潘曉云 雷晶晶 董德武 楊一帆

關(guān)鍵詞：消毒機(jī)器人;視覺(jué)識(shí)別;遠(yuǎn)程操作;精準(zhǔn)消毒

引言

2020年，新冠疫情的爆發(fā)，讓所有人都認(rèn)識(shí)到了生命的脆弱與珍貴，也意識(shí)到了自我安全防護(hù)的重要性和必要性。縱然已經(jīng)歷世紀(jì)變遷，科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了較大飛越，但傳染病最有效的防控方式依然是針對(duì)傳染源、傳播途徑、易感人群的隔離、消毒、以及接種疫苗等干預(yù)手段。由此，小組成員從當(dāng)前社會(huì)防疫工作需求出發(fā)，我們?cè)O(shè)計(jì)出了這樣一款具有防疫消毒功能的智能消殺機(jī)器人，由彌霧消毒機(jī)和四輪機(jī)器人底盤(pán)組成，可通過(guò)遠(yuǎn)程遙控、自主導(dǎo)航消毒等方式進(jìn)行消毒作業(yè)，可代替工作人員進(jìn)入高污染環(huán)境進(jìn)行消毒作業(yè)。

1 ?消毒機(jī)器人的設(shè)計(jì)來(lái)源與市場(chǎng)分析

1.1設(shè)計(jì)來(lái)源

在新冠疫情的影響下，大眾越來(lái)越重視環(huán)境消毒問(wèn)題，尤其是在防疫要求下，由機(jī)器人來(lái)消毒則成為了極為有效的消毒方式。如今更是有傳染率極高的德塔爾病毒在世界范圍內(nèi)傳播，所有角落的病毒消殺工作都不能有絲毫懈怠。在這樣的背景下。我們的消毒機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，設(shè)計(jì)出了這款體型較為嬌小，方便于各地形消殺工作且提高了針對(duì)狹窄地區(qū)的消殺要求的新型智能消毒機(jī)器人。

1.2市場(chǎng)分析

基于消毒機(jī)器人設(shè)計(jì)原理、創(chuàng)新思想與市場(chǎng)應(yīng)用前景的分析，我們團(tuán)隊(duì)將消毒機(jī)器人進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，以此來(lái)提高消毒效率，自動(dòng)化程度，自身防護(hù)能力及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。解決人工消毒中化學(xué)物質(zhì)即時(shí)對(duì)人類產(chǎn)生危害的問(wèn)題，進(jìn)行遠(yuǎn)程半自動(dòng)化操作，按照提前規(guī)劃的路線進(jìn)行消殺工作，減少對(duì)工作人員的危害。在新冠疫情的大局勢(shì)影響下，防疫消殺工作愈發(fā)重要，尤其是在人口密集的地區(qū)，如：小區(qū)、商場(chǎng)、寫(xiě)字樓等，都需要徹底地做好消殺清潔工作。而這款消毒機(jī)器人的智能連接并工作，不僅使我們將時(shí)間高效地利用到更需要的地方，還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到消殺實(shí)況。機(jī)器人還能自動(dòng)規(guī)劃路徑及躲避障礙，從而有效地進(jìn)行工作，降噪功能與小巧的身型還能減小機(jī)器人工作時(shí)對(duì)人類正常生活的影響。

2 消毒機(jī)器人的結(jié)構(gòu)介紹及智能連接

2.1結(jié)構(gòu)介紹

機(jī)器人外形主體結(jié)構(gòu)由彌霧消毒機(jī)、四輪機(jī)器人底盤(pán)和麥克納姆輪組成。

（1）彌霧消毒機(jī)

此機(jī)型相較于傳統(tǒng)機(jī)型來(lái)說(shuō)噴出的消毒劑更加細(xì)膩，覆蓋范圍更廣。而輕盈的消毒劑滴能在空氣中漂浮更長(zhǎng)的時(shí)間，更易附著在墻壁及物體表面，有利于消毒有效時(shí)間的延長(zhǎng)及消毒效果的提高。

（2）四輪機(jī)器人底盤(pán)

底盤(pán)主要用于消毒劑的裝載，其中設(shè)置有警戒線和紅外感應(yīng)裝置，當(dāng)設(shè)備內(nèi)消毒劑低于警戒線時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)并在與設(shè)備相連的手機(jī)平板等智能設(shè)備上顯示出來(lái)。每隔一段設(shè)定時(shí)間機(jī)器人也會(huì)提醒進(jìn)行排出消毒劑干燥清潔工作以保證機(jī)器的潔凈并延長(zhǎng)工作壽命。為了克服普通輪式小車在狹小環(huán)境無(wú)法移動(dòng)工作的缺陷并提高消毒機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中的平穩(wěn)性，我們采用了全向驅(qū)動(dòng)技術(shù)。麥克納姆輪控制可使小車具有更大的靈活性，系統(tǒng)以多變量協(xié)同控制的方式從多角度獲取小車信息，能夠更加立體、精準(zhǔn)、直觀地判斷小車方位，從而完成自動(dòng)化操作。其總體設(shè)計(jì)效果如圖1所示。

為了減輕人工的負(fù)擔(dān)、保證操作人員的安全，我們?yōu)闄C(jī)器人配備了智能模塊，其中包括自感知模塊、視覺(jué)雷達(dá)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法、機(jī)器人云、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等;感知模塊，其中主要括藥品監(jiān)測(cè)，人體監(jiān)測(cè)，判斷消毒成果等，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)化。程序路線需在機(jī)器人最初使用時(shí)工作人員結(jié)合控制終端引導(dǎo)其進(jìn)行智能化學(xué)習(xí)并規(guī)劃工作路線。其控制流程如圖2所示。

