基于Arduino板控制的智能消毒测温机器人

陈文涛 ， 李博宏 ， 陈 洋 ， 宋钊慰 ， 穆德敏，2

（1.沈阳工学院机械工程与自动化学院，辽宁 抚顺 113122；2.沈阳工学院辽宁省数控机床信息物理融合与智能制造重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

0 引言

传统的测温机器人不可以移动也不可以消毒杀菌，存在性能低、性价比低、效率低、人力劳动需求大等缺点。目前，市面上的测温机器人设备还存在占地面积大、成本高、不能消毒杀菌等问题。而基于Arduino板控制的智能消毒测温机器人结构简单，工作效率高，这些特点使其拥有广泛的应用领域。

本文提出的基于Arduino板控制的智能消毒测温机器人，可在人员流动密集场所消毒灭菌，在实现测温消菌的同时，还可以为场地节省大量的空间，并且操作简单，维修方便，智能化程度比较高，符合我国疫情防控的需要。

该基于Arduino板控制的智能消毒测温机器人（下文简称机器人），适用于疫情防护重点区域的人群及流感高发地区。同时，可以进行商场、火车站、地铁等人口密集区域的专业消毒清洁，极大地减少了人力资源浪费，提高了防疫效率。

1 机器人项目概况

1.1 项目设计目的

在当今疫情防控杀菌消毒常态化的形势下，最重要的措施之一就是对人群进行体温检测，利用机器人代替人工劳动，可以降低工作人员感染病毒的风险，还可以对周围环境进行检测及消毒，切断传播途径[1]。

1.2 机器人总体设计思路

项目灵感来源于防疫消杀“小坦克”。本文提出的机器人还延伸出检测温度、消毒杀菌的功能并改善了装置外形，使其更智能、小巧，操作更简易，续航能力更强，从而适应更广的工作环境及使用群体。该机器人在未来将被应用到更多公共场所。除火车站、飞机场外，还会被应用于学校、社区等，要想更好地推广该机器人，使更多的人受益，该机器人至少具备以下5个特征：一是不需要额外编程的同时拥有简单易操作的控制界面，使用者通过机器人说明书或简单培训即可进行简单操作；二是降低机器人发生故障的概率；三是减小机器人的体积，方便机器人进入走廊过道、人员密集的狭小空间进行消毒，使消毒工作领域更全面；四是智能计算不同环境所需的消毒液剂量，通过科学算法得出所需的消毒液使用量，减少消毒液的浪费；五是降低机器人价格成本，让更多的单位和个人能接触到并能承担机器人的费用，使其能够在更多场所应用[2]。

1.3 机器人系统总体架构

机器人头部采用了Arduino控制板控制红外测温传感器，温度显示屏如图1（a）所示，还具有喷雾模块、水箱，能够实现自动测量、显示温度以及消毒杀菌等功能。机器人身体内部有车轮舵机、电源、Arduino控制板、杜邦线、万向球，头部和机身采用磁吸式连接，内部两端有万向球进行平衡，由无线遥控手柄控制舵机移动方向，增强机器人的实用性和操作性，方便快捷。

红外热成像技术：利用红外感应探测器和光学成像原理的物镜接受被测目标红外辐射出的能量，获得红外热像图（人体表面的热分布场），这样就实现了体温测量。

机器人的核心器件为Arduino控制板，Arduino板是一款便捷灵活、简单易操作的开源硬件产品。机器人还采用了MLX90614红外测温传感器，MLX90614是一种非接触式红外测温器件，它的内部采用低噪声放大器、17bA/D转换器和功能强大的DSP处理器单元，因此具有较高的温度分辨率和测量精度；它的温度计测温范围为-40 ℃~+125 ℃，出厂前经过工厂校正，具有数字PWM和SMBus输出方式。非接触式监测温度比普通测温传感器监测距离更远，大大提升了监测效率，测温后利用振片喷雾进行消毒杀菌，振片喷雾装置如图1（b）所示，消毒气体快速在空气中扩散，增加消毒的覆盖性；装置设计主要构成为车载信息采集与传输装置、现场操作终端和监控中心系统；车载信息采集装置与信息传输装置通过有线/无线网络与现场操作终端以及操作人员监控中心系统连接，人机交互部分工作流程如图2所示，以此实现与现场操作终端和其他无线网络的数据交换[3-4]。

图1 机器人系统总体架构

图2 人机交互部分工作流程图

2 操作说明

利用遥控器控制机器人的移动行进，实现在亚克力球内部的差速转弯以及前后移动。当行人靠近机器人时，利用远程遥控发射指令，MLX90614红外测温传感器便会对行人进行测温并将结果反馈到显示屏上。其测温结果将会在显示屏上停留15 s以便行人知晓。温度显示5 s后随即通过继电器给电进行10 s的消毒工作，喷雾将会从机器人头部的四个振片喷出，以此来对行人进行消毒。

在密集人群测温工作结束之后，可以通过外接双氧水储存装置，对现场以及周边公共区域进行消毒。

3 机器人数据计算分析

3.1 电机拖动参数

与现今市场其他设备相比，该设备信号传输范围达到500 bps~2 500 bps，工作电压也相对稳定在4.8 V~7 V。电机的全速正转时长可达500 μs~1 000 μs，减速正转时长为1 000 μs~1 450 μs；极大地提高了电机的稳定性与高效性。

标准转速为47 r/min、55 r/min、65 r/min。停止用时为1 450 μs~1 550 μs（无锁止）。加速反转用时为1 550 μs ~2 000 μs，全速反转用时可达2 000 μs ~2 500 μs。

