使用UVC和垃圾场材料的自主消毒机器人

描述

完成我们的原型

其他消毒项目及其缺点

• 最近开发的一些可以执行消毒任务的工作机器人，它们的体型巨大，它们使用的硬件成本很高，这可能是大规模生产和部署在医院/诊所/公共场所的巨大障碍。
• 这些机器人不能用于某些必须保持干燥环境的地方，例如 ICU、研究实验室、工厂、生产车间，而且并非所有这些地方都是完全自动化的。此外，这些机器人需要某种人类帮助来引导自己、穿过拥挤的区域等。
• 对于像我们这样的欠发达国家，他们负担不起制造这些机器人的费用。这些原因使人们在医院、诊所等没有适当的防护装备的情况下用手进行消毒。

UVGI 如何提供帮助

紫外线杀菌辐射 (UVGI) 是一种消毒方法，它使用短波长紫外线（紫外线 C 或 UVC）光通过破坏核酸和破坏其 DNA 来杀死或灭活微生物，使它们无法执行重要的细胞功能。UVC 被 RNA 和 DNA 碱基吸收，可导致两个相邻的嘧啶光化学融合成共价连接的二聚体，然后成为非配对碱基。

UVGI 用于多种应用，例如食品、空气和水的净化。UVGI 可用于预防某些传染病的传播。低压汞 (Hg) 放电灯和 LED 常用于 UVGI 应用，并发射短波紫外线 C（100–280 纳米）辐射，主要为 254 nm । 资源

我们的解决方案

IR-Beacon 引导使用 UVC 和垃圾场材料的自主消毒机器人。

机器人功能：

• 消毒过程：阳光包含三种类型的紫外线。首先是 UVA，它构成了到达地球表面的紫外线辐射的绝大部分。它能够深入皮肤，被认为是造成高达 80% 的皮肤老化的原因，从皱纹到老年斑。其次是 UVB，它会破坏我们皮肤中的 DNA，导致晒伤并最终导致皮肤癌（最近科学家发现UVA也可以做到这一点）。还有第三种类型：UVC。光谱中这个相对模糊的部分由更短、能量更高的光波长组成。它特别擅长破坏遗传物质。要安全使用 UVC，您需要专业设备和培训。世界卫生组织 (WHO) 已对使用紫外线消毒的人发出严厉警告。 我们的全自动系统来了，它能够自行运行。
• 自主引导路径：在房间的出入口位置将有两个红外信标站，用于引导机器人进出。然后志愿者可以在不进入的情况下收集它。

IR导路工作流程

 

• 自主运动：通过周围的超声波传感器实现自主运动，使其能够避开进入其路径的障碍物。| 关联

图 1.0：手动驾驶网络应用

 

设计指标：

• 物理尺寸：所有测量值都可以在我们附加在附件部分的设计文件中找到。

近似物理尺寸

 

• 安全（灯自动关闭）：我们使用专用电池（3s LiPo 1100mAh）为灯供电。但我们还没有运动感应。相反，我们保持每次激活大约 30 分钟的时间顺序。之后，灯将关闭。并且需要手动开启。
• 安全性（稳态推力）：我们的机器人总重量约为 2kg。我们正在使用两个直流有刷齿轮电机，每个电机的扭矩为 1kg。因此移动它所需的力更小，也小于 8kg。
• 安全（UV On Indicator）：我们集成了带有微控制器的继电器来打开 UV。所以这种方式继电器板指示UV是否打开。
• 自动化接口软件/用途：Web-app。
• 控制：用于手动控制和红外信标引导自动驾驶的网络应用程序。
• 成本 - 总单位 BoM：约 200 美元（孟加拉国货币：BDT-16,000）。
• 灯寿命计数器：因为 UVC 灯是通过继电器板触发的。因此，我们可以通过知道它何时打开和何时关闭来维护生命计数器。
• 操作日志：我们的系统涉及树莓派，用户可以从中跟踪时间。此外，我们使用的是安卓手机，它有内置的 GPS 来了解位置，但不像激光雷达或 VSLAM 技术。
• 电源：使用 11.1volt 3300mAh 3s LiPo 主电池进行电机驱动，也用于为传感器和微控制器供电。另一个 11.1volt 1100mAh 3s LiPo 电池用于点亮 UVC 灯。
• 投影灯可靠性：约 9000 小时 | 资源
• 维护灯更换：我们的 UVC 灯罩使用户能够非常轻松地更换灯。这样维修人员就不需要高素质了。
• 重量：约2.0kg
• 可靠性：我们使用胶合板制造底盘。在正常情况下，胶合板具有高强度和耐用性。我们还应用了防水涂层，使其防水。通过这种方式，我们认为如果我们的微控制器和其他传感器正常工作，机器人将能够保持 6 个月（至少）。

