一種智能安檢防疫機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張雨新 陳文哲 成詠華 曾艷 王震生

摘? 要：為了助力新冠疫情防控，降低火車站、客車站等公共場(chǎng)合交叉感染的概率，降低防疫人員工作強(qiáng)度，開(kāi)發(fā)了一款防疫消殺機(jī)器人。該機(jī)器人系統(tǒng)以樹(shù)莓派為核心控制器，增加了人臉識(shí)別模塊、智能測(cè)溫模塊、智能消殺模塊，通過(guò)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)使該機(jī)器人系統(tǒng)在功能上集識(shí)別、測(cè)溫、消殺于一體。同時(shí)，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的外觀結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行材料選擇與測(cè)試。通過(guò)多次仿真實(shí)驗(yàn)，該機(jī)器人基本可以實(shí)現(xiàn)消殺作用，且效果良好。

關(guān)鍵詞：防疫機(jī)器人;智能消殺;樹(shù)莓派;系統(tǒng)仿真

中圖分類號(hào)：TP242;TP391.4? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）16-0067-03

Design of an Intelligent Security Inspection and Epidemic Prevention Robot

Control System

ZHANG Yuxin， CHEN Wenzhe， CHENG Yonghua， ZENG Yan， WANG Zhensheng

（Tangshan Polytechnic College， Tangshan? 063299， China）

Abstract： In order to help the prevention and control of the COVID-19 epidemic， reduce the probability of cross-infection in public places such as railway stations and passenger stations， and reduce the work intensity of epidemic prevention personnel， an epidemic prevention and killing robot has been developed. The robot system uses the Raspberry Pi as the core controller， adds a face recognition module， an intelligent temperature measurement module， and an intelligent killing module. Through the hardware design of the system， the robot system integrates recognition， temperature measurement and killing in one function. At the same time， design the appearance and structure of the system， and conduct material selection and testing. Through many simulation experiments， the robot can basically achieve the killing effect， and the effect is good.

Keywords： epidemic prevention robot; intelligent killing; raspberry pi; system simulation

0? 引? 言

自2020年初新冠肺炎疫情暴發(fā)以來(lái)，全國(guó)人民投身于抗擊疫情的“戰(zhàn)役”中，機(jī)器人代替人工完成疫情防控的相關(guān)工作的需求被激發(fā)，防疫機(jī)器人的應(yīng)用研究也逐漸成為熱點(diǎn)。

目前，所研究的防疫機(jī)器人主要具有智能測(cè)溫、消毒、自主返回充電、語(yǔ)音播報(bào)等功能，一般采用輪式和履帶式的運(yùn)動(dòng)方式[1]。張雄，劉浩等人提出了一種消毒防疫智能巡檢機(jī)器人，以STM32單片機(jī)作為控制器，配置多種傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)攝像頭和無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)圖像信息的采集與傳輸，同時(shí)機(jī)器人身上安放自動(dòng)噴灑消毒裝置，實(shí)現(xiàn)巡檢、消毒及防疫功能[2];李志鵬提出了一款基于Arduino的WIFI智能遙控防疫機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作，機(jī)器人主要由車體、Arduino控制板、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊等構(gòu)成。通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP與Arduino控制板之間信號(hào)和數(shù)據(jù)的傳輸，能實(shí)現(xiàn)在小車遙控模式、循跡模式、避障模式、路徑規(guī)劃模式下的考勤、測(cè)溫、防疫藥水噴灑等功能[3]。新冠肺炎疫情防控常態(tài)化背景下，為了減少人與人直接接觸而造成交叉感染，降低工作人員工作強(qiáng)度，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款智能安檢防疫機(jī)器人。

1? 系統(tǒng)功能描述

本設(shè)計(jì)的智能安檢防疫機(jī)器人是應(yīng)用在火車站、客車站和機(jī)場(chǎng)等人流密集、流動(dòng)量較大的場(chǎng)合，主要包括三個(gè)功能：身份識(shí)別、智能測(cè)溫和智能消殺。設(shè)備外形如圖1所示。

1.1? 人臉識(shí)別

本設(shè)計(jì)采用檢測(cè)門(mén)式，當(dāng)人員通過(guò)檢測(cè)門(mén)時(shí)，站到檢測(cè)臺(tái)上，能夠通過(guò)人臉識(shí)別識(shí)別出個(gè)人信息并記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中，收集流動(dòng)人員大數(shù)據(jù)的信息，便于日后流調(diào)。人臉識(shí)別裝置安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2? 智能測(cè)溫

