次氯酸消殺機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)踐

鐘柱培 李寶琴

摘 要：2020年以來，新冠肺炎疫情全球蔓延，感染人數(shù)不斷上升，不僅嚴(yán)重危害人們生命安全和身體健康，還對社會經(jīng)濟(jì)、貿(mào)易、生產(chǎn)、生活產(chǎn)生巨大負(fù)面影響。本文介紹一種對人體無害并結(jié)合機(jī)器人進(jìn)行自動消殺的新機(jī)器—次氯酸消殺機(jī)器人，應(yīng)用次氯酸消殺機(jī)器人對環(huán)境進(jìn)行滅菌消殺，殺死各類細(xì)菌及病毒（包括新型冠狀病毒），確保人們生活環(huán)境安全舒適健康。

關(guān)鍵詞：次氯酸；消殺；機(jī)器人；實(shí)踐

0 引言

2020年以來，新冠肺炎疫情全球蔓延，感染人數(shù)不斷上升，這既危害著人們生命安全與身體健康，又影響社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展；既打亂了人們?nèi)粘５恼Ｉ钆c工作，又干擾了人們正常的學(xué)習(xí)與研究。面對新冠肺炎疫情，國家堅(jiān)持把人民生命放在第一位，采取“外防輸入、內(nèi)防反彈”和“動態(tài)清零”的方針策略，做好各項(xiàng)疫情防控工作，一方面鼓勵人們采取“居家隔離”“勤洗手”“戴口罩”等有力措施切斷疫情傳播；另一方面嚴(yán)格對環(huán)境進(jìn)行滅菌消殺，殺死新型冠狀病毒，確保人民群眾有安全舒適健康的生活環(huán)境。在對環(huán)境進(jìn)行滅菌消殺中，有的對社區(qū)公共區(qū)域、垃圾容器、垃圾收集轉(zhuǎn)運(yùn)站、公共廁所等環(huán)衛(wèi)設(shè)施噴灑消毒液進(jìn)行消殺；有的采用祡外線對辦公環(huán)境進(jìn)行滅菌消殺等。而在辦公環(huán)境、食堂、商場、公園廣場、居民社區(qū)、政務(wù)大廳等場所不可能長時間采用紫外線照射和長時間噴灑消毒藥水的做法，因?yàn)檫@些方法對人體都有一定的傷害，有沒有一種消殺對人體無害呢？本文介紹一種對人體無害并結(jié)合機(jī)器人進(jìn)行自動消殺的新機(jī)器—次氯酸消殺機(jī)器人，應(yīng)用次氯酸消殺機(jī)器人對環(huán)境自動進(jìn)行滅菌消殺。

1 次氯酸消殺原理

新型冠狀病毒肺炎疫情爆發(fā)初期，受李蘭娟院士次氯酸可以消殺新冠病毒實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，學(xué)校成立一個校企深度融合的研制團(tuán)隊(duì)，第一時間進(jìn)行科學(xué)性的收集、篩選與整合相關(guān)資料，經(jīng)過討論、分析、測試等多個復(fù)雜的環(huán)節(jié)，從環(huán)保節(jié)能、經(jīng)濟(jì)適用等方面進(jìn)行綜合考慮，最后采用了鹽水電解生成產(chǎn)物并進(jìn)行二次化學(xué)反應(yīng)生成次氯酸的技術(shù)路線進(jìn)行消殺，如圖1、圖2所示。

從上述的化學(xué)方程式中可以知道，最終生成物質(zhì)主要是次氯酸和次氯酸鈉，次氯酸鈉是一種離子化合物，強(qiáng)堿弱酸鹽，具有漂白、殺菌、消毒的作用，常用于漂白、工業(yè)廢水處理、造紙等領(lǐng)域；而次氯酸是共價化合物，濃溶液呈黃色，稀溶液無色，具有強(qiáng)氧化性和還原性，是一種比較安全的消毒劑，常常用于物體表面和室內(nèi)空氣的殺菌消毒。在新冠疫情爆發(fā)初期，國家衛(wèi)健委在《國家衛(wèi)生健康委辦公廳關(guān)于印發(fā)消毒劑使用指南的通知》中指出，次氯酸消毒劑能殺滅冠狀病毒，是一種安全殺毒比較好的消毒劑。當(dāng)次氯酸與病毒發(fā)生作用時，因?yàn)樗肿有?，不帶電荷，它很容易侵入病毒?nèi)與蛋白質(zhì)發(fā)生氧化作用或破壞其磷酸脫氫酶，使糖代謝失調(diào)導(dǎo)致病毒死亡，從而達(dá)到消殺之目的。

2 次氯酸消殺機(jī)器人組成及工作原理

電解次氯酸消殺機(jī)器人是一款經(jīng)濟(jì)安全、高標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的工業(yè)級人工智能環(huán)境消毒系統(tǒng)。原材料只需要水+鹽，通過電解模塊對鹽水進(jìn)行電解生產(chǎn)次氯酸鈉消毒水，再經(jīng)過霧化由噴灑模塊噴灑到環(huán)境中進(jìn)行消殺各類病毒與細(xì)菌，這種消殺是環(huán)保型的消殺方式，氯酸消殺機(jī)器人實(shí)物如圖3所示。