由于傳統(tǒng)的搖桿、按鍵等交互方式具有操作繁瑣、不靈活、接口沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)等缺點(diǎn)，已不能滿足于當(dāng)今的智能服務(wù)要求，故我們?cè)谠O(shè)計(jì)初期就采用了Android 與ROS交互通信的可靠性設(shè)計(jì)。在機(jī)器人連接場(chǎng)地wifi后操作人員就能在平板控制終端或手機(jī)上直接建立消毒任務(wù)，選擇消毒目的地與消毒時(shí)間等，然后機(jī)器人通過(guò)激光雷達(dá)導(dǎo)航定位自主移動(dòng)到目的地，接著利用視覺(jué)和自感知模塊對(duì)消毒場(chǎng)所進(jìn)行自動(dòng)場(chǎng)景識(shí)別，根據(jù)場(chǎng)地的不同選擇不同的消毒水平與消毒方式。

（1）自感知模塊

自感知系統(tǒng)主要包含防碰撞、過(guò)熱、跌落模塊和避障模塊。應(yīng)用紅外線傳感器與超聲波傳感器結(jié)合的方式，確保避障功能的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)接觸式傳感器與光電開(kāi)關(guān)傳感器結(jié)合保障防碰撞功能。

（2）電池能源

如市面上常見(jiàn)的掃地機(jī)器人一般，此機(jī)器人具有超長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間，且可在設(shè)定休眠時(shí)間到之后或電池電量低于設(shè)定之后自動(dòng)回位充電。其充電也采用了非傳統(tǒng)插電，而是接觸式充電，如新型電動(dòng)牙刷般回位即充。

3 ?智能消毒機(jī)器人未來(lái)發(fā)展方向

以預(yù)防為主是傳染病防控的首要策略。我國(guó)一直以來(lái)實(shí)行“預(yù)防為主”方針， 但當(dāng)前的情況不甚理想，從深化醫(yī)改的主要任務(wù)來(lái)看，政策重點(diǎn)依然在醫(yī)療和醫(yī)院。而在人口基數(shù)如此龐大的中國(guó)，進(jìn)一步的官方預(yù)防極大概率就是在公共場(chǎng)合投放消毒機(jī)器人。

隨著深度學(xué)習(xí)，自動(dòng)化、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，消毒機(jī)器人在功能和應(yīng)用場(chǎng)景上將會(huì)進(jìn)一步的提升和完善。例如：實(shí)現(xiàn)快速和多手段復(fù)合消毒;針對(duì)不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)定點(diǎn)分類消毒;優(yōu)化消毒模式及運(yùn)動(dòng)路徑，減少資源浪費(fèi);實(shí)現(xiàn)消毒清潔一體化操作，只要按需提前規(guī)劃操作，就可將消毒、清掃、烘干等工作一次性進(jìn)行到底;可精準(zhǔn)檢測(cè)醫(yī)護(hù)人員、患者等形體輪廓，實(shí)現(xiàn)快速定位消殺;具備人體檢測(cè)功能，防止對(duì)人員造成傷害;豐富消毒材料種類，實(shí)現(xiàn)藥品智能配比、輸送，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用品流量，提高消毒成效;實(shí)現(xiàn)環(huán)境樣本回收，搜集消毒區(qū)域樣本，幫助檢測(cè)人員快速判斷消毒成果;提高產(chǎn)品自身防護(hù)等級(jí)，可進(jìn)入高輻射、高溫、高病菌場(chǎng)所開(kāi)展作業(yè);還可對(duì)機(jī)器本身拓展到農(nóng)業(yè)等大規(guī)模式噴灑消毒等。

其應(yīng)用場(chǎng)景多元化且適用性強(qiáng)，前景良好，可批量生產(chǎn)銷售。

4 結(jié)論

防控疫情至今，在醫(yī)療手術(shù)、診治、體溫檢測(cè)、配送、消毒殺菌等眾多場(chǎng)景中，我們看到機(jī)器人有效的代替相關(guān)人員進(jìn)行作業(yè)，從而減少或降低了很多不必要的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)公共衛(wèi)生領(lǐng)域消毒機(jī)器人存在開(kāi)發(fā)成本高、維護(hù)性差等問(wèn)題，我們的智能消毒機(jī)器人不僅可以有效的解決這些問(wèn)題，還在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加了自動(dòng)化智能化模塊，使機(jī)器人的工作效率提高的同時(shí)也降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，使此機(jī)器人可以大批量生產(chǎn)。

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作者簡(jiǎn)介： 潘曉云（2002-），女，武漢商學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)，湖北襄陽(yáng)人，在讀本科，主要研究方向：工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成;

董德武（2001-），男，武漢商學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生，湖北黃岡人，在讀本科，主要興趣和研究方向有機(jī)器人控制，智能機(jī)器人編程。

楊一帆（2001-），男，武漢商學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生，湖北孝感人，在讀本科，主要研究方向：智能機(jī)器人編程。

通訊作者： 雷晶晶（1990-），女，湖北武漢人，碩士，武漢商學(xué)院教師，工程師;主要研究方向：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。

基金項(xiàng)目： 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)202111654003， 名稱：病菌滅霸—新型智能消毒機(jī)器人。