一種疫情防控用服務機器人系統的設計與驗證

陳挺木

（福建省特種設備檢驗研究院//國家特種機器人產品質量監督檢驗中心（福建），福建泉州 362000）

0 引言

自新冠疫情爆發以來，由于病毒的傳染性極強，各國政府升級抗疫措施，減少人與人之間接觸和感染風險，對疫情防控工作帶來了巨大的挑戰，使用服務機器人可以有效地解決這一系列問題［1-3］。目前常見的服務機器人有送餐機器人、消殺機器人、無人機和AGV等。送餐服務機器人融合多種技術發展而來，其關鍵技術有智能動態避障、自主定位導航技術、底盤移動技術以及語音識別能力［4-6］。消殺機器人替代人工從事消毒工作，其關鍵技術在于移動機器人底盤上加裝的消毒模塊，消毒模塊主要包括紫外線燈、疝氣燈、消毒藥水噴嘴、空氣過濾等等［7］。無人機即無人駕駛飛機，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器［8］。無人搬運車（AGV）主要由移動底盤、調度系統和紅外探測器等組成。調度系統是其大腦，會根據目標和AGV當前的位置進行軌跡規劃，以最快的方式完成搬運物質的要求［9］。目前大多數學者只是單獨研究某一類型的服務機器人系統，宋倩倩等［10］研發了一種移動式醫療服務機器人，能夠完成遠程醫藥物品的輸送；何佑星［11］設計了一款家庭服務機器人自主導航系統；劉冠一等［12］結合激光雷達、底盤驅動、人機交互等功能模塊，設計了一種室內服務機器人路徑導航系統。目前比較少學者將市場上各種服務機器人有機結合使之成為一套新的服務機器人系統。因此本文提出綜合無人機、送餐機器人、消殺機器人和AGV等服務機器人的各自特點，將其有機結合，組建成新的服務機器人系統，為疫情防控下物流不暢通的問題提供一種新的解決思路。

1 服務機器人系統設計原理

雖然現在越來越多的服務機器人應用于疫情防控，但是其效果并不是很理想，特別是目前某些城市疫情非常嚴重，物流并沒有打通，運力不夠，小區全面封控后對物價造成較大的波動，甚至是出現有錢買不到物品的局面。為了解決這一問題，本文設計了一種服務機器人系統，結合各個服務機器人的特點，將其數據打通，結構有效銜接起來，使其形成一個有效的系統，理論上可以很好地完成物資配送的任務。

本系統由無人機、送餐機器人移動底盤、消殺機器人和AGV構成。生活物資運送到指定地點后，將生活物質根據不同派送地址生成二維碼，AGV小車識別二維碼，將物資按照派送區域進行分揀，無人機將分揀好的物資裝貨飛往隔離小區，如果隔離小區距離較遠則采用多個中轉站的方式進行，最后送餐機器人將無人機運送的物資送至隔離小區的每一棟樓下，由“樓長”將物資進行分發。“樓長”由每一棟樓的居民選舉產生，相當于志愿者的身份，為本樓的居民服務，在隔離期間配合疫情防控工作。系統原理如圖1所示。

圖1 系統原理

本系統難點之一在于AGV將分揀好的物質運到指定地點后，無人機能實現無人化將物質裝貨與卸貨。目前市面上大部分無人機派送方案都是需要人為地裝貨，然后再操作無人機飛往指定地點，最后還得在目的地人為地卸貨，如圖2所示。這種派送方式又無形中增加了人力資源，為了減少人為操作，本系統設計了一個貨架，貨架最大承載能力為20 kg，其四周帶有倒鉤，無人機底架可與倒鉤相掛，具體為操作無人機降至貨架上表面，然后操作無人機稍微向左邊移動，最后操作無人機向上即可與貨架倒鉤相掛，然后即可運往目的地，到達目的地后，卸貨的操作與之相反，貨架示意圖如圖3所示，此種設計通過機械結構的剛性連接，相比于吸盤更為可靠，較大程度地實現了裝貨和卸貨的無人化。

圖2 無人機派送

圖3 貨架示意圖

2 服務機器人系統的重要組成

本系統由AGV、無人機、送餐機器人移動底盤和消殺機器人等硬件以及物資倉庫的分揀區和裝貨區構成。

物資分揀部分。物資倉庫的分揀區其功能為將物資按照不同派送地址進行分揀，如圖4所示。其原理為先將物資四周貼上一個二維碼，每個二維碼對應一個地區或者小區，將貨物放在生產線上，生產線上放置一個掃描儀，掃描儀掃描貨物上的二維碼，例如當識別到A小區時，擋塊向上，則貨物往上運送至貨架；當識別到B小區時，擋塊向下，則貨物向右運送至貨架，可以在每個支線上放置一掃描儀，可實現將貨物細分到每一個小區。通過此種方式可有效地將物資詳細切割成一個一個小區，然后將一個一個小區的物質分揀好，放在統一的貨架上。

圖4 分揀區示意圖

物資裝貨部分。AGV主要目的是將分揀好的貨物，運到指定位置即無人機起飛點。為實現自動裝貨，本文設計了一個裝貨區，如圖5所示。在物資倉庫內，分揀生產線將物資按小區分揀好后，將物資放在貨架上，貨架滿后，AGV調度系統將指令給到AGV小車，空閑的AGV小車會根據自己的位置進行軌跡規劃，以最快的方式到達分揀產線的末端，也即貨架的位置上，然后將貨架運到裝貨區進行裝貨。AGV小車臺面可自主升降，裝貨區有一凹槽，剛好可供AGV小車通過，而貨架比凹槽寬，AGV到達凹槽后，將其臺面下降，于是可以將貨架放在裝貨區上。

