基于消毒機器人設計與方法的研究

張瑜，王新斌，唐倩，李慧

（天津中德應用技術大學，天津，300450)

0 前言

近年來，我國對于公共衛生領域的消毒工作，標準逐漸嚴格，尤其對于餐飲行業、酒店以及公共交通等領域都提高了標準，在新冠狀病毒發現后，我國衛生有志人士發明了多種消毒機器人，但是大多數機器人屬于噴霧型機器人，為了做到大面積消毒以及消毒的高效性，大范圍噴灑高濃度消毒劑以達到消毒殺菌作用，但其必須有專人負責補充消毒液，監管機器人進行充電，在實際的人員操作過程中也有一定的感染病毒風險，目前市場上有很多機器人在只能在特定場所應用做不到良好的通用性。比如博物館、裝配木地板寫字樓，通風不良的走廊等，因為消毒液具有一定腐蝕成分，并且有濃烈的刺激性氣味，對于不耐腐蝕性地面，氣味敏感人群都會造成損傷。紫外線消毒是一個良好的解決方案，但是市場上大多數紫外線消毒機器人具有一些統一的短板，比如不能進行定向消毒，紫外線照射過程中產生的臭氧對動植物也會造成危害，不能合理的控制空間中臭氧的含量，多場合適用性依舊不是很廣，長時間紫外線照射會造成植物的死亡，且機器人大多數不能進行全地形移動，像樓梯、不平整地面等移動起來十分困難。為了解決上述問題，使機器人擁有好的通用性，移動能力、紫外線定向消毒，有臭氧無臭氧紫外線燈協同工作嚴格控制空間中的臭氧濃度，無需人工管理就可進行7×24小時消毒，對于我國應對突發公共衛生事件，日常消毒工作的應急處置和應急保障能力和工作效率需求迫在眉睫[1]。

1 方艙消毒機器人設計

為了滿足消毒機器人在全場景都可以達到有效、安全、高效、無需人工監管持續消毒的衛生工作，因此，采用消毒機器人搭配方艙技術的解決方案對消毒機器人進行設計優化。消毒機器人整體部分采用六足仿生機器人，為了達到步態平穩采用三角步態[2]，機器人主體主要包括六足機器人底部結構由驅動連接板，液壓傳動桿，視覺識別結構，機械臂伸縮桿，定向紫外線射燈結構，電池倉，電磁鐵，滾輪等三十四部分組成，如圖1如示。

圖1 機器人主體結構

（1）消毒機器人本體上端，安裝有多個不同波長大功率紫外線燈管，可以對于大范圍空間區域進行消毒殺菌，滿足大區域消毒工作，并且為了減輕重量和成本外側底部設有鋼化塑料底座，同時為了使機器人靈活移動內部通過旋轉軸設有六足結構，六足結構表面設有驅動連接版，通過旋轉軸的第一液壓傳動桿，它的另一端連接設置于機器人本體表面，并且在機器人本體表面定裝了視覺識別結構，其主要有兩個攝像頭一個超聲波測距器組成，如需特殊場景還可以進行擴展傳感器的添加，兩個攝像頭中一個是視覺識別攝像頭用來監測機器人前方物體，使用FasterR-CNN 中的altopt算法進行檢測可以正確有效的識別出數據集中的物品，更加方便的做定制[3]。另一個是測距攝像頭并且擁有紅外線感知和補光燈，保證在光線昏暗的情況下，攝像頭依舊可以捕獲清晰物體。為了達到定向紫外線光照消毒機器人表面的機械臂底座，連接機械臂是由驅動電機以及伸縮桿組成，在機械臂頂端有一個定向紫外線燈，其采用不同波長紫外燈結合高反射陽極氧化鋁組成使之可以定向消毒殺菌，在實際消毒工作中，當消毒機器人的攝像頭識別到植物、動物、或者紫外線敏感物體時，使用機械臂對其進行消毒衛生工作，在保證消毒效率的同時也避免紫外線敏感物體受到傷害，機器人內部設有電池倉其中共6個電池組，內部的磁極裝置中間連接一個彈簧磁吸式連接頭，用來吸附連接電池進行供電，電磁鐵和液壓桿相配合控制電池蓋的開合，做到自動連接、斷開電池。

