遙控消毒機器人的研究與設計*

楊艷山 ， 施苡波 ， 秦昌友 ， 蘇士利 ， 王 鋒

（蘇州農業職業技術學院，江蘇 蘇州 215008）

目前，疫情防控工作仍然是社區及防疫部門的重點工作之一[1]。國內防控、消毒手段主要是采用人工消毒，智能消毒還未正式起步[2]。市場上有很多概念型的消毒機器人，但防疫機器人的實際應用效果并不理想，在后續疫情防控工作中，仍會長期采用人工消毒方式[3]。本文設計的消毒機器人，能夠很好地解決狹窄空間內消毒防疫作業難度大的現實問題，對保護環境以及作業人員健康有著重要意義，而且能夠助力消毒防疫設備實現國產化[4-5]。

1 消毒機器人的關鍵部件

1.1 行走輪的選擇與設計

目前，市面上主要使用的是OMNI輪和麥克納姆輪，考慮本課題的設計要求與成本，使用麥克納姆輪作為行走輪，采用四輪式布局的消毒機器人如圖1所示。麥克納姆輪具有萬向性和平穩性，可以使機械運動轉向輕松，能夠保證消毒機器人的底盤移動的靈活性，使消毒機器人更容易完成遠程控制的指令；在狹窄的室內消毒中，選擇麥克納姆輪作為行走輪，可以實現復雜的遠程軌跡控制，滿足前進、后退、平移、轉彎以及旋轉的運動需求[6]。

圖1 遙控消毒機器人

1.2 行走機構的設計

輪系的布置主要影響消毒機器人的穩定性和負載量[7]。行走機構安裝在整個消毒機器人的底部，由電機驅動的麥克納姆輪構成，4個麥克納姆輪由4個電機單獨驅動運行。為保證消毒噴濕的遠程遙控控制，在消毒機器人的工作過程中，行走機構、噴濕裝置和控制系統均使用蓄電池作為動力源，動力源安放在車架內部，可以持續供電。

1.3 消毒機構的設計

本文采用三孔氣液混式霧化噴頭，同時滿足消毒液的霧化和擴散要求，在直流風機的作用下，空氣由噴頭的后端被吸入，在內部形成高壓，經前端間隙形成渦流，在風口處分流后，由出風口噴出消毒液。此過程中，消毒液形成霧滴，隨氣體噴出至大氣中，實現消毒液的霧化與擴散，呈錐形態[8]，噴頭的參數如表1所示。

表1 消毒機器人噴頭參數

2 消毒機器人的控制系統

2.1 硬件設計

遠程遙控裝置，是將工作人員的指令以無線藍牙的傳送方式送達從端控制系統的裝置，本文選用的是MC6C遙控裝置。

遙控裝置的按鈕和搖桿實現對消毒機器人的動作控制，包括前進、后退、平移、旋轉、開始和停止；內部裝有電位器，在消毒機器人轉彎時，工作人員可以通過電位器實現改變轉彎半徑的效果[9]。

配合使用從端控制系統與遙控系統可以接收遙控裝置發送的控制指令，并且將其轉換為符合Modbus協議的代碼，從而實現對消毒機器人的藍牙無線操控。從端控制系統的組成如圖2所示。

圖2 從端控制系統的組成

消毒機器人的無線遙控系統結構圖如圖3所示，兩塊藍牙模塊通過GC-05建立無線連接，再傳輸到從端控制系統的單片機，指令核驗無誤后進行譯碼，傳輸給Modbus控制板，控制板對驅動器進行控制，實現消毒機器人的藍牙控制[10]。

圖3 基于藍牙的遙控系統

本文從端部分采用12 V供電、100 Ah的電瓶供電，遙控部分采用9 V干電池電源，整體電路如圖4所示，整體采用穩壓芯片。電池由P3端子供電，S3自鎖開關后，通過穩壓器LM7805為單片機提供5 V電壓，后經穩壓芯片ASM1117-3.3V為藍牙模塊供電，二極管D6、D7是電壓的指示燈[11]。

圖4 系統電源電路圖

2.2 軟件設計

遠程操控系統使用8位的A/D轉換，連續對電位器進行6次A/D轉換，6次數據進行去極值濾波，在定時/計數器1中斷服務程序中完成A/D轉換功能的重新使能。

在第6次A/D程序中進行遠程遙控系統的按鍵掃描，對按鍵的輸入I/O進行讀取、移位等操作，按照預定的指令幀，實現后退、前進、左右轉動、變速等指令。

從端單片機接收程序，從端藍牙模塊接收指令是通過串口傳輸實現，本文采用實時幀識別方式，省去了數據緩沖區的管理時間，起到了減少存取次數的作用，能夠顯著提高程序的實時性，極大減少占用CPU的資源。其串口中斷服務程序流程圖如圖5所示。

圖5 串口中斷服務流程圖

3 實驗與測試

在完成遙控消毒機器人的機械結構和控制系統設計的基礎上，接著對其進行組裝，根據小車三維模型結果加工車身結構，適當地組裝其中的各部分，如電機、驅動器、消毒機構、控制系統等，從而實現遙控消毒機器人的裝配。

為對遙控機器人進行測試，進行“8字形”和“X字形”兩種路徑任務測試，并對測試過程中的運動狀態數據進行分析。

這種任務的具體含義為運行過程中小車的運動軌跡為“8字形”，運動過程中直行和旋轉，路線為1—2—3—4—5—6—7—8，如圖6所示。

圖6 “8字形”路徑實際運動軌跡

完成遙控消毒機器人設備設計組裝與測試之后，將現有設備投入目前樓宇間進行疫情防控消毒作業。遙控消毒機器人在既定任務下圓滿完成消殺作業，用事實驗證設備具有實用性以及可靠性。

希望本文研究設計的遙控消毒機器人能為今后消毒設備的研發打下基礎，也希望本文的研究為該領域的進一步發展起到參考作用。

4 結論

本文基于我國室內消毒作業的實際情況，以及國內外智能化消毒設備的調查研究，結合消毒設備的使用現狀和存在的問題，通過查閱資料、設計手冊，歸納消毒機器人的設計思路，設計了一款依靠藍牙無線遙控的消毒機器人。利用SolidWorks三維軟件，設計了重要的機械部件，包括麥克納姆輪和車身；重點設計了控制系統，包括硬件電路和軟件開發，選擇了MC6C無線遙控裝置，確定了選用的基礎藍牙模塊和單片機模塊；通過本設備的通信設計，設計了所需的硬件電路、外圍電路和軟件運行流程，并設計介紹了系統主要程序段，最后進行了消毒機器人的運行測試，證明設備具有實用性以及可靠性。