描述

動(dòng)機(jī)

當(dāng)災(zāi)難襲來(lái)時(shí)，它往往會(huì)突出我們?nèi)菀缀鲆暤膯?wèn)題。隨著世界在 2020 年陷入停頓，其中一個(gè)重新受到重視的問(wèn)題就是衛(wèi)生設(shè)施。在過(guò)去的幾年里，我們將清潔和衛(wèi)生視為理所當(dāng)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。

截至2020年3月清潔產(chǎn)品銷售額同比增長(zhǎng)

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世界各地的人們更加關(guān)注他們的周圍環(huán)境，并且不僅僅對(duì)“看起來(lái)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(zhǎng)。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(dòng)的人面臨許多健康問(wèn)題。因此，需要一種可靠的替代方案來(lái)遏制病原體的傳播并讓社會(huì)重新站起來(lái)

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(jìn)行房間和表面消毒。

• 紫外線是一種電磁輻射，波長(zhǎng)范圍為 10nm 至 400nm。紫外線用于衛(wèi)生目的，因?yàn)樗鼰o(wú)需使用任何有毒化學(xué)物質(zhì)即可殺死細(xì)菌和病毒。它通過(guò)破壞它們 DNA 的分子鍵來(lái)殺死這些病原體 - 負(fù)責(zé)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?yàn)樗鼈兙哂凶疃痰牟ㄩL(zhǎng)，因此具有最高的能量。它們的波長(zhǎng)范圍為 200nm - 400nm。

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1 / 2 ?飛利浦 TUV 180W 日光燈的光度數(shù)據(jù)

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• 在過(guò)去的幾年中，UVC 燈已向公眾開(kāi)放。它們有不同的形式，包括指導(dǎo)用戶如何有效殺死細(xì)菌的說(shuō)明。

使用這些 UVC 燈，我們?cè)O(shè)計(jì)了Fluoresce機(jī)器人，這是一種自主消毒機(jī)器人，具有四個(gè)可伸縮的 UVC 燈管和內(nèi)置的 SLAM 功能。

能力與創(chuàng)新

熒光機(jī)器人對(duì)房間和里面的家具進(jìn)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(shè)計(jì)的電機(jī)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(jìn)一步擴(kuò)大范圍。

在軟件方面，計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法用于檢測(cè)人、寵物、植物，并識(shí)別高風(fēng)險(xiǎn)表面（即熱點(diǎn)）。如果檢測(cè)到任何生物，機(jī)器人會(huì)立即關(guān)閉，以免造成任何傷害。

如果檢測(cè)到高風(fēng)險(xiǎn)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(jī)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(shuō)明

• 該設(shè)備首先穿過(guò)房間尋找生物的存在，同時(shí)繪制房間地圖。
• 一旦機(jī)器人可以安全地確定房間是干凈的，清潔過(guò)程就會(huì)開(kāi)始。
• 機(jī)器人繪制出房間并自主移動(dòng)，使用它的四個(gè) UV-C 管對(duì)房間內(nèi)的墻壁、地板和物體進(jìn)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(guò)程的強(qiáng)度可以根據(jù)用戶的要求在應(yīng)用程序中改變。如果檢測(cè)到人的存在或過(guò)熱，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)停止。

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機(jī)器人設(shè)計(jì)

熒光機(jī)器人的組件（尺寸單位為 mm）

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UVC 管延伸和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（尺寸以 mm 為單位）

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控制系統(tǒng)架構(gòu)

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Zed 立體相機(jī)和廣角相機(jī)：

這兩個(gè)攝像頭同時(shí)使用以提供 300 度以上的視野。

RPLIDAR-A1：

RPLIDAR-A1 傳感器可進(jìn)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(guò)程的速度和準(zhǔn)確性。

全向輪：

該機(jī)器人使用三個(gè)全向輪，比傳統(tǒng)的圓柱輪提供更廣泛的運(yùn)動(dòng)范圍。這允許在狹小的空間中以更大的控制移動(dòng)。

溫控冷卻風(fēng)扇：

機(jī)器人底座包含 4 個(gè)溫控風(fēng)扇（2 個(gè)進(jìn)氣和 2 個(gè)排氣），在底座過(guò)熱時(shí)打開(kāi)。因此，底座及其大部分組件都被主動(dòng)冷卻。

LED 清潔指示燈：

機(jī)器人的頂部和底部包含一個(gè) LED 燈條，當(dāng)機(jī)器人開(kāi)啟時(shí)變?yōu)榧t色，機(jī)器人關(guān)閉時(shí)變?yōu)榫G色。這提醒了該地區(qū)的人們。

伺服電機(jī)+導(dǎo)軌延長(zhǎng)管：

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

電機(jī)傾斜管：

在每個(gè)管子的底部，都有伺服電機(jī)，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(gè)霧化器，連接到一個(gè)泵，有助于在需要時(shí)噴灑消毒液。

機(jī)器人特點(diǎn)

機(jī)器人遙控操作：

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

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遠(yuǎn)程操作

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管子移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)：

• 熒光機(jī)器人中的四根 UVC 管可以向上延伸，最高可達(dá) 2.45 米。
• 這允許機(jī)器人到達(dá)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(jī)也允許它們旋轉(zhuǎn)，從而擴(kuò)大了機(jī)器人的范圍，使其能夠到達(dá)原本會(huì)被忽視的區(qū)域。

紫外線強(qiáng)度控制：

• 雖然完全消毒是當(dāng)務(wù)之急，但我們也知道某些房間或區(qū)域可能不需要與高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域或“熱點(diǎn)”相同的消毒水平。
• 因此，為了確保清潔過(guò)程的效率并優(yōu)化機(jī)器人的電力使用，應(yīng)用程序中內(nèi)置了一些設(shè)置來(lái)控制發(fā)出的 UV-C 光的強(qiáng)度，因?yàn)樗褂玫?/font>飛利浦管包括可變的規(guī)定強(qiáng)度。

