陳文濤 ， 李博宏 ， 陳 洋 ， 宋釗慰 ， 穆德敏，2

（1.沈陽工學院機械工程與自動化學院，遼寧 撫順 113122；2.沈陽工學院遼寧省數(shù)控機床信息物理融合與智能制造重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

0 引言

傳統(tǒng)的測溫機器人不可以移動也不可以消毒殺菌，存在性能低、性價比低、效率低、人力勞動需求大等缺點。目前，市面上的測溫機器人設備還存在占地面積大、成本高、不能消毒殺菌等問題。而基于Arduino板控制的智能消毒測溫機器人結(jié)構(gòu)簡單，工作效率高，這些特點使其擁有廣泛的應用領域。

本文提出的基于Arduino板控制的智能消毒測溫機器人，可在人員流動密集場所消毒滅菌，在實現(xiàn)測溫消菌的同時，還可以為場地節(jié)省大量的空間，并且操作簡單，維修方便，智能化程度比較高，符合我國疫情防控的需要。

該基于Arduino板控制的智能消毒測溫機器人（下文簡稱機器人），適用于疫情防護重點區(qū)域的人群及流感高發(fā)地區(qū)。同時，可以進行商場、火車站、地鐵等人口密集區(qū)域的專業(yè)消毒清潔，極大地減少了人力資源浪費，提高了防疫效率。

1 機器人項目概況

1.1 項目設計目的

在當今疫情防控殺菌消毒常態(tài)化的形勢下，最重要的措施之一就是對人群進行體溫檢測，利用機器人代替人工勞動，可以降低工作人員感染病毒的風險，還可以對周圍環(huán)境進行檢測及消毒，切斷傳播途徑[1]。

1.2 機器人總體設計思路

項目靈感來源于防疫消殺“小坦克”。本文提出的機器人還延伸出檢測溫度、消毒殺菌的功能并改善了裝置外形，使其更智能、小巧，操作更簡易，續(xù)航能力更強，從而適應更廣的工作環(huán)境及使用群體。該機器人在未來將被應用到更多公共場所。除火車站、飛機場外，還會被應用于學校、社區(qū)等，要想更好地推廣該機器人，使更多的人受益，該機器人至少具備以下5個特征：一是不需要額外編程的同時擁有簡單易操作的控制界面，使用者通過機器人說明書或簡單培訓即可進行簡單操作；二是降低機器人發(fā)生故障的概率；三是減小機器人的體積，方便機器人進入走廊過道、人員密集的狹小空間進行消毒，使消毒工作領域更全面；四是智能計算不同環(huán)境所需的消毒液劑量，通過科學算法得出所需的消毒液使用量，減少消毒液的浪費；五是降低機器人價格成本，讓更多的單位和個人能接觸到并能承擔機器人的費用，使其能夠在更多場所應用[2]。

1.3 機器人系統(tǒng)總體架構(gòu)

機器人頭部采用了Arduino控制板控制紅外測溫傳感器，溫度顯示屏如圖1（a）所示，還具有噴霧模塊、水箱，能夠?qū)崿F(xiàn)自動測量、顯示溫度以及消毒殺菌等功能。機器人身體內(nèi)部有車輪舵機、電源、Arduino控制板、杜邦線、萬向球，頭部和機身采用磁吸式連接，內(nèi)部兩端有萬向球進行平衡，由無線遙控手柄控制舵機移動方向，增強機器人的實用性和操作性，方便快捷。

紅外熱成像技術：利用紅外感應探測器和光學成像原理的物鏡接受被測目標紅外輻射出的能量，獲得紅外熱像圖（人體表面的熱分布場），這樣就實現(xiàn)了體溫測量。

機器人的核心器件為Arduino控制板，Arduino板是一款便捷靈活、簡單易操作的開源硬件產(chǎn)品。機器人還采用了MLX90614紅外測溫傳感器，MLX90614是一種非接觸式紅外測溫器件，它的內(nèi)部采用低噪聲放大器、17bA/D轉(zhuǎn)換器和功能強大的DSP處理器單元，因此具有較高的溫度分辨率和測量精度；它的溫度計測溫范圍為-40 ℃~+125 ℃，出廠前經(jīng)過工廠校正，具有數(shù)字PWM和SMBus輸出方式。非接觸式監(jiān)測溫度比普通測溫傳感器監(jiān)測距離更遠，大大提升了監(jiān)測效率，測溫后利用振片噴霧進行消毒殺菌，振片噴霧裝置如圖1（b）所示，消毒氣體快速在空氣中擴散，增加消毒的覆蓋性；裝置設計主要構(gòu)成為車載信息采集與傳輸裝置、現(xiàn)場操作終端和監(jiān)控中心系統(tǒng)；車載信息采集裝置與信息傳輸裝置通過有線/無線網(wǎng)絡與現(xiàn)場操作終端以及操作人員監(jiān)控中心系統(tǒng)連接，人機交互部分工作流程如圖2所示，以此實現(xiàn)與現(xiàn)場操作終端和其他無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換[3-4]。

