謝箐 董麗娟 中山市中醫(yī)院 （廣東 中山 528401）

內(nèi)容提要： 目的：針對(duì)當(dāng)前公共衛(wèi)生領(lǐng)域的消毒機(jī)器人具有成本高、場(chǎng)景限制、控制因素復(fù)雜等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款集合人工智能技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的智能消毒噴霧機(jī)器人。方法：結(jié)合自主導(dǎo)航、自主路徑規(guī)劃、全局定位、自動(dòng)避障、自動(dòng)回充等人工智能技術(shù)及霧化消毒的醫(yī)療技術(shù)，構(gòu)建具備以上功能的智能消毒噴霧機(jī)器人。并開(kāi)展其對(duì)白色葡萄球菌和空氣自然菌的消毒試驗(yàn)研究。結(jié)果：經(jīng)過(guò)測(cè)試該機(jī)器人的消毒效果，空氣中白色葡萄球菌殺滅率的檢測(cè)結(jié)果＞99.90%，空氣中自然菌消亡率的檢測(cè)結(jié)果＞90%，均屬于消毒合格。通過(guò)創(chuàng)新改進(jìn)各模塊功能，該機(jī)器人能在多種場(chǎng)所自動(dòng)、高效、精準(zhǔn)、安全地執(zhí)行消毒滅菌作業(yè)，結(jié)論：該機(jī)器人具有操作便利，自動(dòng)化程度高，場(chǎng)景應(yīng)用豐富，消毒效果突出，安全性高等特點(diǎn)。

機(jī)器人的研發(fā)、制造和應(yīng)用是衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新，高端制造水平以及綜合國(guó)力的重要標(biāo)志，我國(guó)于2015年發(fā)布了《中國(guó)制造2025》，明確指出需加快下一代機(jī)器人技術(shù)研發(fā)，搶占機(jī)器人技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的下一個(gè)制高點(diǎn)。新型冠狀病毒肺炎疫情蔓延全球時(shí)，對(duì)全世界的安全和經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域造成了持久而具有挑戰(zhàn)性的破壞。而機(jī)器人技術(shù)的有效使用和創(chuàng)新發(fā)展可以在區(qū)域或全球范圍內(nèi)減輕感染風(fēng)險(xiǎn)和恢復(fù)正常的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)方面發(fā)揮重要作用[1,2]。工信部發(fā)布《充分發(fā)揮人工智能賦能效用協(xié)力抗擊新型冠狀病毒感染的肺炎疫情倡議書(shū)》[3]，推動(dòng)智能機(jī)器人在醫(yī)療、消毒、配送等防疫領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，成為防疫戰(zhàn)斗中的重要力量。隨著智能技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用數(shù)量逐步提升，但公共衛(wèi)生領(lǐng)域消毒機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)效率一直受機(jī)器人平臺(tái)成本高、應(yīng)用場(chǎng)景多變、控制方法復(fù)雜等因素限制[4]。針對(duì)目前同類(lèi)智能消毒機(jī)器人功能相對(duì)單一，價(jià)格昂貴，關(guān)鍵零部件生產(chǎn)工序繁瑣，加工難度大，維修成本高等問(wèn)題，本研究中進(jìn)一步優(yōu)化自主導(dǎo)航系統(tǒng)和霧化噴霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具體包括路徑規(guī)劃及避障算法的優(yōu)化以及過(guò)氧化氫空間滅菌噴霧器的控制優(yōu)化等內(nèi)容，進(jìn)一步降低系統(tǒng)整體能耗和成本，更好地實(shí)現(xiàn)了隔離區(qū)域內(nèi)機(jī)器人的室內(nèi)外自主移動(dòng)以及主動(dòng)殺菌防護(hù)功能?，F(xiàn)將消毒噴霧機(jī)器人具體內(nèi)容介紹如下。

