一種適用于電影院環境的具有自動巡航功能的消毒機器人

高 涵，阮冠鵬，殷治杰，林柏彤，游艷菲

（浙江科技學院，浙江 杭州 310023）

1 研究背景

2020年初，新冠疫情爆發，在舉國努力之下，中國取得了抗疫的階段性勝利。根據世衛組織和防疫專家判斷，新冠病毒將與人類長期共存，其完全滅絕時間仍不確定。在面對與疫共存和急需復產的雙重壓力下，中國已率先進入到后疫情時代。在需要與新冠疫情進行長期持久戰的現狀下，公共衛生成為人們的關注熱點，尤其是需要高頻消毒的電影院。眾所周知，新冠病毒潛伏期長、傳染性強。電影院作為封閉的人流密集場所，極易增加病毒傳播的風險。一間電影院觀影廳容納的觀眾人數少則幾十，多則上百，如此眾多人群在一個密閉的空間里共處一兩個小時，其中只要有一個新冠病毒感染者，就有可能造成“超級傳播”等嚴重后果。

影院的疫情防控措施是決定大眾是否愿意去電影院最重要的因素之一，因此不管是站在全民抗疫和公共衛生的角度，還是站在電影院本身營收的角度，防控消毒都是重中之重。如今的電影院[1]清潔殺毒方式主要是依靠人工使用消毒液、酒精完成，或者在人工清潔后再使用紫外燈消毒，沒有一套自動化的消毒殺菌體系，前者增加了人力成本，同時存在著清潔人員易感染病毒、消毒殺菌不到位等問題與隱患。而后者因為電影院中座椅密集的緣故可能會留下死角和殘余，而且大范圍紫外燈滅活消毒的時候如果有人意外進入將會發生嚴重的安全事故。在這樣的背景下，筆者們研發了消毒殺菌機器人，使其具備了清潔與消毒殺菌的功能，并且可以適應有樓梯、多衛生死角的電影院環境，能夠對電影院進行自動化、細節化的消毒殺菌。并且，當有人靠近機器人時，會自動關閉紫外燈，避免安全事故的發生。疫情后電影院電影票銷量的影響因素如圖1所示。

圖1 疫情后電影院電影票銷量的影響因素

《中國互聯網發展報告（2021）》在2021（第二十屆）中國互聯網大會上發布，物聯網市場規模達1.7萬億元，人工智能市場規模達3 031 億元，萬物互聯的浪潮已經勢不可擋，而筆者們研發這款消毒殺菌正是旨在實現電影院消毒的自動化，將電影院環境消毒殺菌體系納入物聯網的框架中，進一步解放人的雙手，并防止人在消毒殺菌的過程中發生感染。

2 原理分析

如圖2所示，該機器人主要包含以下模塊：紫外線消毒模塊、中央處理模塊、行走模塊、無線充電模塊、無線通信模塊、攝像頭數據處理模塊、紅外熱感模塊。運用到以下物理原理：攝像頭成像以及檢測原理、紅外探測原理、紫外線消毒原理、無線充電原理。

圖2 機器人模塊簡述

2.1 人體熱釋電紅外探測器工作原理

在自然界中， 紅外線射線屬于電磁波，具備一系列波的特性，其波速為光速，波段覆蓋范圍比較寬，在0.75～1 000 μm 之間。溫度超過﹣273 ℃絕對零度的物質都將向其四周放射紅外線，根據環境溫度不同，其所放射的紅外波長也有所不同，這就是熱釋電紅外檢測儀工作的原理，并針對不同環境溫度的物質放射的紅外線光譜差異，開展對一定區域的紅外線測量，以判斷所需要的目標。而人體放射的紅外線中心波段為9～10 μm，只有通過高熱電系數的材質（如PIR 材質）制成探測元件才可以檢測。檢測器件把檢測對象所接收來的紅外線照射轉變成微小的電流信號，由裝設于探頭內側的場效應管擴大后再往外部提供。而為了進一步提高探測器的探測靈敏度和增加探測距離，人類往往在探頭的最前部加裝了一菲涅爾透鏡，此透鏡通常由0.5 mm 透明塑料所構成，把透鏡表面上、下兩個部分各分成幾個等份，構成了一個帶有特定光學系統的小鏡片，并與放大電路相配合，能把光信號放大70 dB 以上，這樣就能夠測量20 m 左右區域內人的行為。

2.2 紫外線殺菌消毒原理

核酸在被240～280 nm 的紫外光照射時會大量吸收紫外線，使細胞本身的代謝機制發生障礙，同時也會使細胞的遺傳狀況發生問題，而不斷的紫外線輻射，最后也會造成細胞族群滅亡。此外，紫外光除去殺菌的作用，也可用來讓細胞減低自己的“活力”，某些細胞在可見光的照耀下是特別活潑的，我們稱為“光恢復”特性，也是說，在波段為300～500 nm 的強紫外線下，細胞本身的一個光恢復酶素會使細胞種群顯得非常活潑，并且自身也會大量生長。所以，在必須控制這些病菌的數量和種群規模時，通過利用微弱的紫外光進行輻射可以把病菌的數量控制在規定范圍內。

2.3 無線充電模塊原理

所述核心處理芯片在執行自動巡航模塊時，對電源進行實時監控，通過算法提前讓機器人到達無線充電位置，通過無線充電模塊對其充電。本設計采用電磁感應式，電磁感應無線充電利用的是電生磁、磁生電的電磁感應原理，即“電”與“磁”的相互轉化。無線充電還有一種原理是磁場共振，磁場共振是由能量發送裝置和能量接收裝置組成，當2個裝置調整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振時，它們就可以交換彼此的能量。無線充電流程如圖3所示。

