基于風(fēng)險區(qū)域劃分的多策略智能消毒機(jī)器人

王若暄，許亞嵐

（中國石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院，北京，102249）

0 引言

自2020 年新型冠狀病毒全球蔓延以來，人們逐漸重視居家環(huán)境以及人員密集公共場所的衛(wèi)生安全，對環(huán)境的消毒殺菌需求與日俱增。全球相關(guān)企業(yè)針對消毒需求陸續(xù)開發(fā)了各種類型的消毒機(jī)器人[1～3]，投用在醫(yī)院、車站等公共場所，家用的消毒機(jī)器人也涌現(xiàn)出大量設(shè)計與制作[4～5]。本文以STM32 為主控，設(shè)計制作了一款基于室內(nèi)風(fēng)險區(qū)域劃分的多策略消毒機(jī)器人，搭配兩種消毒液，可對不同風(fēng)險區(qū)域?qū)嵤┎煌瑥?qiáng)度的過氧化氫霧化消毒，以及局部區(qū)域或物品的機(jī)械臂酒精噴灑消毒。

1 總體設(shè)計

本文設(shè)計制作的消毒機(jī)器人主要用于家庭或室內(nèi)公共場所的日常消毒，包括過氧化氫霧化消毒以及快遞、門把手等死角的機(jī)械臂酒精噴灑局部消毒。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，選用STM32F407 作為控制器，主要包括以下3 部分：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1)消毒部分：根據(jù)消毒方式設(shè)計機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，搭配視覺感知系統(tǒng)，控制機(jī)械臂的動作，實現(xiàn)對局部區(qū)域或物品可調(diào)強(qiáng)度和范圍的酒精噴灑消毒。

（2)自主導(dǎo)航部分：根據(jù)規(guī)劃路徑自主導(dǎo)航，自動避障，通過顏色識別消毒區(qū)域的不同風(fēng)險等級，調(diào)整機(jī)器人行駛速度和過氧化氫霧化強(qiáng)度。

（3)人機(jī)交互部分：實現(xiàn)了用戶語音和手機(jī)APP 遠(yuǎn)程監(jiān)控消毒兩種控制模式。

2 消毒部分

■2.1 消毒方式與機(jī)器人結(jié)構(gòu)

過氧化氫消毒適宜在有人的環(huán)境中進(jìn)行大范圍的噴灑消毒，消毒效果顯著且對人體沒有危害；酒精溶液易揮發(fā)消毒效果好，但由于酒精為易燃易爆的物質(zhì)，不可大范圍噴灑，但可以在小范圍定點消毒起到較好的作用。本文采用Shapr3D 軟件設(shè)計制作圖2(c)所示的雙格消毒溶液箱，前側(cè)①為酒精溶液箱，放置潛水泵和消毒酒精。當(dāng)檢測消毒物體較小時，控制器改變PWM 占空比，使?jié)撍门懦鼍凭繙p小，反之，增多酒精量。后側(cè)②為過氧化氫溶液箱，設(shè)計固定棉條的圓柱區(qū)域，在③處安裝霧化片，使過氧化氫溶液能夠以水霧形式噴灑至空氣，實現(xiàn)對空氣環(huán)境消毒。

圖2 消毒機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖

消毒機(jī)器人采用輪式雙層結(jié)構(gòu)，如圖2(a)和圖2(b)所示。底層放置主控制板，上層后側(cè)放置消毒溶液箱，前側(cè)設(shè)計3 自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)械臂裝載噴頭和酒精溶液導(dǎo)管，酒精溶液從機(jī)械臂前側(cè)噴出，實現(xiàn)對局部區(qū)域或物品的酒精噴灑局部消毒。

■2.2 視覺識別模塊

消毒機(jī)器人前側(cè)安裝攝像頭，在局部消毒模式下，對局部區(qū)域或物品進(jìn)行圖像采集與識別。采用基于YOLOv4 模型的目標(biāo)檢測方法[6]，將目標(biāo)物體在真實三維空間中的坐標(biāo)與相機(jī)成像平面中的坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系通過其相同特征點計算出模型參數(shù)，對局部消毒區(qū)域或物品進(jìn)行較準(zhǔn)確的定位與形狀大小識別。

