智能消殺安保機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

索旭東，廖子聰，李冀川，康 曉

（智能移動(dòng)機(jī)器人（中山）研究院，中山 528400）

2019 年底暴發(fā)的新型冠狀病毒為疫情防控尤其是在人員密集場(chǎng)所的疫情防控工作帶來了極大的壓力與挑戰(zhàn)，疫情防控要求的人力、物資巨大，同時(shí)長(zhǎng)期工作在一線的工作人員也存在極大的接觸傳染風(fēng)險(xiǎn)，生命健康安全受到威脅。將智能移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用于危險(xiǎn)、易感染的環(huán)境，可以提高工作人員的安全性，降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

消殺安保機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人的一種，主要涉及到自主導(dǎo)航、目標(biāo)識(shí)別和紫外線等技術(shù)。隨著智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，消殺消毒機(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用，如辦公樓、醫(yī)院、學(xué)校、商場(chǎng)等。諸多國(guó)家對(duì)消殺安保機(jī)器人進(jìn)行了深入研究，尤其在疫情期間，對(duì)消殺消毒機(jī)器人的需求更是與日俱增。目前，國(guó)內(nèi)外在此行業(yè)投入大量資金和人力進(jìn)行研發(fā)[1]。消殺安保機(jī)器人實(shí)物[2]如圖1 所示。

圖1 消殺安保機(jī)器人實(shí)物Fig.1 Disinfection and sterilization security robot

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

采用分層控制的設(shè)計(jì)理念[3]，將消殺安保機(jī)器人系統(tǒng)各個(gè)功能模塊進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，分別為用戶層、決策層、執(zhí)行層以及設(shè)備層，各層次功能明確、靈活性高，其架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 System architecture diagram

1.1 用戶層

用戶層主要包括安裝在消殺安保機(jī)器人上的觸摸屏以及遙控端，主要起到人機(jī)交互的作用。觸摸屏給用戶提供一種離線操作機(jī)器人的工作方式，通過與主控制器進(jìn)行通信，穩(wěn)定性高。軟件設(shè)計(jì)包括指紋識(shí)別、消毒地點(diǎn)選擇、密碼解鎖等功能，設(shè)計(jì)界面如圖3 所示。

圖3 操控屏界面設(shè)計(jì)Fig.3 Control screen interface design

1.2 決策層

決策層是系統(tǒng)的核心層，類似于人的大腦，主要承擔(dān)機(jī)器人語音識(shí)別、定位與導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等核心功能。硬件設(shè)備主控制器采用目前性能較為強(qiáng)勁且體積較小的mini 機(jī)（Intel NUC），安裝ubuntu16.04系統(tǒng)環(huán)境。在該環(huán)境下，通過麥克風(fēng)識(shí)別語音指令以及激光雷達(dá)采集環(huán)境信息，對(duì)這些信息進(jìn)行融合處理，并根據(jù)處理結(jié)果，借助ROS 開源算法包實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的即時(shí)定位與地圖構(gòu)建、路徑規(guī)劃以及導(dǎo)航避障等功能。決策層的系統(tǒng)框圖如圖4 所示。

圖4 決策層系統(tǒng)框架圖Fig.4 Decision layer system framework diagram

1.3 執(zhí)行層

執(zhí)行層主要負(fù)責(zé)執(zhí)行決策層發(fā)送過來的控制指令，控制電機(jī)以及消毒燈管等設(shè)備，主要包括電機(jī)控制器和輔助控制器兩部分。電機(jī)控制器和輔助控制器都是基于STM32F103ZET6 處理器芯片開發(fā)，該芯片外設(shè)豐富、功耗低、成本低、性能穩(wěn)定。執(zhí)行層系統(tǒng)框圖如圖5 所示。

圖5 執(zhí)行層系統(tǒng)框架圖Fig.5 Execution layer system framework diagram

1.4 設(shè)備層

智能消殺安保機(jī)器人采用全向底盤，全向的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，使機(jī)器人具有更靈活的運(yùn)動(dòng)能力。直流電機(jī)與全向輪的連接采用高強(qiáng)度鋁合金聯(lián)軸器，能夠保證承受足夠的扭矩。系統(tǒng)采用鋰電池作為電源，使用PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制方式簡(jiǎn)單高效；選用性能優(yōu)異的紫外線消毒燈管以及消毒噴霧進(jìn)行高效殺菌消毒；采用USB 攝像頭獲取人臉信息以及高采樣率、遠(yuǎn)測(cè)距的激光雷達(dá)采集環(huán)境二維地圖信息用于激光SLAM 導(dǎo)航。

2 智能消殺安保機(jī)器人總體功能

智能消殺安保機(jī)器人能夠取代人們完成消毒任務(wù)，降低工作強(qiáng)度，減少被感染的概率。需要對(duì)機(jī)器人的總體需求進(jìn)行深入分析，分析工作環(huán)境的特點(diǎn)，調(diào)研工作人員要求，提煉機(jī)器人所需滿足的基本要求，總結(jié)其關(guān)鍵參數(shù)，挖掘開發(fā)中的重點(diǎn)問題[4]。

