CN113180543B - 智能消杀清洁机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开智能消杀清洁机器人，包括底盘、储液装置、机身、环境感知系统和喷液装置。底盘上固定有储液装置，储液装置上固定有凸台，凸台上设有机身，机身包含有空气净化装置和紫外线消毒装置；喷液装置固定在凸台上，通过水泵与储液装置相连通；环境感知系统包括Kinect相机、激光雷达、红外传感器和超声波传感器。本发明可全程按照指令自动消毒，且具有良好的续航和携带消毒液的能力，可应用于隔离病房、手术室、发热门诊、地铁站和道路等公共场所消毒，有着广泛的应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及消毒杀菌设备技术领域，尤其涉及一种智能消杀清洁机器人。
背景技术
在疫情防控过程当中，最重要的是对各种医疗环境和公共场所进行杀菌消 毒，以便切断各种传播路径。在人员消毒方面也存在一定的局限性，日常的消 毒杀菌要耗费大量的人力去公共场所喷洒消毒液进行消毒杀菌，工作量巨大。 为有效降低工作人员感染风险、减轻工作强度，以科技为武器，研制一种可在 医院和公共活动区进行多种方式消毒杀菌的机器人显得非常必要。
发明内容
基于上述问题，本发明提出了一种智能消杀清洁机器人，本发明可全程按 照指令自动消毒，且具有良好的续航和携带消毒液的能力，可应用于隔离病房、 手术室、发热门诊、地铁站和道路等公共场所消毒，有着广泛的应用场景。
所采用的技术方案是：智能消杀清洁机器人，包括：底盘、储液装置、机 身、环境感知系统和喷液装置；储液装置固定在底盘上；储液装置上安装有凸 台，凸台上安装有机身；
底盘内安装有Arduino Nano主板、中央控制系统、电机、两个主动轮和万 向轮；每个主动轮一侧与电机相连接；两个主动轮和万向轮构成一个等边三角 形；
机身，包括第一旋转台、第二旋转台、空气净化装置和紫外线消毒装置； 第一旋转台固定在凸台上；第一旋转台和第二旋转台之间固定有空气净化装置 和紫外线消毒装置；紫外线消毒装置包括若干根紫外线灯管，紫外线灯管均匀 分布在空气净化装置的周围；
喷液装置，包括雾化喷头和流量控制阀；雾化喷头通过水管连接流量控制 阀；凸台的下方固定有水泵；喷液装置与水泵相连接，水泵连接到储液装置内； 储液装置内的消毒剂通过水泵加压后经流量控制阀最后经雾化喷头喷出；
环境感知系统，包括Kinect相机、激光雷达、红外传感器和超声波传感器； Kinect相机安装在第二旋转台上；激光雷达安装在底盘上；红外传感器安装在 底盘的外侧；超声波传感器安装在底盘的外侧。
进一步的，空气净化装置为静电吸附式空气净化装置。
进一步的，主板为Arduino Nano主板。
进一步的，中央控制系统为装有Ubuntu系统和ROS(Robot Operating System) 系统的树莓派4B。
进一步的，喷液装置至少有四个，通过转接头与水泵相连接，喷液装置均 匀的分布在凸台上。
进一步的，超声波传感器和红外线传感器上下两排平行分布在底盘的外侧。
智能消杀清洁机器人，工作步骤如下：
步骤一：将智能消杀清洁机器人置于待消毒的环境中，打开总电源，打开 启动按钮；
步骤二：激光雷达采集的环境信息，传给以树莓派为上位机的中央控制系 统，通过Gmapping SLAM对环境地图进行构建并形成灰度地图，并采用 Navigation算法对机器人进行路径的局部规划和全局规划，并将移动指令通过串 口通信方式发送给Arduino Nano主板，Arduino Nano发布相关指令控制电机工 作，使底盘移动，机器人在移动过程中配合Kinect相机、红外传感器和超声波 传感器对周围环境进行扫描，将环境信息发送给树莓派进行指令控制，实现主 动避让行人；
步骤三：智能消杀清洁机器人通过环境感知系统对周围环境信息进行识别， 并结合实际需求采用空气净化装置、紫外线消毒装置和喷液装置中的一种或两 种或三种；
步骤四：消毒工作过程中通过Kinect相机来识别周围人群，判断与人之间 的距离，调整喷液装置的喷洒模式和自主避障，必要时播报语音提醒周围人员 正在消毒，请注意避让。
