1.研究意义

近年来突发疫情时有发生，疫情出现急，需要在短时间内提供实验结果；责任重，事关人们的生命和社会的安全，必须有效预防、及时控制和消除突发公共卫生事件的危害，保障公众身体健康与生命安全，维护正常的社会秩序；难度大，需要应对一些知之甚少或亳无所知的病原菌，病原菌的确定是控制疫情的基础。在病原菌未明确之前，需要防疫人员做好防护到事发现场采样，初步确定突发疫情的类型和性质、严重程度，决定采取紧急措施、评价控制效果等，被感染的风险非常之大，研发消毒机器人后，进入现场进行高风险作业，可大大降低被感染的风险。尤其是新冠肺炎疫情暴发以来，减少线下接触成为人们的一种共同默契，但医疗救援、物资派送和复工复产等工作亟待去处理，为了避免交叉感染，传染病隔离屋、病房、手术室等高危交叉感染区，以及教室、会议室、报告厅、车站候车厅等人员密集流动场所需要定期消毒，这部分工作目前主要由人工完成。尤其是在目前新冠肺炎疫情蔓延高发时期，对隔离区、疫区、医院的消毒变得更为重要，尤其是医院，医院是一个以病人和一定社会人群为主要服务对象，以医学技术为基本服务手段的机构，是患者集中治疗疾病、恢复身体健康的公共场所，在医院里不仅仅有新冠肺炎感染者，由于医院人流量巨大，各类人群如医生、护士、患者、患者家属、探望者等等的混杂，使得在这样一个人口密度大且较为封闭的场所在给人们诊治疾病的同时，又极易成为细菌感染的源头。这种情形下更需要给医务工作者、病人、家属提供外在保护以及心理上的安慰。目前，室内雾化消毒的主要方法包括人工喷洒、消毒设备喷洒和固定管道喷洒，人工喷洒效率低且危险性高，而固定管道喷洒需要对室内进行改造，成本高且不方便。因此，研制自动化的消毒机器人实现高危交叉感染传播环境下消毒的自动化、无人化和绿色化具有重要意义。

2.  项目研究目标及主要内容；

消毒机器人的功能包括自主导航、视觉扫描、两种消毒模式自由转换、控制、楼梯攀爬、自动充电和其他辅助功能等部分组成。本项目采用视觉扫描和自主导航的方式来实现越障行走，并通过视觉扫描对物品进行识别，来实现针对性消毒，物品会受消毒液腐蚀或对消毒液有吸收作用的则更换紫外线消毒。记忆移动可记忆机器人在此房间移动过的路径，可以重复调用运行。机器人的消毒模式有消毒液消毒和紫外线消毒两种模式，为了方便实时的控制，消毒机器人设计有触摸屏控制、手机APP控制和远程端网络控制等控制方式。手机APP通过内置蓝牙模块可以人工控制机器人移动模块及消毒模块，还可以进行路径规划。还可以通过网络远程终端电脑给机器人发命令进行有关控制和路径规划。通过三角滚轮来实现楼梯攀爬功能。采用电压检测芯片HT7033来检测电压，通过对电源的监测，机器人能够预测何时需要充电，当机器人检测到电池电量低时，按照预先设定好的充电路线，回到充电站进行充电。

（1）消毒机器人的结构

根据需求功能，消毒智能机器人的总体结构可分为五部分：视觉扫描、旋转消毒发生器、控制部分、移动模块、消毒模块。

（2）消毒机器人控制

控制部分包括NVIDIA Jetson TK1 嵌入式开发板、激光雷达及触摸屏。其中核心为嵌入式开发板，该开发板控制机器人所有行为和信息，通过与开发板连接的触摸屏来给开发板传输信息。

（3）机器人移动模块及路径规划方法

移动模块包含电机、减速器、传感器、主从动轮等用于移动的零部件。运动系统主要包括全向轮底盘以及全向轮 Arduino 控制器。嵌入式开发板接收位移数据，计算各个全向轮速度，通过串口通信给全向轮控制器发布指令控制全向轮运动，实现机器人的全方位移动。机器人装载了机器人操作系统（ROS）具有完整的实时定位与地图构建（SLAM）框架。