確定局部消毒區(qū)域或物品的位置與形狀大小后，將機(jī)械臂與目標(biāo)區(qū)域之間的相對運動關(guān)系建立D-H 模型，通過次坐標(biāo)變換描述各個關(guān)節(jié)之間的關(guān)系，以此建立從機(jī)械臂底座到末端的轉(zhuǎn)換關(guān)系。最終，視覺模塊作為機(jī)械臂消毒動作的輔助系統(tǒng)，輔助機(jī)器人根據(jù)被消毒區(qū)域或物品的實際形狀大小調(diào)整機(jī)械臂酒精局部消毒的噴灑強(qiáng)度和范圍。

3 自主導(dǎo)航部分

■3.1 驅(qū)動電機(jī)

選擇帶有測速反饋的直流電機(jī)，穩(wěn)定性強(qiáng)，確保機(jī)器人穩(wěn)定行駛。檢測到不同風(fēng)險區(qū)域時，調(diào)整機(jī)器人的行駛速度，確保過氧化氫霧化消毒的強(qiáng)度與風(fēng)險區(qū)域?qū)?yīng)。

■3.2 路徑規(guī)劃

消毒機(jī)器人在家庭或室內(nèi)公共場所的巡航路線基本固定，可采用概率方法解決位姿估計以及地圖繪制更新問題，采用柵格地圖實現(xiàn)機(jī)器人的路徑規(guī)劃以及地圖環(huán)境信息的保存[7]。

為實現(xiàn)更高精度的定位以及繪制較為精準(zhǔn)的地圖，避免由于機(jī)器人車輪打滑以及地面不平整導(dǎo)致的位姿估計不匹配，保障機(jī)器人按照規(guī)劃路徑正常行駛，采用了以下兩種策略：第一種措施是通過消毒機(jī)器人前側(cè)的超聲波傳感器，實時監(jiān)測機(jī)器人與周邊環(huán)境的距離，微調(diào)修正機(jī)器人的行駛路線，保障其在規(guī)劃的路徑上；第二種措施是根據(jù)消毒機(jī)器人的使用周期，定期對環(huán)境地圖進(jìn)行調(diào)整，更新路徑規(guī)劃。

■3.3 自主避障

常見的避障方式包含超聲波避障、紅外避障等，其主要依附于外部傳感器接收周圍環(huán)境信息并傳輸至控制器使機(jī)器人做出反應(yīng)。本設(shè)計采用舵機(jī)與超聲波傳感器結(jié)合的方式，使得超聲波傳感器不僅可以探測前側(cè)障礙物，還可以通過舵機(jī)的左右旋轉(zhuǎn)，探測出兩側(cè)是否有可選擇的避障路徑。程序流程如圖3 所示。

圖3 消毒機(jī)器人自主避障邏輯圖

■3.4 風(fēng)險區(qū)域識別

用戶劃分風(fēng)險區(qū)域，對不同的風(fēng)險區(qū)域粘貼不同的風(fēng)險等級顏色標(biāo)識，例如，高風(fēng)險等級用紅色標(biāo)識，中風(fēng)險等級用黃色標(biāo)識，低風(fēng)險等級用綠色標(biāo)識，以家庭消毒為例，風(fēng)險區(qū)域等級劃分如表1 所示。

表1 家庭風(fēng)險區(qū)域等級劃分

在不同風(fēng)險區(qū)域等級的分界處粘貼顏色標(biāo)識，通過顏色識別出即將進(jìn)入的不同風(fēng)險區(qū)域等級后，控制器調(diào)整機(jī)器人的行駛速度，使其在不同風(fēng)險等級區(qū)域下保持不同的平均速度。

本文采用TCS3200顏色傳感器進(jìn)行風(fēng)險等級顏色識別，其通過感應(yīng)芯片以及濾光器對檢測的顏色RGB值進(jìn)行分析，并將測試值傳輸給控制器；控制器則根據(jù)傳輸?shù)腞GB 值范圍，判斷出機(jī)器人所在區(qū)域的風(fēng)險等級變化，從而控制機(jī)器人行駛速度。最終實現(xiàn)消毒機(jī)器人在不同風(fēng)險等級區(qū)域，實施不同強(qiáng)度的消毒作業(yè)。