智能消殺安保機(jī)器人功能需求來源于對(duì)消毒場(chǎng)景的分析，圖6 所示為功能分析過程。

圖6 智能消殺安保機(jī)器人功能分析Fig.6 Function analysis of intelligent disinfection and sterilization security robot

2.1 消毒功能

根據(jù)智能消殺安保機(jī)器人對(duì)消毒場(chǎng)景的分析結(jié)果，總結(jié)出消毒機(jī)器人在消毒方式及消毒設(shè)備方面的需求。所設(shè)計(jì)的消殺消毒機(jī)器人定位于服務(wù)類機(jī)器人，主要應(yīng)用場(chǎng)景在醫(yī)院、學(xué)校、寫字樓等，機(jī)器人需在走廊、房間等位置進(jìn)行消毒。

機(jī)器人消毒功能需求如下：①需對(duì)空氣及物體表面進(jìn)行消毒；②需對(duì)公共設(shè)施進(jìn)行消毒，如門把手消毒；③消毒功能需支持有人環(huán)境。

消毒方式類別眾多，各種消毒方式均有其利弊，且所適用的場(chǎng)景各有不同。紫外線消毒通過紫外線光照射進(jìn)行消毒，應(yīng)用十分廣泛[5]；過氧化氫消毒在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較多，由于可以氣化或霧化使用，因此使用起來十分方便；臭氧消毒由于會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，因此多在具備通風(fēng)條件的環(huán)境使用；液氯、次氯酸鈉、二氧化氯消毒工作原理較為接近，需要與水產(chǎn)生水解反應(yīng)生成可消毒物質(zhì)，多用在污水處理及水殖業(yè)。

2.1.1 紫外線消毒

為提升機(jī)器人紫外線消毒的效率，紫外線消毒應(yīng)包含2 個(gè)方面：①對(duì)機(jī)器人外部空氣和物體表面進(jìn)行消毒；②將外部空氣吸進(jìn)機(jī)器人內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)風(fēng)消毒。

為增大機(jī)器人紫外線消毒范圍，需在結(jié)構(gòu)上將機(jī)器人設(shè)計(jì)成上下兩層，上層紫外燈可升降，升髙時(shí)，增大消毒范圍；降低時(shí)，將外部空氣吸進(jìn)機(jī)器人內(nèi)部，通過降下的紫外燈照射循環(huán)風(fēng)進(jìn)行消毒。

2.1.2 過氧化氫消毒

為使機(jī)器人支持在有人環(huán)境下也可進(jìn)行消毒工作，機(jī)器人還需具備過氧化氫消毒功能。通常將過氧化氫消毒劑霧化噴灑到空氣和物體表面進(jìn)行消毒，使用霧化裝置及液壓裝置，將過氧化氫消毒劑從液箱中抽到上層消毒設(shè)備，借助霧化裝置使其轉(zhuǎn)化成干霧并噴灑到空氣中，增大消毒范圍。

2.2 移動(dòng)功能分析

為使機(jī)器人可以自主完成消毒工作，機(jī)器人還應(yīng)具備在室內(nèi)自主移動(dòng)的功能，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①能夠循跡移動(dòng)；②移動(dòng)過程中能夠自動(dòng)進(jìn)行偏差校正；③能夠在指定位置停下并保證一定定位精度；④在消毒劑或電量不夠時(shí)能自動(dòng)回樁進(jìn)行補(bǔ)給。

2.2.1 自主導(dǎo)航功能

為提升智能消殺安保機(jī)器人的智能化程度，所設(shè)計(jì)的AMR 應(yīng)具備自主導(dǎo)航的功能，以使其可在工作區(qū)域內(nèi)自主移動(dòng)，在各待消毒區(qū)域之間穩(wěn)定巡航和工作。對(duì)比各種導(dǎo)航方式，電磁導(dǎo)航靈活性較差，不便于后期更改路徑；磁條導(dǎo)航鋪設(shè)軌跡不易保持完整，且磁感應(yīng)會(huì)被外界干擾；慣性導(dǎo)航穩(wěn)定性不高，且需要校正。因此最終選擇激光SLAM 導(dǎo)航[6]。

2.2.2 自主校正功能

根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的要求，AMR 須按照指定軌跡行走，且具有自主校正的能力，以保證側(cè)向偏差、角度偏差在合理范圍內(nèi)，同時(shí)AMR 在導(dǎo)航和校正過程中應(yīng)盡量平穩(wěn)，不能有較大振動(dòng)和抖動(dòng)。決定AMR運(yùn)行性能的指標(biāo)和參數(shù)有多個(gè)，需結(jié)合實(shí)踐綜合考慮各個(gè)指標(biāo)和參數(shù)的影響。

2.2.3 自主定位功能

為使智能消殺安保機(jī)器人能夠在指定待消毒區(qū)域進(jìn)行消毒工作，AMR 應(yīng)具備定位的功能。這需要設(shè)計(jì)伺服反饋控制回路，增強(qiáng)機(jī)器人與配備傳感器之間的信息交互功能。考慮到所設(shè)計(jì)的消殺安保機(jī)器人是在指定點(diǎn)對(duì)一片待消毒區(qū)域進(jìn)行消毒，同時(shí)根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境特點(diǎn)，機(jī)器人定位精度只需求在±25 mm 之內(nèi)。

