基于TRIZ理論的消毒機器人設計研究

代相伍 王繼榮 時連文 楊家岐 李軍

摘要：? 針對消毒工作不完善和不及時而引起的絕大多數病毒大范圍傳染問題，本文利用發明問題解決理論（theory of inventive problem solving，TRIZ），提出一種自動消毒機器人的結構方案。通過對消毒機器人進行功能和資源分析，建立了消毒機器人物場模型，發現消毒機器人的技術矛盾，同時運用發明原理與矛盾矩陣解決問題，得到合適的解決方案，并對機器人消毒結構進行設計。研究結果表明，該機器人能自主對環境進行檢測并殺菌消毒，真正實現了自動化操作，且電池即將用盡時，可自主返回充電倉充電。此結構安全性能更高，適應性更強，提高了消毒的效率和安全性。該研究對降低生活及工作環境的病毒感染具有重要意義。

關鍵詞：? AGV; TRIZ理論; 消毒機器人; SLAM算法

中圖分類號： TP242文獻標識碼： A

作者簡介： ?代相伍（1997-），男，河南周口人，碩士研究生，主要研究方向為機器人。

通信作者： ?王繼榮（1967-），女，山東威海人，博士，教授，主要研究方向為機器人。 Email： wangjirong43@163.com

對生活及工作環境進行必要的消毒能夠大幅度降低病毒感染的機率。傳統的人工消毒會增加人與人之間的交叉感染，并且存在消毒效果有限、質量不穩定以及對消毒人員造成傷害等問題，而消毒機器人能夠消除這些缺點。因此，國內外許多學者對消毒機器人進行了研究。M. A. V. J. Muthugala等人[1]設計了一種利用模糊邏輯建立墻體消毒機器人的跟蹤行為新方法，并在此基礎上，提出了一個非單例1型模糊邏輯系統（type 1 fuzzy logic system，T1-FLS）和一個非單例區間2型模糊邏輯系統（Interval Type 2 Fuzzy Logic System，IT2-FLS）;J. Miseikis等人[2]設計了一種型號為Lio的帶有多功能手臂的移動機器人平臺，能被迅速調整，以執行消毒和遠程體溫升高檢測等功能;P.Chanprakon等人[3]開發了一種基于樹莓Pi的嵌入式系統的紫外線消毒機器人，用于手術室或病房的消毒;丁志虎等人[4]設計了一款型號為TRD-01的智能消毒機器人，配有高濃度干霧過氧化氫、紫外線消毒燈及空氣過濾器;胡福文等人[5]設計了綠色消毒智能機器人，基于酸性氧化電位水淋霧沉降，實現空氣消毒，并且研究了基于Rao-Blackwellized粒子濾波器的自主導航算法。目前，消毒機器人的研究熱點是采用一種安全的消毒方式實現全自動化的消毒。由于消毒機器人的消毒存在二次污染、消毒效率低、自動化程度不夠高等問題。因此，本文基于TRIZ，對一種全自動消毒機器人進行方案設計，建立消毒機器人物場模型，真正實現了自動化操作。該研究具有較好的應用前景。

1TRIZ

TRIZ是由蘇聯發明家G.S.Altschuller和他的團隊對大約250萬份專利文獻進行分析、歸納和總結，并綜合多學科領域的原理和法則，形成的一套具有完整體系的發明問題解決方法和理論[67]。本文對消毒機器人的設計主要采用TRIZ中功能分析、資源分析、物場模型、技術矛盾與發明原理等相關內容。

2消毒機器人的TRIZ分析

消毒機器人由能源裝置（鋰電池）、驅動裝置（伺服電機）、傳動裝置（連桿機構）、控制裝置（單片機系統）、消毒裝置（紫外線消毒燈）和感知裝置（傳感器）多個系統組成。消毒機器人系統如圖1所示。

2.1消毒機器人的功能分析

對消毒機器人功能進行分類，主要分為技術系統、用途、技術功能以及主要功能。技術系統包括動力系統、消毒系統、控制系統、感知系統、檢測系統;用途是殺菌消毒;技術功能主要是自主導航和多場景自主識別;主要功能是對待消毒區域識別，機器人自主判斷，并完成殺菌消毒工作。

2.2資源分析

1）物質資源。該消毒機器人由連桿、紫外線消毒燈、滾珠絲杠、軸承、支架、電機、傳感器、單片機系統、自動導向車（automated guided vehicle，AGV）等組成。