4 人機(jī)交互部分

■4.1 語音控制

語音控制，即人機(jī)語音交互系統(tǒng)，當(dāng)人對系統(tǒng)發(fā)送語音指令時，機(jī)器人上的語音采集設(shè)備將收集到的語音信息傳輸給語音識別系統(tǒng)，此時語音識別系統(tǒng)將語音信號轉(zhuǎn)化為電信號，在傳輸給控制器，將語音系統(tǒng)的指令進(jìn)行匹配，若匹配成功，控制器將會將指令發(fā)送給驅(qū)動和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人根據(jù)指令完成動作[8]。

本設(shè)計語音控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。采用LD3320 語音模塊，其包含對非特定人語音識別和聲控芯片，能對可識別的關(guān)鍵詞列表進(jìn)行動態(tài)編輯。消毒機(jī)器人預(yù)設(shè)了“開始消毒”“停止消毒”“消毒15 分鐘”等語音控制指令。

圖4 語音控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

■4.2 手機(jī)APP 遠(yuǎn)程控制

目前，手機(jī)APP 實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的途徑有藍(lán)牙、WiFi 通訊等，本文選擇使用型號為GL-AR150 的無線路由器模塊作為手機(jī)與消毒機(jī)器人的遠(yuǎn)程無線通信橋梁，實現(xiàn)對消毒機(jī)器人的監(jiān)控。

5 模型機(jī)制作與測試

選用“探索者”模塊化機(jī)器人組件，制作出如圖5 所示的消毒機(jī)器人模型機(jī)，進(jìn)行功能測試。

圖5 消毒機(jī)器人模型機(jī)外觀圖

■5.1 機(jī)械臂局部消毒測試

對機(jī)械臂酒精噴灑局部消毒功能進(jìn)行測試，選用三種機(jī)械臂動作，定義底座為1 號關(guān)節(jié)，中部關(guān)節(jié)為2 號，頭部關(guān)節(jié)為3 號，三種動作如下：

(1)保持1 號與2 號關(guān)節(jié)位于90°位置保持不變，3 號舵機(jī)在60°與120°之間擺動；

(2)保持2 號關(guān)節(jié)位于135°居中位置不變，使1 號與3號關(guān)節(jié)搭配動作，1 號關(guān)節(jié)緩慢由45°移動至135°，3 號關(guān)節(jié)分別在1號關(guān)節(jié)45°、90°和135°時在120°與90°之間上下擺動；

(3)1號關(guān)節(jié)緩慢由90°移動至135°，2號關(guān)節(jié)由135°移動至180°，3 號關(guān)節(jié)在120°與140°之間擺動；

測試發(fā)現(xiàn)酒精溶液噴灑壓力合適，只需通過程序控制噴灑角度和持續(xù)時間，就能保證局部消毒噴灑效果，對門把手、快遞表面都能達(dá)到較好的消毒效果。

■5.2 自主避障測試

在消毒機(jī)器人規(guī)劃路徑上放置不同形狀大小的障礙物，進(jìn)行如圖6 所示的自主避障測試。統(tǒng)計其避障成功率，以及回歸原路線的成功率。

圖6 消毒機(jī)器人避障測試視頻截圖

測試結(jié)果如表2 所示。可見，消毒機(jī)器人對于形狀規(guī)則物體，基本上能夠完成自主避障，對于不規(guī)則形狀物體，也有較好的避障效果。

表2 自主定點局部消毒測試結(jié)果

6 結(jié)語

本文設(shè)計制作了一款基于風(fēng)險區(qū)域劃分的多策略智能消毒機(jī)器人，結(jié)合路徑規(guī)劃、自主避障、語音識別、視覺識別等技術(shù)，實現(xiàn)了機(jī)器人自主導(dǎo)航、用戶語音和手機(jī)APP人機(jī)交互控制消毒等多種工作模式。在自主導(dǎo)航模式下，機(jī)器人根據(jù)路徑規(guī)劃和顏色識別，對不同風(fēng)險區(qū)域?qū)嵤┎煌瑥?qiáng)度的過氧化氫霧化消毒，滿足對環(huán)境空氣消毒的需求，同時機(jī)械臂搭配視覺識別輔助系統(tǒng)，對局部區(qū)域或物品進(jìn)行可調(diào)強(qiáng)度和范圍的酒精噴灑局部消毒。在人機(jī)交互方面，實現(xiàn)了用戶語音和手機(jī)APP 人機(jī)交互控制消毒。