（4）消毒动作

消毒模块的核心是喷雾发生器和紫外线光灯，根据需要两种消毒模式可以自由转换，采取消毒液消毒时，消毒液在离心力作用下将消毒液雾化并从上端口快速喷出。消毒装置开启或关闭由嵌入式开发板进行控制。利用视觉探测进行物品扫描，发现易腐蚀易吸收消毒液的物品则更换成紫外线消毒模式。

3.  项目创新特色概述；

将消毒机器人的研发过程进行模块化划分，项目研发过程使学生了解技术研发团队的并行工作方式，将课本上的专业知识转化为实际的开发经验，同时提高学生的团队意识、沟通能力和自学能力。

消毒机器人采取两种消毒模式，利用视觉扫描功能对工作环境进行信息采集，并对物品进行材质分析，避免消毒液喷洒对物品造成损害。

增设了楼梯攀爬功能，底盘安设四组三角滚轮，在平地上行驶时，其功能跟普通滚轮一样，在遇到楼梯时，三角滚轮就可以在楼梯上进行攀爬，并同时可以开启喷雾发生器，能够在楼道中进行消毒作业，降低了人力消耗。

设计了自动充电功能，采用电压检测芯片HT7033来检测电压，通过对电源的监测，当电量低于设定电量值，机器人能够按照预先设定好的充电路线，回到充电站进行充电。

4.  项目研究技术路线；

根据需求功能，消毒智能机器人的由机体结构、自主导航系统、旋转消毒发生器、楼梯攀爬组件、电能检测装置几部分组成，如图6所示 

（1）机体结构设计

消毒服务机器人主要组成部分包括:上部的整体消毒发生器、中下部的机身造型、底部的三角滚轮1和及内部构造四个部分。上部的旋转消毒发生器包括2排消毒喷雾口2和2条紫外线光灯3，中下部机身部分所占面积较大，且分布着不同的功能组件，包括屏幕显示器、运行指示灯、空间体积测量等等。主机身部位一般有平板显示器、操作按键、信号指示灯等。平板的显示屏幕分为LED显示屏，操作按键为触控式的按键，信号指示灯则有绿色和红色，正常运行时显示为绿色，出现异常或电量低显示红色。底盘设置三角滚轮，便于消毒机器人的移动和楼梯攀爬。如图7所示。

（2）自主导航系统设计

消毒机器人内部装载了机器人操作系统（ROS），ROS 导航首先通过定点定向来给 ROS发布运动消息。通过ROS内部模块AMCL（导航与定位）实现了自适应的蒙特卡罗定位方法，采用粒子滤波的方法对在已知地图中的机器人的姿态进行跟踪，从而来预估机器人传感器位姿，通过tf变换转化为机器人位姿与里程计信息（odometry source）一同传递给move_base包。地图服务器（map_server）和传感器（sensor sources）发出的消息会不断更新局部和全局代价地图。ROS提供的move_base包会尝试让机器人避开障碍物并移动到目标位置。

（3）旋转消毒发生器设计

消毒机器人上部为2排消毒喷雾口和2条紫外线光灯，为了实现针对性消毒，避免对易腐蚀、易吸收消毒液的物品进行喷洒，可以自由更换消毒模式，对易腐蚀、易吸收消毒液的物品更换成紫外线消毒模式。

（4）楼梯攀爬组件设计

消毒机器人底盘设置了四组三角滚轮，四组三角滚轮皆具有两个旋转自由度，即小车轮的旋转和轮辐的旋转运动。中间两个电机具有自锁功能，采用大减速比的蜗轮蜗杆减速系统，与小轴相连驱动小车轮，实现机器人前进、后退和越障。两侧的较大功率直流电机经减速后与电磁离合器相连，最后通过管轴驱动轮辐，实现机器人的爬楼动作，为了爬楼方便稳定，降低重心，所以底盘做得比较低。如图8所示。

（5）电能检测装置设计

采用电压检测芯片HT7033来检测电压。HT70XX系列具有接口简单，低功耗、低温度系数、高精度、参考源稳定性高、成本低等特点。电源电压是12V，需要在电源电压低于l0V时检测到电池欠压，HT70XX系列最大可检测电压是7V。