3.2 Arduino控制板参数

中央处理器的型号是ATMEGA328P，该处理器处理速率高，传输信号稳定。它的工作电压为5 V，其中输入电压是7 V~12 V；拥有6个数字I/O口，I/O口的直流电流为40 mA。3.3 V端口的直流电流为50 mA；配备数据容量为32 KB的Flash Memory快闪储存器；SRAM设备传输信号为2 KB，其拥有高速运转的CPU，能够保证设备在运行过程中的流畅程度以及数据处理的稳定性；EEPROM数据容量为1 KB，ATMEGA328P时钟工作频率为16 MHz，可以延长机器设备的使用寿命。

4 机器人功能介绍与分析

4.1 机器人结构功能

本产品包括机身、车轮运动机构、磁吸支撑机构、测温模块、消毒模块、万向球平衡机构。其机身采用PLA材质通过3D打印一体成型。3D打印这一流程，更多地引入了机械加工与检测过程，为“中国制造2025”奠定基础[5]。机器人机身上端包括测温模块和消毒模块，测温模块包括二维码模块、测温显示模块、语音播报模块，其中，消毒模块包括喷雾消毒模块和蓄水箱，蓄水箱固定在半球内部；机器人机身下端包括车轮运动机构和万向球平衡机构，车轮运动机构包括车轮、舵机、电机和支撑机构，万向球平衡机构安装在支撑机构的两侧，磁吸支撑机构安装在机身上下部分，用于机身的连接[6]。并且，AI无接触体温筛查和预警可以减少人与人之间的接触，避免病毒的传播。综上所述，该产品可实现自由移动，自动测量、显示温度以及消毒杀菌。

4.2 未来市场定位

该机器人适用于人流量大、需要快速检测体温并杀菌的领域，在需要消毒的场所可以通过远程遥控智能设备辅助或代替人工进行消杀工作[7]。机器人的功能和使用场景多变，可适用于各种复杂环境中，除一些自带大容量储物仓的配送运输机器人外，集成无接触测温模块、身份证识别模块、人脸识别摄像头的机器人能发挥更多作用。该机器人可以应用在机场、高铁站、医院、政务大厅、图书馆、商场等公共场所，可以在人群密集区域进行自主巡逻，利用红外感应测量体温并自行报警[8]。

在做好人员体温检测的同时，公共区域的消杀工作也需要同步进行。首先，机器人外装紫外线消毒灯，利用结构精巧、移动灵活的特点对楼道和卫生间等区域进行定时自动巡回消毒杀菌工作。另外，机器人还可以通过携带存储双氧水的喷雾器对大厅、楼道、卫生间以及电梯休息区等人流量多的区域进行深度消杀工作。通过设定机器人程序使其在封闭环境中自动喷洒雾化的双氧水消毒液，可深入地对细小缝隙进行消毒，相比于普通的人工喷洒、擦拭消毒，能更加有效地消除病毒和细菌。

4.3 未来市场主要优势

该机器人的诞生能有效降低工作人员的感染风险和劳动强度，进一步打造更加安全卫生的环境。主要优势如下：

1）占地面积小，灵活快捷；数据直接反馈到手机应用，操控简单，省时省力；无接触测温设备，毫秒测温，高效省时。

2）测温机器人在5 m范围内可以快速测量体温，测温范围可覆盖5~8人，测温误差仅为0.2 ℃~0.5℃。在人流量大时可快速测温并记录，节省人力。

3）液晶显示屏能精准显示体温，检测到体温异常时报警，迅速反馈给终端，让人们能够及时采取措施。

4）通过无线遥控手柄，能直接控制本设备进行工作，无需与人接触，高效安全；语音播报，轻松获取体温筛查状态；智能喷雾消毒，做好消杀工作[9]。

5）结构简单，使用方便，能够有效减少防疫人员的工作时间，降低其被感染的风险。

本研究设计的机器人结构简单，功能全面，遇到体温数据异常的人员还会主动发出警报，不论是从工作效率还是从安全角度考虑，测温机器人都是大型公共场所消毒杀菌的最好选择。

5 优势优点

目前，大型测温消杀工作依旧是人工进行，不仅浪费劳动力还存在工作人员被感染的潜在风险，机器人代替人工有以下几个优点：

1）高效省时，解放劳动力，机器人可以24 h工作，提高工作效率。

2）传输数据更加精准，人工测温采用纸质记录方式，可能出现误差，机器人采用实时传输方式，保证了数据的准确性。

3）检测到体温异常时可发出警报，保障工作人员的安全。

4）结构简单易操作，可应用于个体家庭或群体人员密集场所。

5）工作模式多样化，分为自动工作和手动操作两种模式，可根据用户需求调整。

6）体积小，可以灵活移动至各个角落。

6 结论

经过分析，本文得出以下结论：

1）该机器人自动工作和手动操作两种模式可根据不同应用场景并针对群体测温、定点个人或群体测温、远程测温等不同特点自行优化，极大地提高了测温机器人性能的可靠性和结果的准确性，保障在有感染风险和高强度的工作环境中完成测温任务。

2）该机器人定位精度高且小于2 cm，可应用于大型公共场合；体温测量精度误差大约在±0.5 ℃范围内，可以减少人力资源的浪费；机器人连续工作时间可长达10 h，IP55防护，满足日常工作需求。

3）结构方面采取纵向重心平衡结构，保证机器人在工作过程中的平衡。

4）采用的Arduino微控制器能够完成各执行机构间的运动控制和数据监测，其体积小、适用范围广的特点符合设备需求，满足工作需要。

人工智能等技术的兴起与机器人融合发展理念愈发明显，测温机器人在机器视觉、智能识别、信息传输、测温消毒等方面将会日趋完善[10]，进一步突破现有知识领域的局限性、完善人机交互的体验，随着测温机器人智能化水平的不断提高，其未来的应用场景会继续向人类日常生活的各个领域不断延伸。