本发明可采用消毒剂消毒、紫外线及空气净化消毒，三种消毒方式可单独 使用，也可以随意组合使用，还可以根据不同的环境和杀菌消毒要求选择不同 的喷洒模式，有效的提高了消毒的效率和精度。
本发明有助于阻断传染途径，全程实现无人参与、智能导航，全方位完成 消毒任务它广泛应用于医院和其他公共场所，在切断传染途径的过程中发挥了 重大作用。
本发明提供语音播报和灯光闪烁提醒行人，能自主识别行人和障碍物后实 现自动避障及自动调整消毒液喷洒控制。
本发明消毒机器人的应用场景多样，可用于隔离病房、手术室、发热门诊 等院内消毒,以及地铁站、道路、社区等公共场所消毒。
本发明的底盘上安装有两个主动轮和一个万向，每个主动轮上分别安装直 流电机，实现了底盘的独立驱动，其模块化的设计使结构简单，安装起来也比 较方便，可快速更换并有效降低底盘重心。底盘前方是万向轮，两个主动轮及 驱动器安装在以中心轴线为对称轴的底盘支架两侧，即万向轮和两个主动轮三 者形成等边三角形，以便通过控制电机的转速来控制底盘的前进、倒退和转向， 从而提高机器人的机动性，能够保持底盘稳定性的同时还使得底盘的转向更加 灵活。储液装置中存储各种消毒剂，消毒剂可为含氯消毒剂、酒精、过氧乙酸 消毒剂、过氧化氢消毒剂中的一种或者几种消毒剂的组合物。
本发明为了提高消毒效率采用了通过消毒液消毒、紫外线消毒和空气净化 消毒三种消毒方式随机组合的消毒模式，具体的：
一、消毒液消毒
在消毒液消毒过程中，通过雾化喷嘴将消毒液液体雾化喷出后均匀悬浮于 空中，进而对空气中的病毒进行消杀和物体表面的消毒杀菌过程。雾化喷头喷 射消毒液方式能够向多方向喷洒微细液体喷雾对传染病房空气进行消毒，该方 式喷射消毒液的角度具有广谱性，能够同时对传染病房的大部分空间进行消毒 杀菌，提高消毒液的使用率和消毒的效率。当机器人得到指令开始消毒时，压 缩泵开始工作，将消毒液推至雾化喷头处雾化后喷出，机器人还可以通过自身 的移动速度来判断需要消毒液的量并通过流量控制阀控制消毒液的流出，以此 来达到消毒剂高效利用的目的。
二、紫外线消毒
紫外线照射消毒是一种广泛使用的空气消毒方法。波长为260nm的紫外线 是DNA分子的主要吸收峰。紫外线的作用是在同一条链上相邻的DNA嘧啶之 间形成咤啶二聚体，造成双链结构扭曲，阻碍正常碱基配对，从而抑制DNA复 制。紫外线消毒可以直接用于空气也可作用于物体表面,且紫外线消毒可以对特 定的菌种进行针对性消毒且不会对环境造成二次污染比较安全。当机器人通过 Kinect相机采集的周围环境的图片，并确定图片的阈值，当阈值低于设定的值的 时候，认为当前环境为黑暗环境，然后机器人会把这个信号发送给控制紫外线 消毒装置的树莓派，树莓派发出指令来打开紫外线消毒装置进行消毒工作。
三、空气净化消毒
在公众聚集场所的人员复杂、流动量巨大,因此室内空气净化消毒显得尤为 重要，空气净化消毒采用静电吸附式空气净化消毒处理方法对病毒、细菌等微 生物实行“捕杀一体化”，对生物的捕杀率高达99.8％，同时对PM2.5等颗粒 物的捕集率也高达99.8％。静电吸附空气净化消毒装置可以利用放电丝和负极板 产生高压静电场，并在高压发生器的作用下产生强静电场。当该装置吸入室内 空气时，空气中的微生物和细菌被迫带正电，然后被吸附在负极板上。静电吸 附装置具有很强的捕集能力，能够捕集直径为0.01um的颗粒。由于传染病房空 气消毒的各种化学方法和物理方法各有利弊，为了彻底高效地对传染病和病毒 所在区域进行消毒，消除交叉感染，有效控制疾病的传播和扩散，降低消毒人 员和医务人员的工作难度，现在传染病所在区域的空气消毒采用多种消毒方法 相结合的方法。这种消毒清洗机器人的消毒设备既有物理消毒作用，又有化学 消毒作用。化学消毒和物理消毒相结合，使消毒的种类和范围更广，提高了消 毒效率，保证了病毒的无死角杀灭。
本发明的上位机采用树莓派控制语音板播报语音，还控制由激光雷达、红 外传感器、超声波传感器和Kinect相机组成的环境感知系统，同时树莓派还控 制Kinect相机进行深度图像直方图的获取来判断机消毒杀菌机器人与人体之间 的距离并借此来识别人体关节，从而达到识别人体的目的，以此来判断是否要 开始或者停止消毒工作。
