一種疫情防控用服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

陳挺木

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院//國家特種機(jī)器人產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（福建），福建泉州 362000）

0 引言

自新冠疫情爆發(fā)以來，由于病毒的傳染性極強(qiáng)，各國政府升級抗疫措施，減少人與人之間接觸和感染風(fēng)險(xiǎn)，對疫情防控工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)，使用服務(wù)機(jī)器人可以有效地解決這一系列問題［1-3］。目前常見的服務(wù)機(jī)器人有送餐機(jī)器人、消殺機(jī)器人、無人機(jī)和AGV等。送餐服務(wù)機(jī)器人融合多種技術(shù)發(fā)展而來，其關(guān)鍵技術(shù)有智能動態(tài)避障、自主定位導(dǎo)航技術(shù)、底盤移動技術(shù)以及語音識別能力［4-6］。消殺機(jī)器人替代人工從事消毒工作，其關(guān)鍵技術(shù)在于移動機(jī)器人底盤上加裝的消毒模塊，消毒模塊主要包括紫外線燈、疝氣燈、消毒藥水噴嘴、空氣過濾等等［7］。無人機(jī)即無人駕駛飛機(jī)，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器［8］。無人搬運(yùn)車（AGV）主要由移動底盤、調(diào)度系統(tǒng)和紅外探測器等組成。調(diào)度系統(tǒng)是其大腦，會根據(jù)目標(biāo)和AGV當(dāng)前的位置進(jìn)行軌跡規(guī)劃，以最快的方式完成搬運(yùn)物質(zhì)的要求［9］。目前大多數(shù)學(xué)者只是單獨(dú)研究某一類型的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，宋倩倩等［10］研發(fā)了一種移動式醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人，能夠完成遠(yuǎn)程醫(yī)藥物品的輸送；何佑星［11］設(shè)計(jì)了一款家庭服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)；劉冠一等［12］結(jié)合激光雷達(dá)、底盤驅(qū)動、人機(jī)交互等功能模塊，設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人路徑導(dǎo)航系統(tǒng)。目前比較少學(xué)者將市場上各種服務(wù)機(jī)器人有機(jī)結(jié)合使之成為一套新的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)。因此本文提出綜合無人機(jī)、送餐機(jī)器人、消殺機(jī)器人和AGV等服務(wù)機(jī)器人的各自特點(diǎn)，將其有機(jī)結(jié)合，組建成新的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，為疫情防控下物流不暢通的問題提供一種新的解決思路。

1 服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

雖然現(xiàn)在越來越多的服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用于疫情防控，但是其效果并不是很理想，特別是目前某些城市疫情非常嚴(yán)重，物流并沒有打通，運(yùn)力不夠，小區(qū)全面封控后對物價(jià)造成較大的波動，甚至是出現(xiàn)有錢買不到物品的局面。為了解決這一問題，本文設(shè)計(jì)了一種服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，結(jié)合各個服務(wù)機(jī)器人的特點(diǎn)，將其數(shù)據(jù)打通，結(jié)構(gòu)有效銜接起來，使其形成一個有效的系統(tǒng)，理論上可以很好地完成物資配送的任務(wù)。

本系統(tǒng)由無人機(jī)、送餐機(jī)器人移動底盤、消殺機(jī)器人和AGV構(gòu)成。生活物資運(yùn)送到指定地點(diǎn)后，將生活物質(zhì)根據(jù)不同派送地址生成二維碼，AGV小車識別二維碼，將物資按照派送區(qū)域進(jìn)行分揀，無人機(jī)將分揀好的物資裝貨飛往隔離小區(qū)，如果隔離小區(qū)距離較遠(yuǎn)則采用多個中轉(zhuǎn)站的方式進(jìn)行，最后送餐機(jī)器人將無人機(jī)運(yùn)送的物資送至隔離小區(qū)的每一棟樓下，由“樓長”將物資進(jìn)行分發(fā)?！皹情L”由每一棟樓的居民選舉產(chǎn)生，相當(dāng)于志愿者的身份，為本樓的居民服務(wù)，在隔離期間配合疫情防控工作。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)難點(diǎn)之一在于AGV將分揀好的物質(zhì)運(yùn)到指定地點(diǎn)后，無人機(jī)能實(shí)現(xiàn)無人化將物質(zhì)裝貨與卸貨。目前市面上大部分無人機(jī)派送方案都是需要人為地裝貨，然后再操作無人機(jī)飛往指定地點(diǎn)，最后還得在目的地人為地卸貨，如圖2所示。這種派送方式又無形中增加了人力資源，為了減少人為操作，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個貨架，貨架最大承載能力為20 kg，其四周帶有倒鉤，無人機(jī)底架可與倒鉤相掛，具體為操作無人機(jī)降至貨架上表面，然后操作無人機(jī)稍微向左邊移動，最后操作無人機(jī)向上即可與貨架倒鉤相掛，然后即可運(yùn)往目的地，到達(dá)目的地后，卸貨的操作與之相反，貨架示意圖如圖3所示，此種設(shè)計(jì)通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛性連接，相比于吸盤更為可靠，較大程度地實(shí)現(xiàn)了裝貨和卸貨的無人化。

