智能防疫機(jī)器人的設(shè)計(jì)與發(fā)展展望*

李昕哲 ， 莊亞文

（遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118009）

2020年一場(chǎng)突如其來(lái)的疫情，讓全國(guó)上下14億多人感受到病毒的無(wú)情，但同時(shí)也看到了全國(guó)上下一心、共同抗“疫”的溫情。目前，新冠疫情還沒(méi)有得到徹底控制，并且在未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將存在并很有可能再次暴發(fā)，防疫工作將是后疫情時(shí)代的首要工作。國(guó)內(nèi)防控的消毒手段主要是采用人工消毒，而智能消毒還沒(méi)有完全起步，雖然市場(chǎng)上宣傳機(jī)器人消毒的概念很多，但防疫機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用的效果并不理想，所以在疫情防控工作中，大部分場(chǎng)所還是采用人工的方式進(jìn)行消毒。國(guó)外機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域很成熟，但是還沒(méi)有很好地應(yīng)用在防疫消毒領(lǐng)域，由于消毒環(huán)境的復(fù)雜程度較高，國(guó)外智能消毒機(jī)器人也還處于研究萌芽階段[1-2]。

1 傳統(tǒng)防疫消毒途徑

傳統(tǒng)的消毒方式采用醫(yī)務(wù)人員或者消毒人員穿戴防護(hù)服在公共場(chǎng)所現(xiàn)場(chǎng)使用酒精、消毒液進(jìn)行噴灑，而這樣傳統(tǒng)的消毒方式存在弊端，一是消毒人員在公共場(chǎng)合頻繁消毒，加大了人員聚集的程度，增加了工作人員大規(guī)模感染新冠病毒的風(fēng)險(xiǎn)、無(wú)法保證消毒防疫人員的人身安全；二是無(wú)形中增加了人工成本，在疫情期間，針對(duì)人流密集的區(qū)域進(jìn)行全面消毒，必然需要大量工作人員進(jìn)行消毒作業(yè)，疫情期間，醫(yī)護(hù)人員緊缺，而使用傳統(tǒng)人工消毒，勢(shì)必占用更多的人力資源及國(guó)家公共財(cái)產(chǎn)資源；三是采用人工消毒受人為影響因素較大，無(wú)法切實(shí)保證消毒質(zhì)量，消毒液噴灑不均勻，容易發(fā)生部分區(qū)域未消毒或消毒不到位、部分區(qū)域過(guò)度消毒浪費(fèi)消毒液等情況[3-4]。

2 智能防疫消毒途徑

智能消毒途徑即采用智能防疫消毒機(jī)器人針對(duì)公共場(chǎng)所，包括醫(yī)院、火車站、飛機(jī)場(chǎng)、地鐵、學(xué)校等人流密集的區(qū)域，開(kāi)展消毒液的噴灑，進(jìn)行“智能化”“無(wú)人化”的防疫消毒工作，采用這種新型的“智能防疫消毒機(jī)器人”可以有效解決防疫工作人員感染新冠病毒的問(wèn)題及人工成本問(wèn)題[5-6]。目前，市面上采用的機(jī)器人大部分具有智能定位、定量噴灑消毒液、移動(dòng)速度快、相對(duì)安全且工作時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在疫情期間和后疫情時(shí)代能幫助人類進(jìn)行消毒工作，可以有效推動(dòng)公共衛(wèi)生部門工作效率及科學(xué)防疫工作。

3 亟待解決的問(wèn)題

面對(duì)反彈的疫情，大家深刻地意識(shí)到現(xiàn)有的智能化機(jī)器人的技術(shù)缺陷與短板，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)難以應(yīng)對(duì)疫情環(huán)境的復(fù)雜性。目前現(xiàn)有的技術(shù)所能做的防疫工作十分有限，機(jī)器人僅起輔助作用，還未在疫情防控工作中起主導(dǎo)作用，而課題組要做的是盡快攻關(guān)研發(fā)出一款能應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外疫情消毒的自主工作的智能化防疫機(jī)器人。

目前市場(chǎng)上流通的智能防疫機(jī)器人存在一個(gè)普遍問(wèn)題，即緊急避障功能有限，對(duì)于突然有人出現(xiàn)在機(jī)器人前方的處理能力不足，機(jī)器人很難在人員密集等環(huán)境復(fù)雜的公共區(qū)域進(jìn)行消毒，仍需工作人員駕駛機(jī)器人加以輔助，機(jī)器人智能控制效果較差，而避障功能有限導(dǎo)致機(jī)器人消毒效率低，仍需投入一定人力成本。由于以上因素的影響，在真正需要智能防疫機(jī)器人的場(chǎng)所，機(jī)器人使用率不高，因此智能防疫機(jī)器人并未大范圍普及應(yīng)用[7]。

