高 涵，阮冠鵬，殷治杰，林柏彤，游艷菲

（浙江科技學(xué)院，浙江 杭州 310023）

1 研究背景

2020年初，新冠疫情爆發(fā)，在舉國(guó)努力之下，中國(guó)取得了抗疫的階段性勝利。根據(jù)世衛(wèi)組織和防疫專(zhuān)家判斷，新冠病毒將與人類(lèi)長(zhǎng)期共存，其完全滅絕時(shí)間仍不確定。在面對(duì)與疫共存和急需復(fù)產(chǎn)的雙重壓力下，中國(guó)已率先進(jìn)入到后疫情時(shí)代。在需要與新冠疫情進(jìn)行長(zhǎng)期持久戰(zhàn)的現(xiàn)狀下，公共衛(wèi)生成為人們的關(guān)注熱點(diǎn)，尤其是需要高頻消毒的電影院。眾所周知，新冠病毒潛伏期長(zhǎng)、傳染性強(qiáng)。電影院作為封閉的人流密集場(chǎng)所，極易增加病毒傳播的風(fēng)險(xiǎn)。一間電影院觀(guān)影廳容納的觀(guān)眾人數(shù)少則幾十，多則上百，如此眾多人群在一個(gè)密閉的空間里共處一兩個(gè)小時(shí)，其中只要有一個(gè)新冠病毒感染者，就有可能造成“超級(jí)傳播”等嚴(yán)重后果。

影院的疫情防控措施是決定大眾是否愿意去電影院最重要的因素之一，因此不管是站在全民抗疫和公共衛(wèi)生的角度，還是站在電影院本身營(yíng)收的角度，防控消毒都是重中之重。如今的電影院[1]清潔殺毒方式主要是依靠人工使用消毒液、酒精完成，或者在人工清潔后再使用紫外燈消毒，沒(méi)有一套自動(dòng)化的消毒殺菌體系，前者增加了人力成本，同時(shí)存在著清潔人員易感染病毒、消毒殺菌不到位等問(wèn)題與隱患。而后者因?yàn)殡娪霸褐凶蚊芗木壒士赡軙?huì)留下死角和殘余，而且大范圍紫外燈滅活消毒的時(shí)候如果有人意外進(jìn)入將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。在這樣的背景下，筆者們研發(fā)了消毒殺菌機(jī)器人，使其具備了清潔與消毒殺菌的功能，并且可以適應(yīng)有樓梯、多衛(wèi)生死角的電影院環(huán)境，能夠?qū)﹄娪霸哼M(jìn)行自動(dòng)化、細(xì)節(jié)化的消毒殺菌。并且，當(dāng)有人靠近機(jī)器人時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉紫外燈，避免安全事故的發(fā)生。疫情后電影院電影票銷(xiāo)量的影響因素如圖1所示。

圖1 疫情后電影院電影票銷(xiāo)量的影響因素

《中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展報(bào)告（2021）》在2021（第二十屆）中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)上發(fā)布，物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)1.7萬(wàn)億元，人工智能市場(chǎng)規(guī)模達(dá)3 031 億元，萬(wàn)物互聯(lián)的浪潮已經(jīng)勢(shì)不可擋，而筆者們研發(fā)這款消毒殺菌正是旨在實(shí)現(xiàn)電影院消毒的自動(dòng)化，將電影院環(huán)境消毒殺菌體系納入物聯(lián)網(wǎng)的框架中，進(jìn)一步解放人的雙手，并防止人在消毒殺菌的過(guò)程中發(fā)生感染。

2 原理分析

如圖2所示，該機(jī)器人主要包含以下模塊：紫外線(xiàn)消毒模塊、中央處理模塊、行走模塊、無(wú)線(xiàn)充電模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、攝像頭數(shù)據(jù)處理模塊、紅外熱感模塊。運(yùn)用到以下物理原理：攝像頭成像以及檢測(cè)原理、紅外探測(cè)原理、紫外線(xiàn)消毒原理、無(wú)線(xiàn)充電原理。

