秦艷

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 淮安生物工程分院，江蘇淮安，223200）

0 引言

公共場(chǎng)所的消毒工作開展是否順利，關(guān)系到人們的身體健康，也是公共衛(wèi)生安全的重要工作之一。因此，對(duì)公共場(chǎng)所的消毒設(shè)備進(jìn)行研究具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

近年來(lái)，隨著人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)各大機(jī)構(gòu)研發(fā)的消毒機(jī)器人，其智能化程度也日趨提升，機(jī)器人的各種功能也逐漸成熟。例如：2020 年，山東管理學(xué)院陳青華團(tuán)隊(duì)以智能家居理念為基礎(chǔ)，開發(fā)了一款應(yīng)用于酒店場(chǎng)景的多功能消毒機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在不同場(chǎng)景下的高效消毒動(dòng)作[1]；2021 年，江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院沈家禮團(tuán)隊(duì)結(jié)合人工智能深度學(xué)習(xí)方法，實(shí)現(xiàn)物體的準(zhǔn)確識(shí)別和定位，并針對(duì)性進(jìn)行消毒，提升了公共場(chǎng)所消毒的準(zhǔn)確性，節(jié)約了消毒成本[2]；2022 年，電子科技大學(xué)成都學(xué)院張偉團(tuán)隊(duì)，采用形態(tài)分析法提出了消毒機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，縮短了設(shè)計(jì)周期，提升了設(shè)計(jì)的效率[3]；2023 年，中國(guó)石油大學(xué)王若暄團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，消毒機(jī)器人根據(jù)不同風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域采用不同強(qiáng)度的噴灑措施，進(jìn)一步提升了消毒的精確性[4]；上述研究表明，消毒機(jī)器人的設(shè)計(jì)，主要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)所的實(shí)際條件，包括：公共場(chǎng)所的面積、地面情況、擬消毒對(duì)象的布局等來(lái)進(jìn)行針對(duì)性的功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。鑒于此，本文以酒店為應(yīng)用場(chǎng)景，以STM32 為主控芯片設(shè)計(jì)智能消毒機(jī)器人，以期達(dá)到高效、精準(zhǔn)消毒的效果。

1 智能消毒機(jī)器人系統(tǒng)布局

智能消毒機(jī)器人設(shè)計(jì)的首要步驟，是結(jié)合其主要的功能，完成系統(tǒng)的布局。該部分中，主要采用的設(shè)計(jì)原理為功能與結(jié)構(gòu)相統(tǒng)一的設(shè)計(jì)理念。即先通過(guò)確定機(jī)器人的基本功能，再選擇能夠?qū)崿F(xiàn)該功能的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)、技術(shù)手段等，確定二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而完成基本方案的布局?？紤]到機(jī)器人消毒的場(chǎng)景為酒店，且主要在大廳、樓梯、過(guò)道以及電梯等場(chǎng)所進(jìn)行消毒工作。在機(jī)器人的整個(gè)工作流程中，需要噴灑消毒液進(jìn)行消毒，還需要通過(guò)移動(dòng)前往不同的消毒場(chǎng)所以及對(duì)所在場(chǎng)所進(jìn)行識(shí)別以確定具體位置等。因此，可以確定機(jī)器人的基本功能以及對(duì)應(yīng)模塊，具體情況如表1 所示。

表1 消毒機(jī)器人功能

確定上述模塊之后，便完成了消毒機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)布局。而要確保系統(tǒng)能夠高效地按照指令進(jìn)行動(dòng)作，需要選擇合理的主控制芯片。考慮到控制精度、指令傳輸?shù)姆€(wěn)定性、系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性等因素，本文選擇STM32 作為主控制芯片[5]。系統(tǒng)的整體布局，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體布局

2 消毒機(jī)器人系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 主控制芯片的確定

主控芯片是整個(gè)消毒機(jī)器人系統(tǒng)的控制樞紐，也是實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制的核心部件。因此，其類型的選擇是否與系統(tǒng)的特點(diǎn)適配，是決定系統(tǒng)運(yùn)行效果的關(guān)鍵。就本文而言，消毒機(jī)器人的選擇因素為：（1）主控芯片所占空間大小。作為噴灑霧化酒精的消毒機(jī)器人，內(nèi)部具有裝載酒精的容器、霧化器、各傳感器、電機(jī)以及末端執(zhí)行器等設(shè)備，再考慮到機(jī)器人本身的經(jīng)濟(jì)成本，故整個(gè)機(jī)器人內(nèi)部應(yīng)該具有緊湊型的特點(diǎn)。因此，在滿足控制精度的前提下，應(yīng)當(dāng)盡可能選擇體積和質(zhì)量較小的主控芯片；（2）具有良好的信號(hào)處理能力。消毒機(jī)器人的系統(tǒng)復(fù)雜性程度較高，決定了其運(yùn)行時(shí)必然需要計(jì)算、分析以及處理龐大的數(shù)據(jù)量，因此主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力也是選擇因素之一；（3）系統(tǒng)性能是否復(fù)雜，搭載的傳感器較多。對(duì)于消毒機(jī)器人而言，其傳感器較多，故STM32 的選擇中，是否具有DSP 指令集也是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。結(jié)合上述因素，本文選擇主控芯片類型為STM32F407，該芯片具有較高的計(jì)算速度、存儲(chǔ)種類豐富以及系統(tǒng)穩(wěn)定性高等特點(diǎn)[6]。

