移動消毒防疫機器人設計與導航實現

秦濤，任鵬，溫景陽，石孝蘭，夏銘

(1.湖北文理學院機械工程學院，湖北襄陽 441053；2.康復醫學與康復工程技術襄陽市重點實驗室，湖北襄陽 441053)

0 前言

新冠疫情的發生，使得消毒防疫的需求急劇上升。在疫情防控中，消毒防疫任務迫在眉睫。而消毒防疫機器人憑借其高效作業能力和自主定位導航等功能，既避免了交叉感染，也減輕了作業量[1-2]。據中國人工智能產業發展聯盟(AIIA)提供的數據，疫情爆發初期，人工智能抗疫的案例就已經高達500多例[3]。因此，開展消毒防疫機器人的研究極具社會實用價值。

消毒防疫機器人在疫情期間的作用可分為三類：(1)輔助治療。在隔離病房中，醫護人員通過消毒防疫機器人與病人間接接觸，在人機交互功能下，實時掌握病人病情；在消毒、自主定位和路徑規劃功能下，完成隔離病房的消毒和配送任務等；(2)區域防疫。在重點管控區域和人流量大的公共區域，通過定位與自主導航功能，消毒防疫機器人可自主移動到所有區域，完成消毒殺菌、體溫檢測、疫情播報和巡檢探查等防疫任務，實現區域防疫任務的全覆蓋；(3)日常服務。在一些人手不足或者人員不能輕易進去的地方，消毒防疫機器人可以提供配送等任務，如快遞的無接觸配送[4-6]。

丹麥 UVD Robots 公司研發的UV-C紫外線消毒防疫機器人[7]主要應用于常規的清潔消毒，目的是阻止病菌在環境中的傳播，其主要特點是小巧靈活，可輕松通過較窄的通道。VYSHNAVI 等[8]開發了一種自動控制開關紫外線的消毒機器人，當檢測到活體時，機器人就會停止工作；當活體離開消毒區域時，再次開啟機器人的工作模式。韓國研究人員開發了一種自主導航機器人[9]，能夠識別具有高污染概率的物體和位置，并能夠提供量化的滅菌效果。上海擎朗智能科技有限公司開發的移動消毒防疫機器人[10]搭載了自主研發的全新復合型定位導航方案，無需人員值守，具有定向消毒功能，可針對指定位置進行消毒。澳門大學科技學院的研究人員設計與開發了一種新型經濟高效的室內自主移動消毒機器人[11]，它集成了輪式移動機器人平臺和過氧化氫霧化裝置，可在復雜的室內環境中完成自主消毒防疫任務。消毒模塊能夠將過氧化氫液體轉化為微米大小的干霧，進行有效的空間消毒。中山大學第三附屬醫院研制了一種應用于新型冠狀病毒肺炎的智能消毒機器人[12]，在消毒模式上集成了基本消毒模式和結合多種消毒模式的功能，可滿足醫院多環境中的各種消毒需求。

綜上所述，加強消毒防疫機器人的研發與推動工作，不僅能在疫情防控中提供助力，而且可推動我國機器人產業的快速可持續發展。因此，本文作者設計一款具有減振緩沖裝置的移動消毒防疫機器人，集成紫外線和噴霧消毒的消毒模塊可自動升降，以滿足不同高度區域的消毒需求。

1 移動消毒防疫機器人的總體設計

1.1 移動消毒防疫機器人需求分析

在結構方面，移動消毒防疫機器人整體應具備穩定的結構，移動底盤的設計要具備抗傾覆能力、減振功能和全向移動功能，以便移動消毒防疫機器人負載運行、爬坡和越障時能始終保持結構穩定。在消毒方式上，在多功能集成的同時還需要根據人機共存條件和機器人結構層面進行綜合考慮，比如，紫外線消毒需要在無人環境下工作。在功能上，移動消毒防疫機器人需具備室內定位和自主導航功能。在軟硬件配置方面，移動消毒防疫機器人需具備和需求相匹配的軟硬件，在經濟實用的前提下，盡可能提高硬件配置。

1.2 移動消毒防疫機器人結構設計

1.2.1 移動消毒防疫機器人總體方案

基于前述需求分析，設計一款應用于室內的移動消毒防疫機器人，如圖1所示。消毒防疫機器人分為移動底盤和消毒模塊兩部分。通過移動底盤將消毒防疫機器人移動到待消毒區域，當待消毒區域沒有人時，通過紫外線燈進行大范圍消毒，以便快速對待消毒區域進行消毒；當待消毒區域內有人時，通過噴霧消毒方式進行消毒；噴霧消毒方式與紫外線消毒方式配合，使消毒防疫機器人能夠適應不同情況，有助于提高消毒防疫機器人的適用性。