圖2 機(jī)器人模塊簡(jiǎn)述

2.1 人體熱釋電紅外探測(cè)器工作原理

在自然界中， 紅外線(xiàn)射線(xiàn)屬于電磁波，具備一系列波的特性，其波速為光速，波段覆蓋范圍比較寬，在0.75～1 000 μm 之間。溫度超過(guò)﹣273 ℃絕對(duì)零度的物質(zhì)都將向其四周放射紅外線(xiàn)，根據(jù)環(huán)境溫度不同，其所放射的紅外波長(zhǎng)也有所不同，這就是熱釋電紅外檢測(cè)儀工作的原理，并針對(duì)不同環(huán)境溫度的物質(zhì)放射的紅外線(xiàn)光譜差異，開(kāi)展對(duì)一定區(qū)域的紅外線(xiàn)測(cè)量，以判斷所需要的目標(biāo)。而人體放射的紅外線(xiàn)中心波段為9～10 μm，只有通過(guò)高熱電系數(shù)的材質(zhì)（如PIR 材質(zhì)）制成探測(cè)元件才可以檢測(cè)。檢測(cè)器件把檢測(cè)對(duì)象所接收來(lái)的紅外線(xiàn)照射轉(zhuǎn)變成微小的電流信號(hào)，由裝設(shè)于探頭內(nèi)側(cè)的場(chǎng)效應(yīng)管擴(kuò)大后再往外部提供。而為了進(jìn)一步提高探測(cè)器的探測(cè)靈敏度和增加探測(cè)距離，人類(lèi)往往在探頭的最前部加裝了一菲涅爾透鏡，此透鏡通常由0.5 mm 透明塑料所構(gòu)成，把透鏡表面上、下兩個(gè)部分各分成幾個(gè)等份，構(gòu)成了一個(gè)帶有特定光學(xué)系統(tǒng)的小鏡片，并與放大電路相配合，能把光信號(hào)放大70 dB 以上，這樣就能夠測(cè)量20 m 左右區(qū)域內(nèi)人的行為。

2.2 紫外線(xiàn)殺菌消毒原理

核酸在被240～280 nm 的紫外光照射時(shí)會(huì)大量吸收紫外線(xiàn)，使細(xì)胞本身的代謝機(jī)制發(fā)生障礙，同時(shí)也會(huì)使細(xì)胞的遺傳狀況發(fā)生問(wèn)題，而不斷的紫外線(xiàn)輻射，最后也會(huì)造成細(xì)胞族群滅亡。此外，紫外光除去殺菌的作用，也可用來(lái)讓細(xì)胞減低自己的“活力”，某些細(xì)胞在可見(jiàn)光的照耀下是特別活潑的，我們稱(chēng)為“光恢復(fù)”特性，也是說(shuō)，在波段為300～500 nm 的強(qiáng)紫外線(xiàn)下，細(xì)胞本身的一個(gè)光恢復(fù)酶素會(huì)使細(xì)胞種群顯得非?；顫?，并且自身也會(huì)大量生長(zhǎng)。所以，在必須控制這些病菌的數(shù)量和種群規(guī)模時(shí)，通過(guò)利用微弱的紫外光進(jìn)行輻射可以把病菌的數(shù)量控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

2.3 無(wú)線(xiàn)充電模塊原理

所述核心處理芯片在執(zhí)行自動(dòng)巡航模塊時(shí)，對(duì)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)算法提前讓機(jī)器人到達(dá)無(wú)線(xiàn)充電位置，通過(guò)無(wú)線(xiàn)充電模塊對(duì)其充電。本設(shè)計(jì)采用電磁感應(yīng)式，電磁感應(yīng)無(wú)線(xiàn)充電利用的是電生磁、磁生電的電磁感應(yīng)原理，即“電”與“磁”的相互轉(zhuǎn)化。無(wú)線(xiàn)充電還有一種原理是磁場(chǎng)共振，磁場(chǎng)共振是由能量發(fā)送裝置和能量接收裝置組成，當(dāng)2個(gè)裝置調(diào)整到相同頻率，或者說(shuō)在一個(gè)特定的頻率上共振時(shí)，它們就可以交換彼此的能量。無(wú)線(xiàn)充電流程如圖3所示。

圖3 無(wú)線(xiàn)充電流程圖

3 技術(shù)分析

3.1 紫外線(xiàn)消毒技術(shù)

