CN108664030A - 一种智能消毒机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能消毒机器人系统，其特征在于：包括移动底盘、隔离罩、紫外杀菌灯及激光雷达；所述移动底盘包括内置电源、中央处理器、射频及红外模块、传感器组、电机组件以及移动轮组，所述内置电源、射频及红外模块、传感器组、电机组件以及移动轮组均与中央处理器连接；所述激光雷达布置于移动底盘上的隔离罩内部；所述紫外杀菌灯位于隔离罩上。本发明涉及的智能机器人，可以定时开启，并在某个区域内自主移动工作，保证病房内各个角度都能照射到紫外线，此外，机器人安装有红外探测传感器，检测到人时可以暂时关闭紫外灯，有效保护人眼安全。
Description
技术领域
本发明涉及消毒机器人领域，尤其涉及一种主要针对医院病房日常消毒的智能消毒机器人。
背景技术
目前，医院的病房、诊室等关键区域与传染病人接触后，必须使用紫外线照射方法进行杀菌消毒，由于紫外光对人眼以及皮肤有伤害，通常需要在无人的情况下使用，因此，医院需要专人负责在夜间开启紫外杀菌灯进行消毒。目前的系统通常是在各个关键区域安装紫外灯，然后将所有灯的开关集中到一个地方进行统一开启和关闭，或者是需要操作人员将消毒设备推到每一个病房，单独进行消毒。这样造成的问题是，紫外灯开启时如果有人无意闯入，可能会对人造成伤害，此外，固定位置的紫外灯不一定能保证最佳的杀菌效果，某些被遮挡的位置紫外线可能照射不到。如果使用独立的紫外灯设备进行消毒，则使用人员的工作量非常大。
发明内容
为克服现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种智能消毒机器人系统，该系统不仅消毒效率高，而且降低了工作人员的劳动强度，可有效保障工作人员的人身安全。
一种智能消毒机器人系统，包括移动底盘（1）、隔离罩（2）、紫外杀菌灯（3）及激光雷达（4）；所述移动底盘（1）包括内置电源、中央处理器、射频及红外模块、传感器组（6）、电机组件以及移动轮组（5），所述内置电源、射频及红外模块、传感器组（6）、电机组件以及移动轮组（5）均与中央处理器连接；所述激光雷达（4）布置于移动底盘（1）上的隔离罩（2）内部；所述紫外杀菌灯（3）位于隔离罩（2）上。
进一步的，所述传感器组包括距离传感器、碰撞传感器、生物探测器以及防跌落传感器（7）。
进一步的，所述距离传感器采用红外或超声方式，定时采集周围障碍物的距离，并发送给中央处理器，中央处理器根据周围障碍物的情况，调整移动底盘（1）的前进方向。
进一步的，安装于移动底盘（1）四周的生物探测器用于检测周围是否有人，如果有人则停止移动并关闭紫外杀菌灯（3），同时播放语音提示，提醒人尽快离开。
进一步的，所述碰撞传感器安装于机器人系统前进方向的最外侧，在碰到障碍物时给中央处理器发送紧急信号，机器人会立即停止，并调整前进的方向。
进一步的，所述防跌落传感器（7）安装于移动底盘（1）底部，所述防跌落传感器用于检测前进方向是否出现台阶，如果出现，则机器人系统调整方向继续前进。
进一步的，所述紫外杀菌灯（3）包括多个紫外灯管和外部支架组成，每个灯管的功率相同，机器人系统工作时可以根据建立的地图的面积大小调整紫外照射的总功率。
进一步的，还包括定位和建图模块，所述定位和建图模块包括微型计算机、数据输入接口及数据输出接口，所述数据输入接口连接激光雷达（4），输入雷达数据，所述输出接口连接中央处理器，输出机器人系统位置信息，所述微型计算机用于定位和建图计算。
进一步的，还包括充电座，所述充电座安装在工作坐标系原点，机器人工作结束后会自动回到原点，并开始充电，充电完成会自动断电。
