基于風險區域劃分的多策略智能消毒機器人

王若暄，許亞嵐

（中國石油大學（北京）信息科學與工程學院，北京，102249）

0 引言

自2020 年新型冠狀病毒全球蔓延以來，人們逐漸重視居家環境以及人員密集公共場所的衛生安全，對環境的消毒殺菌需求與日俱增。全球相關企業針對消毒需求陸續開發了各種類型的消毒機器人[1～3]，投用在醫院、車站等公共場所，家用的消毒機器人也涌現出大量設計與制作[4～5]。本文以STM32 為主控，設計制作了一款基于室內風險區域劃分的多策略消毒機器人，搭配兩種消毒液，可對不同風險區域實施不同強度的過氧化氫霧化消毒，以及局部區域或物品的機械臂酒精噴灑消毒。

1 總體設計

本文設計制作的消毒機器人主要用于家庭或室內公共場所的日常消毒，包括過氧化氫霧化消毒以及快遞、門把手等死角的機械臂酒精噴灑局部消毒。系統結構如圖1 所示，選用STM32F407 作為控制器，主要包括以下3 部分：

圖1 系統結構圖

（1)消毒部分：根據消毒方式設計機器人的結構，搭配視覺感知系統，控制機械臂的動作，實現對局部區域或物品可調強度和范圍的酒精噴灑消毒。

（2)自主導航部分：根據規劃路徑自主導航，自動避障，通過顏色識別消毒區域的不同風險等級，調整機器人行駛速度和過氧化氫霧化強度。

（3)人機交互部分：實現了用戶語音和手機APP 遠程監控消毒兩種控制模式。

2 消毒部分

■2.1 消毒方式與機器人結構

過氧化氫消毒適宜在有人的環境中進行大范圍的噴灑消毒，消毒效果顯著且對人體沒有危害；酒精溶液易揮發消毒效果好，但由于酒精為易燃易爆的物質，不可大范圍噴灑，但可以在小范圍定點消毒起到較好的作用。本文采用Shapr3D 軟件設計制作圖2(c)所示的雙格消毒溶液箱，前側①為酒精溶液箱，放置潛水泵和消毒酒精。當檢測消毒物體較小時，控制器改變PWM 占空比，使潛水泵排出酒精量減小，反之，增多酒精量。后側②為過氧化氫溶液箱，設計固定棉條的圓柱區域，在③處安裝霧化片，使過氧化氫溶液能夠以水霧形式噴灑至空氣，實現對空氣環境消毒。

圖2 消毒機器人整體結構圖

消毒機器人采用輪式雙層結構，如圖2(a)和圖2(b)所示。底層放置主控制板，上層后側放置消毒溶液箱，前側設計3 自由度的關節型機械臂裝載噴頭和酒精溶液導管，酒精溶液從機械臂前側噴出，實現對局部區域或物品的酒精噴灑局部消毒。

■2.2 視覺識別模塊

消毒機器人前側安裝攝像頭，在局部消毒模式下，對局部區域或物品進行圖像采集與識別。采用基于YOLOv4 模型的目標檢測方法[6]，將目標物體在真實三維空間中的坐標與相機成像平面中的坐標對應關系通過其相同特征點計算出模型參數，對局部消毒區域或物品進行較準確的定位與形狀大小識別。

確定局部消毒區域或物品的位置與形狀大小后，將機械臂與目標區域之間的相對運動關系建立D-H 模型，通過次坐標變換描述各個關節之間的關系，以此建立從機械臂底座到末端的轉換關系。最終，視覺模塊作為機械臂消毒動作的輔助系統，輔助機器人根據被消毒區域或物品的實際形狀大小調整機械臂酒精局部消毒的噴灑強度和范圍。

3 自主導航部分

■3.1 驅動電機

選擇帶有測速反饋的直流電機，穩定性強，確保機器人穩定行駛。檢測到不同風險區域時，調整機器人的行駛速度，確保過氧化氫霧化消毒的強度與風險區域對應。

■3.2 路徑規劃

消毒機器人在家庭或室內公共場所的巡航路線基本固定，可采用概率方法解決位姿估計以及地圖繪制更新問題，采用柵格地圖實現機器人的路徑規劃以及地圖環境信息的保存[7]。

為實現更高精度的定位以及繪制較為精準的地圖，避免由于機器人車輪打滑以及地面不平整導致的位姿估計不匹配，保障機器人按照規劃路徑正常行駛，采用了以下兩種策略：第一種措施是通過消毒機器人前側的超聲波傳感器，實時監測機器人與周邊環境的距離，微調修正機器人的行駛路線，保障其在規劃的路徑上；第二種措施是根據消毒機器人的使用周期，定期對環境地圖進行調整，更新路徑規劃。