次氯酸消殺機(jī)器人主要由AGV機(jī)器人和電解次氯酸消殺兩大部分組成，其控制電路由磁導(dǎo)航傳感器、光電傳感器、可編程控制器、直流驅(qū)動器、左右行走電機(jī)、電解噴霧器和語音播報(bào)器等模塊組成，組成框圖如圖4所示。

2.1 磁導(dǎo)航傳感器

磁導(dǎo)航傳感器是用來檢測弱磁裝置的一種傳感器，是機(jī)器人AGV小車的一個重要檢測器件，其作用是利用電磁原理檢測弱磁場，確定機(jī)器人AGV小車的行車路線，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人AGV小車的自動控制。一般來說，磁導(dǎo)航傳感器安裝在機(jī)器人AGV小車的底部，通過感應(yīng)磁條磁釘?shù)拇艌雠袛鄼C(jī)器人AGV的相對偏移量，來確定機(jī)器人AGV小車自動行走的路線。本消殺機(jī)器人（AGV小車）采用CNS-MGS-08型的磁導(dǎo)航傳感器，如圖5所示。它安裝在消殺機(jī)器人AGV車體前方的底部，距離貼在地面的磁條表面約25 mm，磁條寬度視實(shí)際檢測情況，可選擇為30 mm或50 mm。磁導(dǎo)航傳感器（CNS-MGS-08）在其內(nèi)部間隔10 mm的地方平均排布的8個采樣點(diǎn)，每一個采樣點(diǎn)都可以感應(yīng)磁條的弱磁場并將磁信號變換為電信號輸出，磁導(dǎo)航傳感器不斷連續(xù)采樣，每個采樣點(diǎn)檢測都檢測到不同大小的電信號，通過對8個采樣點(diǎn)路信號比較分析，就可以判斷磁條相對于CNS-MGS-08型磁導(dǎo)航傳感器的偏離位置，AGV機(jī)器人會自動調(diào)整，確保機(jī)器人小車沿磁條正確前行。

2.2 光電傳感器

本電路的光電傳感器采用反射式光電傳感器（P18-D1000N-S14U2），實(shí)物如圖6所示。反射式光電傳感器是將發(fā)射管（紅外發(fā)光管）和接收管（光敏三極管）以相同的方向安裝在固定支架上，當(dāng)有物體靠近反射式光電傳感器檢測區(qū)域時，發(fā)射管（紅外發(fā)光管）發(fā)出的光線通過物體反射到接收管（光敏三極管）上，使接收管（光敏三極管）導(dǎo)通，傳感器輸出相應(yīng)的高電平或低電平。為了更準(zhǔn)確檢測與判斷消殺機(jī)器人前方是否有人和故障物，本設(shè)計(jì)方案是在次氯酸消殺機(jī)器人的前方均衡放置三個反射式光電傳感器，以達(dá)到消殺機(jī)器人前方環(huán)境全覆蓋的目的。

2.3 可編程控制器

可編程控制器又稱為PLC，是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。它采用可編程的存儲器執(zhí)行存儲邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)等邏輯運(yùn)算操作的指令，以控制各類型設(shè)備或生產(chǎn)過程。本消殺機(jī)器人采用的可編程控制器是FGRB-C8X8T-2/2，它根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)分析，按照預(yù)定的走行決策及路徑所編寫的程序，控制左右行走電機(jī)的正常運(yùn)行。

2.4 直流驅(qū)動器

直流驅(qū)動器可分為有刷驅(qū)動器和無刷驅(qū)動器兩種。本消殺機(jī)器人采用直流無刷驅(qū)動器（CNS-BLD30HB），控制電路接線如圖8所示。直流無刷驅(qū)動器是一款多功能、高性能、全數(shù)字式的直流無刷驅(qū)動器，具有靈活多樣的輸入控制方式、極高的調(diào)速比、低噪聲和完善的軟硬件保護(hù)功能，驅(qū)動器可通過端口與計(jì)算機(jī)相連，調(diào)整電機(jī)參數(shù)、加減速時間和IO輸入輸出狀態(tài)設(shè)置等參數(shù)設(shè)置。

2.5 左右行走電機(jī)

左右行走電機(jī)是AGV小車重要的執(zhí)行部件，本消殺機(jī)器人的左右行走電機(jī)采用無刷直流電動機(jī)（4GN 50RC），是一種典型的將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)電一體化設(shè)備，具有響應(yīng)快速、起動轉(zhuǎn)矩大、使用壽命長等特點(diǎn)。

2.6 次氯酸發(fā)生器

次氯酸發(fā)生器利用電化學(xué)活化（ECA）技術(shù)，僅以鹽和水為原料，通過陶瓷納米隔膜的電解槽，生產(chǎn)出一定濃度、高穩(wěn)定性的次氯酸溶液，整個生產(chǎn)過程不存在任何潛在危害。根據(jù)歐盟EC 1907-2006規(guī)范，次氯酸被定義為“安全、無毒”的殺菌產(chǎn)品。次氯酸發(fā)生器生產(chǎn)200-1 000 ppm的次氯酸（pH值的調(diào)節(jié)范圍：3.0-8.5）經(jīng)過消殺機(jī)器人的噴頭對環(huán)境進(jìn)行殺毒。機(jī)器人的噴頭采用壓流和風(fēng)力的二次霧化，經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)風(fēng)道噴灑，霧滴附著率高，藥液利用率高。

