CN111693421B - 一种无菌室环境检测机器人及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无菌室环境检测机器人，壳体包括底板和侧壁；壳体包括位于壳体上的内盖和外盖；气流动通路结构包括内腔、中腔和外腔；其中底板上具有中间锥形孔，与内腔导通；具有倾斜孔，与中腔导通，中腔壁上具有通风孔，用于连通中腔和外腔；外盖位于内盖之上，从而外盖、内盖、侧壁形成盖体空气流动通道；内盖具有中间通孔，用于连通内腔和上述流动通道；内腔中安装有风机，用于向中间锥形孔吹风；外盖上具有培养皿，用于采集菌落；中腔内具有光电检测装置；底板上设置具有环形内腔槽和环形中腔槽，内腔壁竖直插入内腔槽中，中腔壁竖直插入中腔槽中。本发明检测精准，拆装方便。

Description

一种无菌室环境检测机器人及检测方法

技术领域

本发明涉及检测领域，特别涉及无菌室环境、颗粒物检测领域。

背景技术

通常在生化、药品实验中，需要使用无菌环境，这样才能对某种特定的已知微生物进行研究或利用它们的功能，否则外界的各种微生物很容易混入。外界不相干的微生物混入的现象，在微生物学中叫做污染杂菌。防止污染是微生物学工作中十分关键的技术。这其中包括对于无菌室的检测技术。只有准确判断无菌室的情况，才能保证使用其做实验不受到干扰。

而常见的无菌室环境监测方法通常采用在不同位置放置培养皿收集菌落的方式，这种方式需要人工向多个位置放置培养皿，操作繁琐，且在放置过程较为随机，并不能准确定位放置位置，从而更加准确地分析整个无菌室的菌落分布情况。并且，采用培养皿的方式无法获得空气细微颗粒物情况，更无法获得颗粒物的室内分布情况。而且这种方式只适用于面积较小的无菌室，例如4-5平米，而对于一些较大的科研实验室或生产中的无菌室而言，这种方式效率较低，且检测漏洞较多，无法准确反映大面积无菌情况。

