移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人設(shè)計(jì)與導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)

秦濤，任鵬，溫景陽(yáng)，石孝蘭，夏銘

(1.湖北文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng) 441053；2.康復(fù)醫(yī)學(xué)與康復(fù)工程技術(shù)襄陽(yáng)市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北襄陽(yáng) 441053)

0 前言

新冠疫情的發(fā)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(wù)迫在眉睫。而消毒防疫機(jī)器人憑借其高效作業(yè)能力和自主定位導(dǎo)航等功能，既避免了交叉感染，也減輕了作業(yè)量[1-2]。據(jù)中國(guó)人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟(AIIA)提供的數(shù)據(jù)，疫情爆發(fā)初期，人工智能抗疫的案例就已經(jīng)高達(dá)500多例[3]。因此，開(kāi)展消毒防疫機(jī)器人的研究極具社會(huì)實(shí)用價(jià)值。

消毒防疫機(jī)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(yī)護(hù)人員通過(guò)消毒防疫機(jī)器人與病人間接接觸，在人機(jī)交互功能下，實(shí)時(shí)掌握病人病情；在消毒、自主定位和路徑規(guī)劃功能下，完成隔離病房的消毒和配送任務(wù)等；(2)區(qū)域防疫。在重點(diǎn)管控區(qū)域和人流量大的公共區(qū)域，通過(guò)定位與自主導(dǎo)航功能，消毒防疫機(jī)器人可自主移動(dòng)到所有區(qū)域，完成消毒殺菌、體溫檢測(cè)、疫情播報(bào)和巡檢探查等防疫任務(wù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域防疫任務(wù)的全覆蓋；(3)日常服務(wù)。在一些人手不足或者人員不能輕易進(jìn)去的地方，消毒防疫機(jī)器人可以提供配送等任務(wù)，如快遞的無(wú)接觸配送[4-6]。

丹麥 UVD Robots 公司研發(fā)的UV-C紫外線消毒防疫機(jī)器人[7]主要應(yīng)用于常規(guī)的清潔消毒，目的是阻止病菌在環(huán)境中的傳播，其主要特點(diǎn)是小巧靈活，可輕松通過(guò)較窄的通道。VYSHNAVI 等[8]開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)紫外線的消毒機(jī)器人，當(dāng)檢測(cè)到活體時(shí)，機(jī)器人就會(huì)停止工作；當(dāng)活體離開(kāi)消毒區(qū)域時(shí)，再次開(kāi)啟機(jī)器人的工作模式。韓國(guó)研究人員開(kāi)發(fā)了一種自主導(dǎo)航機(jī)器人[9]，能夠識(shí)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(kāi)發(fā)的移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人[10]搭載了自主研發(fā)的全新復(fù)合型定位導(dǎo)航方案，無(wú)需人員值守，具有定向消毒功能，可針對(duì)指定位置進(jìn)行消毒。澳門(mén)大學(xué)科技學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)了一種新型經(jīng)濟(jì)高效的室內(nèi)自主移動(dòng)消毒機(jī)器人[11]，它集成了輪式移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)和過(guò)氧化氫霧化裝置，可在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中完成自主消毒防疫任務(wù)。消毒模塊能夠?qū)⑦^(guò)氧化氫液體轉(zhuǎn)化為微米大小的干霧，進(jìn)行有效的空間消毒。中山大學(xué)第三附屬醫(yī)院研制了一種應(yīng)用于新型冠狀病毒肺炎的智能消毒機(jī)器人[12]，在消毒模式上集成了基本消毒模式和結(jié)合多種消毒模式的功能，可滿足醫(yī)院多環(huán)境中的各種消毒需求。

綜上所述，加強(qiáng)消毒防疫機(jī)器人的研發(fā)與推動(dòng)工作，不僅能在疫情防控中提供助力，而且可推動(dòng)我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的快速可持續(xù)發(fā)展。因此，本文作者設(shè)計(jì)一款具有減振緩沖裝置的移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人，集成紫外線和噴霧消毒的消毒模塊可自動(dòng)升降，以滿足不同高度區(qū)域的消毒需求。

1 移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)

1.1 移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人需求分析

在結(jié)構(gòu)方面，移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人整體應(yīng)具備穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，移動(dòng)底盤(pán)的設(shè)計(jì)要具備抗傾覆能力、減振功能和全向移動(dòng)功能，以便移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人負(fù)載運(yùn)行、爬坡和越障時(shí)能始終保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在消毒方式上，在多功能集成的同時(shí)還需要根據(jù)人機(jī)共存條件和機(jī)器人結(jié)構(gòu)層面進(jìn)行綜合考慮，比如，紫外線消毒需要在無(wú)人環(huán)境下工作。在功能上，移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人需具備室內(nèi)定位和自主導(dǎo)航功能。在軟硬件配置方面，移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人需具備和需求相匹配的軟硬件，在經(jīng)濟(jì)實(shí)用的前提下，盡可能提高硬件配置。