■2.2 紅外及超聲波模塊

消毒機(jī)器人在酒店場(chǎng)景工作時(shí)，首先實(shí)現(xiàn)的基本功能是準(zhǔn)確按照既定的路線行進(jìn)。從而實(shí)現(xiàn)既定位置的消毒工作。因此，該功能的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)循跡系統(tǒng)來(lái)完成。消毒機(jī)器人在酒店運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于酒店內(nèi)通常光線比較充足，所以傳感器需要選擇受光線影響較小的類型。而紅外傳感器對(duì)可見光的適應(yīng)性較高[7]，故本文在設(shè)計(jì)循跡系統(tǒng)時(shí)，選擇紅外傳感器，其傳感電路如圖2 所示。

圖2 紅外模塊的設(shè)計(jì)

消毒機(jī)器人在酒店行走時(shí)，經(jīng)常在行進(jìn)的前方會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)的以及隨機(jī)的障礙物。因此，在距離障礙物較遠(yuǎn)的地方進(jìn)行識(shí)別，并及時(shí)停止或改變行動(dòng)方向非常重要。故機(jī)器人在運(yùn)行中，除正常的循跡之外，遠(yuǎn)程避障功能也需要實(shí)現(xiàn)。鑒于此，本文采用超聲波避障傳感器進(jìn)行識(shí)別[8]，其電路如圖3 所示。

■2.3 霧化及消毒模塊

霧化及消毒模塊是機(jī)器人進(jìn)行消毒工作的末端執(zhí)行器，消毒的形式為酒精噴霧式。該模塊的工作流程為：（1）消毒指令動(dòng)作。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)指定地點(diǎn)，控制系統(tǒng)對(duì)其位置進(jìn)行確認(rèn)后，指示消毒模塊開始動(dòng)作，即發(fā)出對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行酒精噴霧的指令；（2）霧化設(shè)備動(dòng)作，將機(jī)器人內(nèi)部存儲(chǔ)的液體酒精轉(zhuǎn)化為氣體，然后末端執(zhí)行器對(duì)消毒對(duì)象進(jìn)行噴霧，該環(huán)節(jié)需要由實(shí)現(xiàn)霧化的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，霧化模塊驅(qū)動(dòng)電路如圖4 所示；（3）末端執(zhí)行器對(duì)準(zhǔn)消毒區(qū)域進(jìn)行噴霧操作；（4）消毒模塊停止動(dòng)作。當(dāng)噴霧量達(dá)到了預(yù)設(shè)的閾值后，反饋系統(tǒng)將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至主控系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)分析、判斷，發(fā)出停止動(dòng)作的指令，指示消毒模塊停止動(dòng)作。

圖4 霧化驅(qū)動(dòng)電路

■2.4 驅(qū)動(dòng)模塊

對(duì)于機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)而言，常用的結(jié)構(gòu)包括輪式和足式。而足式的結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜，且關(guān)節(jié)部分的驅(qū)動(dòng)設(shè)備較多，經(jīng)濟(jì)成本較高。另一方面，考慮到酒店的地面比較平坦，且進(jìn)行消毒的頻率較高。因此，設(shè)計(jì)成輪式結(jié)構(gòu)能夠使機(jī)器人比較快速地行走[9]。而對(duì)于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)而言，輪式結(jié)構(gòu)通常采取電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式[10]。機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中，存在轉(zhuǎn)向、緊急制動(dòng)以及速度控制等情況，故需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有較大的電磁轉(zhuǎn)矩。所以，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型確定為控制直流電機(jī)，其調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，如圖5 所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

