CN114789457A - 智能紫外消杀机器人 - Google Patents

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Abstract

智能紫外消杀机器人，属于消杀机器人技术领域。能够自动地在人为指定区域进行消杀工作，同时能够自主移动，完成整个区域空间地消杀任务。消杀控制系统通过接收来自集成控制系统的信息对驱动电源的工作频率和功率进行设定，利用频率和功率控制器促使灯管产生不同波长的紫外光线，实现对于各类病毒细菌的消杀，人机交互系统用于操作人员对消杀机器人进行指令的下发和对消杀机器人进行远程的监控，环境信息检测传感器用于反馈对环境的消杀效果。本发明通过改变驱动电源的工作频率和功率来促使灯管产生不同波长的紫外光线，实现对于各类病毒细菌的消杀，能够更为准确地保证消杀的彻底性和安全性。

Description

智能紫外消杀机器人
技术领域
本发明属于消杀机器人技术领域，具体涉及一种智能紫外消杀机器人。
背景技术
目前许多传播链的源头来自冷链和外来人员。所以对于特定区域的消杀就显得格外重要，尤其是：仓库、冷冻库、机场和医院等。目前主要的消杀手段一种是人工喷洒消毒药水或者人工手动清理消毒，这种消杀方式效果一般，会由于人为的原因导致消杀不彻底，人工成本较大；一种是利用固定式悬挂消毒杀菌灯，特别是汞灯和紫外线灯，这种消杀方式，节省了人力，但是由于固定式安装，必然存在消杀死角，而且单一频率的消杀光线消杀会导致消杀效果不彻底，更严重的情况，如果有人员意外闯入消杀区域会对人体造成不可逆的损害。
还有一种是利用消杀机器人进行消杀，但现有的消杀机器人普遍存在以下问题：
(1)一些消杀机器人采用紫外线灯管作为物理消杀的光源来源，但是由于灯管只能发出特定频率的紫外光线，所以只是对于一些特定的细菌病毒起到消杀作用，而对于敏感程度不同的细菌病毒则不起作用，造成消杀效果不彻底的现象；
(2)大部分消杀机器人的人机交互界面通常设置在机器人本体上，使得工作时操作人员不能够直观的了解消杀机器人的工作状况，造成操作的不便利；
(3)消杀机器人均是采用固定消杀时间的开环消杀控制方式，这种方式没有外界消杀程度的反馈，就会造成消杀不充分导致病毒细菌仍然存在，或者消杀时间过长造成不必要的浪费还会损耗紫外线灯管寿命。
发明内容
本发明为了解决上述背景技术存在的问题，进而提供一种智能紫外消杀机器人，能够自动地在人为指定区域进行消杀工作，同时能够自主移动，完成整个区域空间地消杀任务。
本发明所采取的技术方案是：智能紫外消杀机器人，其特征在于：包括集成控制系统、消杀控制系统、灯管驱动电源、惰性气体紫外灯管、人机交互系统及环境信息检测传感器；所述消杀控制系统与集成控制系统连通，消杀控制系统通过接收来自集成控制系统的信息对驱动电源的工作频率和功率进行设定，利用频率和功率控制器促使灯管产生不同波长的紫外光线，实现对于各类病毒细菌的消杀，所述人机交互系统与集成控制系统连通，用于操作人员对消杀机器人进行指令的下发和对消杀机器人进行远程的监控，所述环境信息检测传感器与集成控制系统连接，用于反馈对环境的消杀效果。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明的智能紫外消杀机器人，利用惰性气体紫外灯管可以产生全波长紫外线(200-315nm)对大多数的细菌病毒都能起到消杀作用，同时设计了能够激发惰性气体紫外灯管的驱动电源，通过改变驱动电源的工作频率和功率来促使灯管产生不同波长的紫外光线，实现对于各类病毒细菌的消杀。
2.本发明的智能紫外消杀机器人，通过使用环境信息检测传感器来反馈对环境的消杀效果，能够更为准确地保证消杀的彻底性和安全性。
3.本发明的智能紫外消杀机器人，利用激光发射接收器和数据稀疏重建算法来代替传统激光雷达实现定位与建图极大降低了产品的成本，利用精确的机器人移动移动控制系统和更为合理的路径规划方法使得机器人可以完成对于消杀区域的无死角高效率的消杀，极大减少了人工的干预。
4.本发明的智能紫外消杀机器人，设计了更为直观合理的人机交互系统，使得操作人员可以多终端的实现对于消杀机器人的控制与监测。
