基于Arduino的抗疫機器人設計

摘要：本文介紹了基于Arduino的抗疫機器人的設計方法，該機器人具有自動消毒、運送物品、自動避障等功能，從而實現減輕疫情期間相關工作人員的工作壓力，提高工作效率，減少人員接觸，避免交叉感染的目的。

關鍵詞：機器人 ?設計 ?方法

本文參考了市場上各類抗疫智能機器人，提出了一種抗疫機器人的設計方案，以期在疫情期間節省醫護人員時間精力，將其解放至更需要專業技能的領域，通過機器人應用顯著改變醫護人員應對傳染性疾病的方式，成為技術為善和技術賦能醫療的重要顯現。[1]

1.設計思路及功能分析

疫情期間醫院的工作環境往往復雜狹窄，機器人首先需要有一套靈活的運動系統，這是順利實施作業的前提，其次，機身的整體體積也應適應工作環境，需要把機身平臺利用到最大化以減小其體積，另外還要考慮機器人運動的機動性及反復性。基于以上三個設計思路，本文所設計的抗疫機器人選擇了運動方式更加靈活的麥克納姆輪，其全向移動的特性可以讓機器人在作業空間有限、狹窄復雜的環境更加高效的作業，通過加裝機械手臂來遞送患者或醫護人員需要的物品，同時安裝消毒裝置，可自動地對消毒區進行消毒，并且加入傳感器實現自主規劃行進路線和規避障礙物。

2.硬件系統設計

機器人采用模塊化設計，使用麥克納姆輪作為運動底盤與螺桿連接固定亞克力板搭建的模式進行整體硬件電路布局，以杜邦線進行電路連接，不僅可以使各個模塊得以重復利用，減少了電路焊接，便于系統檢修，降低了設計和制作成本，而且提高了使用安全性。

2.1主控芯片

Arduino UNO R3是采用AVR單片機ATmega328P作為主控制器，擁有14路數字IO出口，32 KB Flash 內存并且支持USB、DC插頭、DC輸入端3種供電方式的開發板。可采用圖形化編程軟件Mixly 搭建開發環境，實現軟件編程控制。

2.2 運動系統

運動系統主要由麥克納姆輪和直流減速電機組成。

麥克納姆輪的全方位移動方式是基于一個有許多位于機輪周邊的輪軸中心輪，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機輪轉向力轉化到另一個機輪轉向力上，依靠各自機輪的方向和速度，這些向力最終合成在需要的方向上，從而產生一個合力矢量，使得整個小車在矢量方向上能自由地移動而不改變機輪自身的方向。[2]本設計方案采用4個直徑80mm的麥克納姆輪進行組合，一方面可以靈活的實現全方位移動，另一方面能夠承受較大的重量，保證運輸物品過程中的穩定性。

直流減速電機是在普通直流電機的基礎上加上配套齒輪減速箱，從而提供較低的轉速，較大的力矩。同時，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉速和力矩，這很好的滿足了麥克納姆輪運動全向移動的需求。

2.3 物品運送系統

采用3個直流舵機和一個機械爪組成一個機械手臂，舵機是一種位置（角度）伺服的驅動器，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統，主要由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路組成。通過程序控制機械臂實現對物品的抓取，并將物品放置在機器人的置物臺上，從而實現對物品的運送功能。

2.4消毒系統

本系統依據電動噴霧的原理進行設計，通過可充電電池輸出電力驅使電動部件給消毒防疫藥液施加壓力，在正壓力作用下，經過噴嘴霧化后，霧滴直接噴施于消毒空間或消毒部位，在噴管處連接一個直流舵機控制噴嘴的角度，從而實現多角度大范圍的藥液化學滅菌消毒。

2.5自動避障系統

針對疫情期間醫院復雜的工作環境，通過在機器人四周安裝光電傳感器，來實現多個方向的障礙物探測。光電傳感器是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，通過同步回路接通電路，從而檢測物體的有無，通過將輸入電流在發射器上轉換為光信號射出，接收器再根據接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。通過程序設定安全距離，一旦機器人檢測到障礙物進入安全距離，立即調整行駛路線，從而實現自動避障的功能。

2.6 手動操作系統

為了讓機器人在特殊環境下更加精確的實施作業，在機器人機身中部裝載的5.8G圖像傳感器和攝像頭實時記錄機器人的工作環境，并且圖像有效傳輸距離可達2500米，醫護工作者還可以通過佩戴圖傳眼鏡以第一人稱視角查看機器人的工作情況，并且可以通過使用2.4G無線遙控將機器人工作模式切換為手動，遠程控制機器人工作，從而實現手動與自動控制輕松切換的目的，滿足了對特定情形下機器人工作高精度的需求。

3.測試結果與結論

本文所設計的抗疫機器人經過電路測試后，進行了使用場景的模擬實驗，在自動模式下可以運送約500g左右的物品，采用三節18650鋰電池供電，電池可反復充電并且方便替換，為續航能力提供了保障，續航里程可達700米，在電量充足的條件下行駛速度可達1.5m/s，消毒罐容積500ml，能夠滿足50平米左右房間的消毒需求。對于距離小于0.5m的障礙物能夠有效的避開，并且重新選擇行進路線。測試者在手動模式下對機器人進行操作的有效半徑為15米左右，能夠滿足大部分使用場景的需求。

4.市場分析及推廣前景

本設計將配送和消毒功能相結合，并且在靈活性上優于很多同類機器人，而自動消毒系統經過不斷地調試也更加智能化。機器人所搭載的圖像傳感器和無線遙控可以讓醫護工作者能夠進行遠程操作，非常適用于通過空氣、接觸傳染的隔離區域進行作業，這些功能以及靈活的運動方式很好應對目前疫情高發的復雜的環境。

本文所設計的機器人制作成本較低，功能完善、全面。經過不斷地技術創新，以及工業化、自動化的設計生產后，能夠適應市場需求并實現推廣，從而在抗擊新冠病毒的戰役中，扮演好“智能苦力”的角色。[3]

參考文獻：

[1] 程林.“智能苦力”：抗疫機器人倫理思考.四川師范大學學報（社會科學版）.2020（09）：20-26.

[2] 百度百科.麥克納姆輪.

[3] 程林.“智能苦力”：抗疫機器人倫理思考.四川師范大學學報（社會科學版）.2020（09）：20-26.

韋曉燕（1990——），女，壯族，廣西柳州人，柳州城市職業學院助教，學士，研究方向：電子系統設計、計算機通信網絡。柳州城市職業學院 ，545036。