一種可用于消毒的移動機器人設計

嚴健

（蘭州石化職業技術大學，甘肅 蘭州 730060）

0 引 言

當前，全球疫情大肆蔓延，各國人民都在積極應對。接種疫苗是當前阻礙病毒傳播最有效的途徑，我們在積極接種疫苗并及時排查可疑人員軌跡的同時，為了最大限度地降低人民群眾的感染風險，我們還需更大力度的加強公共衛生安全的防護，尤其在人員較為密集的公共場所，諸如學校、醫院、大型超市及各類批發市場等，更需要加大力度進行消毒殺菌操作。若是靠工作人員對此類人員流動較大的場所進行人工消毒維護，將會形成工作效率低，防護工作任務繁重的不利局面。為了緩解人工任務的壓力，近些年來越來越多的服務型機器人應運而生。根據國際標準化組織的定義，服務型機器人指的是為人類執行有用任務的機器人。而在諸多的服務機器人中，消毒機器人就是其中典型的代表。據統計，消毒機器人具有更高的消毒工作效率。對于一個標準的四十平方米的公共衛生場所，傳統的人工推車或普通的醫療機械手一次消毒一般需要六小時，而消毒機器人能夠在三小時之內完成消殺任務，大大減輕了工作人員的工作強度，同時避免了發生交叉感染病毒的危害。本文以人流量較大的公共場所為出發點，從實現功能和經濟角度考慮，設計了一款可用于消毒殺菌的自動避障移動機器人。該款機器人所要實現的功能有以下幾點，一是在移動過程中利用紅外傳感器能夠實現自動避障；二是能夠自主判別消毒水箱的水位，當水位低于最低限度會有報警功能，以便對其續加；三是可用Wi-Fi 模塊實現遠距離遙控，操作高效簡便；四是能夠適應大多數復雜的工作環境，可以覆蓋整個公共場所，不留死角。

本文設計的可用于消毒殺菌的自動避障移動機器人主要分為硬件結構的設計、控制系統的設計以及其他輔助裝置的配合。文章主要從上述幾個方面進行闡述。

1 機器人硬件結構設計

機器人硬件結構主要由行走模塊、噴灑模塊、控制模塊和檢測模塊四部分組成。控制模塊相當于該移動消毒機器人的“中樞神經”，對機器人整體運行起決定作用。具體如圖1所示。

圖1 機器人硬件系統框架圖

控制模塊中采用12 V、12 000 mAh 的大容量鋰電池作為電源裝置，電源裝置通過給STM32 主控制板和L298N 驅動模塊持續供電，從而控制驅動移動機器人的行走模塊和噴灑模塊的正常運行。為了使移動機器人操作更為簡便有效，控制模塊中加入Wi-Fi 遙控模塊，使得該移動消毒機器人能夠適用于更為復雜多變的、人工不便進入的工作環境。行走模塊采用車體底盤式設計，底盤下方對稱安裝四個65 mm橡膠輪胎的麥克納姆車輪，對四個車輪均分別使用12 V 直流驅動電機進行單獨驅動，目的在于保持動力強勁，保證移動機器人的靈活運動及適應各類相對復雜的環境。底盤整體使用鋁合金材料，質量輕、強度高、同時在底盤下部搭載懸掛緩震裝置，以此既能增強移動機器人整體的承載能力，又能使機器人在工作中保持自身的平衡。具體如圖2所示。

圖2 移動機器人控制與行走流程

噴灑模塊主要有水箱、水泵、霧化噴頭、PVC軟管等組成。PVC 軟管將自吸水泵與霧化噴頭連接起來，電源通過驅動模塊L298N 持續向水泵供電，通過水泵提供動力將消毒液輸出至另一端口，經霧化噴頭將其霧化后送至公共場所。通過轉換開關可調節噴頭流量大小，根據消毒區域的特點切換出消毒的兩種不同模式，即噴灑模式或霧化模式。檢測模塊主要涉及到水箱水位檢測裝置和紅外避障裝置。當水箱中消毒液水位下降到一定程度時，通過控制模塊來借助水位傳感器檢測發出報警，以提醒加入消毒液，保證實現消毒工作的正常連續運行。為了行走模塊在消毒工作中能以連續工作不停頓，在消毒機器人外部安裝紅外避障裝置，檢測機器人前方是否存在障礙物，以此來保持機器人連續工作。具體如圖3所示。