5.综上设计，使得本发明的智能紫外消杀机器人更加方便、安全、高效、精准。
附图说明
图1是本发明的整体组成图；
图2是本发明机器人运动控制模块的使用流程图；
图3是本发明集成控制系统的具体组成图；
图4是本发明驱动电源原理示意图；
图5是本发明环境信息检测传感器构造原理图；
图6是本发明消杀反馈控制的原理示意图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的做进一步详细的描述。
参照图1～图6所示，本发明的智能紫外消杀机器人，包括集成控制系统、消杀控制系统、灯管驱动电源、惰性气体紫外灯管、人机交互系统及环境信息检测传感器；消杀控制系统与集成控制系统连通，消杀控制系统通过接收来自集成控制系统的信息对驱动电源的工作频率和功率进行设定，利用频率和功率控制器促使灯管产生不同波长的紫外光线，实现对于各类病毒细菌的消杀，人机交互系统与集成控制系统连通，用于操作人员对消杀机器人进行指令的下发和对消杀机器人进行远程的监控，环境信息检测传感器与集成控制系统连接，用于反馈对环境的消杀效果。
反馈控制的原理示意图如图6所示，环境信息检测传感器检测机器人周围空气环境中病毒细菌的浓度，并将数据信息反馈给集成控制系统，通过集成控制系统闭环控制机器人是否继续消杀工作。
如图1所示，集成控制系统包括机器人运动控制模块、传感器数据接收模块及人机交互接收发送模块；
其中：机器人运动控制模块处理接收的传感器数据接收模块和人机交互接收发送模块的信号，完成对消杀机器人所处环境进行自身定位与地图构建，并将信号传递给人机交互接收发送模块；
机器人运动控制模块的功能是，通过安装在消杀机器人上的激光发射接收器结合机器人自身的旋转运动实现对周围环境的平面扫描，获取周围环境稀疏激光数据，然后结合稀疏数据成像算法获取外界环境的深度数据信息，然后，结合IMU对消杀机器人自身进行位置估计，利用基于多传感器信息融合的SLAM算法等相关算法完成对消杀机器人所处环境进行自身定位与地图构建，具体方法如图2所示。
接着利用路径规划算法，如：A*全局路径规划、D*局部路径规划、空间覆盖工字形路径规划等算法，实现智能消杀机器人自主建图、自动避障、全覆盖消杀、自动回充等功能；
机器人运动控制模块通过安装在消杀机器人充电口附近和充电桩接口附近的红外对管传感器，利用对应红外线的偏差值来控制消杀机器人实现自动回充的功能。
传感器数据接收模块将接收来自激光发射接收器、IMU和红外传感器的数据，并对数据进行各种滤波处理得到准确的传感器数据，如：单束激光发射接收器、IMU、红外传感器和环境信息检测传感器，并将数据传送到机器人运动控制模块；
人机交互接收发送模块包括：无线电传输模块和5G通讯模块，
人机交互接收发送模块的功能其一是接收来自人机交互系统中操作人员输入的数据，如：消杀区域、消杀位置、消杀功率等并将数据传送给消杀控制系统和机器人运动控制模块完成相应的任务；其二是将消杀机器人的自身的状态，例如：消杀实际功率频率、消杀任务完成情况、机器人所处位置和剩余电量等相关信息发送到人机交互系统，同时具备多终端显示和控制。集成控制系统的具体组成如图3所示。
为了能够使消杀范围包含大多数细菌病毒，所以采用了装有惰性气体(氦气)的灯管作为紫外线光的来源，由于惰性气体的特殊性质，可以通过改变激发灯管的工作频率和功率实现发射全波段脉冲紫外线，对不同种类的细菌病毒完成消杀。但是因为惰性气体的稳定性，所以需要设计驱动电源来激发其工作，灯管驱动电源原理示意图如图4所示，
驱动电源的电路包括预电离电压U1、电压U2、电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2、控硅VT1、可控硅VT2及变压器T；电阻R2一端与预电离电压U1一端连接，电阻R2另一端分别与电容C2一端和可控硅VT2一端连接，电容C2另一端与变压器T的次级线圈一端连接，变压器T的次级线圈另一端和可控硅VT2另一端均与预电离电压U1另一端连接，变压器T的初级线圈一端与灯管的连接端一连接，变压器T的初级线圈另一端与电压 U2一端连接，电阻R1一端通过二极管D与电压U2另一端连接，电阻R1 另一端和控硅VT1一端均连入灯管的连接端二，控硅VT1另一端通过电容 C1与电压U2一端，所述灯管的连接端三接地。