圖1 機器人系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2 人機交互部分工作流程圖

2 操作說明

利用遙控器控制機器人的移動行進，實現(xiàn)在亞克力球內(nèi)部的差速轉(zhuǎn)彎以及前后移動。當行人靠近機器人時，利用遠程遙控發(fā)射指令，MLX90614紅外測溫傳感器便會對行人進行測溫并將結(jié)果反饋到顯示屏上。其測溫結(jié)果將會在顯示屏上停留15 s以便行人知曉。溫度顯示5 s后隨即通過繼電器給電進行10 s的消毒工作，噴霧將會從機器人頭部的四個振片噴出，以此來對行人進行消毒。

在密集人群測溫工作結(jié)束之后，可以通過外接雙氧水儲存裝置，對現(xiàn)場以及周邊公共區(qū)域進行消毒。

3 機器人數(shù)據(jù)計算分析

3.1 電機拖動參數(shù)

與現(xiàn)今市場其他設備相比，該設備信號傳輸范圍達到500 bps~2 500 bps，工作電壓也相對穩(wěn)定在4.8 V~7 V。電機的全速正轉(zhuǎn)時長可達500 μs~1 000 μs，減速正轉(zhuǎn)時長為1 000 μs~1 450 μs；極大地提高了電機的穩(wěn)定性與高效性。

標準轉(zhuǎn)速為47 r/min、55 r/min、65 r/min。停止用時為1 450 μs~1 550 μs（無鎖止）。加速反轉(zhuǎn)用時為1 550 μs ~2 000 μs，全速反轉(zhuǎn)用時可達2 000 μs ~2 500 μs。

3.2 Arduino控制板參數(shù)

中央處理器的型號是ATMEGA328P，該處理器處理速率高，傳輸信號穩(wěn)定。它的工作電壓為5 V，其中輸入電壓是7 V~12 V；擁有6個數(shù)字I/O口，I/O口的直流電流為40 mA。3.3 V端口的直流電流為50 mA；配備數(shù)據(jù)容量為32 KB的Flash Memory快閃儲存器；SRAM設備傳輸信號為2 KB，其擁有高速運轉(zhuǎn)的CPU，能夠保證設備在運行過程中的流暢程度以及數(shù)據(jù)處理的穩(wěn)定性；EEPROM數(shù)據(jù)容量為1 KB，ATMEGA328P時鐘工作頻率為16 MHz，可以延長機器設備的使用壽命。

4 機器人功能介紹與分析

4.1 機器人結(jié)構(gòu)功能

本產(chǎn)品包括機身、車輪運動機構(gòu)、磁吸支撐機構(gòu)、測溫模塊、消毒模塊、萬向球平衡機構(gòu)。其機身采用PLA材質(zhì)通過3D打印一體成型。3D打印這一流程，更多地引入了機械加工與檢測過程，為“中國制造2025”奠定基礎[5]。機器人機身上端包括測溫模塊和消毒模塊，測溫模塊包括二維碼模塊、測溫顯示模塊、語音播報模塊，其中，消毒模塊包括噴霧消毒模塊和蓄水箱，蓄水箱固定在半球內(nèi)部；機器人機身下端包括車輪運動機構(gòu)和萬向球平衡機構(gòu)，車輪運動機構(gòu)包括車輪、舵機、電機和支撐機構(gòu)，萬向球平衡機構(gòu)安裝在支撐機構(gòu)的兩側(cè)，磁吸支撐機構(gòu)安裝在機身上下部分，用于機身的連接[6]。并且，AI無接觸體溫篩查和預警可以減少人與人之間的接觸，避免病毒的傳播。綜上所述，該產(chǎn)品可實現(xiàn)自由移動，自動測量、顯示溫度以及消毒殺菌。

4.2 未來市場定位

該機器人適用于人流量大、需要快速檢測體溫并殺菌的領域，在需要消毒的場所可以通過遠程遙控智能設備輔助或代替人工進行消殺工作[7]。機器人的功能和使用場景多變，可適用于各種復雜環(huán)境中，除一些自帶大容量儲物倉的配送運輸機器人外，集成無接觸測溫模塊、身份證識別模塊、人臉識別攝像頭的機器人能發(fā)揮更多作用。該機器人可以應用在機場、高鐵站、醫(yī)院、政務大廳、圖書館、商場等公共場所，可以在人群密集區(qū)域進行自主巡邏，利用紅外感應測量體溫并自行報警[8]。