进一步的，还包括附件，所述附件包括电子围栏以及定位信标，所述电子围栏基于磁感应原理，作用是阻止机器人系统进入禁止区域；所述电子围栏的安装方式是将磁性胶带贴在禁止区域的入口地面上，机器人系统检测到磁场就会重新调整方向，不进入禁止区域；所述安装于电梯入口处的定位信标基于射频通讯，机器人系统可用来识别楼层以及特殊位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明涉及的智能机器人，可以定时开启，并在某个区域内自主移动工作，保证病房内各个角度都能照射到紫外线，此外，机器人安装有红外探测传感器，检测到人时可以暂时关闭紫外灯，有效保护人眼安全；机器人还包含自动充电功能。
附图说明
图1为本发明的本体结构组成示意图。
图2为本发明的移动底盘结构示意图。
图3为本发明的移动底盘轮式结构示意图。
图4为本发明的全向轮和麦克纳姆轮结构示意图。
图5为本发明采用全向轮时定位算法示意图。
图6为本发明的工作示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1、图2所示，本发明涉及的智能机器人包括：移动底盘1、隔离罩2、紫外杀菌灯3、激光雷达4、充电座、其他附件。
移动底盘包含内置电源、中央处理器、射频和红外模块、传感器组6、电机组件以及移动轮组5和8等；内置电源可以使用锂电池或者铅酸电池；射频模块用来识别信标，红外模块用于与电梯的控制器通信；传感器组6包含距离传感器、碰撞传感器、生物探测器以及防跌落传感器；移动轮组5由多个轮子组成，使得移动底盘1可以前后左右移动，以及原地旋转；距离传感器可以使用超声或者红外方式，传感器定时采集周围障碍物的距离，并发送给中央处理器，处理器根据周围障碍物的情况，调整移动底盘的前进方向；移动底盘的前后左右四个方向均安装生物探测器，作用是检测周围是否有人，如果有人则停止移动并关闭紫外灯，同时播放语音提示，提醒人尽快离开。防跌落传感器7用于检测前进方向是否出现台阶，如果出现，则机器人调整方向继续前进；碰撞传感器可以在碰到障碍物时给中央处理器发送紧急信号，机器人会立即停止，并调整前进的方向；机器人的移动由两轮差速控制实现，两个主动轮都安装有旋转编码器，编码器脉冲数对应轮子的转角，当周围一定距离内没有障碍物时，机器人向前运行，此时两个主动轮的转速和转向都相同，当检测到前方有障碍物时，调整两个主动轮的转速或者转向，实现转弯或者调头。
隔离罩2由透明钢化玻璃制成，内部安装360度扫描雷达，并作为紫外杀菌灯3的基座。
紫外杀菌灯3由多个紫外灯管和外部支架组成，每个灯管的功率相同，例如都为40W，机器人工作以后，可以根据所建立的地图的面积大小调整紫外照射的总功率。
激光雷达4用于获取周围环境的距离信息，结合定位和建图模块，移动机器人在移动的过程中即可建立环境地图，并计算出自身在地图中的位置，从而指导机器人后续的运动。
充电座用于给机器人充电，通常固定在某个角度，机器人可以自动识别充电座。
其他附件包含电子围栏（虚拟墙）以及定位信标。电子围栏基于红外线或者磁场，作用是阻止机器人进入某区域。定位信标基于射频通讯（RFID），机器人可用来识别楼层以及特殊位置，例如电梯入口。
如图3所示，移动底盘1可以进行前、后、左、右平移，原地旋转等运动。为了实现上述功能，底盘的轮组可以采用以下结构：图3(左)采用两个主动轮，再加两个万向轮，图3(中)采用四个麦克纳姆轮，图3(右)采用了四个全向轮垂直布置。
如图4所示，全向轮与麦克纳姆轮的共同点在于他们都由两大部分组成：轮毂10和辊子9，轮毂10是整个轮子的主体支架，辊子9则是安装在轮毂上的鼓状物，全向轮的轮毂轴与辊子转轴相互垂直，而麦克纳姆轮的轮毂轴与辊子转轴通常为45°角。
根据移动底盘轮组结构的不同，机器人系统的定位算法如下：
（1）采用图3(左)所示轮组结构定位算法
S1.移动底盘的两个主动轮均安装有角度增量编码器，中央处理器以固定的频率读取角度增量编码器的计数值，并转换为轮子转过的角度，假设k时刻左右两个轮子转的角度分别为和 ；
S2.机器人系统当前时刻k的航向和x、y坐标的增量为：
上式中r为主动轮的半径，W为左右主动轮的间距。
S3.用差分方程表示当前时刻k的航向和位置：
k=0时，=0，=0， =0，根据以上公式即可计算出当前时刻k的位置和航向。