2.2.4 自主回樁充電加液功能

為提升消殺安保機(jī)器人的智能化程度，方便用戶使用，機(jī)器人還應(yīng)具備自主回樁充電和加液的功能。具體需要設(shè)計(jì)以下3 個(gè)功能：①機(jī)器人電源電量的實(shí)時(shí)反饋功能，使機(jī)器人能夠在電量閾值范圍回樁；②對(duì)機(jī)器人的消毒劑容量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)消毒劑消耗殆盡時(shí)通過信息交互控制機(jī)器人回樁加液；③自主回樁功能，機(jī)器人需要記憶樁點(diǎn)位置信息和行走軌跡信息，以便在任一節(jié)點(diǎn)回樁。

3 消殺安保機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)研究

假設(shè)消殺消毒機(jī)器人工作時(shí)在平整的地面上移動(dòng)，定義地面坐標(biāo)系為XOY，機(jī)器人坐標(biāo)系為xoy，如圖7 所示。

圖7 運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系Fig.7 Moving coordinate system

兩坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角度為θ，地面坐標(biāo)系X 軸方向的速度為VGX，Y 軸方向的速度為VGY，角速度為W；機(jī)器人坐標(biāo)系x 軸方向速度為Vx，y 軸方向速度為Vy，角速度為ω。坐標(biāo)系速度轉(zhuǎn)換公式如下：

假設(shè)機(jī)器人底盤全向輪輪軸之間的角度為絕對(duì)的120°，全向輪C 的軸線和y 軸重合，VA、VB、VC分別為3 個(gè)全向輪的轉(zhuǎn)速，3 個(gè)全向輪之間的相切圓半徑為r，和是機(jī)器人坐標(biāo)系x 軸速度Vx分解到全向輪A 和全向輪B 方向上的分量，和是機(jī)器人坐標(biāo)系y 軸速度Vy分解到全向輪A 和全向輪B 方向上的分量，如圖8 所示。

圖8 速度計(jì)算分解圖Fig.8 Speed calculation breakdown diagram

通過計(jì)算可以得到全向輪A 的速度公式：

因?yàn)椋?/p>

所以可得機(jī)器人坐標(biāo)系下全向輪A 的速度為

同理，可得機(jī)器人坐標(biāo)系下全向輪B 和全向輪C 的速度分別為

由此，可得3 個(gè)全向輪的速度變換矩陣：

進(jìn)行聯(lián)合，得到機(jī)器人的一般運(yùn)動(dòng)學(xué)方程：

4 路徑規(guī)劃與導(dǎo)航

4.1 ROS 簡(jiǎn)介

ROS 是運(yùn)行在主操作系統(tǒng)上的“軟件模塊”，是一種分布式模塊化的開源軟件框架，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人底層硬件抽象化，為機(jī)器人的開發(fā)提供接口。

4.2 地圖構(gòu)建

利用ROS 中的Gmapping 軟件包實(shí)現(xiàn)地圖構(gòu)建，如圖9 所示。其中橢圓形表示各功能節(jié)點(diǎn)，主要包括Gmapping 節(jié)點(diǎn)、激光雷達(dá)節(jié)點(diǎn)、手柄控制節(jié)點(diǎn)、機(jī)器人底盤控制節(jié)點(diǎn)和地圖服務(wù)節(jié)點(diǎn)；矩形方框表示主題，主題指向節(jié)點(diǎn)則表示該節(jié)點(diǎn)訂閱了相應(yīng)的消息，節(jié)點(diǎn)指向主題表示該主題發(fā)布了相應(yīng)的消息。

圖9 Gmapping 建圖節(jié)點(diǎn)Fig.9 Gmapping mapping node

4.3 導(dǎo)航規(guī)劃

路徑規(guī)劃單元通過對(duì)地圖單元提供的地圖數(shù)據(jù)與定位單元的定位數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)全局地圖路徑規(guī)劃，通過環(huán)境感知單元提供的環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)判斷周圍障礙物實(shí)現(xiàn)局部地圖路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、自主避障；也通過環(huán)境感知單元提供的環(huán)境數(shù)據(jù)判斷充電樁的位置，實(shí)現(xiàn)停靠充電樁路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)自主充電，其工作流程如圖10 所示。

圖10 導(dǎo)航規(guī)劃流程Fig.10 Navigation planning flow chart

5 結(jié)語

本文主要介紹了融合紫外線光線和消毒液霧化2 種方式的消殺安保機(jī)器人，基于模塊化分層的設(shè)計(jì)，將人機(jī)交互系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、自主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和消殺系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，使得機(jī)器人的研發(fā)過程更高效，測(cè)試和維護(hù)過程更方便快捷。對(duì)整個(gè)消殺安保機(jī)器人硬件組成、軟件運(yùn)行邏輯、人機(jī)交互流程進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)消殺安保機(jī)器人可實(shí)際應(yīng)用于疫情防控重點(diǎn)場(chǎng)景，減少疫情防控人員感染病毒風(fēng)險(xiǎn)。