描述

動機(jī)

當(dāng)災(zāi)難襲來時，它往往會突出我們?nèi)菀缀鲆暤膯栴}。隨著世界在 2020 年陷入停頓，其中一個重新受到重視的問題就是衛(wèi)生設(shè)施。在過去的幾年里，我們將清潔和衛(wèi)生視為理所當(dāng)然，尤其是在商業(yè)和公共環(huán)境中。但隨著新型冠狀病毒的爆發(fā)，這一切都發(fā)生了變化。

世界各地的人們更加關(guān)注他們的周圍環(huán)境，并且不僅僅對“看起來足夠干凈”的房間感到滿意。上圖描繪了去年各種清潔產(chǎn)品銷量的大幅增長。盡管消毒劑的使用有所增加，但可以消毒的區(qū)域以及消毒劑的質(zhì)量存在一定的限制。它還使參與清潔活動的人面臨許多健康問題。因此，需要一種可靠的替代方案來遏制病原體的傳播并讓社會重新站起來

我們的解決方案

常規(guī)消毒液的一種替代方法是使用 UVC 燈進(jìn)行房間和表面消毒。

• 紫外線是一種電磁輻射，波長范圍為 10nm 至 400nm。紫外線用于衛(wèi)生目的，因為它無需使用任何有毒化學(xué)物質(zhì)即可殺死細(xì)菌和病毒。它通過破壞它們 DNA 的分子鍵來殺死這些病原體 - 負(fù)責(zé)將它們保持在一起。有三種不同類型的紫外線：UVA、UVB 和 UVC。
• UVC 射線是最常用和最廣泛使用的，因為它們具有最短的波長，因此具有最高的能量。它們的波長范圍為 200nm - 400nm。

• 在過去的幾年中，UVC 燈已向公眾開放。它們有不同的形式，包括指導(dǎo)用戶如何有效殺死細(xì)菌的說明。

使用這些 UVC 燈，我們設(shè)計了Fluoresce機(jī)器人，這是一種自主消毒機(jī)器人，具有四個可伸縮的 UVC 燈管和內(nèi)置的 SLAM 功能。

能力與創(chuàng)新

熒光機(jī)器人對房間和里面的家具進(jìn)行消毒。它確保房間完全可以安全居住，并防止所有微生物的傳播。

精心設(shè)計的電機(jī)系統(tǒng)允許管道向上延伸，以便在更高的高度安全地清潔桌子和其他此類物體。UVC 管還可以以特定角度傾斜，以進(jìn)一步擴(kuò)大范圍。

在軟件方面，計算機(jī)視覺算法用于檢測人、寵物、植物，并識別高風(fēng)險表面（即熱點）。如果檢測到任何生物，機(jī)器人會立即關(guān)閉，以免造成任何傷害。

如果檢測到高風(fēng)險表面，則使用霧化器與 UVC 管一起噴灑表面消毒劑，確保增加安全性。該機(jī)器人是完全自主的，幾乎不需要人工參與。這有助于用戶保持與 UVC 輻射的距離。

操作說明

• 該設(shè)備首先穿過房間尋找生物的存在，同時繪制房間地圖。
• 一旦機(jī)器人可以安全地確定房間是干凈的，清潔過程就會開始。
• 機(jī)器人繪制出房間并自主移動，使用它的四個 UV-C 管對房間內(nèi)的墻壁、地板和物體進(jìn)行消毒。管子向上延伸并旋轉(zhuǎn)以清潔不同形狀和大小的物體。
• 清潔過程的強(qiáng)度可以根據(jù)用戶的要求在應(yīng)用程序中改變。如果檢測到人的存在或過熱，機(jī)器人會自動停止。

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機(jī)器人設(shè)計

Zed 立體相機(jī)和廣角相機(jī)：

這兩個攝像頭同時使用以提供 300 度以上的視野。

RPLIDAR-A1：

RPLIDAR-A1 傳感器可進(jìn)行 360 度激光掃描，以創(chuàng)建其所在房間的全方位地圖。它具有可調(diào)節(jié)的采樣率，這決定了映射過程的速度和準(zhǔn)確性。

全向輪：

該機(jī)器人使用三個全向輪，比傳統(tǒng)的圓柱輪提供更廣泛的運動范圍。這允許在狹小的空間中以更大的控制移動。

溫控冷卻風(fēng)扇：

機(jī)器人底座包含 4 個溫控風(fēng)扇（2 個進(jìn)氣和 2 個排氣），在底座過熱時打開。因此，底座及其大部分組件都被主動冷卻。

LED 清潔指示燈：

機(jī)器人的頂部和底部包含一個 LED 燈條，當(dāng)機(jī)器人開啟時變?yōu)榧t色，機(jī)器人關(guān)閉時變?yōu)榫G色。這提醒了該地區(qū)的人們。

伺服電機(jī)+導(dǎo)軌延長管：

熒光機(jī)器人的主要特點之一是管子可以向上延伸以達(dá)到更高的高度。為了實現(xiàn)這一點，我們制作了一種機(jī)制，其中我們有一個伺服電機(jī)，它沿著管座上的凹槽旋轉(zhuǎn)金屬螺紋桿。

電機(jī)傾斜管：

在每個管子的底部，都有伺服電機(jī)，可以幫助管子傾斜到不同的角度，使其能夠接觸到桌面和其他此類配件。

帶泵的霧化器：

連接到管的反射器的是一個霧化器，連接到一個泵，有助于在需要時噴灑消毒液。

機(jī)器人特點

機(jī)器人遙控操作：

• 該機(jī)器人配備了與 ROS 集成的遠(yuǎn)程操作功能。
• 如果需要，這有助于遠(yuǎn)程控制機(jī)器人。

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管子移動和旋轉(zhuǎn)：

• 熒光機(jī)器人中的四根 UVC 管可以向上延伸，最高可達(dá) 2.45 米。
• 這允許機(jī)器人到達(dá)房間里的櫥柜、抽屜、桌子、水槽、鏡子、屏幕等。
• 連接到管子底部的伺服電機(jī)也允許它們旋轉(zhuǎn)，從而擴(kuò)大了機(jī)器人的范圍，使其能夠到達(dá)原本會被忽視的區(qū)域。