（2）采用图3(中)所示轮组结构定位算法
S1.四个麦克纳姆轮上均安装有角度增量编码器，中央处理器以固定的频率读取角度增量编码器的计数值，转换为四个轮子的转速，单位为转每秒（r/s）;
S2.根据麦克纳姆轮的安装结构，其速度转换矩阵如下，
其中a为轮子左右间距的1/2，b为轮子前后间距的1/2，D为轮子的直径；
S3.机器人系统的速度通过下式计算，
其中 为机器人X方向的速度， 为机器人Y方向速度， 为计算绕中心轴的角速度；
S4.用差分方程表示当前时刻k的航向和位置：
k=0时， =0， =0， =0， 为算法的处理时间间隔（例如为0.1秒），根据以上公式即可计算出当前时刻k的位置和航向。
（3）采用图3(右)轮组结构定位算法
S1.四个全向轮上均安装有角度增量编码器，中央处理器以固定的频率读取编码器的计数值，转换为四个轮子的转速，单位为转每秒（r/s）。
S2.如图5所示，根据全向轮的安装结构，其速度转换关系如下，
其中L为轮子中心与机器人系统移动底盘中心的距离， 为全向轮与机器人前向的夹角，D为轮子的直径。
S3.从上式中解算出，用差分方程表示当前时刻k的航向和位置：
k=0时， =0， =0， =0， 为算法的处理时间间隔（例如为0.1秒），根据以上公式即可计算出当前时刻k的位置和航向。
由于传感器不准确以及轮子可能打滑等原因，上述定位方法得到的机器人坐标和航向往往具有较大误差，这里称之为机器人位姿的估计值，上述估计值需要使用激光雷达的数据对机器人位置进行修正，同时建立机器人的环境地图，此即为SLAM算法。
初始时刻k=0时，地图中并没有任何的特征。激光雷达的数据是在机器人坐标系里度量的，当扫描到某特征m时，根据机器人的位姿计算出特征在世界坐标系下的位姿，此时将特征加入到地图中（更新地图）；当机器人位姿改变，再次观测到特征m，可以根据特征在世界坐标系下的位姿和特征在机器人坐标系下的位姿，解算出当前机器人的位姿（机器人定位，修正自身位置）。当机器人继续运动时，它将观测到更多的特征，根据同样的方法。机器人会把它们加入到地图中，同时修正步骤3得到的位置。
本发明采用基于扫描匹配的SLAM技术。使用最近邻扫描匹配来估计两次扫描间机器人的平移和旋转矩阵。匹配算法使用迭代最近点(Iterative Closest Point, ICP)算法。该算法通过迭代细调由机器人里程计给出的初始位姿，限定了搜索空间。然而，该算法假定机器人的初始位姿和机器人的真实位姿之间的偏差足够小，以便于达到全局最优匹配，这里需要使用步骤3的估计值。
初始时刻k=0时，地图为空，将激光雷达的数据全部加入地图，地图记为 。
当前时刻k时，已创建地图数据为 ，激光雷达获取的数据为 。根据步骤3得到的机器人位置估计值，计算机器人坐标系在世界坐标系中的转换矩阵 。
则激光雷达数据转换到世界坐标系下为：
使用迭代最近点算法，得到激光雷达数据与地图数据之间的变换：
令，对 的元素进行三角变换即可得到机器人的最优位姿：航向 以及位置、 。然后将变换后的雷达数据加入地图，地图更新为 。
本发明所述的智能消毒机器人系统的工作方法如下：
1）首先需要在医院内不需要消毒的区域入口安装电子围栏，防止机器人进入；另外如果需要在多个楼层消毒，需要在电梯入口处安装定位信标，帮助机器人定位楼层以及电梯入口；
2）机器人支持全自动工作模式，可以设置一个启动时间；机器人平时为待机模式，待机模式下，机器人在充电座上充电，时间到达设定时间时，机器人自动启动，进入工作模式；机器人也可以手动启动，马上进入工作模式；
3）机器人进入工作模式之后，定位模块开始工作，获取机器人当前的位置坐标，同时建立环境地图，地图的建立方式为增量式；机器人开始移动以后，将每次新发现的环境地图添加到整个地图当中，地图最终将会覆盖整个医院的可检测区域；
4）机器人在地图上选择一个方向，搜索前方可以达到的区域，同时启动生物探测器，如果周围没有人，则开启紫外杀菌灯，并且在当前位置停留一段时间，通过紫外线照射杀灭周围的病菌；如图6所示，停留时间结束后，机器人将以当前点为圆心，半径为R（R与紫外杀菌灯的功率相关）的一个圆形区域标记为已经消毒；如果周围有人，则关闭紫外灯，等待一段时间，并且发出语音提示。
