基于Arduino板控制的智能消毒測(cè)溫機(jī)器人

陳文濤 ， 李博宏 ， 陳 洋 ， 宋釗慰 ， 穆德敏，2

（1.沈陽(yáng)工學(xué)院機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 撫順 113122；2.沈陽(yáng)工學(xué)院遼寧省數(shù)控機(jī)床信息物理融合與智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

0 引言

傳統(tǒng)的測(cè)溫機(jī)器人不可以移動(dòng)也不可以消毒殺菌，存在性能低、性價(jià)比低、效率低、人力勞動(dòng)需求大等缺點(diǎn)。目前，市面上的測(cè)溫機(jī)器人設(shè)備還存在占地面積大、成本高、不能消毒殺菌等問(wèn)題。而基于Arduino板控制的智能消毒測(cè)溫機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率高，這些特點(diǎn)使其擁有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

本文提出的基于Arduino板控制的智能消毒測(cè)溫機(jī)器人，可在人員流動(dòng)密集場(chǎng)所消毒滅菌，在實(shí)現(xiàn)測(cè)溫消菌的同時(shí)，還可以為場(chǎng)地節(jié)省大量的空間，并且操作簡(jiǎn)單，維修方便，智能化程度比較高，符合我國(guó)疫情防控的需要。

該基于Arduino板控制的智能消毒測(cè)溫機(jī)器人（下文簡(jiǎn)稱機(jī)器人），適用于疫情防護(hù)重點(diǎn)區(qū)域的人群及流感高發(fā)地區(qū)。同時(shí)，可以進(jìn)行商場(chǎng)、火車站、地鐵等人口密集區(qū)域的專業(yè)消毒清潔，極大地減少了人力資源浪費(fèi)，提高了防疫效率。

1 機(jī)器人項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)目的

在當(dāng)今疫情防控殺菌消毒常態(tài)化的形勢(shì)下，最重要的措施之一就是對(duì)人群進(jìn)行體溫檢測(cè)，利用機(jī)器人代替人工勞動(dòng)，可以降低工作人員感染病毒的風(fēng)險(xiǎn)，還可以對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)及消毒，切斷傳播途徑[1]。

1.2 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)思路

項(xiàng)目靈感來(lái)源于防疫消殺“小坦克”。本文提出的機(jī)器人還延伸出檢測(cè)溫度、消毒殺菌的功能并改善了裝置外形，使其更智能、小巧，操作更簡(jiǎn)易，續(xù)航能力更強(qiáng)，從而適應(yīng)更廣的工作環(huán)境及使用群體。該機(jī)器人在未來(lái)將被應(yīng)用到更多公共場(chǎng)所。除火車站、飛機(jī)場(chǎng)外，還會(huì)被應(yīng)用于學(xué)校、社區(qū)等，要想更好地推廣該機(jī)器人，使更多的人受益，該機(jī)器人至少具備以下5個(gè)特征：一是不需要額外編程的同時(shí)擁有簡(jiǎn)單易操作的控制界面，使用者通過(guò)機(jī)器人說(shuō)明書或簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可進(jìn)行簡(jiǎn)單操作；二是降低機(jī)器人發(fā)生故障的概率；三是減小機(jī)器人的體積，方便機(jī)器人進(jìn)入走廊過(guò)道、人員密集的狹小空間進(jìn)行消毒，使消毒工作領(lǐng)域更全面；四是智能計(jì)算不同環(huán)境所需的消毒液劑量，通過(guò)科學(xué)算法得出所需的消毒液使用量，減少消毒液的浪費(fèi)；五是降低機(jī)器人價(jià)格成本，讓更多的單位和個(gè)人能接觸到并能承擔(dān)機(jī)器人的費(fèi)用，使其能夠在更多場(chǎng)所應(yīng)用[2]。

1.3 機(jī)器人系統(tǒng)總體架構(gòu)

機(jī)器人頭部采用了Arduino控制板控制紅外測(cè)溫傳感器，溫度顯示屏如圖1（a）所示，還具有噴霧模塊、水箱，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、顯示溫度以及消毒殺菌等功能。機(jī)器人身體內(nèi)部有車輪舵機(jī)、電源、Arduino控制板、杜邦線、萬(wàn)向球，頭部和機(jī)身采用磁吸式連接，內(nèi)部?jī)啥擞腥f(wàn)向球進(jìn)行平衡，由無(wú)線遙控手柄控制舵機(jī)移動(dòng)方向，增強(qiáng)機(jī)器人的實(shí)用性和操作性，方便快捷。