在紫外線(xiàn)殺菌中，不同的發(fā)光波長(zhǎng)有不同的功效。當(dāng)光的波長(zhǎng)在300 nm 以?xún)?nèi)時(shí)，會(huì)有消毒的效果，在260 nm 左右時(shí)對(duì)細(xì)胞的殺滅效應(yīng)也比較明顯。紫外線(xiàn)殺菌設(shè)備的實(shí)踐應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)單位輻照劑量和照度，就是以紫外線(xiàn)在殺死耐紫外線(xiàn)能力較強(qiáng)的細(xì)菌時(shí)所需的紫外線(xiàn)輻照劑量作為標(biāo)準(zhǔn)參考的。

3.2 自動(dòng)巡航技術(shù)

由核心處理芯片控制攝像頭開(kāi)啟，將攝像頭采集到的數(shù)據(jù)反饋給攝像頭采集模塊與攝像頭紅外感應(yīng)處理模塊，經(jīng)過(guò)核心處理芯片的算法得出路徑，并在確定無(wú)移動(dòng)熱源環(huán)境下控制紫外線(xiàn)燈開(kāi)啟，同時(shí)通過(guò)電機(jī)處理模塊控制電機(jī)，使驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)履帶實(shí)現(xiàn)行走。在遇到障礙物時(shí)，攝像頭將采集到數(shù)據(jù)反饋給攝像頭采集模塊，再傳輸給核心處理芯片，再將信息給到電機(jī)處理模塊，使電機(jī)差速工作，實(shí)現(xiàn)車(chē)體轉(zhuǎn)彎，從而達(dá)到避障效果。

3.3 無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)

核心處理芯片在執(zhí)行自動(dòng)巡航模塊時(shí)，對(duì)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在蓄電池電量不足以達(dá)到起始充電位置時(shí)，核心處理芯片傳輸信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)車(chē)體回到原始位置，通過(guò)無(wú)線(xiàn)充電模塊給蓄電池充電。通過(guò)算法提前讓機(jī)器人到達(dá)無(wú)線(xiàn)充電位置，通過(guò)無(wú)線(xiàn)充電模塊對(duì)其充電。

3.4 PWM 控制模塊

PWM 控制——脈沖寬度調(diào)制高新技術(shù)是利用微處理設(shè)備的數(shù)碼信息對(duì)仿真集成電路實(shí)現(xiàn)控制的一項(xiàng)十分高效的高新技術(shù)。脈沖寬度調(diào)制是利用微加工設(shè)備的數(shù)碼輸出信號(hào)來(lái)對(duì)仿真集成電路實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的一項(xiàng)十分高效的工藝技術(shù)，被應(yīng)用在從測(cè)試、通訊到功率調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換的眾多應(yīng)用領(lǐng)域中。在PWM 波形中，各輸出脈沖的幅值是相同的，要調(diào)整等效輸出電流正弦波的幅值時(shí)，只需按一個(gè)百分比系數(shù)調(diào)整各輸出脈沖的長(zhǎng)度即可，所以在交—直—交變頻器中，PWM 逆變控制電路產(chǎn)生的脈沖電壓等于直流出口側(cè)輸入電流的幅值。

根據(jù)以上原理，在給定了正弦波頻譜、幅值和半個(gè)時(shí)間內(nèi)的脈沖時(shí)間數(shù)后，PWM 波形各脈沖信號(hào)的長(zhǎng)度和間距就能夠精確統(tǒng)計(jì)得出。根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)節(jié)集成電路中各控制開(kāi)關(guān)元件的通斷，就能夠獲得所要求的PWM 波形。PWM 電路圖如圖4所示。

圖4 PWM 電路圖

3.5 紅外感應(yīng)技術(shù)

消毒機(jī)器人在進(jìn)行殺菌任務(wù)時(shí)，考慮到紫外線(xiàn)對(duì)人體的不良影響，采用紅外傳感器控制消毒機(jī)器人進(jìn)行殺毒任務(wù)時(shí)紫外燈的開(kāi)啟或關(guān)閉。并采用可重復(fù)觸發(fā)方式，即感應(yīng)輸出低電平后，在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍活動(dòng)，其輸出將一直保持低電平，直到人離開(kāi)后才延時(shí)將低電平變?yōu)楦唠娖剑ǜ袘?yīng)模塊檢測(cè)到人體的每一次活動(dòng)后會(huì)自動(dòng)順延一個(gè)延時(shí)時(shí)間段，并且以最后一次活動(dòng)的時(shí)間為延時(shí)時(shí)間的起始點(diǎn)）。消毒工作時(shí)，當(dāng)人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出低電平，紫外線(xiàn)燈關(guān)閉。紅外感應(yīng)流程如圖5所示。

