智能防疫机器人的设计与发展展望*

李昕哲 ， 庄亚文

（辽宁机电职业技术学院，辽宁 丹东 118009）

2020年一场突如其来的疫情，让全国上下14亿多人感受到病毒的无情，但同时也看到了全国上下一心、共同抗“疫”的温情。目前，新冠疫情还没有得到彻底控制，并且在未来较长一段时间内仍将存在并很有可能再次暴发，防疫工作将是后疫情时代的首要工作。国内防控的消毒手段主要是采用人工消毒，而智能消毒还没有完全起步，虽然市场上宣传机器人消毒的概念很多，但防疫机器人实际应用的效果并不理想，所以在疫情防控工作中，大部分场所还是采用人工的方式进行消毒。国外机器人技术应用在工业领域很成熟，但是还没有很好地应用在防疫消毒领域，由于消毒环境的复杂程度较高，国外智能消毒机器人也还处于研究萌芽阶段[1-2]。

1 传统防疫消毒途径

传统的消毒方式采用医务人员或者消毒人员穿戴防护服在公共场所现场使用酒精、消毒液进行喷洒，而这样传统的消毒方式存在弊端，一是消毒人员在公共场合频繁消毒，加大了人员聚集的程度，增加了工作人员大规模感染新冠病毒的风险、无法保证消毒防疫人员的人身安全；二是无形中增加了人工成本，在疫情期间，针对人流密集的区域进行全面消毒，必然需要大量工作人员进行消毒作业，疫情期间，医护人员紧缺，而使用传统人工消毒，势必占用更多的人力资源及国家公共财产资源；三是采用人工消毒受人为影响因素较大，无法切实保证消毒质量，消毒液喷洒不均匀，容易发生部分区域未消毒或消毒不到位、部分区域过度消毒浪费消毒液等情况[3-4]。

2 智能防疫消毒途径

智能消毒途径即采用智能防疫消毒机器人针对公共场所，包括医院、火车站、飞机场、地铁、学校等人流密集的区域，开展消毒液的喷洒，进行“智能化”“无人化”的防疫消毒工作，采用这种新型的“智能防疫消毒机器人”可以有效解决防疫工作人员感染新冠病毒的问题及人工成本问题[5-6]。目前，市面上采用的机器人大部分具有智能定位、定量喷洒消毒液、移动速度快、相对安全且工作时间长等优点，在疫情期间和后疫情时代能帮助人类进行消毒工作，可以有效推动公共卫生部门工作效率及科学防疫工作。

3 亟待解决的问题

面对反弹的疫情，大家深刻地意识到现有的智能化机器人的技术缺陷与短板，其功能远远难以应对疫情环境的复杂性。目前现有的技术所能做的防疫工作十分有限，机器人仅起辅助作用，还未在疫情防控工作中起主导作用，而课题组要做的是尽快攻关研发出一款能应用于国内外疫情消毒的自主工作的智能化防疫机器人。

目前市场上流通的智能防疫机器人存在一个普遍问题，即紧急避障功能有限，对于突然有人出现在机器人前方的处理能力不足，机器人很难在人员密集等环境复杂的公共区域进行消毒，仍需工作人员驾驶机器人加以辅助，机器人智能控制效果较差，而避障功能有限导致机器人消毒效率低，仍需投入一定人力成本。由于以上因素的影响，在真正需要智能防疫机器人的场所，机器人使用率不高，因此智能防疫机器人并未大范围普及应用[7]。

4 智能防疫机器人的工作原理

为解决以上问题，课题组以小型控制器为核心，设计了一款智能防疫消毒小车，该小车通过超声波测距传感器、红外测距传感器、3D 视觉系统及消毒喷洒装置组成硬件系统，用于采集车辆周围环境信息，这些环境信息反馈给控制器，控制器通过分析与决策输出相应指令控制喷射阀的开启时间和调节小车的速度，进而对公共场地及人流密集的区域进行消毒。最终实现循迹、路径识别、视觉避障、消毒喷雾等功能[8-9]。该系统的结构图如图1所示。

图1 系统结构图

消毒喷洒装置中采用隔膜水泵，机器人电动机不与消毒液接触，保证了机器人内部电动机的安全，有利于延长机器人的使用寿命。消毒液的喷洒装置采用雾化喷头，可以应用于不同公共场所，避免消毒液喷出后路面湿滑的情况发生，能有效保证人们的出行安全，有效控制因消毒液聚集造成地面湿滑致使行人摔倒的发生概率，以此保证人们的出行安全，增加消毒防疫机器人投入公共区域使用的可行性。

