(cè)模塊，當(dāng)消毒液水位下降到所設(shè)限度后蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，提醒續(xù)加消毒液；通過(guò)控制Wi-Fi 遙控模塊，使得機(jī)器人能在更遠(yuǎn)距離進(jìn)行作業(yè)，更加高效方便地完成消毒任務(wù)。

2.1 行走模塊程序設(shè)計(jì)

該消毒移動(dòng)機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中采用直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，每個(gè)直流電機(jī)控制一個(gè)車輪，通過(guò)調(diào)整直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)分別控制移動(dòng)機(jī)器人的左、右車輪轉(zhuǎn)速，具體驅(qū)動(dòng)初始化程序?yàn)椋?/p>

2.2 紅外避障模塊程序設(shè)計(jì)

該消毒移動(dòng)機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中采用紅外避障模塊，驅(qū)動(dòng)紅外傳感器檢測(cè)前方障礙物，具體部分初始化程序?yàn)椋?/p>

3 結(jié) 論

針對(duì)全球疫情大流行的背景，設(shè)計(jì)出了一種可用于消毒的移動(dòng)機(jī)器人，給出了移動(dòng)機(jī)器人的軟硬件設(shè)計(jì)方案，整體結(jié)構(gòu)緊湊，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，應(yīng)用場(chǎng)合較廣，可用于學(xué)校、醫(yī)院等人流量大的公共場(chǎng)所，能使工作人員有效地降低感染病毒的風(fēng)險(xiǎn)。