自主UVC消毒機器人開源

描述

動機

當災難襲來時，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)生設施。在過去的幾年里，我們將清潔和衛(wèi)生視為理所當然，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物質(zhì)即可殺死細菌和病毒。它通過破壞它們 DNA 的分子鍵來殺死這些病原體 - 負責將它們保持在一起。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，包括指導用戶如何有效殺死細菌的說明。

使用這些 UVC 燈，我們設計了Fluoresce機器人，這是一種自主消毒機器人，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

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

精心設計的電機系統(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，以進一步擴大范圍。

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

如果檢測到高風險表面，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。
• 一旦機器人可以安全地確定房間是干凈的，清潔過程就會開始。
• 機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。
• 清潔過程的強度可以根據(jù)用戶的要求在應用程序中改變。如果檢測到人的存在或過熱，機器人會自動停止。

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機器人設計

Zed 立體相機和廣角相機：

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確性。

全向輪：

該機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。

溫控冷卻風扇：

機器人底座包含 4 個溫控風扇（2 個進氣和 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：

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

伺服電機+導軌延長管：

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

電機傾斜管：

在每個管子的底部，都有伺服電機，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。

機器人特點

機器人遙控操作：

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

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管子移動和旋轉(zhuǎn)：

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

紫外線強度控制：

• 雖然完全消毒是當務之急，但我們也知道某些房間或區(qū)域可能不需要與高風險區(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)化機器人的電力使用，應用程序中內(nèi)置了一些設置來控制發(fā)出的 UV-C 光的強度，因為所使用的飛利浦管包括可變的規(guī)定強度。

消毒噴霧：

• 機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，以便在設備開始清潔之前完整地映射房間。

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

多房間支持：

• 在應用程序中，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 機器人完成房間的消毒或電量不足，它會自動前往充電座進行充電。

導航和引導平臺

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，我們還結合了 Bug1 算法來有效地到達我們的目的地，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，從而對健康造成危害。因此，在進行衛(wèi)生處理時，不允許人類進入房間。

雖然科學家們發(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)進行的。

• 當機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，機器人將完全關閉。

清潔警告系統(tǒng)：

• 該機器人在頂部和底部配備了 LED 指示燈，可在機器人使用時提醒該區(qū)域的居民。
• 當機器人在使用時，條帶會變成紅色，以警告人們盡可能遠離并保護自己免受 UVC 輻射。
• 機器人關閉或停靠到充電端口后，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)可以在應用程序上查看，如果出現(xiàn)任何過熱情況，設備會自動關閉，以免對周圍環(huán)境造成任何傷害。

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熒光機器人應用程序

該機器人帶有一個應用程序，有助于充分利用其功能。它具有增強用戶體驗的各種功能和指標。

商業(yè)模式

• 熒光機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，費率會相應變化。
• 訂閱包括對公司自身提供的設備的定期維護和服務。
• 這將允許消費者根據(jù)他們的要求選擇一個計劃，并充分利用機器人的功能。

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