在做好人員體溫檢測的同時，公共區(qū)域的消殺工作也需要同步進行。首先，機器人外裝紫外線消毒燈，利用結(jié)構(gòu)精巧、移動靈活的特點對樓道和衛(wèi)生間等區(qū)域進行定時自動巡回消毒殺菌工作。另外，機器人還可以通過攜帶存儲雙氧水的噴霧器對大廳、樓道、衛(wèi)生間以及電梯休息區(qū)等人流量多的區(qū)域進行深度消殺工作。通過設定機器人程序使其在封閉環(huán)境中自動噴灑霧化的雙氧水消毒液，可深入地對細小縫隙進行消毒，相比于普通的人工噴灑、擦拭消毒，能更加有效地消除病毒和細菌。

4.3 未來市場主要優(yōu)勢

該機器人的誕生能有效降低工作人員的感染風險和勞動強度，進一步打造更加安全衛(wèi)生的環(huán)境。主要優(yōu)勢如下：

1）占地面積小，靈活快捷；數(shù)據(jù)直接反饋到手機應用，操控簡單，省時省力；無接觸測溫設備，毫秒測溫，高效省時。

2）測溫機器人在5 m范圍內(nèi)可以快速測量體溫，測溫范圍可覆蓋5~8人，測溫誤差僅為0.2 ℃~0.5℃。在人流量大時可快速測溫并記錄，節(jié)省人力。

3）液晶顯示屏能精準顯示體溫，檢測到體溫異常時報警，迅速反饋給終端，讓人們能夠及時采取措施。

4）通過無線遙控手柄，能直接控制本設備進行工作，無需與人接觸，高效安全；語音播報，輕松獲取體溫篩查狀態(tài)；智能噴霧消毒，做好消殺工作[9]。

5）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，能夠有效減少防疫人員的工作時間，降低其被感染的風險。

本研究設計的機器人結(jié)構(gòu)簡單，功能全面，遇到體溫數(shù)據(jù)異常的人員還會主動發(fā)出警報，不論是從工作效率還是從安全角度考慮，測溫機器人都是大型公共場所消毒殺菌的最好選擇。

5 優(yōu)勢優(yōu)點

目前，大型測溫消殺工作依舊是人工進行，不僅浪費勞動力還存在工作人員被感染的潛在風險，機器人代替人工有以下幾個優(yōu)點：

1）高效省時，解放勞動力，機器人可以24 h工作，提高工作效率。

2）傳輸數(shù)據(jù)更加精準，人工測溫采用紙質(zhì)記錄方式，可能出現(xiàn)誤差，機器人采用實時傳輸方式，保證了數(shù)據(jù)的準確性。

3）檢測到體溫異常時可發(fā)出警報，保障工作人員的安全。

4）結(jié)構(gòu)簡單易操作，可應用于個體家庭或群體人員密集場所。

5）工作模式多樣化，分為自動工作和手動操作兩種模式，可根據(jù)用戶需求調(diào)整。

6）體積小，可以靈活移動至各個角落。

6 結(jié)論

經(jīng)過分析，本文得出以下結(jié)論：

1）該機器人自動工作和手動操作兩種模式可根據(jù)不同應用場景并針對群體測溫、定點個人或群體測溫、遠程測溫等不同特點自行優(yōu)化，極大地提高了測溫機器人性能的可靠性和結(jié)果的準確性，保障在有感染風險和高強度的工作環(huán)境中完成測溫任務。

2）該機器人定位精度高且小于2 cm，可應用于大型公共場合；體溫測量精度誤差大約在±0.5 ℃范圍內(nèi)，可以減少人力資源的浪費；機器人連續(xù)工作時間可長達10 h，IP55防護，滿足日常工作需求。

3）結(jié)構(gòu)方面采取縱向重心平衡結(jié)構(gòu)，保證機器人在工作過程中的平衡。

4）采用的Arduino微控制器能夠完成各執(zhí)行機構(gòu)間的運動控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測，其體積小、適用范圍廣的特點符合設備需求，滿足工作需要。

人工智能等技術的興起與機器人融合發(fā)展理念愈發(fā)明顯，測溫機器人在機器視覺、智能識別、信息傳輸、測溫消毒等方面將會日趨完善[10]，進一步突破現(xiàn)有知識領域的局限性、完善人機交互的體驗，隨著測溫機器人智能化水平的不斷提高，其未來的應用場景會繼續(xù)向人類日常生活的各個領域不斷延伸。