1.2 移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人總體方案

基于前述需求分析，設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于室內(nèi)的移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人，如圖1所示。消毒防疫機(jī)器人分為移動(dòng)底盤(pán)和消毒模塊兩部分。通過(guò)移動(dòng)底盤(pán)將消毒防疫機(jī)器人移動(dòng)到待消毒區(qū)域，當(dāng)待消毒區(qū)域沒(méi)有人時(shí)，通過(guò)紫外線燈進(jìn)行大范圍消毒，以便快速對(duì)待消毒區(qū)域進(jìn)行消毒；當(dāng)待消毒區(qū)域內(nèi)有人時(shí)，通過(guò)噴霧消毒方式進(jìn)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(jī)器人能夠適應(yīng)不同情況，有助于提高消毒防疫機(jī)器人的適用性。

圖1 移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

1.2.2 移動(dòng)底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)底盤(pán)如圖2所示，包括主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、減振緩沖裝置、電源、激光雷達(dá)等主體部分。由于消毒防疫任務(wù)一般位于室內(nèi)，對(duì)越障能力要求不高，因此選擇較為常用的差分驅(qū)動(dòng)方式，其主動(dòng)輪分布在車體中心兩側(cè)。減振緩沖裝置分布在機(jī)器人底盤(pán)兩側(cè)并與驅(qū)動(dòng)輪平行，可消除車體運(yùn)動(dòng)時(shí)造成的大部分振動(dòng)。在電源的選擇上，根據(jù)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(dá)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)所遮擋，影響數(shù)據(jù)的觀測(cè)。

圖2 移動(dòng)底盤(pán)結(jié)構(gòu)

根據(jù)消毒防疫需求，結(jié)合移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人工作環(huán)境，所設(shè)計(jì)的移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人底盤(pán)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)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(dòng)底盤(pán)具備的基本技術(shù)指標(biāo)

1.2.3 消毒模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研知，消毒模式面臨著人機(jī)共存、消毒過(guò)于分散的問(wèn)題。人機(jī)共存問(wèn)題即移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人的紫外線消毒方式需要避開(kāi)有人的環(huán)境，如果在人流量較大的環(huán)境中，就不應(yīng)該選擇紫外線消毒方式。移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人的消毒環(huán)境比較復(fù)雜時(shí)，噴霧消毒方式對(duì)空氣中的消毒效果明顯，但在一些具體的地方，如墻壁、門(mén)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(shè)計(jì)需要具備可升降功能，使消毒作業(yè)的范圍可以近距離覆蓋室內(nèi)較高位置。

基于消毒防疫任務(wù)中消毒徹底、不留死角和較高位置消毒的需求，設(shè)計(jì)紫外線和噴霧消毒功能相結(jié)合的消毒模塊且可自動(dòng)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(jī)構(gòu)。噴霧裝置用于執(zhí)行消毒液的噴霧消毒；紫外線消毒燈用于對(duì)環(huán)境進(jìn)行紫外線消毒殺菌；升降機(jī)構(gòu)用于噴霧裝置的升降，使噴霧裝置在室內(nèi)較高的地方也能通過(guò)升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行消毒，當(dāng)工作環(huán)境中有人存在時(shí)，紫外線消毒燈可以隱藏于消毒模塊內(nèi)部，提高了消毒的便捷性和安全性。

1.3 移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 多傳感器融合定位框架設(shè)計(jì)

移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人的定位方式為自主定位，所以會(huì)受傳感器性能的限制，導(dǎo)致定位精準(zhǔn)度、魯棒性差，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。而多傳感器融合定位是解決室內(nèi)定位問(wèn)題的主流方案，目前研究較多的有激光雷達(dá)+慣性單元、視覺(jué)+慣性單元、激光雷達(dá)+視覺(jué)等融合定位方案[13]。當(dāng)前，激光雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而視覺(jué)定位技術(shù)還處于發(fā)展初期階段，為保證移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人在技術(shù)上的穩(wěn)定性，采用里程計(jì)、IMU和單線激光雷達(dá)相融合的技術(shù)方案，完成移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人的定位任務(wù)。

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(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和多傳感器數(shù)據(jù)融合定位系統(tǒng)。地圖匹配定位系統(tǒng)由激光雷達(dá)組成。

圖3 多傳感器融合定位框架

1.3.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

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(dòng)消毒防疫機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

基于速度的運(yùn)動(dòng)模型采用旋轉(zhuǎn)和平移速度控制移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，其原理是向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送速度指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，應(yīng)用較多的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有同步驅(qū)動(dòng)、阿克曼驅(qū)動(dòng)和差分驅(qū)動(dòng)[14]。本文作者采用的是差分驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)模型如圖8所示。

設(shè)t-1 時(shí)刻，移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人的位姿為[xt-1,yt-1,θt-1]T，平移速度和旋轉(zhuǎn)速度分別為vt-1、ωt-1。當(dāng)移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人以點(diǎn)P為圓心、R為半徑作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，可計(jì)算圓心的位置[xc，yc]T：

(1)