通過(guò)檢測(cè)門(mén)時(shí)，進(jìn)行體溫檢測(cè)，采用光電傳感器檢測(cè)人員到位信號(hào)、用樹(shù)莓派做人臉識(shí)別、使用非接觸式紅外測(cè)溫傳感器檢測(cè)人體溫度，當(dāng)檢測(cè)的溫度異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警，被檢測(cè)人將進(jìn)入人工檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行后續(xù)處理;當(dāng)檢測(cè)的溫度正常時(shí)，啟動(dòng)智能消殺功能。

1.3? 智能消殺

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體和雙手進(jìn)行自動(dòng)消殺功能。一般人體高度為1.6～1.8米（身高低于1.2米的兒童不能使用），根據(jù)身高檢測(cè)信號(hào)確定噴頭噴殺狀態(tài)，在距離地面0.5米、1米和1.5米分別安裝消殺噴頭，消殺時(shí)，用光電開(kāi)關(guān)對(duì)人體高度進(jìn)行檢測(cè)，如果檢測(cè)到人體高度1.2米，只有0.5米處噴頭噴殺，檢測(cè)到人體高度1.6米，0.5米和1米處噴頭噴殺，檢測(cè)到人體高度1.8米，三個(gè)噴頭同時(shí)噴殺，以確保對(duì)人體外衣進(jìn)行消殺的同時(shí)不噴灑到頭部、面部等部位。采用“一進(jìn)液”變“六出液”，實(shí)現(xiàn)了供液和噴灑的支路配合，以及對(duì)手部的消毒，手部消毒噴淋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

設(shè)備具有安全可靠的防水、防潮、防觸電措施，防止在消毒和檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)漏電，營(yíng)造安全的檢測(cè)和消毒環(huán)境。所用消毒液使用水和鹽電解生成的次氯酸，對(duì)人體無(wú)危害，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，且成本低，消毒效果好。以上功能全部由機(jī)器人自動(dòng)完成，降低防疫一線工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)降低人與人接觸造成交叉感染的概率。同時(shí)本系統(tǒng)可用在學(xué)校、商場(chǎng)等人流密集的場(chǎng)合。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1? 外觀結(jié)構(gòu)

為了保證所設(shè)計(jì)設(shè)備有足夠的強(qiáng)度和剛度且具有抗腐蝕性，并考慮成本的因素，選擇鋁合金結(jié)構(gòu)作為框架材料，規(guī)格為歐標(biāo)3030及其配件[4]，連接處使用角件進(jìn)行加固，結(jié)構(gòu)如圖4所示。此外，根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用需求確定整個(gè)系統(tǒng)高2.5米，寬1.2米，底端旋轉(zhuǎn)盤(pán)直徑0.8米。

2.2? 主要元件選擇

2.2.1? 控制器的選擇

本系統(tǒng)采用樹(shù)莓派4B+作為控制器。樹(shù)莓派4B+樹(shù)是一款基于ARM的微型電腦主板，搭載運(yùn)行頻率1.5 GHz的64位四核處理器;設(shè)有千兆以太網(wǎng)和雙頻無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)智能防疫消殺機(jī)器人系統(tǒng)與監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程通信;設(shè)有40個(gè)端口，用于外接溫度傳感器等各種硬件;設(shè)有USB接口，可以連接鼠標(biāo)、鍵盤(pán)，使得使用者可以更加方便地操作設(shè)備。相對(duì)于單片機(jī)，樹(shù)莓派4B+能運(yùn)行Linux等操作系統(tǒng)，且運(yùn)算能力更強(qiáng)，可以完成復(fù)雜多重的任務(wù)監(jiān)控管理與調(diào)度，更適合本設(shè)計(jì)需求[5]。

2.2.2? 圖像采集模塊

在本設(shè)計(jì)中，用于采集人臉信息的圖像采集模塊選用的是樹(shù)莓派攝像頭模塊RPi Camera V2。它是專為樹(shù)莓派定制的，具有高質(zhì)量800萬(wàn)像素，使用索尼IMX219感光芯片和定焦鏡頭，可通過(guò)軟排線和樹(shù)莓派主板的CSI接口進(jìn)行連接。

