紫外線燈消毒機器人開源分享

描述

機器人簡介

紫外線殺菌機器人（UV Robot）是一種配備有紫外線系統(tǒng)的遙控機器人。該系統(tǒng)包含一個移動的機器人車輛和一個地面站控制器（GCS）。操作員可以使用地面站控制器 (GCS) 的操縱桿控制機器人，同時觀察機器人的攝像頭。

該機器人可以通過紫外線分解其DNA結構，對環(huán)境中的疾病、病毒、細菌和其他類型的有害有機微生物進行消毒和殺滅。目前，多個國家已經成功測試了這些機器人，對他們的醫(yī)院、公共交通工具、辦公場所和其他公共場所進行了消毒。我們以具有成本效益的方式實施了這種紫外線機器人，將消毒過程擴展到公共場所。

為什么不用消毒液？

對公共場所進行消毒最常見和流行的方法是噴灑消毒液，這種消毒液是 70% 的酒精基液體。近日，世界衛(wèi)生組織（WHO）宣布，在公共場所經常使用消毒液確實有害。由于其強烈的氣味，這可能會導致呼吸系統(tǒng)出現(xiàn)問題，引起皮膚刺激，并可能導致環(huán)境失衡。

此外，這種方法每天都會產生巨大的材料和勞動力成本。

UV機器人的優(yōu)勢

• 一次性費用（無需補充酒精或氯液）。
• 可用于消毒表面、醫(yī)療服、醫(yī)用口罩和其他醫(yī)療設備。
• 與基于液體的消毒方法相比，可將消毒時間縮短 60%。（在有織物材料的環(huán)境中使用時，干燥時間相當長）。
• 能夠用于帶有電子設備的環(huán)境。
• 一個操作員可以覆蓋大面積。（不需要像液體噴霧那樣多人）
• 我們與當?shù)匾凰髮W的微生物實驗室合作，測試并證明了這款機器人的消毒率達到了 99.997% 。（在上一節(jié)中解釋）

紫外線殺菌輻照（UVGI）

紫外線殺菌輻射 (UVGI) 是一種消毒方法，它使用短波長紫外線（紫外線 C 或 UVC）光通過破壞核酸和破壞其 DNA 來殺死或滅活微生物，使它們無法執(zhí)行重要的細胞功能。UVC 被 RNA 和 DNA 堿基吸收，可導致兩個相鄰的嘧啶光化學融合成共價連接的二聚體，然后成為非配對堿基。

UVGI 用于多種應用，例如食品、空氣和水的凈化。UVGI 可用于預防某些傳染病的傳播。低壓汞 (Hg) 放電燈和 LED 常用于 UVGI 應用，并發(fā)射短波紫外線 C（100-280 納米）輻射，主要波長為 254 納米。

每種類型的微生物都需要不同劑量的紫外線來使其功能失活。考慮到 Covid-19 的情況，此處考慮使用紫外線滅活同一病毒。在大多數(shù)研究論文和文章中，研究小組以“焦耳每平方米”或“焦耳每平方厘米”的形式提到了滅菌過程所需的紫外線。但在考慮紫外線燈的參數(shù)和規(guī)格時，制造商給出了距離為 1 米的“每平方厘米微瓦特（uW）”的紫外線強度。

單位“瓦特（W）”表示在一秒內發(fā)射的能量。每平方厘米微瓦代表一秒鐘內通過一平方厘米面積的能量。

等式1顯示了劑量和強度之間的關系。得出的結論是，不同的劑量可以通過改變對同一紫外光源的曝光時間來實現(xiàn)。

紫外線強度與距離之間的關系如公式2所示。據此可以得出結論，紫外線強度隨著距離光源的距離而降低。

根據維基百科，8mJ 的劑量可以滅活大多數(shù)病毒。

了解機器人的功能

整個系統(tǒng)有點復雜，因為我們添加了一些功能和安全特性以符合行業(yè)標準。在解釋實現(xiàn)過程之前，最好先了解一下系統(tǒng)是如何工作的。

該機器人有 3 個主要部件。

1.地面車輛

這部分由兩個由直流齒輪電機驅動的輪子（差動驅動機器人）驅動。前后有兩個腳輪，以保持平衡。我們已將電子控制系統(tǒng)和電池放置在地面車輛內，這是一個 12V 35Ah 鉛酸電池。

Arduino Mega 通過穩(wěn)壓模塊由主電池供電，將電壓從 12V 降低到 5V。帶有 PWM 輸出的四通道 RC 無線電接收器連接到 Mega 板。電機通過連接到 Arduino 板的雙通道 H 橋電機驅動器驅動。逆變器連接在紫外線燈和電池之間，并使用連接到 Arduino 板的繼電器開關進行控制。