5）重复步骤3），假设当前方向上已经没有未消毒的区域，则机器人改变方向，继续搜索，直到整个地图上的区域都消毒完成；
6）机器人工作过程中如果识别到定位信标，会在地图上进行标记，然后继续在本楼层工作；机器人在当前楼层完成消毒之后，会检查地图上是否有标记，如果有，则前往标记位置，通过红外模块与电梯通信，电梯门打开后，激光雷达会扫描入口位置，机器人进入电梯前往下一个楼层。
7）机器人工作过程中，所有的传感器正常工作，避免碰撞和跌落。
8）当整个医院都消毒完成后，机器人会返回起点，自动充电并进入待机模式。
对于具体实施方式的理解的描述仅仅是为帮助理解本发明，而不是用来限制本发明的。本领域技术人员均可以利用本发明的思想进行一些改动和变化，只要其技术手段没有脱离本发明的思想和要点，仍然在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种智能消毒机器人系统，其特征在于：包括移动底盘（1）、隔离罩（2）、紫外杀菌灯（3）及激光雷达（4）；所述移动底盘（1）包括内置电源、中央处理器、射频及红外模块、传感器组（6）、电机组件以及移动轮组（5），所述内置电源、射频及红外模块、传感器组（6）、电机组件以及移动轮组（5）均与中央处理器连接；所述激光雷达（4）布置于移动底盘（1）上的隔离罩（2）内部；所述紫外杀菌灯（3）位于隔离罩（2）上。
2.根据权利要求1所述的一种智能消毒机器人系统，其特征在于：所述传感器组包括距离传感器、碰撞传感器、生物探测器以及防跌落传感器（7）。
3.根据权利要求2所述的一种智能消毒机器人系统，其特征在于：所述距离传感器采用红外或超声方式，定时采集周围障碍物的距离，并发送给中央处理器，中央处理器根据周围障碍物的情况，调整移动底盘（1）的前进方向。
4.根据权利要求2所述的一种智能消毒机器人系统，其特征在于：安装于移动底盘（1）四周的生物探测器用于检测周围是否有人，如果有人则停止移动并关闭紫外杀菌灯（3），同时播放语音提示，提醒人尽快离开。
5.根据权利要求2所述的一种智能消毒机器人系统，其特征在于：所述碰撞传感器安装于机器人系统前进方向的最外侧，在碰到障碍物时给中央处理器发送紧急信号，机器人会立即停止，并调整前进的方向。
6.根据权利要求2所述的一种智能消毒机器人系统，其特征在于：所述防跌落传感器（7）安装于移动底盘（1）底部，所述防跌落传感器用于检测前进方向是否出现台阶，如果出现，则机器人系统调整方向继续前进。
7.根据权利要求1所述的一种智能消毒机器人系统，其特征在于：所述紫外杀菌灯（3）包括多个紫外灯管和外部支架组成，每个灯管的功率相同，机器人系统工作时可以根据建立的地图的面积大小调整紫外照射的总功率。
8.根据权利要求1所述的一种智能消毒机器人系统，其特征在于：还包括定位和建图模块，所述定位和建图模块包括微型计算机、数据输入接口及数据输出接口，所述数据输入接口连接激光雷达（4），输入雷达数据，所述输出接口连接中央处理器，输出机器人系统位置信息，所述微型计算机用于定位和建图计算。
9.根据权利要求1所述的一种智能消毒机器人系统，其特征在于：还包括充电座，所述充电座安装在工作坐标系原点，机器人工作结束后会自动回到原点，并开始充电，充电完成会自动断电。
10.根据权利要求1所述的一种智能消毒机器人系统，其特征在于：还包括附件，所述附件包括电子围栏以及定位信标，所述电子围栏基于磁感应原理，作用是阻止机器人系统进入禁止区域；所述电子围栏的安装方式是将磁性胶带贴在禁止区域的入口地面上，机器人系统检测到磁场就会重新调整方向，不进入禁止区域；所述安装于电梯入口处的定位信标基于射频通讯，机器人系统可用来识别楼层以及特殊位置。
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