在人体骨骼识别方面该机器人利用Kinect平台同时采集颜色、深度和关节 信息，机器人可以在检测的同时获取物体的局部彩色图像，建立具有物体完整 姿态的彩色图像数据库，从而利用基于SIFT特征的特征词包(BOF)图像检索算 法判断物体类型。与传统的人体识别受光照、背景和人体自身遮挡的影响不同。 Kinect SDK提供的应用程序编程接口(application programming interface,API)， 可获取人体骨骼20个关节点的三维坐标信息。通过这些关节三维坐标信息可以 有效的避免复杂背景等干扰因素的影响，也可以有效的表现人体结构。
利用Kinect获得深度图对人体进行检测跟踪，为了提高人体骨骼识别的准 确率，我们从人体骨骼空间位置差特性这方面来分析人体骨骼。
人体在运动的过程中各个骨骼节点在空间所处位置会发生相应的变化，但 是某些骨骼之间的相对位置不会发生变化。比如在挥手过程中，最开始腕关节 是在肩关节以下的，在手臂上扬过程中，两个关节点的相对位置在人手臂上升 的过程中发生显著变化，但是肩关节的相对位置并没有发生太大的改变。将这 种变化具体化来分析运动状态，即获取位置变化特征来描述运动，这对于人体 骨骼识别有着重要的意义，可有效的提高人体识别的效率和精度。
红外传感器和超声波传感器作为底层避障传感器；红外传感器：NPN常开 型传感器，检测前方一定距离内有无障碍物；超声波传感器：用于障碍物检测、 距离检测和自动避，还有环境建模、定位和导航等功能；激光雷达：具有分辨 率高，方向性好，探测距离远等优势，且由于激光不会发生漫反射，使传感器 获得的数据更加准确可靠，可以对机器人周围的环境进行精确的扫描，便于建 立分辨率较高的栅格地图；红外、超声和激光结合，三者之间相互补充，构成 一个冗余传感器系统，实现机器人前方近、中、远全距离覆盖，保障了机器人 运行的安全高效，实现消杀清洁机器人的无障碍自主移动。
本发明还用了基于SAMCL自适应蒙特卡洛法的定位来减小由于长时间移 动所导致的机器人现实中移动距离与里程计的误差，实现精准定位。
附图说明
图1为本发明智能消杀清洁机器人结构示意图；
图2为图1中A部的结构示意图；
图3为本发明智能消杀清洁机器人底盘的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是 对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
参见图1至图3所示，智能消杀清洁机器人，包括；底盘1、储液装置2、 机身3、环境感知系统和喷液装置4；储液装置2固定在底盘1上；储液装置2 上安装有凸台5，凸台5上安装有机身3；
底盘1内安装有Arduino Nano主板和中央控制系统、电机11、两个主动轮 12和万向轮13；每个主动轮12的一侧与电机11相连接；两个主动轮11和万 向轮12构成一个等边三角形；
机身3包括第一旋转台31、第二旋转台32、空气净化装置33和紫外线消 毒装置34；第一旋转台31固定在凸台5上；第一旋转台31和第二旋转台32之 间固定有空气净化装置33和紫外线消毒装置34；紫外线消毒装置包括6根紫外 线灯管，6根紫外线灯管均匀分布在空气净化装置33的周围。空气净化装置为 静电吸附式空气净化装置。
喷液装置4有四个，均匀的分布在凸台5上；喷液装置4包括雾化喷头41 和流量控制阀42；凸台5的下方固定有水泵6；雾化喷头41通过水管连接流量 控制阀42，各流量控制阀通过连接管与水泵6相连接，水泵6连接到储液装置 2内；储液装置2内的消毒剂通过水泵6加压后经流量控制阀42最后经雾化喷 头41喷出。
环境感知系统，包括Kinect相机7、激光雷达8、红外传感器9和超声波 传感器10；Kinect相机7安装在第二旋转台32上；激光雷达8安装在底盘1 上；红外传感器9安装在底盘的外侧；超声波传感器10安装在底盘的外侧，超 声波传感器和红外线传感器上下两排平行分布。
工作步骤如下：
步骤一：将智能消杀清洁机器人置于待消毒的环境中，打开总电源，打开 启动按钮；
