消毒防疫智能巡檢機器人的設計

張雄，劉浩，鐘宙明，覃坤雪，陳永強，李猛

（天津職業技術師范大學，天津，300222）

0 引言

隨著科學技術的不斷進步，人工智能、虛擬現實、語音識別等高科技技術被應用到各種機器人上面，使得機器人更加自動化、智能化，推動了機器人行業的迅速發展。智能巡檢機器人作為機器人種類的一種，主要用于各種場所、不同環境下的日常巡檢工作。通過智能巡檢機器人進行巡檢，克服了傳統人工巡檢容易受到外界氣候、環境等因素的影響，提高了工作效率，保證了巡檢工作的正常進行。

智能巡檢機器人的類型多種多樣，如變電站智能巡檢機器人、養殖場智能巡檢機器人、輸電線路巡檢機器人等，其功能作用主要表現在日常巡檢過程中的環境數據采集、視頻監控、自動導航等。2020年一場突如其來的新冠疫情給我們的日常生活帶來了嚴重的影響，居家隔離、減少外出、日常消毒等成為我們生活中的常態。為了抑制新冠病毒的傳播，在眾多公共場合(如車站候車廳、地鐵站、教室等人流流動密集區)以及隔離區、病房、手術室等高危交叉感染區需要進行定期的人工消毒工作，為了減輕工作人員的勞動力度以及避免疫情的傳播，本文提出并設計了一種消毒防疫智能巡檢機器人，在巡檢機器人的基礎上，安裝消毒噴灑裝置，用于消毒液體的噴灑，完成消毒工作。

本文設計的消毒防疫智能巡檢機器人采用綠色消毒的方式，基于酸性氧化電位水淋霧沉降實現空氣消毒。根據功能設置要求，機器人在巡檢過程中除了完成正常的環境數據采集、視頻監控等功能外，還能夠噴灑消毒液體。

1 系統總體設計

本文設計的消毒防疫智能巡檢機器人主要用于公共場合下的環境數據采集、圖像信息傳輸等日常巡檢工作，同時通過安放在機器人本體上的消毒噴灑裝置可以實現巡檢過程中的消毒液噴灑功能，有效的減少了人力勞動，提高了工作效率，其外觀示意圖如圖1所示。

根據實際應用功能設計需求，智能巡檢機器人的移動控制方式包括自動循跡控制與遠程手動控制兩種：自動循跡控制利用磁導航模塊實時檢測地面中的電磁線，通過ARM處理器判斷后進行電機方向、速度等參數的控制，從而使機器人能夠按照指定路線往復循環移動；遠程控制則利用PC端的上位機軟件實時查看攝像頭傳輸回來的圖像信息進行機器人的移動路線手動調整。

圖1 消毒防疫智能巡檢機器人外觀示意圖

2 系統硬件設計

本文設計的消毒防疫智能巡檢機器人的硬件系統主要包括機器人控制系統、環境數據采集、圖像信息采集等功能設計，其硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖

通過系統硬件框圖可以看出，消毒防疫智能巡檢機器人的硬件系統以ARM處理器STM32F103ZET6為核心，外圍配置傳感器模塊、導航模塊、運動執行單元、攝像頭、無線模塊以及消毒噴灑裝置等，從而實現機器人的自主移動、環境數據檢測、圖像信息采集與傳輸、消毒液體噴灑等功能，

■2.1 控制器模塊

消毒防疫智能巡檢機器人的控制器模塊選擇意法半導體ST公司設計生產的32位ARM處理器STM32F103ZET6，該處理器具有較高的工作頻率，功能強大的定時器以及豐富的I/O外設接口、多種通信接口等，其實物圖如圖3所示。

圖3 主控板實物圖

■2.2 傳感器模塊

傳感器模塊實現機器人巡檢過程中的環境數據采集，主要包括溫濕度傳感器、光照強度傳感器以及空氣質量傳感器，不同類型的傳感器通過各自的數據傳輸方式與STM32處理器進行連接，實現溫濕度、光照強度及空氣質量的實時檢測。

■2.3 運動執行單元

運動執行單元實現智能巡檢機器人的自主移動功能，由驅動模塊、電機以及麥克納姆輪組成，電機采用行星減速電機MD36N，該行星減速電機能夠把輸入的低轉矩高轉速通過齒輪組轉換成高轉矩低轉速輸出，從而在變速中提供較大的合力矩，并且保持較平穩的速度傳遞(始終有齒輪良好的嚙合)，其實物圖如圖4所示。

圖4 行星減速電機及麥克納姆輪實物圖

■2.4 導航模塊

為了實現機器人的固定線路導航，本文設計的消毒防疫智能巡檢機器人配置了專為AGV磁條導航設計的磁導航傳感器D-MNSV6-X8，通過D-MNSV6-X8傳感器感應到磁條磁場信號后，輸出開關量信號，給主控器提供所需要的磁條信號；同時為了實現自動循跡過程中的障礙物檢測與避障功能，配置有超聲波和紅外傳感器。

圖5 PC上位機軟件界面圖

■2.5 消毒噴灑裝置

消毒噴灑裝置采用自吸隔膜水泵和霧化噴頭的形式實現，自吸隔膜水泵的泵體與電機分離，泵體內無機械部件、無磨損。具有自吸功能、熱保護、運轉平穩、可以長時間連續空轉，接通電體內的液體開始自動減壓回流，水管內的壓力不會增加，方便消毒液體的噴灑。

3 系統軟件設計

消毒防疫智能巡檢機器人的軟件設計是在硬件系統的基礎上通過軟件程序的設計，實現智能巡檢機器人的自主移動、環境數據檢測、圖像信息采集與傳輸以及消毒液體的噴灑等功能。系統軟件的設計包括智能巡檢機器人控制系統程序設計以及PC端上位機軟件設計兩部分內容，分別實現智能巡檢機器人的控制與人機交互界面。

智能巡檢機器人控制系統程序針對STM32處理器進行設計，采用C語言進行程序編寫，主要包括傳感器數據采集、循跡檢測、電機控制等程序設計。

PC端上位機軟件針對人機交互而進行設計，實現計算機環境下對機器人的遠程監測與控制。軟件設計基于可視化的基礎開發工具QT5.12開發，設計的人機交互監控畫面主要包括視頻監控界面、數據監控界面、巡檢機器人運動控制界面等。整個監控系統集成后使后臺監控操作人員的操作效率極大提高。PC上位機界面如圖5所示。

4 結束語

本文提出一種消毒防疫智能巡檢機器人，綜合運用手機APP、物聯網、嵌入式、傳感器等技術，實現巡檢機器人自動模式和遙控模式的控制。自動模式下，機器人根據磁導航傳感器檢測地面中嵌入的磁導線實現自動循跡，從而對公共場所進行防疫消毒。遙控模式下，通過機載攝像機觀察公共場所消毒環境的工況條件，用戶根據工況條件，對不同消毒環境的霧化距離和藥液流量進行動態調控。