圖1 移動消毒防疫機器人整體結構

1.2.2 移動底盤結構設計

移動底盤如圖2所示，包括主動輪、從動輪、減振緩沖裝置、電源、激光雷達等主體部分。由于消毒防疫任務一般位于室內，對越障能力要求不高，因此選擇較為常用的差分驅動方式，其主動輪分布在車體中心兩側。減振緩沖裝置分布在機器人底盤兩側并與驅動輪平行，可消除車體運動時造成的大部分振動。在電源的選擇上，根據工作需要選擇合適的容量，以免電量不足，影響消毒防疫效率。激光雷達設計在車輪中心線的位置，以保證掃描范圍盡可能大，且不被自身結構所遮擋，影響數據的觀測。

圖2 移動底盤結構

根據消毒防疫需求，結合移動消毒防疫機器人工作環境，所設計的移動消毒防疫機器人底盤技術參數指標如表1所示。

where superscript U represents the upper wall,Dx is the spacing between two adjacent microphones,and J must be not less than 2N.Note that Eq.(7)includes both forward and backward acoustic modes,and superscript?has been omitted.

表1 移動底盤具備的基本技術指標

1.2.3 消毒模塊設計

根據市場調研知，消毒模式面臨著人機共存、消毒過于分散的問題。人機共存問題即移動消毒防疫機器人的紫外線消毒方式需要避開有人的環境，如果在人流量較大的環境中，就不應該選擇紫外線消毒方式。移動消毒防疫機器人的消毒環境比較復雜時，噴霧消毒方式對空氣中的消毒效果明顯，但在一些具體的地方，如墻壁、門把手、座椅和天花板等人可直接接觸或較高的地方，噴霧消毒的方式將難以滿足要求。因此，消毒模塊的設計需要具備可升降功能，使消毒作業的范圍可以近距離覆蓋室內較高位置。

基于消毒防疫任務中消毒徹底、不留死角和較高位置消毒的需求，設計紫外線和噴霧消毒功能相結合的消毒模塊且可自動升降，如圖1所示。消毒模塊包括噴霧裝置、紫外線消毒燈和升降機構。噴霧裝置用于執行消毒液的噴霧消毒；紫外線消毒燈用于對環境進行紫外線消毒殺菌；升降機構用于噴霧裝置的升降，使噴霧裝置在室內較高的地方也能通過升降機構進行消毒，當工作環境中有人存在時，紫外線消毒燈可以隱藏于消毒模塊內部，提高了消毒的便捷性和安全性。

1.3 移動消毒防疫機器人軟件設計

1.3.1 多傳感器融合定位框架設計

移動消毒防疫機器人的定位方式為自主定位，所以會受傳感器性能的限制，導致定位精準度、魯棒性差，從而影響整個系統的可靠性。而多傳感器融合定位是解決室內定位問題的主流方案，目前研究較多的有激光雷達+慣性單元、視覺+慣性單元、激光雷達+視覺等融合定位方案[13]。當前，激光雷達技術已經非常成熟，而視覺定位技術還處于發展初期階段，為保證移動消毒防疫機器人在技術上的穩定性，采用里程計、IMU和單線激光雷達相融合的技術方案，完成移動消毒防疫機器人的定位任務。

如圖3所示，多傳感器融合定位框架分為三部分：地圖匹配定位系統、慣性導航系統和多傳感器數據融合定位系統。地圖匹配定位系統由激光雷達組成。

圖3 多傳感器融合定位框架

1.3.2 人機交互界面設計

圖4 APP主界面

圖5 消毒管理界面

圖6 地圖載入界面

圖7 地圖管理界面

2 移動消毒防疫機器人運動學建模

基于速度的運動模型采用旋轉和平移速度控制移動消毒防疫機器人運動，其原理是向驅動系統發送速度指令，實現機器人的運動控制，應用較多的驅動系統有同步驅動、阿克曼驅動和差分驅動[14]。本文作者采用的是差分驅動，其運動模型如圖8所示。

設t-1 時刻，移動消毒防疫機器人的位姿為[xt-1,yt-1,θt-1]T，平移速度和旋轉速度分別為vt-1、ωt-1。當移動消毒防疫機器人以點P為圓心、R為半徑作圓周運動時，可計算圓心的位置[xc，yc]T：