步骤二：激光雷达采集的环境信息，传给以树莓派4B为上位机的中央控制 系统，通过Gmapping SLAM对环境地图进行构建并形成灰度地图，并采用 Navigation算法对机器人进行路径的局部规划和全局规划，并将移动指令通过串 口通信方式发送给ArduinoNano主板，Arduino Nano发布相关指令控制电机工 作，使底盘移动，机器人在移动过程中配合Kinect相机、红外传感器和超声波 传感器对周围环境进行扫描，将环境信息发送给树莓派进行指令控制，实现主 动避让行人；
步骤三：智能消杀清洁机器人通过环境感知系统对周围环境信息进行识别， 并结合实际需求采用空气净化装置、紫外线消毒装置和喷液装置中的一种或两 种或三种；
步骤四：消毒工作过程中通过Kinect相机来识别周围人群，判断与人之间 的距离，调整喷液装置的喷洒模式和自主避障，必要时播报语音提醒周围人员 正在消毒，请注意避让。
Claims (7)
1.智能消杀清洁机器人，其特征在于：包括：底盘、储液装置、机身、环境感知系统和喷液装置；所述的储液装置固定在所述的底盘上；所述的储液装置上安装有凸台，凸台上安装有机身；
所述的底盘内安装有Arduino Nano主板、中央控制系统、电机、两个主动轮和万向轮；每个主动轮一侧与电机相连接；两个主动轮和万向轮构成一个等边三角形；
所述的机身，包括第一旋转台、第二旋转台、空气净化装置和紫外线消毒装置；第一旋转台固定在凸台上；第一旋转台和第二旋转台之间固定有空气净化装置和紫外线消毒装置；紫外线消毒装置包括若干根紫外线灯管，紫外线灯管均匀分布在空气净化装置的周围；
所述的喷液装置，包括雾化喷头和流量控制阀；雾化喷头通过水管连接流量控制阀；所述的凸台的下方固定有水泵；喷液装置与水泵相连接，水泵连接到所述的储液装置内；储液装置内的消毒剂通过水泵加压后经流量控制阀最后经雾化喷头喷出；
所述的环境感知系统，包括Kinect相机、激光雷达、红外传感器和超声波传感器；Kinect相机安装在第二旋转台上；激光雷达安装在所述的底盘上，位于储液装置的一侧；红外传感器安装在所述的底盘的外侧；超声波传感器安装在所述的底盘的外侧；
在人体骨骼识别方面该机器人利用Kinect平台同时采集颜色、深度和关节信息，机器人可以在检测的同时获取物体的局部彩色图像，建立具有物体完整姿态的彩色图像数据库，从而利用基于SIFT特征的特征词包即BOF图像检索算法判断物体类型；
基于SAMCL自适应蒙特卡洛法的定位来减小由于长时间移动所导致的机器人现实中移动距离与里程计的误差，实现精准定位。
2.根据权利要求1所述的智能消杀清洁机器人，其特征在于所述的空气净化装置为静电吸附式空气净化装置。
3.根据权利要求1所述的智能消杀清洁机器人，其特征在于所述的底盘控制主板为Arduino Nano主板。
4.根据权利要求1所述的智能消杀清洁机器人，其特征在于所述的中央控制系统为安装了Ubuntu系统和ROS系统的树莓派4B。
5.根据权利要求1所述的智能消杀清洁机器人，其特征在于所述的喷液装置至少有四个，通过转接头与所述的水泵相连接，喷液装置均匀的分布在所述的凸台上。
6.根据权利要求1所述的智能消杀清洁机器人，其特征在于所述的超声波传感器和红外线传感器上下两排平行分布在所述的底盘的外侧。
7.根据权利要求1所述的智能消杀清洁机器人，其特征在于工作步骤如下：
步骤一：将智能消杀清洁机器人置于待消毒的环境中，打开总电源，打开启动按钮；
步骤二：激光雷达采集的环境信息，传给以树莓派为上位机的中央控制系统，通过Gmapping SLAM对环境地图进行构建并形成灰度地图，并采用Navigation算法对机器人进行路径的局部规划和全局规划，并将移动指令通过串口通信方式发送给Arduino Nano主板，Arduino Nano发布相关指令控制电机工作，主动轮转动，使底盘移动，在移动过程中Kinect相机、红外传感器和超声波传感器同时对周围环境进行扫描，将环境信息时时发送给树莓派进行指令控制，实现主动避让行人；
步骤三：智能消杀清洁机器人通过环境感知系统对周围环境信息进行识别，并结合实际需求采用空气净化装置、紫外线消毒装置和喷液装置中的一种或两种或三种；
步骤四：智能消杀清洁机器人工作过程中通过Kinect相机来识别周围人群，判断与人之间的距离，调整喷液装置的喷洒模式和自主避障，必要时播报语音提醒周围人员正在消毒，请注意避让。
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