孙梁 俞震华 江丽琴
浙江图讯科技股份有限公司 310023
摘要：本文描述了一种履带式消杀机器人，具备载药量大、持续工作时间长、运动灵活等特点，实现了自主导航和消毒剂喷洒作业，装降低了人员消杀作业的工作量和暴露风险。
关键字：履带式机器人、消杀、自主导航
1 概述
在抗击新冠疫情的工作中，环境的消毒是从源头减小病毒感染的机率，保障人员安全的重要措施，大大降低人员接触带来的交叉感染风险。由于新冠病毒的特殊性，不仅要对室内外的地面、墙壁、家具等进行全方位的立体消杀，而且要保持每天一至两次的频率，工作量很大，有安全风险，消毒剂和紫外线对人体都有一定的危害。
从目前来看，最紧急的消杀场所是人员密集地方，如社区、医院等公共机构，在这些地方进行消杀，使用体积较小的机器人可以避免人员进入一些危险地带，最大程度避免了感染风险。同时机器人载药量大，控制灵活，行走快速，在安全的前提下可以很快地对这些场所进行消杀。
2 系统总体方案
目前消杀的技术手段主要有液体消毒剂、粉末消毒剂、紫外线、臭氧等，其中液体消毒剂消杀率高、持续时间长、成本低、使用方便，是目前应用最广泛的消毒技术，因此消杀机器人采用雾化液体消毒剂的方式进行消杀。
对消杀机器人的主要要求有：
(1)有较大的载重量，能够装载较多的消毒剂，单次作业面积大；
(2)有较长的续航时间，减少充电频率，连续大范围长时间作业；
(3)能够根据设定的路径自主导航；
(4)能够识别和避让人员、动物和其他障碍物；
(5)有一定的爬坡和越障能力，适应室内外各类环境；
(6)体积小，能够原地转向，适应狭小的作业空间；
机器人底盘常用的有履带式、轮式、多足等类型，履带式底盘具有载重量大、爬坡越障能力强、原地转向等优势，更为符合消杀机器人的要求。
巡检消毒机器人是一种以半自主或全自主的方式操作。全自主模式下，机器人的定位和导航采用三维激光结合卫星的方式，在室外以RTK（Real - time kinematic）载波相位差分技术卫星定位为主，在室内使用三维激光定位，同时结合超声波辅助避障，自主实现消毒和巡检的功能。
半自主模式下机器人按照服务器下发的指令进行作业，管理人员可以通过管理端设定消杀时间、路径、速度等任务数据。机器人可以使用WIFI、4G/5G等无线网络与服务器进行实时通讯，接收指令，同时将视频、环境声音等数据发送到服务器，管理人员在管理端可以查看。
下图是系统的结构示意图：
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3 履带式机器人
机器人主要部件包括：履带式底盘、消毒液箱和水泵、电控系统三大部分组成。底盘是不仅是机器人的运动和行走部分，也是其他系统和设备的载体。底盘主体是钢制箱体，内部安装电池、电机、减速机等器件，通过传动轴驱动主动轮，再驱动两侧的履带运动。履带式底盘采用差速转向方式，通过两侧履带的速度差控制机器人的转向，极端情况下两侧履带反向同速度运动，机器人可以原地360°转动，非常适合在狭窄的空间运动。机器人采用电池供电，考虑到长时间稳定作业，内部利用EMC滤波器和功率板将电压去除干扰噪声与保证直流电源的稳定，为机器人各功能模块供电。
为便于补充消毒液，消毒液箱安装在底盘上方，容积为100L，能够喷洒消毒20000平方米。消毒液通过电动水泵抽取和加压后，通过安装在机器人前后两端的28个喷嘴雾化后喷射，可覆盖约6m的宽度范围。在执行消杀作业时，机器人的行驶速度为0.5m/s，消杀作业速度约为3m2/s。
电控系统由上位的工控机和下位的运动控制器组成，采用这种架构的主要目的是将控制中对响应速度要求不同的部分，分布在两个处理器中，发挥各自的优势。
运动控制器基于ARMv9嵌入式处理器，具有可靠性高、功耗低、接口丰富特点，最大的优势在于运行实时操作系统，适用于处理避障等高响应要求的任务。在本台消杀机器人中，将超声波传感器和距离传感器通过IIC接口连接到运动控制器，当遇到障碍物时特别时突然闯入行驶方向的人或动物，能够快速响应，直接向电机驱动器发送减速或制动指令，避免造成伤害。
工控机采用高性能的Intel i7处理器，运行Ubuntu和ROS系统，主要处理激光雷达、GPS、IMU（惯性制导单元）等器件的数据，需要比较强大的计算能力，通过多源数据的融合分析，进行定位和路径规划。上位机通过无线网络与服务器通过实时通信，共同完成巡检机器人的部分功能
4 后台管理系统
软件功能包含机器人管理、用户管理、报警管理、遥控行走、一键返航、巡检任务管理、实时视频观看、巡检点管理、语音对讲等模块。
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后台管理系统采用CS结构，其中所有的配置、监控、管理等功能，都通过客户端软件进行操作，界面如下图所示：
后台管理系统主要功能包括：
(1)机器人管理：系统允许多个机器人一起工作，可以在PC端对机器人进行管理、包括机器人账号的增加、修改、删除、查询。
(2)用户管理：用户管理模块主要是对PC端账号的管理，包括账号的增加、修改、删除、查询。可以指定账号的权限。
(3)报警管理：用户在PC端查询机器人发送过来的报警消息（机器人本体报警消息、图像识别的报警消息等）。
(4)遥控行走：用户在PC端遥控机器人（处于手动模式下）进行前进、后退、转弯等操作。
(5)一键返航：用户在PC端或手机端发送一键返航的指令给机器人，机器人自行进行路线规划，选择最合适的道路返回到初始位置。
(6)回归充电：当机器人本体检测到电池电量低于设定的阈值时，能够控制机器人中断当前的任务，返回充电桩进行充电。
(7)巡检任务管理：用户在PC端进行巡检任务的增加、修改、删除、查询等操作。通过服务器发送至到机器人。机器人根据设定的任务进行巡检消毒。
(8)实时视频观看：机器人开机之后，摄像头（包含音频）数据会实时上传至服务器，用户在PC端或手机端连接到服务器，查看该视频。
(9)语音对讲：PC端和手机端可以跟机器人连线，将PC端或者手机端的麦克风数据发送至机器人，从而实现语音对讲功能。
5 总结
履带式消杀机器人目前已完成样机的试制，在室内外进行了实际作业测试，实现了自动导航、避让行人障碍物等功能，实测可在1小时内完成约20000平方米面积的消杀作业，相当于5-6个人的工作量，并且喷洒均匀，药剂利用更加充分。
孙梁（1979/5/7），男，汉族，山东泰安，工程师，机器人
基金项目：科技部“科技助力经济2020”重点专项(SQ2020YFF0426366)