一種智能消毒機器人的設計

潘曉云 雷晶晶 董德武 楊一帆

關鍵詞：消毒機器人;視覺識別;遠程操作;精準消毒

引言

2020年，新冠疫情的爆發，讓所有人都認識到了生命的脆弱與珍貴，也意識到了自我安全防護的重要性和必要性。縱然已經歷世紀變遷，科學技術實現了較大飛越，但傳染病最有效的防控方式依然是針對傳染源、傳播途徑、易感人群的隔離、消毒、以及接種疫苗等干預手段。由此，小組成員從當前社會防疫工作需求出發，我們設計出了這樣一款具有防疫消毒功能的智能消殺機器人，由彌霧消毒機和四輪機器人底盤組成，可通過遠程遙控、自主導航消毒等方式進行消毒作業，可代替工作人員進入高污染環境進行消毒作業。

1 ?消毒機器人的設計來源與市場分析

1.1設計來源

在新冠疫情的影響下，大眾越來越重視環境消毒問題，尤其是在防疫要求下，由機器人來消毒則成為了極為有效的消毒方式。如今更是有傳染率極高的德塔爾病毒在世界范圍內傳播，所有角落的病毒消殺工作都不能有絲毫懈怠。在這樣的背景下。我們的消毒機器人應運而生，設計出了這款體型較為嬌小，方便于各地形消殺工作且提高了針對狹窄地區的消殺要求的新型智能消毒機器人。

1.2市場分析

基于消毒機器人設計原理、創新思想與市場應用前景的分析，我們團隊將消毒機器人進行了改造設計，以此來提高消毒效率，自動化程度，自身防護能力及對環境的適應能力。解決人工消毒中化學物質即時對人類產生危害的問題，進行遠程半自動化操作，按照提前規劃的路線進行消殺工作，減少對工作人員的危害。在新冠疫情的大局勢影響下，防疫消殺工作愈發重要，尤其是在人口密集的地區，如：小區、商場、寫字樓等，都需要徹底地做好消殺清潔工作。而這款消毒機器人的智能連接并工作，不僅使我們將時間高效地利用到更需要的地方，還能夠實時監測到消殺實況。機器人還能自動規劃路徑及躲避障礙，從而有效地進行工作，降噪功能與小巧的身型還能減小機器人工作時對人類正常生活的影響。

2 消毒機器人的結構介紹及智能連接

2.1結構介紹

機器人外形主體結構由彌霧消毒機、四輪機器人底盤和麥克納姆輪組成。

（1）彌霧消毒機

此機型相較于傳統機型來說噴出的消毒劑更加細膩，覆蓋范圍更廣。而輕盈的消毒劑滴能在空氣中漂浮更長的時間，更易附著在墻壁及物體表面，有利于消毒有效時間的延長及消毒效果的提高。

（2）四輪機器人底盤

底盤主要用于消毒劑的裝載，其中設置有警戒線和紅外感應裝置，當設備內消毒劑低于警戒線時，設備會自動發出警報并在與設備相連的手機平板等智能設備上顯示出來。每隔一段設定時間機器人也會提醒進行排出消毒劑干燥清潔工作以保證機器的潔凈并延長工作壽命。為了克服普通輪式小車在狹小環境無法移動工作的缺陷并提高消毒機器人在運行過程中的平穩性，我們采用了全向驅動技術。麥克納姆輪控制可使小車具有更大的靈活性，系統以多變量協同控制的方式從多角度獲取小車信息，能夠更加立體、精準、直觀地判斷小車方位，從而完成自動化操作。其總體設計效果如圖1所示。

為了減輕人工的負擔、保證操作人員的安全，我們為機器人配備了智能模塊，其中包括自感知模塊、視覺雷達、機器學習算法、機器人云、激光雷達、超聲波雷達等;感知模塊，其中主要括藥品監測，人體監測，判斷消毒成果等，以實現機器人的自動化。程序路線需在機器人最初使用時工作人員結合控制終端引導其進行智能化學習并規劃工作路線。其控制流程如圖2所示。