圖3 移動機器人噴灑與檢測流程

所設計的用于消毒殺菌的自動避障移動機器人硬件各部分具體數據如表1所示。

表1 行走模塊數據參數

由于該消毒移動機器人主要應用在公共場所，因而外觀設計尤為重要。外部框架設計既要突出實用性，將其設計為流線型，又要符合審美需求，外觀突出簡單明了。以卡通熊貓頭像造型作為外觀設計，既可以主觀上給人以親切感，在工作過程中大多數人不會因為該設計外觀的單調而產生排斥，又巧妙地將噴霧裝置嵌放在卡通熊貓的口腔內部，不會使人感覺突兀，整體設計渾然天成。利用三維軟件對消毒移動機器人整體結構進行建模計算，具體硬件框架結構如圖4所示。在移動機器人整體結構設計中，機器人的中樞核心—控制模塊固定于機器人外殼體底部平面上，集中放置在一起便于控制管理，在整體結構下方固定行走模塊的驅動電機組，在移動機器人殼體內部，距離控制模塊往上80 mm 處內嵌平板，用于固定放置消毒液水箱，殼體內部設有自上向下的貫通線槽，便于布線。此設計的優點在于移動機器人殼體內部的噴灑模塊與控制模塊相分離，互不影響，防止水箱內消毒液體的泄露而影響電路元件的正常運行，同時有效地利用了殼體內部的有限空間，使得該消毒移動機器人結構緊湊，不同模塊劃分清晰，便于控制。

圖4 消毒移動機器人結構圖

2 機器人軟件控制設計

機器人整體軟件控制系統的設計遵循“總—分”的邏輯關系。“總”的軟件控制指的是借助STM32 主控制板來實現對電路各大模塊的總控，該部分為移動消毒機器人的主程序，是整個軟件系統的核心；“分”的軟件控制指的是各個分模塊的子程序，分別用來實現每個模塊的具體功能。具體如圖5所示。

圖5 機器人軟件系統框架圖

該消毒移動機器人采用STM32 主控制板作為主控芯片，電源供電模塊給主控制芯片持續供電，STM32 主控制板作為核心，分別控制每個模塊及設備。具體有通過L298N電機驅動模塊來驅動直流電機，以此驅動行走模塊；通過L298N 電機驅動模塊來驅動噴灑模塊，以此完成機器人消毒防疫任務；通過控制避障模塊使得機器人在移動過程中避免碰撞障礙物，從而機器人能持續進行消毒任務；通過控制水位檢測模塊，當消毒液水位下降到所設限度后蜂鳴器發出報警，提醒續加消毒液；通過控制Wi-Fi 遙控模塊，使得機器人能在更遠距離進行作業，更加高效方便地完成消毒任務。

2.1 行走模塊程序設計

該消毒移動機器人在行進過程中采用直流電機進行驅動，每個直流電機控制一個車輪，通過調整直流電機的運動參數分別控制移動機器人的左、右車輪轉速，具體驅動初始化程序為：

2.2 紅外避障模塊程序設計

該消毒移動機器人在行進過程中采用紅外避障模塊，驅動紅外傳感器檢測前方障礙物，具體部分初始化程序為：

3 結 論

針對全球疫情大流行的背景，設計出了一種可用于消毒的移動機器人，給出了移動機器人的軟硬件設計方案，整體結構緊湊，控制系統簡單，應用場合較廣，可用于學校、醫院等人流量大的公共場所，能使工作人員有效地降低感染病毒的風險。