圖3 無線充電流程圖

3 技術分析

3.1 紫外線消毒技術

在紫外線殺菌中，不同的發光波長有不同的功效。當光的波長在300 nm 以內時，會有消毒的效果，在260 nm 左右時對細胞的殺滅效應也比較明顯。紫外線殺菌設備的實踐應用中的標準單位輻照劑量和照度，就是以紫外線在殺死耐紫外線能力較強的細菌時所需的紫外線輻照劑量作為標準參考的。

3.2 自動巡航技術

由核心處理芯片控制攝像頭開啟，將攝像頭采集到的數據反饋給攝像頭采集模塊與攝像頭紅外感應處理模塊，經過核心處理芯片的算法得出路徑，并在確定無移動熱源環境下控制紫外線燈開啟，同時通過電機處理模塊控制電機，使驅動齒輪帶動履帶實現行走。在遇到障礙物時，攝像頭將采集到數據反饋給攝像頭采集模塊，再傳輸給核心處理芯片，再將信息給到電機處理模塊，使電機差速工作，實現車體轉彎，從而達到避障效果。

3.3 無線充電技術

核心處理芯片在執行自動巡航模塊時，對電源進行實時監控，在蓄電池電量不足以達到起始充電位置時，核心處理芯片傳輸信號給電機驅動模塊，驅動車體回到原始位置，通過無線充電模塊給蓄電池充電。通過算法提前讓機器人到達無線充電位置，通過無線充電模塊對其充電。

3.4 PWM 控制模塊

PWM 控制——脈沖寬度調制高新技術是利用微處理設備的數碼信息對仿真集成電路實現控制的一項十分高效的高新技術。脈沖寬度調制是利用微加工設備的數碼輸出信號來對仿真集成電路實現調節的一項十分高效的工藝技術，被應用在從測試、通訊到功率調節與轉換的眾多應用領域中。在PWM 波形中，各輸出脈沖的幅值是相同的，要調整等效輸出電流正弦波的幅值時，只需按一個百分比系數調整各輸出脈沖的長度即可，所以在交—直—交變頻器中，PWM 逆變控制電路產生的脈沖電壓等于直流出口側輸入電流的幅值。

根據以上原理，在給定了正弦波頻譜、幅值和半個時間內的脈沖時間數后，PWM 波形各脈沖信號的長度和間距就能夠精確統計得出。根據計算結果調節集成電路中各控制開關元件的通斷，就能夠獲得所要求的PWM 波形。PWM 電路圖如圖4所示。

圖4 PWM 電路圖

3.5 紅外感應技術

消毒機器人在進行殺菌任務時，考慮到紫外線對人體的不良影響，采用紅外傳感器控制消毒機器人進行殺毒任務時紫外燈的開啟或關閉。并采用可重復觸發方式，即感應輸出低電平后，在延時時間段內，如果有人體在其感應范圍活動，其輸出將一直保持低電平，直到人離開后才延時將低電平變為高電平（感應模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點）。消毒工作時，當人進入其感應范圍則輸出低電平，紫外線燈關閉。紅外感應流程如圖5所示。

圖5 紅外感應流程圖

4 科技創新點

通過人體熱釋電紅外探測器探測到人體靠近后自動斷開電路，避免紫外線對人體造成傷害。該機器人在檢測周圍的環境后進行自動消毒，當經過紫外線殺菌消毒一段時間以后，會自動熄滅紫外線殺菌燈，大大降低了人工手動消毒的工作量。

5 應用前景

在全球疫情的影響下，影院的復工顯得更加艱難，一方面必須加緊維修、整理、籌備疫情消殺物料，另一方面，由于疫情時期缺少營業收入，這對不少影城而言，喪失了大批人員，還必須再次招人、培訓，難度不小。基于此，智能機器人再次出鏡。近日，深圳、上海、武漢等地均通過利用人工智能技術助力影院安全高效地開展復工作業，目前，深圳萬象影城MIXC（深圳灣旗艦店）、華誼兄弟影院，上海上影影城，武漢百方匯影城光谷K11 店均出現機器人的身影。電影院作為人群密集、密閉性場所，對疫情防控和消毒的要求更高。根據國家電影局對于電影院的疫情防控要求，本產品完全符合國家的電影院消毒規范，做到對座椅各個角落以及對電影院的地毯式消毒，不留死角。本產品具有極高的地形通過性，轉向靈活，面對樓梯、陡坡或其他狹窄路段，都可靈活通過并完成消毒作業，并且按照事先規劃的路線完成消殺作業。本產品在樓梯消毒的效果仿真圖如圖6所示。

圖6 本產品在樓梯消毒的效果仿真圖（借鑒）

目前疫情防控形勢嚴峻，影城作為社會營業場地，要認真抓好防治管理工作，全方位履行影城消毒清潔的各項流程。為保證工作人員和觀影人員的身心健康，搞好影院預防感染的消毒管理工作，特制定消毒規范。在疫情常態化背景下，公共場所的消毒要求也將逐步變得嚴格，市場對消毒機器人的需求量也將激增。新冠疫情的爆發使得人們加大了對消毒的重視，因此會增加消毒器械的購買量，一個好的多功能的消毒機器人將是消費者的最優選擇[2]。對于一些影業企業來說，影院的消毒工作也至關重要，而本產品所具有的多種消殺方式，都能有效地解決人流眾多的公共區域衛生消殺難題。本產品具有自動規劃路線、自動回程充電等功能，可在設置好路線后，全自動消毒，無需人工控制。利用消毒機器人進行消殺作業不僅有效減少了人員接觸風險，降低了人工成本，還大大提高了公共場所大面積的消毒工作效率。