2.2.3? 測(cè)溫裝置選擇

本設(shè)計(jì)選用紅外溫度傳感器MLX90615測(cè)量人體體溫。該溫度傳感器的測(cè)溫范圍為-40 ℃～115 ℃，在0～50 ℃的范圍內(nèi)可獲得0.5 ℃的測(cè)溫精度，分辨率為0.02 ℃，工作電壓3 V，工作電流5 mA，具有SMBus兼容的數(shù)字接口，可實(shí)現(xiàn)PWM輸出，滿足本設(shè)計(jì)的需求。

2.2.4? 電機(jī)選擇

在電機(jī)選型中，我們選擇5882-50ZY渦輪蝸桿直流減速電機(jī)。根據(jù)系統(tǒng)需求，對(duì)于電機(jī)的最基本的要求為電機(jī)扭矩大，可承受100公斤以上的重物，節(jié)省空間，可靠耐用，能耗低，振動(dòng)小，可正反轉(zhuǎn)且效率高，因此我們選用最常用、最穩(wěn)定的24 V直流減速機(jī)，經(jīng)過(guò)不同類型對(duì)比，最終從承重能力及成本上考慮，選擇了5882-50ZY渦輪蝸桿直流減速電機(jī)。

2.3? 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示[6]。

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括以下七大模塊：

（1）人臉識(shí)別模塊，用于識(shí)別被檢測(cè)人的身份信息，記錄人員流動(dòng)情況，用于日后流調(diào)。

（2）溫度檢測(cè)模塊，用于被檢測(cè)人的溫度檢測(cè)。

（3）報(bào)警模塊，當(dāng)被檢測(cè)人的體溫≥37.3 ℃時(shí)，發(fā)出報(bào)警，提醒工作人員進(jìn)行重復(fù)測(cè)溫并處理。

（4）顯示模塊，用于實(shí)時(shí)顯示溫度檢測(cè)結(jié)果。

（5）供液模塊，用于為消毒模塊提供消毒液。

（6）消毒模塊，用于對(duì)人體進(jìn)行噴殺消毒。

（7）手部消毒模塊，用于對(duì)被檢測(cè)人的手部進(jìn)行消毒。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)可選用全自動(dòng)智能消殺，具體流程為：

（1）消殺機(jī)器人首先對(duì)被測(cè)人員進(jìn)行身份識(shí)別。

（2）身份識(shí)別后，身份信息為云端數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)信息，顯示屏顯示身份信息正常，則進(jìn)行下一步;身份信息不為云端數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)信息，語(yǔ)顯示屏顯示身份信息異常并發(fā)出報(bào)警，則終止服務(wù)。

（3）身份信息檢測(cè)通過(guò)后，紅外測(cè)溫傳感器C1啟動(dòng)測(cè)溫，≥37.3 ℃，系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警，并顯示在顯示屏上，服務(wù)終止;<37.3 ℃，系統(tǒng)提示正常顯示在顯示屏上，并進(jìn)行下一步。

（4）人站到消毒轉(zhuǎn)盤(pán)上，對(duì)射式光電傳感器C2接收到信號(hào)啟動(dòng)并發(fā)送信號(hào)給直流電機(jī)K1，直流電機(jī)帶動(dòng)的消毒轉(zhuǎn)盤(pán)啟動(dòng)，由動(dòng)力泵F和電磁閥E1、E2控制的消毒機(jī)構(gòu)啟動(dòng)消毒，15 s后停止。

（5）人將手伸入手部消毒機(jī)構(gòu)，反射式光電傳感器C3接收到信號(hào)啟動(dòng)并發(fā)送信號(hào)給有動(dòng)力泵F和電磁閥E3、E4控制的手部消毒，5 S后結(jié)束。

（6）手部消毒結(jié)束后5 S，回到初始狀態(tài)。工作流程示意圖如圖6所示。

4? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)了一款智能安檢防疫機(jī)器人，采用樹(shù)莓派4B+為控制器、采用樹(shù)莓派攝像頭模塊RPi Camera V2進(jìn)行人臉信息的圖像采集、使用紅外溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，設(shè)計(jì)了外形尺寸為2.5 m×1.2 m×1.2 m的防疫機(jī)器人原型系統(tǒng)，自動(dòng)完成溫度檢測(cè)、人臉識(shí)別和防疫消殺，大大降低接觸式傳播的風(fēng)險(xiǎn)，減少工作人員的工作強(qiáng)度，適用在火車站、商場(chǎng)等人員流動(dòng)密集的場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：張雨新（1983—），女，漢族，吉林榆樹(shù)人，副教授，碩士研究生，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。