4 智能防疫機(jī)器人的工作原理

為解決以上問(wèn)題，課題組以小型控制器為核心，設(shè)計(jì)了一款智能防疫消毒小車，該小車通過(guò)超聲波測(cè)距傳感器、紅外測(cè)距傳感器、3D 視覺(jué)系統(tǒng)及消毒噴灑裝置組成硬件系統(tǒng)，用于采集車輛周圍環(huán)境信息，這些環(huán)境信息反饋給控制器，控制器通過(guò)分析與決策輸出相應(yīng)指令控制噴射閥的開(kāi)啟時(shí)間和調(diào)節(jié)小車的速度，進(jìn)而對(duì)公共場(chǎng)地及人流密集的區(qū)域進(jìn)行消毒。最終實(shí)現(xiàn)循跡、路徑識(shí)別、視覺(jué)避障、消毒噴霧等功能[8-9]。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

消毒噴灑裝置中采用隔膜水泵，機(jī)器人電動(dòng)機(jī)不與消毒液接觸，保證了機(jī)器人內(nèi)部電動(dòng)機(jī)的安全，有利于延長(zhǎng)機(jī)器人的使用壽命。消毒液的噴灑裝置采用霧化噴頭，可以應(yīng)用于不同公共場(chǎng)所，避免消毒液噴出后路面濕滑的情況發(fā)生，能有效保證人們的出行安全，有效控制因消毒液聚集造成地面濕滑致使行人摔倒的發(fā)生概率，以此保證人們的出行安全，增加消毒防疫機(jī)器人投入公共區(qū)域使用的可行性。

由于需要消毒的環(huán)境普遍具有人員密集這一特殊性，消毒防疫機(jī)器人需具有一定的避障功能。工業(yè)機(jī)器人沒(méi)有像人類一樣的眼睛，這就影響機(jī)器人的自動(dòng)化和智能化位置判斷及圖像識(shí)別。對(duì)于工業(yè)機(jī)器人而言，相機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)就相當(dāng)于它的眼睛。2D機(jī)器視覺(jué)可以分析物體的平面特征，但是在工業(yè)領(lǐng)域，很多情況需要機(jī)器人去測(cè)量空間坐標(biāo)信息，如高度、平面度、表面角度等，顯然2D機(jī)器視覺(jué)無(wú)法獲取到這些信息，而且2D機(jī)器視覺(jué)還依賴于光照、顏色和灰度變化。應(yīng)用3D機(jī)器視覺(jué)可以識(shí)別到這些空間信息，因此，近些年來(lái)3D機(jī)器視覺(jué)越來(lái)越受歡迎，無(wú)論是現(xiàn)在的2D視覺(jué)還是3D視覺(jué)，視覺(jué)系統(tǒng)的主要作用就是對(duì)物體進(jìn)行拍照分析，經(jīng)過(guò)算法的精準(zhǔn)判斷，從而獲取物體的信息。所以需要為機(jī)器人安裝“眼睛”，也就是機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)。機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)由光源、鏡頭、相機(jī)、采集卡、視覺(jué)處理系統(tǒng)五個(gè)部分組成。

首先需要對(duì)3D機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)搭建。該款智能防疫機(jī)器人選用Ensenso的3D相機(jī)，3D相機(jī)用以太網(wǎng)連接到POE交換機(jī)上，實(shí)現(xiàn)供電和傳輸數(shù)據(jù)的作用，然后將工控機(jī)也連接到POE交換機(jī)上，3D相機(jī)和工控機(jī)采用TCP/IP的通信方式。通過(guò)圖像采集硬件將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，并傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)。這樣可以將相機(jī)采集的圖像傳遞到工控機(jī)中。然后對(duì)機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定。當(dāng)有人或障礙物出現(xiàn)在機(jī)器人前方時(shí)，機(jī)器人的3D視覺(jué)系統(tǒng)將檢測(cè)到障礙物，接收信號(hào)，將障礙物的角度等圖像信息返回至工控機(jī)中，通過(guò)工控機(jī)控制機(jī)器人后退并左轉(zhuǎn)避開(kāi)前方障礙物，若消毒機(jī)器人左轉(zhuǎn)后仍有障礙物，則機(jī)器人后退旋轉(zhuǎn)，直至找到?jīng)]有障礙物的方向再次前進(jìn)。在機(jī)器人行進(jìn)的過(guò)程中需采用相機(jī)多次判斷前方是否有障礙物，如有障礙物則執(zhí)行避障功能，直至完成整個(gè)區(qū)域的消毒計(jì)劃。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的相機(jī)標(biāo)定是機(jī)器視覺(jué)的關(guān)鍵步驟之一，相機(jī)標(biāo)定主要目的有以下兩方面：一是為了確定圖像坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系；二是為了減小鏡頭畸變所帶來(lái)的誤差對(duì)圖像分析處理的精度的影響。工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程圖