由于傳統的搖桿、按鍵等交互方式具有操作繁瑣、不靈活、接口沒有統一的標準等缺點，已不能滿足于當今的智能服務要求，故我們在設計初期就采用了Android 與ROS交互通信的可靠性設計。在機器人連接場地wifi后操作人員就能在平板控制終端或手機上直接建立消毒任務，選擇消毒目的地與消毒時間等，然后機器人通過激光雷達導航定位自主移動到目的地，接著利用視覺和自感知模塊對消毒場所進行自動場景識別，根據場地的不同選擇不同的消毒水平與消毒方式。

（1）自感知模塊

自感知系統主要包含防碰撞、過熱、跌落模塊和避障模塊。應用紅外線傳感器與超聲波傳感器結合的方式，確保避障功能的實現。通過接觸式傳感器與光電開關傳感器結合保障防碰撞功能。

（2）電池能源

如市面上常見的掃地機器人一般，此機器人具有超長續航時間，且可在設定休眠時間到之后或電池電量低于設定之后自動回位充電。其充電也采用了非傳統插電，而是接觸式充電，如新型電動牙刷般回位即充。

3 ?智能消毒機器人未來發展方向

以預防為主是傳染病防控的首要策略。我國一直以來實行“預防為主”方針， 但當前的情況不甚理想，從深化醫改的主要任務來看，政策重點依然在醫療和醫院。而在人口基數如此龐大的中國，進一步的官方預防極大概率就是在公共場合投放消毒機器人。

隨著深度學習，自動化、大數據等先進技術的應用，消毒機器人在功能和應用場景上將會進一步的提升和完善。例如：實現快速和多手段復合消毒;針對不同區域實現定點分類消毒;優化消毒模式及運動路徑，減少資源浪費;實現消毒清潔一體化操作，只要按需提前規劃操作，就可將消毒、清掃、烘干等工作一次性進行到底;可精準檢測醫護人員、患者等形體輪廓，實現快速定位消殺;具備人體檢測功能，防止對人員造成傷害;豐富消毒材料種類，實現藥品智能配比、輸送，實時監測用品流量，提高消毒成效;實現環境樣本回收，搜集消毒區域樣本，幫助檢測人員快速判斷消毒成果;提高產品自身防護等級，可進入高輻射、高溫、高病菌場所開展作業;還可對機器本身拓展到農業等大規模式噴灑消毒等。

其應用場景多元化且適用性強，前景良好，可批量生產銷售。

4 結論

防控疫情至今，在醫療手術、診治、體溫檢測、配送、消毒殺菌等眾多場景中，我們看到機器人有效的代替相關人員進行作業，從而減少或降低了很多不必要的風險。針對公共衛生領域消毒機器人存在開發成本高、維護性差等問題，我們的智能消毒機器人不僅可以有效的解決這些問題，還在原來的基礎上增加了自動化智能化模塊，使機器人的工作效率提高的同時也降低了企業的生產成本，使此機器人可以大批量生產。

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作者簡介： 潘曉云（2002-），女，武漢商學院機器人工程專業，湖北襄陽人，在讀本科，主要研究方向：工業機器人系統集成;

董德武（2001-），男，武漢商學院機器人工程專業學生，湖北黃岡人，在讀本科，主要興趣和研究方向有機器人控制，智能機器人編程。

楊一帆（2001-），男，武漢商學院機器人工程專業學生，湖北孝感人，在讀本科，主要研究方向：智能機器人編程。

通訊作者： 雷晶晶（1990-），女，湖北武漢人，碩士，武漢商學院教師，工程師;主要研究方向：大學生創新創業教育。

基金項目： 大學生創新創業項目，項目號202111654003， 名稱：病菌滅霸—新型智能消毒機器人。