另外，这些颗粒物恰恰是微生物、细菌、病毒的重要携带者，而这些颗粒物有些密度较大，会沉积在空间下部，简单的培养皿或一般颗粒检测装置难以准确获得其密度。

因此，如何针对大面积无菌室准确地进行菌落分布检测，以及菌落聚集的颗粒物分布检测是亟待解决的问题。

发明内容

一种无菌室环境检测机器人，包括壳体，盖体和空气流动通路结构；

壳体包括底板和侧壁；

壳体包括位于壳体上的内盖和外盖；

气流动通路结构包括内腔、中腔和外腔，内盖、底板和内腔壁围成内腔；内盖、底板和中腔壁、内腔壁共同围成中腔；内盖、底板和中腔壁、侧壁共同围成外腔；

其中底板上具有中间锥形孔，与内腔导通；具有倾斜孔，与中腔导通，

中腔壁上具有通风孔，用于连通中腔和外腔；

外盖位于内盖之上，从而外盖、内盖、侧壁形成盖体空气流动通道；

内盖具有中间通孔，用于连通内腔和上述流动通道；具有环形孔，用于连通外腔和上述流动通道；

内腔中安装有风机，用于向中间锥形孔吹风；

外盖上具有培养皿，用于采集菌落；

中腔内具有光电检测装置，用于检测颗粒物的浓度；

底板上设置具有环形内腔槽和环形中腔槽，内腔壁竖直插入内腔槽中，中腔壁竖直插入中腔槽中。

外腔中设置有集尘装置。

一种使用无菌室环境检测机器人的检测方法，其特征在于：

机器人扫描待检测无菌室，建立无菌室的3D模型；

在无菌室三维模型的地面上均匀设置采集点；

根据路径规划方法，依次通过采集点，并进行颗粒物浓度和菌落浓度采集；

根据采集结果，绘制颗粒物浓度分布图和菌落浓度分布图；

其中在进行路径规划时，根据上一步采集点的颗粒物浓度γ与预设阈值M的比较确定下一步采集点的位置与上一步采集点相邻或相隔。

发明点及技术效果

1、通过对机器人路径进行规划，可以定点采集确定位置坐标的菌落及颗粒物情况。

2、通过设置吹风-吸入结构，将空间底部的颗粒物尽可能地吹起并吸入机器人中，保证检测颗粒物分布的精度。

3、通过设置集尘装置，在检测的同时进行清洁。

4、通过可拆卸、拼接的连接方式，机器人内筒、外筒、外壳、盖体等便于拆卸维修、清理。

本发明的发明点包括但不限于以上，具体以实施例记载的技术内容为准。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是机器人示意图；

图2是第二步路径规划示意图；

图3是第二步路径规划示意图；

图4是第三步路径规划示意图；

具体实施方式

装置结构

机器人包括底板4和侧壁3组成的壳体，壳体上具有内盖2和外盖1。外盖1上具有培养皿16，用于采集菌落。底板上具有环形内腔槽和环形中腔槽，内腔壁8竖直插入内腔槽中，中腔壁9竖直插入中腔槽中，从而将机器人内部空间分成内腔、中腔和外腔。内盖2与内腔壁8、中腔壁9以及侧壁3密封连接。内盖2、底板4和内腔壁8围成内腔；内盖2、底板4和中腔壁、内腔壁共同围成中腔；内盖2、底板4和中腔壁、侧壁3共同围成外腔。内盖2上具有中间通孔17和环形孔18，中间通孔17和内腔导通，环形孔18和外腔导通。

底板上具有中间锥形孔13，与内腔导通；具有倾斜孔14，与中腔导通。其中中间锥形孔为上大下小结构。倾斜孔14设置为：在底板4的外侧的入口更靠近机器人轴线，而在底板4外侧的出口更远离机器人轴线。

中腔壁9上具有通风孔10，用于连通中腔和外腔。通风孔可以为一个或多个，优选设置在中腔壁2/3高度处，这样既能够保证顺利排风，又能够保证空气在内腔上方形成回旋从而有利于准确探测，同时可以避免设置过低导致从倾斜孔14进入的空气直接排入外腔而无法有效检测。

外盖1与侧壁3密封连接，并且位于内盖2之上，从而外盖1、内盖2、侧壁3形成盖体空气流动通道。

内盖2具有中间通孔17，用于连通内腔和上述流动通道；具有环形孔18，用于连通外腔和上述流动通道；

外腔中设置有集尘装置15，集尘装置可以为静电集尘板。在打开外盖和内盖后，可以方便地将集尘板取出更换，防止二次污染。这使得机器人在进行颗粒物浓度检测的同时进行了颗粒物的清洁。

空气流动通路

内腔中安装有风机7，用于向中间锥形孔13吹风，从而使得空气通过锥形孔加速后吹向地面6，并从地面6反弹后使得携带具有颗粒的空气通过倾斜孔14进入中腔中。空气在中腔中经过中腔壁、内腔壁反弹进入中腔上部，并被中腔上的内盖2阻挡从而下降，并最终从通风孔10进入外腔。这里空气形成回旋式流动通路，从而使得携带颗粒物的空气能够充分地暴露在检测区域，提高检测的精度和准确度。这一流道设计也是发明点之一。空气进入外腔后，被吹至静电吸附装置15上完成颗粒物的静电吸附，后经环形孔18进入盖体空气流动通道，并由内盖2上的中间通孔17最终回到风机7中，完成空气循环。这种吹气-吸气的方式比单纯类似“吸尘器”的方式能够更多地将地面、特别是缝隙中的颗粒物吹起来进行检测，检测更加准确。如果只以吸尘方式，很多颗粒物难以被检测到。因此，这也是发明点之一。并且，吸尘器与无菌检测领域差距较远，目的完全不同，吸尘器的结构没有任何技术启示。