(1)

經過時間Δt，可得t時刻移動消毒防疫機器人的位姿[xt,yt,θt]T，如公式(2)所示：

(2)

在t-1和t時刻，移動消毒防疫機器人的位姿和速度控制量的關系如公式(3)所示：

(3)

移動消毒防疫機器人的速度運動模型是指在有控制量和噪聲干擾的情況下，機器人從上一時刻到當前時刻的位姿變化情況，其各種變量的定義如表2所示。

在忽略外部等因素的條件下，可用離散非線性方程表示移動消毒防疫機器人的速度運動模型，滿足如下關系式：

X(t)=f[X(t-1),u(t)]+W(t)

(4)

f[X(t-1),u(t)]=

(5)

3 移動消毒防疫機器人自主導航仿真實驗

3.1 移動消毒防疫機器人ROS框架

移動消毒機防疫器人裝載了機器人操作系統(Robot Operating System，ROS)，具有完整的實時定位與地圖構建(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)框架[15]。ROS端模塊軟件部分根據功能實現分為硬件接口層、運動控制層、規劃層和人機交互層，共4個軟件層，如圖9所示。硬件接口層主要完成硬件通信與控制，包括與驅動器、電源模塊、激光雷達、IMU和深度相機等的通信與控制；運動控制層主要完成運動學控制與運動學計算、里程計推算等;規劃層包括地圖構建、自主導航定位等；人機交互層主要包括Rviz和遙控器手柄。該軟件架構層級分明，模塊間獨立性較高，可以使移動消毒防疫機器人具備更多的擴展性，方便其他功能的開發。

圖9 ROS模塊軟件架構

3.2 移動消毒防疫機器人環境地圖構建

為使移動消毒防疫機器人的應用環境更加貼近實際，基于防疫消毒任務的需求，還原疫情期間方艙醫院隔離病房的設計布局，參照此布局設計移動消毒防疫機器人的運行場景，如圖10所示，具體包括：起點、醫護走廊、醫護緩沖區、衛生間、病床、床頭柜、配藥區、消毒區、交叉緩沖區。在三維物理仿真平臺 Gazebo下進行仿真環境模型搭建，如圖11所示。機器人默認位置加載在藍色的交叉緩沖區，圖中藍色的區域為激光雷達所掃描到的范圍，各場景布局與圖10相互對應。

圖10 SLAM地圖構建路線

圖11 Gazebo中仿真環境模型

采用Gmapping算法進行仿真實驗，控制移動消毒防疫機器人按照路線行駛一圈，得出實驗數據。移動消毒防疫機器人在Gazebo中的仿真建圖過程如圖12所示。機器人按照行駛路線行駛一周后的Gmapping建圖結果如圖13所示。從特征點識別情況看，Gmapping算法在建圖過程中較為清晰地識別到特征點，建圖效果較好。建圖平面內軌跡跟蹤結果如圖14所示，可見移動消毒防疫機器人的軌跡較為清晰，是一條快封閉的圈形，說明定位信息比較精準。

圖12 Gmapping的仿真建圖

圖13 Gmapping建圖結果

圖14 建圖平面內軌跡跟蹤結果

3.3 移動消毒防疫機器人自主導航仿真實驗

為驗證自主導航系統的可行性，基于消毒防疫需求以及方艙醫院的設計布局，開展移動消毒防疫機器人路徑規劃仿真實驗，進一步應用 ROS中的Rviz 進行仿真模擬。消毒防疫需求包括消毒防疫機器人的行駛路徑較短、與障礙物之間有一定的安全距離以及可以高效迅捷地前往指定地點完成消毒殺菌作業。仿真實驗結果如圖15所示，可知：機器人能完成導航任務，并成功繞開障礙物，到達目標點。

圖15 機器人自主導航仿真結果

4 結語

為實現病房復雜室內空間消毒的綠色化和自動化，設計了一種具備紫外線消毒和噴灑霧狀消毒功能的移動消毒防疫機器人，主要研究成果包括：

(1)基于消毒防疫的現實需求分析，提出了一種移動消毒防疫機器人結構方案，創新設計了機器人的移動底盤、消毒模塊和交互控制系統的軟硬件；

(2)以方艙醫院為原型，設計搭建了消毒防疫機器人應用場景，基于ROS進行了移動消毒防疫機器人工作自主導航模擬，其路徑基本位于通道中央，顯示平滑且路徑較短，滿足移動消毒防疫機器人的基本需求。