機(jī)器人視覺(jué)部分程序如下：

5 智能防疫機(jī)器人的操作方法

機(jī)器人操作人員使用移動(dòng)終端（平板手機(jī)）均可，首先建立機(jī)器人消毒路線地圖，即預(yù)設(shè)機(jī)器人自動(dòng)行走路徑和終點(diǎn)，控制消毒區(qū)域門窗關(guān)閉，遠(yuǎn)程啟動(dòng)機(jī)器人，建立消毒任務(wù)，通過(guò)位置控制確定消毒區(qū)域，操縱機(jī)器人自動(dòng)前進(jìn)至指定位置，機(jī)器人到達(dá)目的地后噴灑消毒液，進(jìn)行360°的全方位消毒，對(duì)一個(gè)區(qū)域點(diǎn)消毒完畢后將信號(hào)返回至移動(dòng)控制終端，機(jī)器人可繼續(xù)按照預(yù)設(shè)好的消毒地圖執(zhí)行消毒任務(wù)，在這個(gè)過(guò)程中，遇到緊急情況，后臺(tái)操作人員可隨時(shí)按下急停按鈕，控制機(jī)器人停止在任何位置，以確保公共區(qū)域的人員安全及保護(hù)機(jī)器人本體。根據(jù)環(huán)境情況、人群密度及疫情嚴(yán)峻程度等參數(shù)的變化，后臺(tái)操作人員可通過(guò)平板控制機(jī)器人在消毒地圖內(nèi)消毒的次數(shù)和時(shí)間間隔，對(duì)于特殊的控制要求，可在電腦端自主更改循環(huán)語(yǔ)句以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制需求，以此更好地進(jìn)行科學(xué)智能防疫。

6 智能防疫機(jī)器人在后疫情時(shí)代的發(fā)展

公共區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有的防疫機(jī)器人需要專門的工作人員去操作并進(jìn)行機(jī)器人定期維護(hù)，這無(wú)疑也是一種資源的浪費(fèi)。面對(duì)國(guó)內(nèi)外嚴(yán)峻的疫情形勢(shì)，智能防疫機(jī)器人在未來(lái)將應(yīng)用到更多公共場(chǎng)所。除火車站、飛機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)合外，還會(huì)應(yīng)用于學(xué)校、社區(qū)等，要想更好地推廣智能防疫機(jī)器人，使更多的人受益，就需要機(jī)器人至少有以下5個(gè)特征：一是不需要額外編程同時(shí)擁有簡(jiǎn)單友好的操作界面，通過(guò)機(jī)器人說(shuō)明書或簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可知曉其操作方法，方便各行各業(yè)的人操作使用；二是降低機(jī)器人發(fā)生故障的概率，由于非專業(yè)人員處理機(jī)器人緊急故障的能力較差，若發(fā)生故障將影響機(jī)器人使用，延誤消毒工作，因此需降低機(jī)器人報(bào)錯(cuò)、發(fā)生故障的概率；三是減小機(jī)器人的體積，方便機(jī)器人進(jìn)入走廊過(guò)道、人員密集等狹小空間進(jìn)行消毒，使消毒工作更全面可靠；四是智能計(jì)算不同環(huán)境所需的消毒液劑量，由于不同區(qū)域的細(xì)菌病毒含量、人員密集程度不同，需要機(jī)器人具有復(fù)雜環(huán)境識(shí)別功能，要求機(jī)器人能計(jì)算出消毒區(qū)域的面積、細(xì)菌含量、人員密集度并通過(guò)算法科學(xué)得出所需的消毒液使用量，避免消毒液的浪費(fèi)；五是降低機(jī)器人價(jià)格，使更多的單位和個(gè)人能接觸到并能承擔(dān)起消毒防疫機(jī)器人的費(fèi)用，這樣才能普及消毒防疫機(jī)器人，讓機(jī)器人充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，為疫情防控筑牢第一道防線[10]。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，3D機(jī)器視覺(jué)智能防疫機(jī)器人能有效確定人的位置，擁有良好的避障功能，可以投放于醫(yī)院、地鐵、機(jī)場(chǎng)、火車站等地形復(fù)雜、人員密集的公共場(chǎng)所進(jìn)行消毒工作。為有效助力全國(guó)人民打贏這場(chǎng)疫情防控阻擊戰(zhàn)，避免疫情反彈，智能消毒機(jī)器人技術(shù)還有待進(jìn)一步提高與不斷改進(jìn)，不論在疫情時(shí)期還是后疫情時(shí)代，智能防疫消毒機(jī)器人都將發(fā)揮更大的作用，具有更廣闊的發(fā)展及應(yīng)用空間，值得廣大科研工作者為之不懈努力。