检测区域及装置

在中腔的上部，优选在中腔壁和内腔壁1/3高度处分别安装光发射器和光接收器，构成光电检测装置，用以根据颗粒物对于光的散射效应而检测颗粒物的浓度。这样可以充分利用空气在中腔里的回流，使得被检测区域浓度更高，提高机器人检测的响应灵敏度。如果设置过低，就无法充分利用空气回旋，例如设置在通气孔下方，空气在检测装置周边完全是单向运动。

上述检测原理和装置采用现有公知技术即可。但由于一般光检测对于超低浓度的颗粒物敏感度一般，如果提高敏感度需要花费高成本的光电器件。本发明采用气流回旋的方式，提高检测区域的颗粒物浓度，从而能够高灵敏地进行检测。当然这样可能检测结果偏高，因此需要进行最终输出结果的修正。

首先向机器人中充入标准颗粒物浓度α的气体，此时光电检测装置输出浓度值为β，通常情况下β>α。记录此时风机功率P，

利用公式β＝α×P×e^k，求解k值大小，从而获得经验常数，标定测量值与输出值，完成修正。

其中k为经验常数，通常与倾斜孔14、中腔结构相关，因此难以准确给出解析式，只有通过上述标定的方式获得。因此为了更加准确、完整。需要改变标准颗粒物浓度α以及风机功率P进行多组数据的采集，从而获得不同标准颗粒物浓度、不同风机功率下对应的颗粒物测量值，从而计算出多组k参数，形成数据库。

这样在进行实际测量时，可以查找对应k值带入下述算式中进行计算，即可得到真实颗粒物浓度。

γ＝β/(P×e^k)，其中γ为颗粒物真实浓度，β为光电检测装置输出颗粒物浓度值，P为当前风机功率，e为自然常数，k为经验参数，通过查表获得。

以上公式是经过大量实验总结得到的，其公式形式的确定和参数的值都是需要大量数据分析才能确定，简单理论推导和有限次实验不能够得到适合该结构特点的公式形式。因此这也是本发明的发明点之一。

可拆卸结构

对于检测机器人而言，由于经常与颗粒物、微生物等接触，因此需要定期清洗，从而避免二次污染。同时灰尘颗粒等也会损坏电子、光学器件。因此处于清洗和维修的需要，整个装置需要更方便拆卸。而现有检测装置通常均未考虑该需求，导致检测装置初期准确度、精度高，后期误差较大，甚至会对无菌室造成二次污染。

本发明在底板4上设置具有环形内腔槽和环形中腔槽，内腔壁8竖直插入内腔槽中，中腔壁9竖直插入中腔槽中，再将内盖2套在内腔壁8、中腔壁9和侧壁3对应位置，从而将机器人内部空间分成内腔、中腔和外腔。也就是说，内腔壁8为圆筒形结构，可以在打开内盖后直接从整个装置中取出，从而方便清理内腔以及风机7；中腔壁9为半径大于内腔壁8的圆筒形结构，同样可以在打开内盖后直接从整个装置中取出，从而方便清理中腔；将内腔壁8和中腔壁9取出后，整个机器人装置只剩下底板4和侧壁3，可以方便清理其内部，同时也方便定期更换静电吸尘模块15。这种插槽式的结构使得拆卸更加方便。特别是，内腔壁8上设置有光接收器12，中腔壁9上设置有光发射器11，因此分别将它们取出后，也方便清理光接收器和光发射器表面的污物，从而使得检测结果更加准确。同时在光电检测装置损坏时也更方便维修更换。上述可拆卸结构也是本发明的发明点之一。