紅外熱成像技術(shù)：利用紅外感應(yīng)探測(cè)器和光學(xué)成像原理的物鏡接受被測(cè)目標(biāo)紅外輻射出的能量，獲得紅外熱像圖（人體表面的熱分布場(chǎng)），這樣就實(shí)現(xiàn)了體溫測(cè)量。

機(jī)器人的核心器件為Arduino控制板，Arduino板是一款便捷靈活、簡(jiǎn)單易操作的開(kāi)源硬件產(chǎn)品。機(jī)器人還采用了MLX90614紅外測(cè)溫傳感器，MLX90614是一種非接觸式紅外測(cè)溫器件，它的內(nèi)部采用低噪聲放大器、17bA/D轉(zhuǎn)換器和功能強(qiáng)大的DSP處理器單元，因此具有較高的溫度分辨率和測(cè)量精度；它的溫度計(jì)測(cè)溫范圍為-40 ℃~+125 ℃，出廠前經(jīng)過(guò)工廠校正，具有數(shù)字PWM和SMBus輸出方式。非接觸式監(jiān)測(cè)溫度比普通測(cè)溫傳感器監(jiān)測(cè)距離更遠(yuǎn)，大大提升了監(jiān)測(cè)效率，測(cè)溫后利用振片噴霧進(jìn)行消毒殺菌，振片噴霧裝置如圖1（b）所示，消毒氣體快速在空氣中擴(kuò)散，增加消毒的覆蓋性；裝置設(shè)計(jì)主要構(gòu)成為車載信息采集與傳輸裝置、現(xiàn)場(chǎng)操作終端和監(jiān)控中心系統(tǒng)；車載信息采集裝置與信息傳輸裝置通過(guò)有線/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)操作終端以及操作人員監(jiān)控中心系統(tǒng)連接，人機(jī)交互部分工作流程如圖2所示，以此實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)操作終端和其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換[3-4]。

圖1 機(jī)器人系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2 人機(jī)交互部分工作流程圖

2 操作說(shuō)明

利用遙控器控制機(jī)器人的移動(dòng)行進(jìn)，實(shí)現(xiàn)在亞克力球內(nèi)部的差速轉(zhuǎn)彎以及前后移動(dòng)。當(dāng)行人靠近機(jī)器人時(shí)，利用遠(yuǎn)程遙控發(fā)射指令，MLX90614紅外測(cè)溫傳感器便會(huì)對(duì)行人進(jìn)行測(cè)溫并將結(jié)果反饋到顯示屏上。其測(cè)溫結(jié)果將會(huì)在顯示屏上停留15 s以便行人知曉。溫度顯示5 s后隨即通過(guò)繼電器給電進(jìn)行10 s的消毒工作，噴霧將會(huì)從機(jī)器人頭部的四個(gè)振片噴出，以此來(lái)對(duì)行人進(jìn)行消毒。

在密集人群測(cè)溫工作結(jié)束之后，可以通過(guò)外接雙氧水儲(chǔ)存裝置，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)以及周邊公共區(qū)域進(jìn)行消毒。

3 機(jī)器人數(shù)據(jù)計(jì)算分析

3.1 電機(jī)拖動(dòng)參數(shù)

與現(xiàn)今市場(chǎng)其他設(shè)備相比，該設(shè)備信號(hào)傳輸范圍達(dá)到500 bps~2 500 bps，工作電壓也相對(duì)穩(wěn)定在4.8 V~7 V。電機(jī)的全速正轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)可達(dá)500 μs~1 000 μs，減速正轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)為1 000 μs~1 450 μs；極大地提高了電機(jī)的穩(wěn)定性與高效性。

標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速為47 r/min、55 r/min、65 r/min。停止用時(shí)為1 450 μs~1 550 μs（無(wú)鎖止）。加速反轉(zhuǎn)用時(shí)為1 550 μs ~2 000 μs，全速反轉(zhuǎn)用時(shí)可達(dá)2 000 μs ~2 500 μs。