■2.5 藍(lán)牙模塊

對(duì)于酒店而言，機(jī)器人的消毒場(chǎng)所通常是固定的。即機(jī)器人是在指定時(shí)間內(nèi)，按照既定路線進(jìn)行消毒工作。在無(wú)線通信模塊的選擇中，由于藍(lán)牙模塊具有作用范圍較廣、智能化程度高、經(jīng)濟(jì)性較好等特點(diǎn)，故可以選擇藍(lán)牙模塊作為無(wú)線通信方式。且酒店內(nèi)部通常WiFi 覆蓋較廣，與藍(lán)牙模塊進(jìn)行配合使用，可以將藍(lán)牙模塊的作用距離大幅提升，還能增加該模塊抗干擾的性能。因此，本文選擇藍(lán)牙HC-05 作為通信模塊，硬件電路設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 藍(lán)牙模塊電路設(shè)計(jì)

■2.6 人機(jī)交互模塊

智能消毒機(jī)器人的人機(jī)交互模塊，是實(shí)現(xiàn)人工與機(jī)器人之間進(jìn)行消毒狀態(tài)、消毒位置以及消毒時(shí)間等情況交流的媒介，也是實(shí)現(xiàn)人工調(diào)整參數(shù)和發(fā)送指令的重要模塊。該模塊主要通過(guò)液晶顯示來(lái)實(shí)現(xiàn)。在該模塊的類型確定中，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理，即人在操作設(shè)備時(shí)，液晶顯示屏能否根據(jù)外界光線，自主調(diào)整顯示亮度，以人眼最舒適的亮度進(jìn)行呈現(xiàn)。因此，本文選擇OLED液晶顯示屏作為人機(jī)交互的媒介[11～12]，其電路設(shè)計(jì)如圖7 所示。

圖7 液晶顯示模塊

3 消毒機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能消毒機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)，主要是圍繞消毒功能的具體執(zhí)行流程來(lái)開展。機(jī)器人在消毒過(guò)程中，需要通過(guò)視覺模塊，對(duì)過(guò)道、電梯以及樓梯等對(duì)象進(jìn)行識(shí)別，以此作為判斷是否到達(dá)消毒地點(diǎn)的依據(jù)，并實(shí)施消毒動(dòng)作。在算法的選擇中，考慮到機(jī)器人需要準(zhǔn)確定位和具有較快的響應(yīng)速度，故本文選擇Yolov5s 算法，其損失函數(shù)表達(dá)式為[13]：

式中，IOU為交并比損失，2ρ為歐式距離，b為預(yù)測(cè)邊框中心點(diǎn)，bgt為真實(shí)邊框中心點(diǎn)，C為對(duì)角線長(zhǎng)度，α為平衡參數(shù)，gtω為真實(shí)邊框的寬度，h gt為真實(shí)邊框的高度，ω為預(yù)測(cè)邊框的寬度，h為預(yù)測(cè)邊框的高度。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象包括樓梯、過(guò)道以及電梯，共1248 幅圖片。訓(xùn)練集分布情況如表2 所示。

表2 訓(xùn)練集分布

目標(biāo)測(cè)試的效果指標(biāo)為平均精度以及平均精度均值。其中，平均精度的計(jì)算表達(dá)式為[14～15]：

式中，P為精確率，R為召回率。

平均精度均值的計(jì)算表達(dá)式為[14～15]：

式中，c為預(yù)測(cè)類別，n為預(yù)測(cè)類別數(shù)量。

目標(biāo)測(cè)試的結(jié)果如表3 所示。

表3 目標(biāo)測(cè)試的精度

從表3 所示的目標(biāo)測(cè)試精度來(lái)看，樓梯和過(guò)道的識(shí)別精度較高，都超過(guò)了90%。主要原因在于樓梯和過(guò)道是靜態(tài)對(duì)象，且體積較大，特征明顯，只要通過(guò)充分的訓(xùn)練，則便于識(shí)別。而電梯的體積較小，且通常存在行人等電梯的情況，致使電梯口容易被阻擋，故識(shí)別精度稍低，但整體而言，目標(biāo)的識(shí)別率達(dá)到了89.4%，基本滿足要求。

4 結(jié)論

在消毒機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，結(jié)合其應(yīng)用的場(chǎng)景擬定基本的功能。完成了系統(tǒng)的基本布局、硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)等操作。從機(jī)器視覺的識(shí)別效果來(lái)看，其精度也基本滿足要求，故機(jī)器人能夠根據(jù)識(shí)別的結(jié)果對(duì)既定場(chǎng)所進(jìn)行消毒操作，符合預(yù)期的設(shè)計(jì)構(gòu)思。下一步工作，將在該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在消毒、循跡、避障、視覺等模塊基礎(chǔ)上，優(yōu)化改進(jìn)算法，進(jìn)一步提升其智能化的能力。