菌落采集结构

外盖1上具有多个培养皿16，用于采集菌落。培养皿具有自动开启和闭合的盖，根据机器人行进路径和位置，控制盖开启和闭合，从而实现采集确定位置的菌落。培养皿中的培养基可以采用常见的菌落检测培养基。培养皿可以根据需要设置多个，例如16个，从而能够检测16个位置的菌落数量。结合机器人行进路径和定位，即可计算出待测环境的菌落分布。这也是本发明的发明点之一。

机器人行进路径规划

通常情况下，机器人行进路线为直线逐行扫描型。也有一些机器人是根据障碍物来进行自动更新路径，或是根据历史数据来规划路径。但是对于检测机器人而言，特别是能够检测菌落、颗粒物分布的用途而言，仅仅是这样的路径是不够的，而是需要兼顾检测准确性、全面性和检测效率。本发明的路径规划方法如下：

(1)机器人扫描待检测无菌室，建立无菌室的3D模型。所述扫描方式可以用常规的激光雷达方式，也可以使用双目视觉模式，只要能够建立无菌室三维模型即可。

(2)在无菌室三维模型的地面上均匀设置采集点。将三维模型的地面上标注经线和纬线，经线和纬线的交叉点即为采集点。

(3)寻找地面上最靠近中心点的交叉点(采集点)A作为第一步采集点。开启风机，使得A点的空气进入检测机器人中，并最终进入装置检测区域中，从而由光电检测装置检测出浓度β，并根据上述公式最终计算得到输出的真实浓度γ。

(4)当γ>M时，此时A点浓度超出标定阈值，说明此处颗粒物较多，应当增加采集密度。因此，第二步采集点选择与A点相邻的交叉点B。当然B点包括4个，即与A点横向、纵向相邻的交叉点，如图2所示。控制机器人依次经过每个B点，并分别相应位置的检测颗粒物浓度。

(5)当γ≤M时，此时A点浓度低于标定阈值，说明此处颗粒物较少，应当减少采集密度，从而提高采集效率。因此，第二步采集点选择与A点相隔一个交叉点的交叉点C。当然C点包括4个，即与A点横向、纵向相隔一个交叉点的交叉点，如图3所示。控制机器人依次经过每个C点，并分别相应位置的检测颗粒物浓度。

(6)根据B或C点γ和M的关系，确定第三步采集点。要么与B(C)点间隔，要么与B(C)点相邻。例如图4所示，当某个C点的γ>M时，第三步选择与C点相邻的交叉点D，D也为C的横向纵向相邻的交叉点。其他第三步采集点也可以用类似方式确定。

(7)以此类推，确定剩余步骤采集点，最终完成所有交叉点的采集。当然，有些时候不同步骤可能会涉及同一位置，在同一位置采集过后，再次碰到该点就跳过不采集。同时，最终可能有边缘个别点无法采集到，最后应当遍历剩余的这些点，保证检测全面。

(8)根据各个采集点采集的颗粒物浓度，绘制无菌室颗粒物浓度分布图。

(9)除了能够绘制颗粒物浓度分布图，根据上述路径规划方式，同样可以获得菌落浓度分布。在机器人运动到上述任一采集点时，在进行颗粒物浓度采集的同时，控制某一培养皿16的盖子打开，用来采集此处菌落，采集完毕后关闭盖子。在机器人运动到下一采集点时，控另一培养皿16的盖子打开，菌落采集完毕后关闭盖子。以此类推，每个采集点均打开一个培养皿盖子。用这种方式即可采集无菌室不同位置的菌落。从而在整个规划路径被机器人遍历后，可以获得整个无菌室菌落浓度分布。

可以理解，除了上述内容，分析检测设备还具有其他一些常规结构。由于这些结构都是公知的，因此在本发明中并未详细记载，但这并不意味着本发明不存在这些结构。

本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (1)

1.一种使用无菌室环境检测机器人进行检测的方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）机器人扫描待检测无菌室，建立无菌室的三维模型；