圖5 裝貨區示意圖

無人機配送部分。物資倉庫應設置在距離隔離小區相對近的位置，因為無人機目前的飛行半徑大多數為3 km，如果距離太遠超過無人機的飛行半徑，要想增加飛行半徑就得增加無人機中轉站。所謂的無人機中轉站就是無人機每飛行3 km，就落地?？?，換充滿電的電池，然后接著飛。通過這種堆疊的方式可有效增加無人機的飛行半徑。為提高運送效率，所有物資按照地點進行分揀，最好按照小區進行分揀，將分揀好的物質放在貨架上，AGV小車將貨架放在裝貨區上，工作人員操作無人機使無人機腳架部分與貨架的倒鉤相掛，然后按照點到點的方式直接飛往指定小區。每個小區都有對應的無人機編隊進行派送物資，可根據需要派送的物資量合理增加無人機架次，如果距離目標小區較遠，可通過設置無人機中轉站的方式實現派送，在無人機中轉站放置型號相同的無人機電池，待無人機編隊到達后更換電池即可繼續執行派送任務。如果距離更遠也可通過此種方式進行堆疊，實現派送范圍的增大。

送餐機器人配送部分。本文送餐機器人只保留其移動底盤，這樣無人機的貨架可直接放在其上面，不用人為卸貨，如圖6所示。在每個小區花園處設置物資放置點，物質放置點放有送餐機器人。無人機直接將物資放置在送餐機器人上，機器人將物資運送至每一樓前臺處。

圖6 送餐機器人

消殺機器人消殺部分和樓長物資分配部分。此部分為服務機器人系統的最后一個環節，在這一個環節中需要配備一名工作人員進行物資分配工作，此工作由樓長完成。送餐機器人將物資運送至每一樓前臺處，由樓長將貨架拿下，放在消殺機器人工作區域進行消殺工作，消殺機器人對物資進行全面消殺，防止運送過程中的病毒感染，待消殺完后由樓長將物資派發給每一戶居民。

3 服務機器人系統驗證與結果分析

為了驗證此套系統的可操作性以及其效果，進行了人機對比試驗。將模擬小區封控，在此環境下，人工運送物質和服務機器人系統運送物質的效率進行對比，具體如下。

（1）試驗方案設計。本次試驗人工運送物質隊和服務機器人運送物質隊兩隊進行對比，分別將20 kg的大米運送至同一指定小區C5棟，分別記錄兩隊的時間和人力配置。人工隊由一人配上一電動自行車組成；服務機器人系統由無人機（大疆植保無人機T40改裝），送餐機器人移動底盤（九號機器人RMP Lite 400）組成和一人組成。

（2）試驗過程。本次試驗物資距離指定小區某一樓層直線距離1.8 km，騎行距離用百度導航為2.4 km，期間經過2個紅綠燈。人工隊在到達物資點開始計時，其裝好物資以電動自行車最大速度25 km/h速度前往指定小區，到達指定小區門口用時為466 s，然后將物資拿到C5棟，門口距離C5棟120 m，人工手提兩袋大米跑步前往C5棟用時154 s，因此人工隊總共用時620 s。服務機器人系統到達指定物資點（也即裝貨區）后開始計時，操作員操作無人機進行裝貨，而后以點到點的方式直線距離飛往指定小區，飛行速度為7 m/s，321 s后降落于小區花園的送餐機器人上，距離門口20 m，送餐機器人以1.2 m/s的速度將物資送往C5棟，到達時用時21 s，因此服務機器人系統總共用時342 s。

（3）結果分析。此次試驗沒有從分揀流程開始計時，因為單獨分揀兩包大米在時間上人工和分揀線用時差不多，意義也不大，但是對于大批貨物的話，按小區分揀機會提高配送效率。從此次試驗可以看到服務機器人系統派送物資用時比人工隊要快278 s。服務機器人系統運送物質可做到無縫鏈接，可極大地縮短派送時間，而且除物資倉庫需要配置一個操作人員外可無人化進行配送。特別是對于疫情嚴重的地方，運力不足的情況下，可有效緩解物質配送和人員交叉感染這一問題。

此系統綜合應用了AGV小車、無人機、送餐機器人和消殺機器人的特點，有效結合其功能，可為由疫情封控小區運送必要的生活物資。特別是近期上海疫情嚴重程度超過大家的預期，封城后，居民的生活物資成了非常大的難題。由于運力不足，人工不夠，造成短期市場物價的不合理上漲。目前為止，各大物流公司還是組織人力運送貨物，特別是媒體報道京東組織所謂的“敢死隊”進入上海，由此可知，其運力是多么欠缺。此系統的運用可有效緩解運力不足的問題，同時可以很好地避免疫情人為傳播的風險。

4 結束語

本文結合上海疫情防控出現的問題提出一種疫情防控用服務機器人系統，這一系統充分利用現有服務機器人的功能特點，將其有機組合，使其配送無縫對接，大幅減少配送時間。原理簡單、可操作性強，理論上可大幅緩解運力不足的問題，為疫情防控提供一種新思路。主要創新點如下。

（1）本文設計了分揀產線，根據物資派送的區域或者小區進行分揀，為后面的物質配送提高效率。

（2）本文根據無人機的腳架尺寸設計了與之匹配的貨架，使得無人機裝貨與卸貨無人化。

（3）在物資倉庫內合理設計了一個裝貨區，AGV小車將分揀好的物資快速地運到裝貨區，無人機在此進行無人配送。