驱动电源将灯管内惰性气体进行电离的工作原理为第一步预电离电压 U1通过电阻R2给电容C2充电，充到一定电压，可控硅VT2开通，电容 C2经变压器放电，变压器T的次级产生足够高的电压，将灯管内惰性气体进行电离。气体电离后，电阻变很小。电压U2通过二极管D和电阻R1维持灯管的预电离状态。由于此时惰性气体已经处于预电离状态，只要导通可控硅VT1，电容C1上的电压就可以激发灯管使其点亮。电容C1上的电压放完以后，电压U2不变，维持预电离状态直到下一次放电。
消杀控制系统通过接收来自集成控制系统的信息对驱动电源的工作频率和功率进行设定，利用频率和功率控制器完成对灯管的控制任务。并且当有突发事件发生时如：传感器检测到人或牲畜突然闯入消杀工作区域时需要对消杀工作进行紧急停止，避免人畜受到意外伤害。
人机交互系统主要由安装在消杀机器人上的LCD屏幕、指示呼吸灯、手机APP和电脑PC端等组成。操作人员通过LCD屏幕、手机APP和电脑PC 端对紫外消杀机器人进行指令的下发，同时可以在消杀任务进行时通过手机 APP或电脑PC端对消杀机器人进行远程的监控，监控指标包括：实时的消杀区域、消杀效果反馈数据、消杀时间等重要数据。指示呼吸灯用于直观的显示消杀机器人的工作状态，红灯闪烁表示处于消杀进行状态，绿灯闪烁表示处于功能设定状态，白灯常亮表明电量充足，白灯闪烁表示电量不足。
环境信息检测传感器是一种能够定量反馈环境中细菌病毒残留浓度的传感器，其中包括了样本采集模块、试剂检测模块、视觉处理模块、数据发送模块、电控与软件系统，构造原理图如图5所示。通过样本采集模块，采集周围环境空气样本，利用传动装置将其送至试剂检测模块当中，经过试剂检测模块检测后利用试剂的颜色反应，通过视觉处理模块结合AI识别技术得到当前空气中的病毒细菌的浓度含量，作为指标通过数据发送模块发送到集成控制系统中，作为控制反馈来闭环控制消杀机器人的消杀时间。使得控制更加精确，反馈控制的原理示意图如图6所示。这种方式避免了因为消杀时间不够造成病菌的残留或者因为消杀时间过长造成资源的浪费。
样本采集模块采用集气风机和传动装置；
试剂检测模块采用PCR扩增试剂；
本发明的智能紫外消杀机器人具有：
(1)消杀对象的多样性：消杀控制系统采用装有特殊惰性气体(氦气) 的灯管作为紫外光源，通过特殊的功率和频率控制器控制激发驱动电源从而使得灯管发出200-315nm波长的全波段脉冲紫外光能够对外界环境中对紫外线耐受程度不同的细菌病毒进行消杀；
(2)消杀效果的准确性：利用与消杀机器人匹配的环境信息检测传感器监测当前消杀区域环境中几种常见病毒的浓度，从而为消杀控制提供反馈数据实现整个消杀系统的闭环控制，有效的提高了消杀的准确性，避免了消杀不彻底和过度消杀的现象。
(3)自主移动的便捷性：集成控制系统利用单束激光发射接收器、IMU、红外线等传感器对需要消杀的环境进行自主定位、地图构建、导航、避障和回充，实现全方位无死角的消杀工作。与传统激光雷达SLAM相比，采用单束激光发射接收器代替2D激光雷达传感器极大的降低了成本，通过利用相关算法实现，同时对于整个系统硬件要求也得到改善。
(4)人机交互的直观性：人机交互主控系统用于人工设定消杀区域、消杀时间、消杀模式和消杀效果的体现。采用5G通信模块和WIFI模块实现多终端的人机交互可以提供不同用户在不同场景下的需要。
通过使用多台本发明的紫外消杀机器人可以通过互联网云计算实现编队集群，能够实现对大范围区域的消杀工作和多任务的执行。还可以通过智能联网构成一套智慧系统实现物联网的效果。同时还可以设计相应的应对突发情况的自我保护装置，防止对与人畜的意外伤害。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种智能紫外消杀机器人，其特征在于：包括集成控制系统、消杀控制系统、灯管驱动电源、惰性气体紫外灯管、人机交互系统及环境信息检测传感器；所述消杀控制系统与集成控制系统连通，消杀控制系统通过接收来自集成控制系统的信息对驱动电源的工作频率和功率进行设定，利用频率和功率控制器促使灯管产生不同波长的紫外光线，实现对于各类病毒细菌的消杀，所述人机交互系统与集成控制系统连通，用于操作人员对消杀机器人进行指令的下发和对消杀机器人进行远程的监控，所述环境信息检测传感器与集成控制系统连接，用于反馈对环境的消杀效果。