2）空間資源。該消毒機器人消毒模塊由三根紫外線消毒燈由中心向外擴散分布，提高了空間使用率。

3）能量資源。主要有電能、電動機產生的機械能、消毒燈產生的光能和熱能。

4）時間資源。AGV小車以及帶動消毒燈伸縮結構的直流電機在單片機控制下可實現循環運動。

2.3消毒機器人物場分析

利用物場模型對智能消毒機器人裝置進行問題描述。消毒機器人物場模型如圖2所示，消毒機通過人工操作，對消毒區域進行殺菌消毒，該研究被作用對象是消毒機，而作用對象是人。人用手工操作消毒設備進行消毒，增大了人與人之間交叉感染的機率，對人產生有害影響，因此，需要添加一個場來抵消有害作用，消除人與消毒設備的直接接觸，將有害作用消除。經過查表分析得到方案模型，引入AGV小車，能夠避免消毒過程中人與消毒設備的直接接觸，消除了有害作用。

對設計的最終目標、理想化結果和達到理想解所遇到的障礙等進行如下分析：

1）設計最終目標。消毒機器人對最終設計的目標進行自動、安全的殺菌消毒。

2）理想化最終結果。不需要人為操控，消毒機器人可以安全、智能、自主消毒。

3）達到理想解的障礙。因消毒機器人智能化程度達不到要求。

4）出現此障礙的結果。因消毒機器人不能實現全自動殺菌消毒，且傳統消毒方式需要有人工操作，空氣中增加了可吸入顆粒物。

5）不出現此障礙的條件。消毒機器人能識別不同的場景自主導航，并采取更健康的消毒方式。

6）創造這些條件所用資源。智能識別分析系統，電能，電動機旋轉產生的機械能、消毒燈發光產生的光能和熱能等。

2.4技術矛盾與發明原理解決復雜問題

傳統AGV小車導航主要有電磁導航、激光導航、慣性導航和二維碼導引等方式。電磁導航需要在AGV運行軌跡下方埋設金屬線，致使周圍分布有電場和磁場，通過檢測相應電磁場的強度，獲得機器人行駛過程中的空間位置[8]。穩定性高，但美觀不足，并且路徑變得更困難。激光導航以激光雷達作為探測外部周圍環境的傳感器，從而進行導航定位[9]，其成本高，對環境要求相對苛刻，只適用于無遮擋環境。目前，采用視覺傳感器進行導航是較為先進的視覺導航，其具有響應速度快、成本低、獲取信息量大等優勢[10]，但技車檢測路徑的測量精度，則系統的復雜性會增加。提高AGV的適應性和通用性，其可靠性又會受到影響。通過對AGV小車進行矛盾分析，得到自動化程度、測量精度及適應性和通用性的優化參數，同時也得到了可維修性、系統的復雜性及可靠性的惡化參數。三對技術矛盾矩陣表如表1所示，由文獻[11]中TRIZ矛盾矩陣表可查得發明原理分別為：1分割原理，8重量補償原理，10預先作用原理，13反向作用原理，24借助中介物原理，27廉價替代品原理，34拋棄或再生原理，35物理或化學參數改變原理。由表1可以得知，在自動化程度和可維修性組成的技術矛盾中。采用分割原理，通過對AGV小車上安裝的激光傳感器、深度攝像頭傳感器、超聲波傳感器等接口類型進行改變，使之能夠分解成與小車相互獨立的單元。簡化安裝與拆卸操作，便于更換機器人底盤損壞的部件，提高自動化程度的同時，也增加了機器人的可維修性。在測量精度和系統復雜性構成的技術矛盾中，采用廉價替代品原理，用測量精度相對低一點的激光傳感器和超聲波傳感器輔助配合測量。代替測量精度較高的激光傳感器，既能節約成本，又能夠保證測量精度的準確性。在適應性和通用性與可靠性構成的技術矛盾中，采用反向作用原理，將傳統的四輪驅動換成兩輪，減少的兩輪（支撐軸不可動）可用旋轉360°的萬向輪（支撐軸可動）進行代替，使機器人能夠在更小的范圍內旋轉360°完成轉彎操作，以便適應各種復雜環境，不會因為人為干擾而停止工作。

在醫學領域，主要有以下幾種傳統消毒方式，即采用濃度75%的酒精消毒液噴灑，高濃度H2O2蒸汽消毒，酸性氧化電位水淋霧沉降實現空氣消毒，或用紫外線消毒。在醫院手術間[12]和隔離病房[13]等場所采用消毒液噴灑方式會對環境和人體造成一定的影響，利用紫外線照射消毒對環境和人影響相對較小，比較清潔[14]，但對設備的制造精度要求更高。因此，如果改用紫外線方式消毒殺菌，所需要的機械結構更復雜，整體消毒模塊的質量增加，減弱了機器人的靈活性。目前，移動消毒機器人[15]存在著巨大的挑戰和機遇，市場上普遍采用的單根紫外線燈消毒方式，其照射面積有限，且消毒時間較長，消毒效率有待提高，而采用多根紫外線燈同時工作時，部分地方會重復照射，造成能源浪費。通過TRIZ分析可知，需要優化的參數為形狀和作用時間，惡化的參數為制造精度和能量損失。兩對技術矛盾構成的部分矛盾矩陣表如表2所示。由TRIZ矛盾矩陣表可查得發明原理為：30柔性殼體或薄膜原理，32顏色改變原理，40復合材料原理。