■3.3 自主避障

常見的避障方式包含超聲波避障、紅外避障等，其主要依附于外部傳感器接收周圍環境信息并傳輸至控制器使機器人做出反應。本設計采用舵機與超聲波傳感器結合的方式，使得超聲波傳感器不僅可以探測前側障礙物，還可以通過舵機的左右旋轉，探測出兩側是否有可選擇的避障路徑。程序流程如圖3 所示。

圖3 消毒機器人自主避障邏輯圖

■3.4 風險區域識別

用戶劃分風險區域，對不同的風險區域粘貼不同的風險等級顏色標識，例如，高風險等級用紅色標識，中風險等級用黃色標識，低風險等級用綠色標識，以家庭消毒為例，風險區域等級劃分如表1 所示。

表1 家庭風險區域等級劃分

在不同風險區域等級的分界處粘貼顏色標識，通過顏色識別出即將進入的不同風險區域等級后，控制器調整機器人的行駛速度，使其在不同風險等級區域下保持不同的平均速度。

本文采用TCS3200顏色傳感器進行風險等級顏色識別，其通過感應芯片以及濾光器對檢測的顏色RGB值進行分析，并將測試值傳輸給控制器；控制器則根據傳輸的RGB 值范圍，判斷出機器人所在區域的風險等級變化，從而控制機器人行駛速度。最終實現消毒機器人在不同風險等級區域，實施不同強度的消毒作業。

4 人機交互部分

■4.1 語音控制

語音控制，即人機語音交互系統，當人對系統發送語音指令時，機器人上的語音采集設備將收集到的語音信息傳輸給語音識別系統，此時語音識別系統將語音信號轉化為電信號，在傳輸給控制器，將語音系統的指令進行匹配，若匹配成功，控制器將會將指令發送給驅動和執行機構，使機器人根據指令完成動作[8]。

本設計語音控制系統結構如圖4 所示。采用LD3320 語音模塊，其包含對非特定人語音識別和聲控芯片，能對可識別的關鍵詞列表進行動態編輯。消毒機器人預設了“開始消毒”“停止消毒”“消毒15 分鐘”等語音控制指令。

圖4 語音控制系統結構圖

■4.2 手機APP 遠程控制

目前，手機APP 實現遠程控制的途徑有藍牙、WiFi 通訊等，本文選擇使用型號為GL-AR150 的無線路由器模塊作為手機與消毒機器人的遠程無線通信橋梁，實現對消毒機器人的監控。

5 模型機制作與測試

選用“探索者”模塊化機器人組件，制作出如圖5 所示的消毒機器人模型機，進行功能測試。

圖5 消毒機器人模型機外觀圖

■5.1 機械臂局部消毒測試

對機械臂酒精噴灑局部消毒功能進行測試，選用三種機械臂動作，定義底座為1 號關節，中部關節為2 號，頭部關節為3 號，三種動作如下：

(1)保持1 號與2 號關節位于90°位置保持不變，3 號舵機在60°與120°之間擺動；

(2)保持2 號關節位于135°居中位置不變，使1 號與3號關節搭配動作，1 號關節緩慢由45°移動至135°，3 號關節分別在1號關節45°、90°和135°時在120°與90°之間上下擺動；

(3)1號關節緩慢由90°移動至135°，2號關節由135°移動至180°，3 號關節在120°與140°之間擺動；

測試發現酒精溶液噴灑壓力合適，只需通過程序控制噴灑角度和持續時間，就能保證局部消毒噴灑效果，對門把手、快遞表面都能達到較好的消毒效果。

■5.2 自主避障測試

在消毒機器人規劃路徑上放置不同形狀大小的障礙物，進行如圖6 所示的自主避障測試。統計其避障成功率，以及回歸原路線的成功率。

圖6 消毒機器人避障測試視頻截圖

測試結果如表2 所示。可見，消毒機器人對于形狀規則物體，基本上能夠完成自主避障，對于不規則形狀物體，也有較好的避障效果。

表2 自主定點局部消毒測試結果

6 結語

本文設計制作了一款基于風險區域劃分的多策略智能消毒機器人，結合路徑規劃、自主避障、語音識別、視覺識別等技術，實現了機器人自主導航、用戶語音和手機APP人機交互控制消毒等多種工作模式。在自主導航模式下，機器人根據路徑規劃和顏色識別，對不同風險區域實施不同強度的過氧化氫霧化消毒，滿足對環境空氣消毒的需求，同時機械臂搭配視覺識別輔助系統，對局部區域或物品進行可調強度和范圍的酒精噴灑局部消毒。在人機交互方面，實現了用戶語音和手機APP 人機交互控制消毒。