2.根据权利要求1所述的智能紫外消杀机器人，其特征在于：所述环境信息检测传感器检测机器人周围空气环境中病毒细菌的浓度，并将数据信息反馈给集成控制系统，通过集成控制系统闭环控制机器人是否继续消杀工作。
3.根据权利要求1所述的智能紫外消杀机器人，其特征在于：所述集成控制系统包括机器人运动控制模块、传感器数据接收模块及人机交互接收发送模块；
所述机器人运动控制模块处理接收到的传感器数据接收模块和人机交互接收发送模块的信号，完成对消杀机器人所处环境进行自身定位与地图构建，并将信号传递给人机交互接收发送模块；
所述传感器数据接收模块将接收来自激光发射接收器、IMU和红外传感器的数据，并对数据进行各种滤波处理得到准确的传感器数据，并将数据传送到机器人运动控制模块；
所述人机交互接收发送模块包括：无线电传输模块和5G通讯模块，
人机交互接收发送模块接收来自人机交互系统中操作人员输入的数据并将数据传送给消杀控制系统和机器人运动控制模块完成相应的任务，以及将消杀机器人的自身的状态信息发送到人机交互系统，同时具备多终端显示和控制。
4.根据权利要求3所述的智能紫外消杀机器人，其特征在于：所述机器人运动控制模块完成消杀机器人所处环境进行自身定位与地图构建的方法，包括以下步骤：
S1.通过安装在消杀机器人上的激光发射接收器结合消杀机器人自身的旋转运动实现对周围环境的平面扫描，获取周围环境稀疏激光数据；
S2.利用周围环境稀疏激光数据结合稀疏数据成像算法获取外界环境的深度数据信息；
S3.利用深度数据信息结合IMU对消杀机器人自身进行位置估计，利用基于多传感器信息融合的SLAM算法等相关算法完成对消杀机器人所处环境进行自身定位与地图构建。
5.根据权利要求1所述的智能紫外消杀机器人，其特征在于：所述灯管采用装有惰性气体的灯管。
6.根据权利要求5所述的智能紫外消杀机器人，其特征在于：所述惰性气体采用氦气。
7.根据权利要求1或6所述的智能紫外消杀机器人，其特征在于：所述驱动电源的电路包括预电离电压U1、电压U2、电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2、控硅VT1、可控硅VT2及变压器T；所述电阻R2一端与预电离电压U1一端连接，电阻R2另一端分别与电容C2一端和可控硅VT2一端连接，所述电容C2另一端与变压器T的次级线圈一端连接，所述变压器T的次级线圈另一端和可控硅VT2另一端均与预电离电压U1另一端连接，所述变压器T的初级线圈一端与灯管的连接端一连接，变压器T的初级线圈另一端与电压U2一端连接，所述电阻R1一端通过二极管D与电压U2另一端连接，所述电阻R1另一端和控硅VT1一端均连入灯管的连接端二，所述控硅VT1另一端通过电容C1与电压U2一端，所述灯管的连接端三接地。
8.根据权利要求7所述的智能紫外消杀机器人，其特征在于：所述驱动电源将灯管内惰性气体进行电离的方法，包括以下步骤：
S1.预电离电压U1通过电阻R2给电容C2充电；
S2.电容C2充到一定电压，可控硅VT2开通，电容C2经变压器T放电，变压器T的次级产生足够高的电压，将灯管内惰性气体进行电离；
S3.电压U2通过二极管D和电阻R1维持灯管的预电离状态；
S4.导通可控硅VT1，电容C1上的电压激发灯管使其点亮。
S5.电容C1上的电压放完以后，电压U2不变，维持预电离状态直到下一次放电。
9.根据权利要求2所述的智能紫外消杀机器人，其特征在于：所述环境信息检测传感器包括样本采集模块、试剂检测模块、视觉处理模块及数据发送模块；
所述样本采集模块用于采集周围环境空气样本；
所述试剂检测模块用于检测样本采集模块采集的样本；
所述视觉处理模块结合AI识别技术，识别试剂检测模块检测后试剂的颜色反应，能够得到当前空气中的病毒细菌的浓度含量，作为指标通过数据发送模块发送到集成控制系统中，作为控制反馈来闭环控制消杀机器人的消杀时间。
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