3.2 Arduino控制板參數(shù)

中央處理器的型號(hào)是ATMEGA328P，該處理器處理速率高，傳輸信號(hào)穩(wěn)定。它的工作電壓為5 V，其中輸入電壓是7 V~12 V；擁有6個(gè)數(shù)字I/O口，I/O口的直流電流為40 mA。3.3 V端口的直流電流為50 mA；配備數(shù)據(jù)容量為32 KB的Flash Memory快閃儲(chǔ)存器；SRAM設(shè)備傳輸信號(hào)為2 KB，其擁有高速運(yùn)轉(zhuǎn)的CPU，能夠保證設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的流暢程度以及數(shù)據(jù)處理的穩(wěn)定性；EEPROM數(shù)據(jù)容量為1 KB，ATMEGA328P時(shí)鐘工作頻率為16 MHz，可以延長(zhǎng)機(jī)器設(shè)備的使用壽命。

4 機(jī)器人功能介紹與分析

4.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)功能

本產(chǎn)品包括機(jī)身、車輪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、磁吸支撐機(jī)構(gòu)、測(cè)溫模塊、消毒模塊、萬(wàn)向球平衡機(jī)構(gòu)。其機(jī)身采用PLA材質(zhì)通過(guò)3D打印一體成型。3D打印這一流程，更多地引入了機(jī)械加工與檢測(cè)過(guò)程，為“中國(guó)制造2025”奠定基礎(chǔ)[5]。機(jī)器人機(jī)身上端包括測(cè)溫模塊和消毒模塊，測(cè)溫模塊包括二維碼模塊、測(cè)溫顯示模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊，其中，消毒模塊包括噴霧消毒模塊和蓄水箱，蓄水箱固定在半球內(nèi)部；機(jī)器人機(jī)身下端包括車輪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和萬(wàn)向球平衡機(jī)構(gòu)，車輪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括車輪、舵機(jī)、電機(jī)和支撐機(jī)構(gòu)，萬(wàn)向球平衡機(jī)構(gòu)安裝在支撐機(jī)構(gòu)的兩側(cè)，磁吸支撐機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)身上下部分，用于機(jī)身的連接[6]。并且，AI無(wú)接觸體溫篩查和預(yù)警可以減少人與人之間的接觸，避免病毒的傳播。綜上所述，該產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)，自動(dòng)測(cè)量、顯示溫度以及消毒殺菌。

4.2 未來(lái)市場(chǎng)定位

該機(jī)器人適用于人流量大、需要快速檢測(cè)體溫并殺菌的領(lǐng)域，在需要消毒的場(chǎng)所可以通過(guò)遠(yuǎn)程遙控智能設(shè)備輔助或代替人工進(jìn)行消殺工作[7]。機(jī)器人的功能和使用場(chǎng)景多變，可適用于各種復(fù)雜環(huán)境中，除一些自帶大容量?jī)?chǔ)物倉(cāng)的配送運(yùn)輸機(jī)器人外，集成無(wú)接觸測(cè)溫模塊、身份證識(shí)別模塊、人臉識(shí)別攝像頭的機(jī)器人能發(fā)揮更多作用。該機(jī)器人可以應(yīng)用在機(jī)場(chǎng)、高鐵站、醫(yī)院、政務(wù)大廳、圖書館、商場(chǎng)等公共場(chǎng)所，可以在人群密集區(qū)域進(jìn)行自主巡邏，利用紅外感應(yīng)測(cè)量體溫并自行報(bào)警[8]。

在做好人員體溫檢測(cè)的同時(shí)，公共區(qū)域的消殺工作也需要同步進(jìn)行。首先，機(jī)器人外裝紫外線消毒燈，利用結(jié)構(gòu)精巧、移動(dòng)靈活的特點(diǎn)對(duì)樓道和衛(wèi)生間等區(qū)域進(jìn)行定時(shí)自動(dòng)巡回消毒殺菌工作。另外，機(jī)器人還可以通過(guò)攜帶存儲(chǔ)雙氧水的噴霧器對(duì)大廳、樓道、衛(wèi)生間以及電梯休息區(qū)等人流量多的區(qū)域進(jìn)行深度消殺工作。通過(guò)設(shè)定機(jī)器人程序使其在封閉環(huán)境中自動(dòng)噴灑霧化的雙氧水消毒液，可深入地對(duì)細(xì)小縫隙進(jìn)行消毒，相比于普通的人工噴灑、擦拭消毒，能更加有效地消除病毒和細(xì)菌。

4.3 未來(lái)市場(chǎng)主要優(yōu)勢(shì)

該機(jī)器人的誕生能有效降低工作人員的感染風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)一步打造更加安全衛(wèi)生的環(huán)境。主要優(yōu)勢(shì)如下：