圖2 無人機(jī)派送

圖3 貨架示意圖

2 服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成

本系統(tǒng)由AGV、無人機(jī)、送餐機(jī)器人移動底盤和消殺機(jī)器人等硬件以及物資倉庫的分揀區(qū)和裝貨區(qū)構(gòu)成。

物資分揀部分。物資倉庫的分揀區(qū)其功能為將物資按照不同派送地址進(jìn)行分揀，如圖4所示。其原理為先將物資四周貼上一個二維碼，每個二維碼對應(yīng)一個地區(qū)或者小區(qū)，將貨物放在生產(chǎn)線上，生產(chǎn)線上放置一個掃描儀，掃描儀掃描貨物上的二維碼，例如當(dāng)識別到A小區(qū)時(shí)，擋塊向上，則貨物往上運(yùn)送至貨架；當(dāng)識別到B小區(qū)時(shí)，擋塊向下，則貨物向右運(yùn)送至貨架，可以在每個支線上放置一掃描儀，可實(shí)現(xiàn)將貨物細(xì)分到每一個小區(qū)。通過此種方式可有效地將物資詳細(xì)切割成一個一個小區(qū)，然后將一個一個小區(qū)的物質(zhì)分揀好，放在統(tǒng)一的貨架上。

圖4 分揀區(qū)示意圖

物資裝貨部分。AGV主要目的是將分揀好的貨物，運(yùn)到指定位置即無人機(jī)起飛點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)自動裝貨，本文設(shè)計(jì)了一個裝貨區(qū)，如圖5所示。在物資倉庫內(nèi)，分揀生產(chǎn)線將物資按小區(qū)分揀好后，將物資放在貨架上，貨架滿后，AGV調(diào)度系統(tǒng)將指令給到AGV小車，空閑的AGV小車會根據(jù)自己的位置進(jìn)行軌跡規(guī)劃，以最快的方式到達(dá)分揀產(chǎn)線的末端，也即貨架的位置上，然后將貨架運(yùn)到裝貨區(qū)進(jìn)行裝貨。AGV小車臺面可自主升降，裝貨區(qū)有一凹槽，剛好可供AGV小車通過，而貨架比凹槽寬，AGV到達(dá)凹槽后，將其臺面下降，于是可以將貨架放在裝貨區(qū)上。

圖5 裝貨區(qū)示意圖

無人機(jī)配送部分。物資倉庫應(yīng)設(shè)置在距離隔離小區(qū)相對近的位置，因?yàn)闊o人機(jī)目前的飛行半徑大多數(shù)為3 km，如果距離太遠(yuǎn)超過無人機(jī)的飛行半徑，要想增加飛行半徑就得增加無人機(jī)中轉(zhuǎn)站。所謂的無人機(jī)中轉(zhuǎn)站就是無人機(jī)每飛行3 km，就落地?？?，換充滿電的電池，然后接著飛。通過這種堆疊的方式可有效增加無人機(jī)的飛行半徑。為提高運(yùn)送效率，所有物資按照地點(diǎn)進(jìn)行分揀，最好按照小區(qū)進(jìn)行分揀，將分揀好的物質(zhì)放在貨架上，AGV小車將貨架放在裝貨區(qū)上，工作人員操作無人機(jī)使無人機(jī)腳架部分與貨架的倒鉤相掛，然后按照點(diǎn)到點(diǎn)的方式直接飛往指定小區(qū)。每個小區(qū)都有對應(yīng)的無人機(jī)編隊(duì)進(jìn)行派送物資，可根據(jù)需要派送的物資量合理增加無人機(jī)架次，如果距離目標(biāo)小區(qū)較遠(yuǎn)，可通過設(shè)置無人機(jī)中轉(zhuǎn)站的方式實(shí)現(xiàn)派送，在無人機(jī)中轉(zhuǎn)站放置型號相同的無人機(jī)電池，待無人機(jī)編隊(duì)到達(dá)后更換電池即可繼續(xù)執(zhí)行派送任務(wù)。如果距離更遠(yuǎn)也可通過此種方式進(jìn)行堆疊，實(shí)現(xiàn)派送范圍的增大。

送餐機(jī)器人配送部分。本文送餐機(jī)器人只保留其移動底盤，這樣無人機(jī)的貨架可直接放在其上面，不用人為卸貨，如圖6所示。在每個小區(qū)花園處設(shè)置物資放置點(diǎn)，物質(zhì)放置點(diǎn)放有送餐機(jī)器人。無人機(jī)直接將物資放置在送餐機(jī)器人上，機(jī)器人將物資運(yùn)送至每一樓前臺處。

圖6 送餐機(jī)器人

消殺機(jī)器人消殺部分和樓長物資分配部分。此部分為服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，在這一個環(huán)節(jié)中需要配備一名工作人員進(jìn)行物資分配工作，此工作由樓長完成。送餐機(jī)器人將物資運(yùn)送至每一樓前臺處，由樓長將貨架拿下，放在消殺機(jī)器人工作區(qū)域進(jìn)行消殺工作，消殺機(jī)器人對物資進(jìn)行全面消殺，防止運(yùn)送過程中的病毒感染，待消殺完后由樓長將物資派發(fā)給每一戶居民。