圖5 紅外感應(yīng)流程圖

4 科技創(chuàng)新點(diǎn)

通過(guò)人體熱釋電紅外探測(cè)器探測(cè)到人體靠近后自動(dòng)斷開(kāi)電路，避免紫外線(xiàn)對(duì)人體造成傷害。該機(jī)器人在檢測(cè)周?chē)沫h(huán)境后進(jìn)行自動(dòng)消毒，當(dāng)經(jīng)過(guò)紫外線(xiàn)殺菌消毒一段時(shí)間以后，會(huì)自動(dòng)熄滅紫外線(xiàn)殺菌燈，大大降低了人工手動(dòng)消毒的工作量。

5 應(yīng)用前景

在全球疫情的影響下，影院的復(fù)工顯得更加艱難，一方面必須加緊維修、整理、籌備疫情消殺物料，另一方面，由于疫情時(shí)期缺少營(yíng)業(yè)收入，這對(duì)不少影城而言，喪失了大批人員，還必須再次招人、培訓(xùn)，難度不小?；诖?，智能機(jī)器人再次出鏡。近日，深圳、上海、武漢等地均通過(guò)利用人工智能技術(shù)助力影院安全高效地開(kāi)展復(fù)工作業(yè)，目前，深圳萬(wàn)象影城MIXC（深圳灣旗艦店）、華誼兄弟影院，上海上影影城，武漢百方匯影城光谷K11 店均出現(xiàn)機(jī)器人的身影。電影院作為人群密集、密閉性場(chǎng)所，對(duì)疫情防控和消毒的要求更高。根據(jù)國(guó)家電影局對(duì)于電影院的疫情防控要求，本產(chǎn)品完全符合國(guó)家的電影院消毒規(guī)范，做到對(duì)座椅各個(gè)角落以及對(duì)電影院的地毯式消毒，不留死角。本產(chǎn)品具有極高的地形通過(guò)性，轉(zhuǎn)向靈活，面對(duì)樓梯、陡坡或其他狹窄路段，都可靈活通過(guò)并完成消毒作業(yè)，并且按照事先規(guī)劃的路線(xiàn)完成消殺作業(yè)。本產(chǎn)品在樓梯消毒的效果仿真圖如圖6所示。

圖6 本產(chǎn)品在樓梯消毒的效果仿真圖（借鑒）

目前疫情防控形勢(shì)嚴(yán)峻，影城作為社會(huì)營(yíng)業(yè)場(chǎng)地，要認(rèn)真抓好防治管理工作，全方位履行影城消毒清潔的各項(xiàng)流程。為保證工作人員和觀(guān)影人員的身心健康，搞好影院預(yù)防感染的消毒管理工作，特制定消毒規(guī)范。在疫情常態(tài)化背景下，公共場(chǎng)所的消毒要求也將逐步變得嚴(yán)格，市場(chǎng)對(duì)消毒機(jī)器人的需求量也將激增。新冠疫情的爆發(fā)使得人們加大了對(duì)消毒的重視，因此會(huì)增加消毒器械的購(gòu)買(mǎi)量，一個(gè)好的多功能的消毒機(jī)器人將是消費(fèi)者的最優(yōu)選擇[2]。對(duì)于一些影業(yè)企業(yè)來(lái)說(shuō)，影院的消毒工作也至關(guān)重要，而本產(chǎn)品所具有的多種消殺方式，都能有效地解決人流眾多的公共區(qū)域衛(wèi)生消殺難題。本產(chǎn)品具有自動(dòng)規(guī)劃路線(xiàn)、自動(dòng)回程充電等功能，可在設(shè)置好路線(xiàn)后，全自動(dòng)消毒，無(wú)需人工控制。利用消毒機(jī)器人進(jìn)行消殺作業(yè)不僅有效減少了人員接觸風(fēng)險(xiǎn)，降低了人工成本，還大大提高了公共場(chǎng)所大面積的消毒工作效率。