（2）在无菌室三维模型的地面上均匀设置采集点，在三维模型的地面上标注经线和纬线，经线和纬线的交叉点即为采集点；

（3）寻找地面上最靠近中心点的交叉点A作为第一步采集点；开启风机，使得A点的空气进入机器人中，并最终进入装置检测区域中，从而由光电检测装置检测出浓度β，并计算得到输出的真实浓度γ；

（4）当γ>M时，M为预设阈值，此时A点浓度超出预设阈值，说明此处颗粒物较多，应当增加采集密度，因此，第二步采集点选择与A点相邻的交叉点B；控制机器人依次经过每个B点，并分别检测相应位置的检测颗粒物浓度；

（5）当γ≤M时，此时A点浓度低于预设阈值，说明此处颗粒物较少，应当减少采集密度，因此，第二步采集点选择与A点相隔一个交叉点的交叉点C；控制机器人依次经过每个C点，并分别检测相应位置的检测颗粒物浓度；

（6）根据B或C点的γ和M的关系，确定第三步采集点要么与B或C点间隔，要么与B或C点相邻；

（7）以此类推，确定剩余步骤采集点，最终完成所有交叉点的采集；

（8）根据各个采集点采集的颗粒物浓度，绘制无菌室颗粒物浓度分布图；

（9）在机器人运动到步骤（2）-（8）任一采集点时，在进行颗粒物浓度采集的同时，控制某一培养皿的盖子打开，用来采集此处菌落，采集完毕后关闭盖子；在机器人运动到下一采集点时，控制另一培养皿的盖子打开，菌落采集完毕后关闭盖子；以此类推，每个采集点均打开一个培养皿盖子；在整个规划路径被机器人遍历后，可以获得整个无菌室菌落的浓度分布；

其中步骤（3）中空气进入机器人中的具体流程为：内腔中安装有风机，向中间锥形孔吹风，从而使得空气通过锥形孔加速后吹向地面，并从地面反弹后使得携带具有颗粒的空气通过倾斜孔进入中腔中；空气在中腔中经过中腔壁、内腔壁反弹进入中腔上部，并被中腔上的内盖阻挡从而下降，并最终从通风孔进入外腔，这里空气形成回旋式流动通路，从而使得携带颗粒物的空气能够充分地暴露在检测区域；空气进入外腔后，被吹至静电吸附装置上完成颗粒物的静电吸附，后经环形孔进入盖体空气流动通道，并由内盖上的中间通孔最终回到风机中，完成空气循环；

其中所述机器人的结构为：

包括壳体，盖体和空气流动通路结构；

壳体包括底板和侧壁；

壳体包括位于壳体上的内盖和外盖；

空气流动通路结构包括用于产生吹风的内腔、用于检测的中腔和用于吸附循环的外腔；

外腔中设置有静电吸附装置；

中腔壁上具有通风孔，用于连通中腔和外腔，通风孔设置在中腔壁2/3高度处，这样既能够保证顺利排风，又能够保证空气在内腔上方形成回旋，从而有利于准确探测，同时可以避免设置过低导致从倾斜孔进入的空气直接排入外腔而无法有效检测；

内盖、底板和内腔壁围成内腔；内盖、底板和中腔壁、内腔壁共同围成中腔；内盖、底板和中腔壁、侧壁共同围成外腔；

其中底板上具有中间锥形孔，与内腔导通；底板上具有倾斜孔，与中腔导通，

外盖位于内盖之上，从而外盖、内盖、侧壁形成盖体和空气流动通道；

内盖具有中间通孔，用于连通内腔和空气流动通道；内盖具有环形孔，用于连通外腔和空气流动通道；

内腔中安装有风机，用于向中间锥形孔吹风；

外盖上具有培养皿，用于采集菌落；

中腔内具有光电检测装置，用于检测颗粒物的浓度；

底板上设置具有环形内腔槽和环形中腔槽，内腔壁竖直插入环形内腔槽中，中腔壁竖直插入环形中腔槽中，形成可拆卸安装结构，将机器人内部空间分成内腔、中腔和外腔。

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