由表2可以看出，在形狀和制造精度構成的技術矛盾中，可以利用復合材料發明原理，將機器人外觀不受力或者受力不大的區域采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物工程塑料替代鋼結構，可有效降低整體質量，減弱底盤受載，提高了消毒機器人的靈活性。利用顏色改變發明原理，將高透性亞克力板[16]作為紫外線燈的燈罩，增加透光面積，提高了消毒效率和效果。作用時間和能量損失構成的物理矛盾無法解決，考慮到實際情況，殺菌消毒是優先目標，決定增加紫外線消毒燈的數量，在原有單根消毒燈的基礎上增加兩根，三根消毒燈互成120°角排列。

3消毒機器人設計方案

基于TRIZ，消毒機器人分為消毒模塊和移動模塊。移動模塊采用激光導航AGV小車，消毒模塊采用三根紫外線消毒燈互成120°排列，用滾珠絲杠帶動伸縮。消毒模塊結構示意圖如圖3所示，該模塊由外骨架、滾珠絲杠、連桿、紫外線消毒燈等構成。

消毒模塊上方裝有伺服電機帶動中間滾珠絲杠旋轉，推動連桿，帶動消毒燈伸出，三根消毒燈互相成120°角排列，最大限度地實現了光照的均勻分布，確保消毒機器人360°無死角殺菌消毒。在非消毒時間，為避免消毒燈因觸碰到障礙物而受到損壞，伺服電機旋轉，帶動連桿將消毒燈撤回，并且消毒燈外側裝有高透性亞克力板，與外殼配合形成內部相對封閉的空間，有效的減少了灰塵。

移動模塊為自動導向車，由車體框架、蓄電和充電裝置、驅動裝置、執行裝置、導向裝置、控制中心、安全保護裝置等組成。消毒機器人上下結構如圖4所示。

工作過程中，移動模塊通過傳感器模塊（激光傳感器[17]、深度攝像頭傳感器、超聲波傳感器等）采集的信息，基于SLAM算法[18]，機器人能夠在環境位置和自身位置都不能確定的情形下，以自身中心為坐標中心逐漸建造增量式地圖[19]，并對自身位置和姿態進行實時的估算，最終做到自身的自主定位和導航[20]，并能識別周圍環境的信息。同時，將采集到的環境信息發送給單片機，由控制中心控制AGV小車電機的轉速帶動消毒機器人的運動。使用過程中，僅需要將智能消毒機器人帶到現場，操作機器人進行全地圖掃描，并標記好相應的位置，機器人便能自主對環境進行檢測并消毒殺菌，電池即將用盡時，自主返回地圖中標記為充電倉的地點充電。相比于其他消毒機器人在消毒過程中每次都需要人為操控的現狀，該機器人僅需首次對消毒區域進行掃描建模，便可在接下來的消毒過程中自動消毒，真正實現了自動消毒，可以適應辦公區、機場、車站、購物場所等地面平坦的場合。

4結束語

本文應用TRIZ進行了智能消毒機器人的方案以及局部結構的概念設計，為消毒機器人提供了一種新的設計思路。采用目前相對安全的紫外線消毒方式，并對移動結構進行了創新。在研究過程中，由于算法和程序方面的欠缺，使得該消毒機器人與其他消毒機器人相比，雖然自動化程度有所提高，但還不能達到完全自動化，有待進一步的深入優化算法。本文對消毒機器人的創新發展提供了一種方案與思路，在接下來的工作中，可以著重在尋找更清潔的消毒方式以及更加智能化的算法兩方面深入研究。

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Abstract：?? In view of the large-scale infection of most viruses caused by imperfect and untimely disinfection， this paper proposes a structural scheme of automatic disinfection robot based on the theory of inventive problem solving （TRIZ）. Through the analysis of the function and resources of the disinfection robot， the human field model of the disinfection machine is established， and the technical contradiction of the disinfection robot is found. At the same time， the invention principle and contradiction matrix are used to solve the problem， and the appropriate solution is obtained， and the disinfection structure of the robot is designed. The research results show that the robot can detect and disinfect the environment independently， realize the automatic operation， and return to the charging bin for charging when the battery is about to run out. This structure has higher safety performance and stronger adaptability， which improves the efficiency and safety of disinfection. This study is of great significance to reduce the virus infection in living and working environment.

Key words： AGV; TRIZ theory; disinfection robot; SLAM algorithm