紫外線強(qiáng)度控制：

• 雖然完全消毒是當(dāng)務(wù)之急，但我們也知道某些房間或區(qū)域可能不需要與高風(fēng)險區(qū)域或“熱點”相同的消毒水平。
• 因此，為了確保清潔過程的效率并優(yōu)化機(jī)器人的電力使用，應(yīng)用程序中內(nèi)置了一些設(shè)置來控制發(fā)出的 UV-C 光的強(qiáng)度，因為所使用的飛利浦管包括可變的規(guī)定強(qiáng)度。

消毒噴霧：

• 機(jī)器人的四個手臂中的每一個都配備了一個霧化器。
• 這用于用消毒劑溶液噴灑高風(fēng)險表面，確保最高級別的清潔。
• 通過使用 OpenCV 庫編碼的圖像處理軟件運行來自Zed相機(jī)的圖像來檢測熱點（廁所、門把手等） 。

自動映射房間：

• 我們已將 SLAM 算法包含在與 RPLIDAR-A1 傳感器配合使用的軟件包中，以便在設(shè)備開始清潔之前完整地映射房間。

• 創(chuàng)建的地圖有助于機(jī)器人避開障礙物并生成對房間進(jìn)行消毒的最佳路徑。

多房間支持：

• 在應(yīng)用程序中，我們?yōu)橛脩籼砑恿擞成涠鄠€房間并為每個房間存儲單獨地圖的功能。

• 用戶選擇要消毒的房間，機(jī)器人會自動按照之前創(chuàng)建的地圖繪制的路徑。

自主碼頭充電：

• 一旦 Fluoresce 機(jī)器人完成房間的消毒或電量不足，它會自動前往充電座進(jìn)行充電。

導(dǎo)航和引導(dǎo)平臺

我們在 ROS Melodic 上使用 Gazebo 來模擬正在使用的 RPLIDAR 傳感器的工作。傳感器覆蓋的區(qū)域被分成了4個區(qū)域，分別是左、前左、前右和右。每一個都被賦予了一系列角度。在這些范圍中的任何一個范圍內(nèi)檢測到障礙物都會觸發(fā)機(jī)器人自動轉(zhuǎn)向相反的方向，從而避免碰撞。除此之外，我們還結(jié)合了 Bug1 算法來有效地到達(dá)我們的目的地，這也有助于用于創(chuàng)建地圖的 Gmapping 工具。

安全特性

除了它們所擁有的好處外，紫外線還與皮膚癌和白內(nèi)障等多種疾病有關(guān)，從而對健康造成危害。因此，在進(jìn)行衛(wèi)生處理時，不允許人類進(jìn)入房間。

雖然科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個從 207nm 到 222nm 的窄光譜，它可以在射線不穿透人體皮膚最外層的情況下殺死病原體，但將輻射調(diào)節(jié)到如此精確的量是不可行的，這就是為什么某些安全功能具有已到位。這些包括：-

自動人員檢測：

• Fluoresce 機(jī)器人在確定房間內(nèi)沒有人之前不會開始清潔過程。人員檢測是連續(xù)進(jìn)行的。

• 當(dāng)機(jī)器人在房間里移動時，它會通過人員檢測算法運行來自攝像機(jī)的實時信息，以確保沒有任何人受到這些有害輻射的影響。一旦檢測到人，它就會完全關(guān)閉。

寵物和植物檢測：

• 還有一個程序正在運行，以檢查是否存在受輻射影響的寵物和植物。
• 如果發(fā)現(xiàn)其中任何一個，機(jī)器人將完全關(guān)閉。

清潔警告系統(tǒng)：

• 該機(jī)器人在頂部和底部配備了 LED 指示燈，可在機(jī)器人使用時提醒該區(qū)域的居民。
• 當(dāng)機(jī)器人在使用時，條帶會變成紅色，以警告人們盡可能遠(yuǎn)離并保護(hù)自己免受 UVC 輻射。
• 機(jī)器人關(guān)閉或?？康匠潆姸丝诤?，指示燈將變?yōu)榫G色，表明它的存在是安全的。

溫度監(jiān)測系統(tǒng)：

• Fluoresce 機(jī)器人內(nèi)置有溫度傳感器，可不斷監(jiān)測內(nèi)部組件的熱量水平。
• 溫度數(shù)據(jù)可以在應(yīng)用程序上查看，如果出現(xiàn)任何過熱情況，設(shè)備會自動關(guān)閉，以免對周圍環(huán)境造成任何傷害。

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熒光機(jī)器人應(yīng)用程序

該機(jī)器人帶有一個應(yīng)用程序，有助于充分利用其功能。它具有增強(qiáng)用戶體驗的各種功能和指標(biāo)。

商業(yè)模式

• 熒光機(jī)器人適用于訂閱模式。用戶/組織訂閱 3 個月、12 個月或 24 個月的計劃，費率會相應(yīng)變化。
• 訂閱包括對公司自身提供的設(shè)備的定期維護(hù)和服務(wù)。
• 這將允許消費者根據(jù)他們的要求選擇一個計劃，并充分利用機(jī)器人的功能。

我們要感謝美光和 Hackster 團(tuán)隊為我們提供了在這個項目上合作的機(jī)會，這對我們所有人來說都是一次很棒的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，肯定會在我們未來的努力中幫助我們。