1.1 總體設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)述及相關(guān)核心設(shè)備

本文設(shè)計(jì)的消毒噴霧機(jī)器人由硬件和軟件組成，硬件包括10.1寸屏幕、監(jiān)控?cái)z像頭、激光傳感器、超聲波傳感器、深度相機(jī)、紅外探頭等部件（詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1），這些硬件相互組成了消毒噴霧系統(tǒng)、自動(dòng)定位、自主導(dǎo)航等功能模塊（見(jiàn)圖1）。軟件是基于ROS主操作系統(tǒng)上二次開(kāi)發(fā)的，在設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)，主要使用到了ROS的三個(gè)工具包：movebase、gmapping和amcl。其中，move-base包用于讓機(jī)器人在指定的框架內(nèi)移動(dòng)到目標(biāo)位置；gmapping包用于將從視覺(jué)傳感器采集到的數(shù)據(jù)來(lái)繪制地圖；amcl包用于在當(dāng)前地圖內(nèi)定位機(jī)器人。用戶端包括安裝在消毒機(jī)器人上的觸摸屏以及手機(jī)端小程序，用戶端操作系統(tǒng)為安卓7.1。該款消毒噴霧機(jī)器人可通過(guò)機(jī)器人內(nèi)部裝置的消毒系統(tǒng)及硬件設(shè)備，對(duì)地面及室內(nèi)空氣進(jìn)行消毒。能夠根據(jù)設(shè)定的路線或地點(diǎn)自動(dòng)并高效、精準(zhǔn)地進(jìn)行消毒滅菌作業(yè)，并具備自動(dòng)運(yùn)行，自動(dòng)回充以及運(yùn)行狀態(tài)提醒等功能。

圖1.消毒噴霧機(jī)器人組件

表1.設(shè)備參數(shù)說(shuō)明

1.2 操作路徑

機(jī)器人操作人員首先啟動(dòng)消毒機(jī)器人，內(nèi)置操作系統(tǒng)隨即自動(dòng)啟動(dòng)，并自動(dòng)連接4G網(wǎng)絡(luò)。首先，操作人員通過(guò)機(jī)器人觸摸屏或者手機(jī)小程序交互界面設(shè)置消毒任務(wù)，即設(shè)置消毒定點(diǎn)、停留時(shí)間、播報(bào)內(nèi)容、消毒狀態(tài)等。之后通過(guò)定點(diǎn)導(dǎo)航，機(jī)器人自動(dòng)前行至指定地點(diǎn)通過(guò)消毒霧化系統(tǒng)均勻噴灑消毒液，完成后再進(jìn)入下一指定區(qū)域逐個(gè)完成消毒任務(wù)，消毒機(jī)器人能有效自主避障，并自主乘梯完成多個(gè)樓層的消毒任務(wù)，在完成或低電時(shí)，可自動(dòng)返回充電樁完成充電。

2.關(guān)鍵模塊及技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 自主導(dǎo)航

機(jī)器人導(dǎo)航方法步驟如下：獲取機(jī)器人的目標(biāo)位置信息及其當(dāng)前方向的二維點(diǎn)分布；根據(jù)獲取到的機(jī)器人當(dāng)前方向的二維點(diǎn)分布，確定機(jī)器人的多維特征值s；根據(jù)確定的機(jī)器人的多維特征值s、以及通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法得到的θ值，利用模型a=f(s,θ)計(jì)算機(jī)器人的控制信號(hào)a；根據(jù)計(jì)算的機(jī)器人的控制信號(hào)a，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的導(dǎo)航（見(jiàn)圖2）。該導(dǎo)航方法可以有效解決機(jī)器人局部導(dǎo)航問(wèn)題且運(yùn)行流暢，與現(xiàn)有算法比較其效率有所提升。

圖2.機(jī)器人導(dǎo)航方法

2.2 全局自定位技術(shù)

消毒霧化機(jī)器人創(chuàng)新全局自定位技術(shù)，其步驟如下：首先獲取啟動(dòng)全局自定位的請(qǐng)求；并對(duì)機(jī)器人當(dāng)前加載的地圖進(jìn)行預(yù)處理；獲取機(jī)器人底盤(pán)上的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，并根據(jù)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)剔除不符合要求的數(shù)據(jù)，以得到有效數(shù)據(jù)；并運(yùn)用有效數(shù)據(jù)以及預(yù)處理后的地圖生成概率分布地圖；計(jì)算所述概率分布地圖內(nèi)概率最大的像素值，并將所述像素值轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)值，以得到機(jī)器人的位置。通過(guò)全局自定位技術(shù)可以無(wú)須增加傳感器等硬件，實(shí)現(xiàn)低成本地提高機(jī)器人的定位準(zhǔn)確率。

2.3 新型的液體霧化噴霧系統(tǒng)