經(jīng)過(guò)時(shí)間Δt，可得t時(shí)刻移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人的位姿[xt,yt,θt]T，如公式(2)所示：

(2)

在t-1和t時(shí)刻，移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人的位姿和速度控制量的關(guān)系如公式(3)所示：

(3)

移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人的速度運(yùn)動(dòng)模型是指在有控制量和噪聲干擾的情況下，機(jī)器人從上一時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)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(dòng)消毒防疫機(jī)器人的速度運(yùn)動(dòng)模型，滿足如下關(guān)系式：

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

(4)

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

(5)

3 移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人自主導(dǎo)航仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人ROS框架

移動(dòng)消毒機(jī)防疫器人裝載了機(jī)器人操作系統(tǒng)(Robot Operating System，ROS)，具有完整的實(shí)時(shí)定位與地圖構(gòu)建(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)框架[15]。ROS端模塊軟件部分根據(jù)功能實(shí)現(xiàn)分為硬件接口層、運(yùn)動(dòng)控制層、規(guī)劃層和人機(jī)交互層，共4個(gè)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(qū)動(dòng)器、電源模塊、激光雷達(dá)、IMU和深度相機(jī)等的通信與控制；運(yùn)動(dòng)控制層主要完成運(yùn)動(dòng)學(xué)控制與運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、里程計(jì)推算等;規(guī)劃層包括地圖構(gòu)建、自主導(dǎo)航定位等；人機(jī)交互層主要包括Rviz和遙控器手柄。該軟件架構(gòu)層級(jí)分明，模塊間獨(dú)立性較高，可以使移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人具備更多的擴(kuò)展性，方便其他功能的開(kāi)發(fā)。

圖9 ROS模塊軟件架構(gòu)

3.2 移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人環(huán)境地圖構(gòu)建

為使移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境更加貼近實(shí)際，基于防疫消毒任務(wù)的需求，還原疫情期間方艙醫(yī)院隔離病房的設(shè)計(jì)布局，參照此布局設(shè)計(jì)移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人的運(yùn)行場(chǎng)景，如圖10所示，具體包括：起點(diǎn)、醫(yī)護(hù)走廊、醫(yī)護(hù)緩沖區(qū)、衛(wèi)生間、病床、床頭柜、配藥區(qū)、消毒區(qū)、交叉緩沖區(qū)。在三維物理仿真平臺(tái) Gazebo下進(jìn)行仿真環(huán)境模型搭建，如圖11所示。機(jī)器人默認(rèn)位置加載在藍(lán)色的交叉緩沖區(qū)，圖中藍(lán)色的區(qū)域?yàn)榧す饫走_(dá)所掃描到的范圍，各場(chǎng)景布局與圖10相互對(duì)應(yīng)。

圖10 SLAM地圖構(gòu)建路線

圖11 Gazebo中仿真環(huán)境模型

采用Gmapping算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，控制移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人按照路線行駛一圈，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人在Gazebo中的仿真建圖過(guò)程如圖12所示。機(jī)器人按照行駛路線行駛一周后的Gmapping建圖結(jié)果如圖13所示。從特征點(diǎn)識(shí)別情況看，Gmapping算法在建圖過(guò)程中較為清晰地識(shí)別到特征點(diǎn)，建圖效果較好。建圖平面內(nèi)軌跡跟蹤結(jié)果如圖14所示，可見(jiàn)移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人的軌跡較為清晰，是一條快封閉的圈形，說(shuō)明定位信息比較精準(zhǔn)。

圖12 Gmapping的仿真建圖

圖13 Gmapping建圖結(jié)果

圖14 建圖平面內(nèi)軌跡跟蹤結(jié)果

3.3 移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人自主導(dǎo)航仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證自主導(dǎo)航系統(tǒng)的可行性，基于消毒防疫需求以及方艙醫(yī)院的設(shè)計(jì)布局，開(kāi)展移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人路徑規(guī)劃仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步應(yīng)用 ROS中的Rviz 進(jìn)行仿真模擬。消毒防疫需求包括消毒防疫機(jī)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(diǎn)完成消毒殺菌作業(yè)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示，可知：機(jī)器人能完成導(dǎo)航任務(wù)，并成功繞開(kāi)障礙物，到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。

圖15 機(jī)器人自主導(dǎo)航仿真結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)病房復(fù)雜室內(nèi)空間消毒的綠色化和自動(dòng)化，設(shè)計(jì)了一種具備紫外線消毒和噴灑霧狀消毒功能的移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人，主要研究成果包括：

(1)基于消毒防疫的現(xiàn)實(shí)需求分析，提出了一種移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了機(jī)器人的移動(dòng)底盤(pán)、消毒模塊和交互控制系統(tǒng)的軟硬件；

(2)以方艙醫(yī)院為原型，設(shè)計(jì)搭建了消毒防疫機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景，基于ROS進(jìn)行了移動(dòng)消毒防疫機(jī)器人工作自主導(dǎo)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(dòng)消毒防疫機(jī)器人的基本需求。