3 服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)驗(yàn)證與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證此套系統(tǒng)的可操作性以及其效果，進(jìn)行了人機(jī)對比試驗(yàn)。將模擬小區(qū)封控，在此環(huán)境下，人工運(yùn)送物質(zhì)和服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)送物質(zhì)的效率進(jìn)行對比，具體如下。

（1）試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。本次試驗(yàn)人工運(yùn)送物質(zhì)隊(duì)和服務(wù)機(jī)器人運(yùn)送物質(zhì)隊(duì)兩隊(duì)進(jìn)行對比，分別將20 kg的大米運(yùn)送至同一指定小區(qū)C5棟，分別記錄兩隊(duì)的時(shí)間和人力配置。人工隊(duì)由一人配上一電動自行車組成；服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)由無人機(jī)（大疆植保無人機(jī)T40改裝），送餐機(jī)器人移動底盤（九號機(jī)器人RMP Lite 400）組成和一人組成。

（2）試驗(yàn)過程。本次試驗(yàn)物資距離指定小區(qū)某一樓層直線距離1.8 km，騎行距離用百度導(dǎo)航為2.4 km，期間經(jīng)過2個紅綠燈。人工隊(duì)在到達(dá)物資點(diǎn)開始計(jì)時(shí)，其裝好物資以電動自行車最大速度25 km/h速度前往指定小區(qū)，到達(dá)指定小區(qū)門口用時(shí)為466 s，然后將物資拿到C5棟，門口距離C5棟120 m，人工手提兩袋大米跑步前往C5棟用時(shí)154 s，因此人工隊(duì)總共用時(shí)620 s。服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)到達(dá)指定物資點(diǎn)（也即裝貨區(qū)）后開始計(jì)時(shí)，操作員操作無人機(jī)進(jìn)行裝貨，而后以點(diǎn)到點(diǎn)的方式直線距離飛往指定小區(qū)，飛行速度為7 m/s，321 s后降落于小區(qū)花園的送餐機(jī)器人上，距離門口20 m，送餐機(jī)器人以1.2 m/s的速度將物資送往C5棟，到達(dá)時(shí)用時(shí)21 s，因此服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)總共用時(shí)342 s。

（3）結(jié)果分析。此次試驗(yàn)沒有從分揀流程開始計(jì)時(shí)，因?yàn)閱为?dú)分揀兩包大米在時(shí)間上人工和分揀線用時(shí)差不多，意義也不大，但是對于大批貨物的話，按小區(qū)分揀機(jī)會提高配送效率。從此次試驗(yàn)可以看到服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)派送物資用時(shí)比人工隊(duì)要快278 s。服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)送物質(zhì)可做到無縫鏈接，可極大地縮短派送時(shí)間，而且除物資倉庫需要配置一個操作人員外可無人化進(jìn)行配送。特別是對于疫情嚴(yán)重的地方，運(yùn)力不足的情況下，可有效緩解物質(zhì)配送和人員交叉感染這一問題。

此系統(tǒng)綜合應(yīng)用了AGV小車、無人機(jī)、送餐機(jī)器人和消殺機(jī)器人的特點(diǎn)，有效結(jié)合其功能，可為由疫情封控小區(qū)運(yùn)送必要的生活物資。特別是近期上海疫情嚴(yán)重程度超過大家的預(yù)期，封城后，居民的生活物資成了非常大的難題。由于運(yùn)力不足，人工不夠，造成短期市場物價(jià)的不合理上漲。目前為止，各大物流公司還是組織人力運(yùn)送貨物，特別是媒體報(bào)道京東組織所謂的“敢死隊(duì)”進(jìn)入上海，由此可知，其運(yùn)力是多么欠缺。此系統(tǒng)的運(yùn)用可有效緩解運(yùn)力不足的問題，同時(shí)可以很好地避免疫情人為傳播的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合上海疫情防控出現(xiàn)的問題提出一種疫情防控用服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，這一系統(tǒng)充分利用現(xiàn)有服務(wù)機(jī)器人的功能特點(diǎn)，將其有機(jī)組合，使其配送無縫對接，大幅減少配送時(shí)間。原理簡單、可操作性強(qiáng)，理論上可大幅緩解運(yùn)力不足的問題，為疫情防控提供一種新思路。主要創(chuàng)新點(diǎn)如下。

（1）本文設(shè)計(jì)了分揀產(chǎn)線，根據(jù)物資派送的區(qū)域或者小區(qū)進(jìn)行分揀，為后面的物質(zhì)配送提高效率。

（2）本文根據(jù)無人機(jī)的腳架尺寸設(shè)計(jì)了與之匹配的貨架，使得無人機(jī)裝貨與卸貨無人化。

（3）在物資倉庫內(nèi)合理設(shè)計(jì)了一個裝貨區(qū)，AGV小車將分揀好的物資快速地運(yùn)到裝貨區(qū)，無人機(jī)在此進(jìn)行無人配送。