消毒霧化機(jī)器人采用新型設(shè)計(jì)的液體霧化噴霧系統(tǒng)，其工作原理如下：工作開(kāi)始時(shí)，水箱中的液體使用進(jìn)水組件經(jīng)過(guò)進(jìn)水口進(jìn)入霧化箱內(nèi)，液位感應(yīng)組件感應(yīng)到液位可以開(kāi)始工作時(shí)，控制器給出命令使霧化組件開(kāi)始工作，產(chǎn)生出水霧，并持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)形成物理氣壓差，使水霧經(jīng)過(guò)噴霧口高速噴出，實(shí)現(xiàn)在工作狀態(tài)下持續(xù)噴霧。工作中，液體通過(guò)進(jìn)水組件持續(xù)不斷送入霧化箱中，當(dāng)液位到一定程度，通過(guò)排水組件將液體排出到水箱中。當(dāng)排水系統(tǒng)排水力度不夠，液位再繼續(xù)上升，液位感應(yīng)組件感應(yīng)到液位到達(dá)最高點(diǎn)，控制器給出命令給進(jìn)水組件停止工作，當(dāng)液位感應(yīng)組件感應(yīng)到液位到達(dá)工作液位最低點(diǎn)，控制器給出命令至進(jìn)水組件，開(kāi)始抽液。

3.智能消毒噴霧機(jī)器人的效果研究

3.1 對(duì)白色葡萄球菌的消毒試驗(yàn)研究

試驗(yàn)于2021年8月24～2021年8月30日進(jìn)行。將有效含量為0.174g/L的次氯酸消毒液加入樣機(jī)中，啟動(dòng)樣機(jī)，開(kāi)啟消毒噴霧，按10mL/m3噴量，霧化10min，共霧化200mL到20m3試驗(yàn)空間內(nèi)，作用60min后在六級(jí)采樣器中裝入培養(yǎng)基平板，在相同位置對(duì)空間的空氣進(jìn)行采樣。采樣時(shí)將空氣微生物采樣器放置于柜室中央1m高處，設(shè)置一個(gè)點(diǎn)采樣，以28.3L/min的抽風(fēng)量進(jìn)行采樣。對(duì)照組在開(kāi)始60min后分別進(jìn)行兩次采樣，處理對(duì)照組采樣時(shí)間為30s，處理觀察組采樣時(shí)間為5min，試驗(yàn)重復(fù)3次，采樣后平板在37.0°C培養(yǎng)48h。

3.2 對(duì)空氣自然菌的消毒試驗(yàn)研究

試驗(yàn)于2021年8月24至2021年9月13日進(jìn)行。將有效含量為0.174g/L的次氯酸消毒液加入樣機(jī)中，啟動(dòng)樣機(jī)，開(kāi)啟消毒噴霧，按10mL/m3噴量，霧化15min，共霧化300mL到30m3試驗(yàn)空間內(nèi)，作用60min后在六級(jí)采樣器中裝入培養(yǎng)基平板，在相同的采樣點(diǎn)位置對(duì)空間的空氣進(jìn)行采樣。采樣時(shí)將BY-300空氣微生物采樣器放置在中央1.0m高處，設(shè)置1個(gè)點(diǎn)采樣，以28.3L/min的流量進(jìn)行采樣，采樣時(shí)間為5min，試驗(yàn)重復(fù)3次。用營(yíng)養(yǎng)瓊脂（NA）于36.0°C培養(yǎng)48h。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)消毒試驗(yàn)，結(jié)果顯示白色葡萄球菌的消滅率分別為99.91%，99.92%，99.90%。見(jiàn)表1。

表1.對(duì)白色葡萄球菌的消毒效果

經(jīng)過(guò)消毒試驗(yàn)，結(jié)果顯示空氣自然菌的消亡率分別為90.71%，92.50%，91.74%。見(jiàn)表2。

表2.對(duì)空氣自然菌的消毒效果

3.4 結(jié)論

空氣中白色葡萄球菌殺滅率的檢測(cè)結(jié)果＞99.90%，符合《消毒技術(shù)規(guī)范》2002年版-2.1.3.4標(biāo)準(zhǔn)要求（殺滅率均≥99.90%），為消毒合格?？諝庵凶匀痪雎实臋z測(cè)結(jié)果＞90%，符合《消毒技術(shù)規(guī)范》2002年版-2.1.3.5標(biāo)準(zhǔn)要求（自然菌消亡率均≥90%），為消毒合格。