2.7 語音播報(bào)器

語音播報(bào)器是次氯酸消殺機(jī)器人工作狀態(tài)現(xiàn)場反饋信息的必不可少的配件，主要功能為次氯酸消殺機(jī)器人提供聲音提醒與音樂播放，有開機(jī)音、運(yùn)行音、故障提醒音（障礙物報(bào)警、機(jī)器人異常報(bào)警、交通管制報(bào)警等）、到站提醒音、點(diǎn)料系統(tǒng)提示音（叫料點(diǎn)提示、發(fā)料點(diǎn)提示）等不同過程的聲音提醒，當(dāng)然也可以錄制不同的聲音作為宣傳廣播之用。

2.8 消殺機(jī)器人操作與調(diào)試

在消殺現(xiàn)場，人工規(guī)劃好消殺路線，并在預(yù)定的路線上安裝磁條，磁條寬度為30 mm或者是50 mm，把消殺機(jī)器人放置在磁條上方，打開機(jī)器人的電源開關(guān)，正常時綠色帶燈按鈕燈為常亮狀態(tài)，若綠色按鈕燈閃爍，說明消殺機(jī)器人的磁導(dǎo)航傳感器沒有與磁條配合，此時需挪動機(jī)器人，令綠色帶燈按鈕燈常亮，調(diào)試完畢。在次氯酸發(fā)生器倒入合適的鹽水，預(yù)熱約5分鐘，確保次氯酸發(fā)生器生產(chǎn)200-1 000 ppm的次氯酸（pH值的調(diào)節(jié)范圍：3.0-8.5），打開機(jī)器人上方的消毒霧化旋鈕，調(diào)整到合適的出物量。按下機(jī)器人的綠色帶燈按鈕，機(jī)器人啟動，沿著磁條運(yùn)行消菌殺毒，機(jī)器人走到站的掉頭橫向磁條時，機(jī)器人會自動停止然后反向運(yùn)行，如此往返進(jìn)行殺毒。當(dāng)機(jī)器人前方30CM范圍內(nèi)有人或物體擋住，機(jī)器人會自動停止并發(fā)出報(bào)警聲音。

3 研究成果

次氯酸消殺機(jī)器人是一款經(jīng)濟(jì)安全、高標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的工業(yè)級人工智能環(huán)境消毒系統(tǒng)，消殺的原材料只需要水+鹽，就可以通過電解模塊生產(chǎn)次氯酸鈉消毒水，再霧化噴灑到環(huán)境中進(jìn)行消殺，是綠色環(huán)保型的消殺方式，消殺效果好，對人體無害，根據(jù)廣東省微生物分析檢測中心的報(bào)告顯示，樣品的細(xì)菌消殺率達(dá)到99.99%以上，產(chǎn)生的PH值和有效氯含量均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，如圖5所示。

消殺機(jī)器人底盤采用先進(jìn)的動力系統(tǒng)懸掛裝置，有著優(yōu)異的平穩(wěn)性和地面適應(yīng)性能、高級別的越障越坎能力、精確導(dǎo)航能力，完善的語音播報(bào)系統(tǒng)輔助政務(wù)宣傳功能，它適用于學(xué)校、商場、公園廣場、食堂、政務(wù)大廳等場所，又可替代一線工作人員進(jìn)入容易產(chǎn)生易交叉感染的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行消殺作業(yè)，提升精準(zhǔn)消殺的能力，大大提高日常防疫消毒工作效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 杜從商.PLC編程應(yīng)用基礎(chǔ)（三菱）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2010：1-50.

[2] 鐘柱培.傳感器技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2015： 15-78.

[3] 丁繼斌.傳感器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：82-93.

[4] 松井邦彥.傳感器應(yīng)用技巧141例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005： 1-33.

[5] 伍湘彬.電子測量儀器與應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2016： 61-120.

[6] 于寶明，張園.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2016：16-26.

[7] 楊少光.機(jī)電一體化設(shè)備的組裝與調(diào)試[M].南寧：廣西教育出版社，2009：175-216.

[8] 聶輝海.傳感器技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012： 29-61.

[9] 劉載興，陳宏鏡.積木式編程開發(fā)[M].北京：高等教育出版社，2015： 96-113.

[10] 鐘柱培.自動化控制元件及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2012： 6-54.

[11] 朱永金，成友才.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)（C語言）[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2007：191-198.

[12] 王洪，唐鍇.電機(jī)設(shè)備安裝與維護(hù)[M].北京：科學(xué)出版社，2011： 73-112.

[13] 謝文，劉蕊.傳感器技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社， 2009：92-113.

[14] 何翠，楊光永，徐天奇. AGV磁導(dǎo)航信號的研究與仿真[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2019，（7）：72-73.