1）占地面積小，靈活快捷；數(shù)據(jù)直接反饋到手機(jī)應(yīng)用，操控簡(jiǎn)單，省時(shí)省力；無(wú)接觸測(cè)溫設(shè)備，毫秒測(cè)溫，高效省時(shí)。

2）測(cè)溫機(jī)器人在5 m范圍內(nèi)可以快速測(cè)量體溫，測(cè)溫范圍可覆蓋5~8人，測(cè)溫誤差僅為0.2 ℃~0.5℃。在人流量大時(shí)可快速測(cè)溫并記錄，節(jié)省人力。

3）液晶顯示屏能精準(zhǔn)顯示體溫，檢測(cè)到體溫異常時(shí)報(bào)警，迅速反饋給終端，讓人們能夠及時(shí)采取措施。

4）通過(guò)無(wú)線遙控手柄，能直接控制本設(shè)備進(jìn)行工作，無(wú)需與人接觸，高效安全；語(yǔ)音播報(bào)，輕松獲取體溫篩查狀態(tài)；智能噴霧消毒，做好消殺工作[9]。

5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，能夠有效減少防疫人員的工作時(shí)間，降低其被感染的風(fēng)險(xiǎn)。

本研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能全面，遇到體溫?cái)?shù)據(jù)異常的人員還會(huì)主動(dòng)發(fā)出警報(bào)，不論是從工作效率還是從安全角度考慮，測(cè)溫機(jī)器人都是大型公共場(chǎng)所消毒殺菌的最好選擇。

5 優(yōu)勢(shì)優(yōu)點(diǎn)

目前，大型測(cè)溫消殺工作依舊是人工進(jìn)行，不僅浪費(fèi)勞動(dòng)力還存在工作人員被感染的潛在風(fēng)險(xiǎn)，機(jī)器人代替人工有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）高效省時(shí)，解放勞動(dòng)力，機(jī)器人可以24 h工作，提高工作效率。

2）傳輸數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，人工測(cè)溫采用紙質(zhì)記錄方式，可能出現(xiàn)誤差，機(jī)器人采用實(shí)時(shí)傳輸方式，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3）檢測(cè)到體溫異常時(shí)可發(fā)出警報(bào)，保障工作人員的安全。

4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作，可應(yīng)用于個(gè)體家庭或群體人員密集場(chǎng)所。

5）工作模式多樣化，分為自動(dòng)工作和手動(dòng)操作兩種模式，可根據(jù)用戶需求調(diào)整。

6）體積小，可以靈活移動(dòng)至各個(gè)角落。

6 結(jié)論

經(jīng)過(guò)分析，本文得出以下結(jié)論：

1）該機(jī)器人自動(dòng)工作和手動(dòng)操作兩種模式可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景并針對(duì)群體測(cè)溫、定點(diǎn)個(gè)人或群體測(cè)溫、遠(yuǎn)程測(cè)溫等不同特點(diǎn)自行優(yōu)化，極大地提高了測(cè)溫機(jī)器人性能的可靠性和結(jié)果的準(zhǔn)確性，保障在有感染風(fēng)險(xiǎn)和高強(qiáng)度的工作環(huán)境中完成測(cè)溫任務(wù)。

2）該機(jī)器人定位精度高且小于2 cm，可應(yīng)用于大型公共場(chǎng)合；體溫測(cè)量精度誤差大約在±0.5 ℃范圍內(nèi)，可以減少人力資源的浪費(fèi)；機(jī)器人連續(xù)工作時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)10 h，IP55防護(hù)，滿足日常工作需求。

3）結(jié)構(gòu)方面采取縱向重心平衡結(jié)構(gòu)，保證機(jī)器人在工作過(guò)程中的平衡。

4）采用的Arduino微控制器能夠完成各執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，其體積小、適用范圍廣的特點(diǎn)符合設(shè)備需求，滿足工作需要。

人工智能等技術(shù)的興起與機(jī)器人融合發(fā)展理念愈發(fā)明顯，測(cè)溫機(jī)器人在機(jī)器視覺(jué)、智能識(shí)別、信息傳輸、測(cè)溫消毒等方面將會(huì)日趨完善[10]，進(jìn)一步突破現(xiàn)有知識(shí)領(lǐng)域的局限性、完善人機(jī)交互的體驗(yàn)，隨著測(cè)溫機(jī)器人智能化水平的不斷提高，其未來(lái)的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)繼續(xù)向人類日常生活的各個(gè)領(lǐng)域不斷延伸。