4.討論

4.1 良好的自動(dòng)化和避障性能，具備多場(chǎng)景的適應(yīng)性

消毒機(jī)器人需要適應(yīng)多樣化的工作環(huán)境。不同于多數(shù)機(jī)器人在實(shí)施區(qū)域的局限性，本研究的機(jī)器人創(chuàng)新改進(jìn)自主導(dǎo)航方法，優(yōu)化現(xiàn)有算法，使效率有效提升。同類(lèi)多數(shù)機(jī)器人通常需要建立局部地圖并且重新規(guī)劃路徑。然而獲取精準(zhǔn)的局部地圖比較困難。本研究中的消毒噴霧機(jī)器人改進(jìn)了路徑規(guī)劃方法，使得不需要增加額外傳感器，能夠使機(jī)器人繞開(kāi)禁行區(qū)域，同時(shí)增加禁行地圖圖層不會(huì)對(duì)原來(lái)的定位系統(tǒng)有影響，保持了原有的定位精度。消毒噴霧機(jī)器人以其激光導(dǎo)航，自動(dòng)運(yùn)行等功能，可以在設(shè)定路線上自動(dòng)化執(zhí)行消毒任務(wù)，有效節(jié)省時(shí)間和人力；平時(shí)憑借強(qiáng)大的自由避障和自主乘梯的功能，具備在多樓層等復(fù)雜場(chǎng)景的應(yīng)用條件，顯著擴(kuò)大了機(jī)器人常規(guī)應(yīng)用范圍。當(dāng)電力不足時(shí)，機(jī)器人能夠快速及時(shí)地搜尋并自動(dòng)返回充電樁，自主完成充電任務(wù)，不僅提升了使用的便利性，而且有助于延長(zhǎng)工作時(shí)間，提升工作效率。

4.2 具有顯著的消毒效果

本文中的消毒噴霧機(jī)器人可以在有人或無(wú)人的環(huán)境下通過(guò)均勻噴灑及霧化消毒液，自動(dòng)化完成地面消毒以及空氣消毒，既有效節(jié)省人為勞動(dòng)，又有效避免了操作人員和被污染物品的接觸，從而降低感染風(fēng)險(xiǎn)。在效果試驗(yàn)中，本文中的消毒噴霧機(jī)器人采用過(guò)氧化氫或次氯酸予以噴霧消毒，在金黃色葡萄球菌和空氣菌落的消毒試驗(yàn)中均顯示出顯著的消毒效果，體現(xiàn)出消毒噴霧機(jī)器人具有良好的消毒效果以及更好的穩(wěn)定性。研究表明，次氯酸能快速有效地殺滅細(xì)菌，相比物表消毒，霧化次氯酸能更快地殺滅空氣中的微生物，金黃色葡萄球菌、枯草桿菌黑色變種孢分別在消毒3min、5min后滅菌率也達(dá)到了100%[5]。而在已有多項(xiàng)動(dòng)物研究證明，100～1000mg/L的次氯酸對(duì)動(dòng)物皮膚黏膜、眼部、血液、生長(zhǎng)發(fā)育等方面無(wú)明顯影響，表明次氯酸消毒的安全性[6]。在使用化學(xué)消毒劑的機(jī)器人研發(fā)方面也取得了一定進(jìn)展，比如開(kāi)發(fā)了一個(gè)人工智能框架，用于通過(guò)人工支持機(jī)器人（HSR）自動(dòng)化清潔任務(wù)，目標(biāo)是門(mén)把手等高接觸區(qū)域[7]。還開(kāi)發(fā)了具有智能消毒模式的消毒機(jī)器人[8]。本文中的消毒霧化機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)在有人和無(wú)人的環(huán)境中開(kāi)展自動(dòng)化，高效化，安全化的空氣和地面消毒作業(yè)。

4.3 應(yīng)用的局限性

消毒霧化機(jī)器人在應(yīng)用技術(shù)上仍存在一定局限性，如無(wú)法對(duì)消毒面積進(jìn)行自動(dòng)感應(yīng)和測(cè)算所需消毒液劑量，因此在升級(jí)過(guò)程中需要進(jìn)一步改進(jìn)感應(yīng)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)空間面積和對(duì)應(yīng)消毒液劑量和濃度的智能測(cè)算。

4.4 小結(jié)

消毒霧化機(jī)器人以其自主導(dǎo)航，智能避障和高效的霧化系統(tǒng)等技術(shù)特點(diǎn)，能夠在多場(chǎng)景下實(shí)施高效，精準(zhǔn)，安全的全自動(dòng)化消毒工作。因此，相比于傳統(tǒng)的人工消毒，消毒霧化機(jī)器人在消毒效果，便捷性，人力和物質(zhì)成本，避免人員感染等方面具備更突出的優(yōu)勢(shì)。