消毒噴霧：

• 機(jī)器人的四個(gè)手臂中的每一個(gè)都配備了一個(gè)霧化器。
• 這用于用消毒劑溶液噴灑高風(fēng)險(xiǎn)表面，確保最高級(jí)別的清潔。
• 通過(guò)使用 OpenCV 庫(kù)編碼的圖像處理軟件運(yùn)行來(lái)自Zed相機(jī)的圖像來(lái)檢測(cè)熱點(diǎn)（廁所、門(mén)把手等） 。

用于高風(fēng)險(xiǎn)表面的消毒噴霧

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自動(dòng)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(shè)備開(kāi)始清潔之前完整地映射房間。

機(jī)器人掃描房間（加速到 2 倍）

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• 創(chuàng)建的地圖有助于機(jī)器人避開(kāi)障礙物并生成對(duì)房間進(jìn)行消毒的最佳路徑。

機(jī)器人現(xiàn)在使用較早的掃描來(lái)打掃房間（加速到 2 倍）

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多房間支持：

• 在應(yīng)用程序中，我們?yōu)橛脩籼砑恿擞成涠鄠€(gè)房間并為每個(gè)房間存儲(chǔ)單獨(dú)地圖的功能。

映射一個(gè)新房間

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• 用戶選擇要消毒的房間，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)按照之前創(chuàng)建的地圖繪制的路徑。

選擇房間

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自主碼頭充電：

• 一旦 Fluoresce 機(jī)器人完成房間的消毒或電量不足，它會(huì)自動(dòng)前往充電座進(jìn)行充電。

用于充電和軟件更新的自動(dòng)對(duì)接

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導(dǎo)航和引導(dǎo)平臺(tái)

我們?cè)?ROS Melodic 上使用 Gazebo 來(lái)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(gè)區(qū)域，分別是左、前左、前右和右。每一個(gè)都被賦予了一系列角度。在這些范圍中的任何一個(gè)范圍內(nèi)檢測(cè)到障礙物都會(huì)觸發(fā)機(jī)器人自動(dòng)轉(zhuǎn)向相反的方向，從而避免碰撞。除此之外，我們還結(jié)合了 Bug1 算法來(lái)有效地到達(dá)我們的目的地，這也有助于用于創(chuàng)建地圖的 Gmapping 工具。

使用在 Gazebo 上模擬的 RPLIDAR 進(jìn)行障礙物檢測(cè)

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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(guān)，從而對(duì)健康造成危害。因此，在進(jìn)行衛(wèi)生處理時(shí)，不允許人類進(jìn)入房間。

雖然科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)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(dòng)人員檢測(cè)：

• Fluoresce 機(jī)器人在確定房間內(nèi)沒(méi)有人之前不會(huì)開(kāi)始清潔過(guò)程。人員檢測(cè)是連續(xù)進(jìn)行的。

工作中的人員檢測(cè)算法

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• 當(dāng)機(jī)器人在房間里移動(dòng)時(shí)，它會(huì)通過(guò)人員檢測(cè)算法運(yùn)行來(lái)自攝像機(jī)的實(shí)時(shí)信息，以確保沒(méi)有任何人受到這些有害輻射的影響。一旦檢測(cè)到人，它就會(huì)完全關(guān)閉。

由于有人在場(chǎng)立即關(guān)閉

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寵物和植物檢測(cè)：

• 還有一個(gè)程序正在運(yùn)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(gè)，機(jī)器人將完全關(guān)閉。

寵物檢測(cè)

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清潔警告系統(tǒng)：

• 該機(jī)器人在頂部和底部配備了 LED 指示燈，可在機(jī)器人使用時(shí)提醒該區(qū)域的居民。
• 當(dāng)機(jī)器人在使用時(shí)，條帶會(huì)變成紅色，以警告人們盡可能遠(yuǎn)離并保護(hù)自己免受 UVC 輻射。
• 機(jī)器人關(guān)閉或?？康匠潆姸丝诤?，指示燈將變?yōu)榫G色，表明它的存在是安全的。

LED燈清潔指示燈

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溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：

• Fluoresce 機(jī)器人內(nèi)置有溫度傳感器，可不斷監(jiān)測(cè)內(nèi)部組件的熱量水平。
• 溫度數(shù)據(jù)可以在應(yīng)用程序上查看，如果出現(xiàn)任何過(guò)熱情況，設(shè)備會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，以免對(duì)周圍環(huán)境造成任何傷害。

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熒光機(jī)器人應(yīng)用程序

該機(jī)器人帶有一個(gè)應(yīng)用程序，有助于充分利用其功能。它具有增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的各種功能和指標(biāo)。

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商業(yè)模式

• 熒光機(jī)器人適用于訂閱模式。用戶/組織訂閱 3 個(gè)月、12 個(gè)月或 24 個(gè)月的計(jì)劃，費(fèi)率會(huì)相應(yīng)變化。
• 訂閱包括對(duì)公司自身提供的設(shè)備的定期維護(hù)和服務(wù)。
• 這將允許消費(fèi)者根據(jù)他們的要求選擇一個(gè)計(jì)劃，并充分利用機(jī)器人的功能。

材料清單

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我們要感謝美光和 Hackster 團(tuán)隊(duì)為我們提供了在這個(gè)項(xiàng)目上合作的機(jī)會(huì)，這對(duì)我們所有人來(lái)說(shuō)都是一次很棒的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，肯定會(huì)在我們未來(lái)的努力中幫助我們。