（2）為了保證機器人的重量輕便性，和更久的續航能力，機器人底盤采用鋼化塑料結構，在機器人進行移動工作時耗能更小，支撐足安裝塊鉗狀連接桿通過旋轉軸與支撐足安裝塊旋轉連接，支撐足安裝塊與行走足固定連接，如圖2所示。

圖2 行走足結構

（3）行走足為了達到更好的避震效果內側通過旋轉桿進行鏈接，第二液壓傳動桿的一端通過旋轉軸鏈接于支撐足，在內滑槽內部有減震滑動支撐桿，同時為了達到更好地抓地能力底端固定設有半圓形橡膠頭來增加機器人的抓地能力和摩擦力，并且橡膠頭可以進行轉動并且在底部有一個滑輪，在平整地面移動時可以使用滑輪移動，減少耗電量，增加電池的續航能力。

（4）當傳感器檢測到路徑以及虛擬墻時，會把數據信息傳送到圖像處理系統中在云端進行計算并且發送給機器人執行指令，視覺識別結構表面固定補光燈和紅外線感知定焦攝像頭,如果機器人在運行過程中發現看不清前方物體或者黑夜情況下，補光燈打開進行補光，保證攝像頭可以看到清晰物體結構以便提高識別度。

（5）在機器人電量不足時，消毒機器人搜索最近的充電倉規劃路線并前往充電倉進行充電，進入充電倉指定位置，機器人開啟電池倉蓋，斷開機器人內部磁吸式接電器，彈簧伸縮裝置彈出電池，方艙中電池牽引帶磁極通電，磁吸電池，牽引帶牽引至電池存放區充電時，新電池由第二牽引帶牽引到機器人電池倉接口處，彈性伸縮裝置將電池送入機器人電池倉，機器人電池倉第一磁極通電連接，液壓升縮桿控制電池盒蓋關閉，第二次磁極通電完成電池更換，如圖3所示。

圖3 方艙（充電倉結構）主體結構

2 使用效果

多波長紫外線燈管能夠對大范圍區域進行消毒殺菌[4]，死角區域，可通過機械臂底座上的驅動電機驅動機械臂伸縮桿旋轉調整方向，在不同場景中都可以用傳感器獲得的現場數據來調控機器人的消毒方式，真正的做到了良好的通用性，在視覺攝像頭部分，采用傳感器與雙攝像頭融合的方式進行數據的采集，定焦變焦攝像頭相互協作，紅外線測距儀，超聲波傳感器，可以精準的定位空間位置，合理的規劃消毒機器人前進路徑，高效的識別算法可以讓物體識別度更加精準，在特殊環境下也可以想要使用也可以人工采集數據建立模型，使之可以應對各種復雜的消毒場景，底部重組的六足結構，給機器人移動提供了更多的可能性，不論是攀爬樓梯，還是平整的地面都可以進行穩定，快速的移動，方艙技術與消毒機器人進行耦合，使機器人續航問題得到了解決，從傳統的給電池充電到直接更換充滿電的電池可以讓機器人無需等待，持續工作[5]。

3 結束語

綜上所述，目前機器人領域不斷向智能化，數字化轉型，雖然說能夠攜帶高效的消毒劑進入需要消毒場景進行消毒可能對于病原體來說更加的直接有效，但是這種消毒方法很難在日常環境之中使用，因為會對人體產生二次傷害，如何通過最新技術解決當下難題是每一個研究人員長久的思考，通過以上設計改進傳統消毒機器人，多傳感器、神經網絡、機器學習的融合移動消毒機器人做到更加便利化、智能化、專業化。隨著中國自主研發能力的提升，消毒機器人將朝著數字化、網絡化、微型化、輕柔化的方向發展[6]。