由于需要消毒的环境普遍具有人员密集这一特殊性，消毒防疫机器人需具有一定的避障功能。工业机器人没有像人类一样的眼睛，这就影响机器人的自动化和智能化位置判断及图像识别。对于工业机器人而言，相机视觉系统就相当于它的眼睛。2D机器视觉可以分析物体的平面特征，但是在工业领域，很多情况需要机器人去测量空间坐标信息，如高度、平面度、表面角度等，显然2D机器视觉无法获取到这些信息，而且2D机器视觉还依赖于光照、颜色和灰度变化。应用3D机器视觉可以识别到这些空间信息，因此，近些年来3D机器视觉越来越受欢迎，无论是现在的2D视觉还是3D视觉，视觉系统的主要作用就是对物体进行拍照分析，经过算法的精准判断，从而获取物体的信息。所以需要为机器人安装“眼睛”，也就是机器人的视觉系统。机器人的视觉系统由光源、镜头、相机、采集卡、视觉处理系统五个部分组成。

首先需要对3D机器视觉系统进行设计搭建。该款智能防疫机器人选用Ensenso的3D相机，3D相机用以太网连接到POE交换机上，实现供电和传输数据的作用，然后将工控机也连接到POE交换机上，3D相机和工控机采用TCP/IP的通信方式。通过图像采集硬件将被摄取目标转换成图像信号，并传送给专用的图像处理系统。这样可以将相机采集的图像传递到工控机中。然后对机器视觉进行相机标定。当有人或障碍物出现在机器人前方时，机器人的3D视觉系统将检测到障碍物，接收信号，将障碍物的角度等图像信息返回至工控机中，通过工控机控制机器人后退并左转避开前方障碍物，若消毒机器人左转后仍有障碍物，则机器人后退旋转，直至找到没有障碍物的方向再次前进。在机器人行进的过程中需采用相机多次判断前方是否有障碍物，如有障碍物则执行避障功能，直至完成整个区域的消毒计划。机器视觉系统的相机标定是机器视觉的关键步骤之一，相机标定主要目的有以下两方面：一是为了确定图像坐标系和世界坐标系的转换关系；二是为了减小镜头畸变所带来的误差对图像分析处理的精度的影响。工作流程如图2所示。

图2 工作流程图

机器人视觉部分程序如下：

5 智能防疫机器人的操作方法

机器人操作人员使用移动终端（平板手机）均可，首先建立机器人消毒路线地图，即预设机器人自动行走路径和终点，控制消毒区域门窗关闭，远程启动机器人，建立消毒任务，通过位置控制确定消毒区域，操纵机器人自动前进至指定位置，机器人到达目的地后喷洒消毒液，进行360°的全方位消毒，对一个区域点消毒完毕后将信号返回至移动控制终端，机器人可继续按照预设好的消毒地图执行消毒任务，在这个过程中，遇到紧急情况，后台操作人员可随时按下急停按钮，控制机器人停止在任何位置，以确保公共区域的人员安全及保护机器人本体。根据环境情况、人群密度及疫情严峻程度等参数的变化，后台操作人员可通过平板控制机器人在消毒地图内消毒的次数和时间间隔，对于特殊的控制要求，可在电脑端自主更改循环语句以实现复杂控制需求，以此更好地进行科学智能防疫。

6 智能防疫机器人在后疫情时代的发展

公共区域内现有的防疫机器人需要专门的工作人员去操作并进行机器人定期维护，这无疑也是一种资源的浪费。面对国内外严峻的疫情形势，智能防疫机器人在未来将应用到更多公共场所。除火车站、飞机场等场合外，还会应用于学校、社区等，要想更好地推广智能防疫机器人，使更多的人受益，就需要机器人至少有以下5个特征：一是不需要额外编程同时拥有简单友好的操作界面，通过机器人说明书或简单培训即可知晓其操作方法，方便各行各业的人操作使用；二是降低机器人发生故障的概率，由于非专业人员处理机器人紧急故障的能力较差，若发生故障将影响机器人使用，延误消毒工作，因此需降低机器人报错、发生故障的概率；三是减小机器人的体积，方便机器人进入走廊过道、人员密集等狭小空间进行消毒，使消毒工作更全面可靠；四是智能计算不同环境所需的消毒液剂量，由于不同区域的细菌病毒含量、人员密集程度不同，需要机器人具有复杂环境识别功能，要求机器人能计算出消毒区域的面积、细菌含量、人员密集度并通过算法科学得出所需的消毒液使用量，避免消毒液的浪费；五是降低机器人价格，使更多的单位和个人能接触到并能承担起消毒防疫机器人的费用，这样才能普及消毒防疫机器人，让机器人充分发挥其优势，为疫情防控筑牢第一道防线[10]。

7 结语

综上所述，3D机器视觉智能防疫机器人能有效确定人的位置，拥有良好的避障功能，可以投放于医院、地铁、机场、火车站等地形复杂、人员密集的公共场所进行消毒工作。为有效助力全国人民打赢这场疫情防控阻击战，避免疫情反弹，智能消毒机器人技术还有待进一步提高与不断改进，不论在疫情时期还是后疫情时代，智能防疫消毒机器人都将发挥更大的作用，具有更广阔的发展及应用空间，值得广大科研工作者为之不懈努力。