我们如何构建它：

底盘设计：

使用 AutoCAD 设计软件进行测量和调整制造过程。最后附上设计文件。

图 1.1：底盘设计

 

底盘制造：

机箱由胶合板制成，在大多数五金店都很容易买到。如果它的建造方式可以穿越所有区域并且所有设备都可以轻松安装。为此，优选的形状应该是圆形/椭圆形。机箱圆形半径为 5 英寸。

图 1.2：底盘制造

 

驱动电机和车轮安装：

所有测量值都可以在 AutoCAD 设计 (.dwg) 文件中找到。

图 2.1：电机和车轮的组装

 

脚轮安装：

图 2.2：脚轮的组装

 

在底盘上安装声纳传感器：

使用胶枪将声纳传感器安装在底盘主体上，并使用纸板纸使它们升高和平衡。

图 3.1：前置声纳组件和主要距离测试

 

最终声纳组装和焊接：

图 3.2：最终声纳组件

 

在机箱上安装红外接收器：

使用焊接在 Vero 板上的母头针连接 IR 接收器并将其热粘在机箱上，连接的白线用作 VCC、gnd 和 Signal。

图 4.1：左右红外接收器组件

 

红外信标外壳组件：

IR 信标/发射器电路是从有一些按钮故障的旧电视遥控器中提取的。为了让信标始终工作，不得不短按一个按钮。信标产生 38KHz 的频率，机器人试图遵循该路径。

图 4.2：从旧电视遥控器发射的 IR 信标

 

UVC灯安装：

我们不得不购买 4watt UVC 管灯。由于灯在沿着身体移动时需要便携，因此需要一个逆变器电路。示意图可在贡献者链接上找到。该电路从 3.7 伏 1100 毫安时的锂电池中获取能量并为灯供电。

图 5.1：UVC 灯外壳，底盘上的组装（图片因相机不佳而略白炽灯）

 

UVC 剂量计算：

在大多数研究论文和文章中，研究小组以“焦耳每平方米”或“焦耳每平方厘米”的形式提到了灭菌过程所需的紫外线。但是在考虑紫外线灯的参数和规格时，制造商给出了距离为 1 米的“每平方厘米微瓦特（uW）”的紫外线强度。

剂量(J) = 强度(W) × 暴露时间(s) ... (1)

此计算的结果将是一个以 μWSec/cm² 表示的值 | 资源

距离 r 处的强度 ∝ 1/r^2 ... (2)

等式1显示了剂量和强度之间的关系。得出的结论是，不同的剂量可以通过改变对同一紫外光源的曝光时间来实现。

紫外线强度与距离之间的关系如公式2所示。据此可以得出结论，紫外线强度随着距离光源的距离而降低。

最终电路组装：

电路图可以在fritzing文件中找到。

图 6.1：底盘上的最终电路组件和 Vero 板外壳。

 

一些说明：

• 我们使用了模拟传感器（如 IR 接收器）来读取使用 ATMega328p 的传感器值。
• ATMega328p 提取传感器数据，执行 Arduino 代码并生成电机控制字符串，例如：前向、左、右，使用串行端口（从微控制器读取 tx 引脚）发送到树莓派。
• 树莓派和 Arduino 之间的串行通信设置程序，可以在贡献者链接部分找到。
• 我们使用逆变器电路来点亮 4W UVC 灯。示意图也可以在贡献者链接上找到。
• 我们使用外部 wifi 适配器以获得更好的连接性。外部适配器不是强制性的，也可以使用内置适配器。

为什么要考虑这个

• 可以保持干燥的环境
• 没有液体填充开销，没有志愿者参与
• 完全通电，只需充电
• 用于自主控制的 IR-Beacon 引导路径
• 还能够避开沿途的障碍物
• 廉价的垃圾场材料确保低成本和快速的大规模生产
• 体积小，圆形，移动更灵活