2.紫外燈塔

我們使用了熒光紫外線燈泡，需要單獨的電子鎮(zhèn)流器單元來為燈泡供電。燈塔包含 6 個紫外線燈泡，這些燈泡放置在一個鋁制圓柱體周圍，該鋁制圓柱體是由鋁板通過滾動制成的。這個鋁制圓柱體充當紫外線的反射器。

所有電子鎮(zhèn)流器都放置在鋁筒內。在塔頂，有一個 FPV 攝像頭和一個 FPV 發(fā)射器，用于將視頻饋送到 GCS。紫外線塔固定在地面車輛的頂部。

3.地面站控制器

這是機器人的遙控器。屏幕顯示從機器人收到的攝像頭反饋。操縱桿用于移動機器人。紫外線燈可以使用紫外線開關打開和關閉。布防開關用作安全開關。它在打開時會減少所有功能。

開啟紫外線燈

對于我們的機器人，我們選擇了 6 個具有以下規(guī)格的紫外線燈泡。

• 功率 - 55w
• 波長 - 254nm
• 長度 - 890mm
• 管徑 - 15mm
• 類型 - 單端 4 針

這些不是嚴格的規(guī)格，除了波長。電子鎮(zhèn)流器單元連接到紫外線燈泡的 4 個引腳。為電子鎮(zhèn)流器供電時，紫外線燈泡會亮起。

***UV Light is harmful to human skin and eyes. Do not expose your eyes and skin for a longer period. Observing the light through glass is the safest procedure as UV light cannot penetrate transparent glass.***

FPV 視頻系統(tǒng)

FPV視頻系統(tǒng)主要用于無人機獲得鳥瞰圖。在我們的案例中，使用 FPV 系統(tǒng)可以輕松地從機器人獲取視頻，無需任何編程或焊接組件。該機器人有一個攝像頭和一個視頻發(fā)射器。我們只需將電源連接到該系統(tǒng)，它就會開始使用 5.8GHz 傳輸視頻。

GCS 具有內置 5.8GHz 視頻接收器的 LCD 屏幕。啟動屏幕后，它將開始顯示相機饋送。

建造地面車輛

主體結構由 0.75' 鋼箱條制成。以下是用于我們機器人的設計，但不限于此。根據您的要求更改設計。

框架應該有空間和一個在底部安裝兩個電機和兩個腳輪的機構。在結構內部，應該有一個鎖定鉛酸電池的機構。在我們的機器人中，我們使用覆層板覆蓋框架。

兩個電機的線連接到電機驅動器的輸出引腳。這個過程可以很容易地在互聯(lián)網上找到，因此它并不打算描述整個過程。

最后附上電控系統(tǒng)示意圖。RC 接收器的通道 1 - 通道 4 PWM 信號引腳從引腳 18 - 21 連接到 Arduino 板。每個通道在代碼中按以下方式配置。你可以隨心所欲地改變它。

• Ch 1 - 紫外線開關
• Ch 2 - 機器人布防開關
• Ch 3 - 前進/后退移動命令
• 第 4 章 - 左/右轉向命令

這也可以在構建 GCS 時進行更改。

電機驅動器的引腳連接到 Arduino 引腳 3-11，如圖所示。

要將 12v 轉換為 AC 230V 為紫外線燈供電，此處使用了逆變器電路。我們購買了帶有內置充電器的市售逆變器單元。通過允許我們使用現(xiàn)有電源點為鉛酸電池充電，這有助于避免電子系統(tǒng)的復雜性。

在我們的案例中，我們使用了改進的正弦波逆變器，其效率約為 70%。要以 70% 的效率為所有電子鎮(zhèn)流器供電，所需的逆變器功率為 470W。有了所有的安全余量，我們購買了一臺 1kW 的逆變器。

電池端子連接到 12V 輸入，E. 鎮(zhèn)流器連接到交流輸出端口。開/關開關被移除。開關中有 3 根線可用；公共線、地線和電源線。這 3 根線以下列方式連接到繼電器開關，以控制來自 Arduino 板的紫外線燈。

• 普通線 -> 普通
• 地線 -> NC
• 接通電源 -> 否

我們包括一個系統(tǒng)電源開關、紫外線電源開關和一個緊急切斷開關，以使機器人符合工業(yè)標準。

建造紫外線燈塔

塔的中間部分包含一塊鋁板。將片材卷成直徑為 15cm 的圓柱體。圓柱體頂部和底部分別放置兩塊直徑為30cm的圓形覆層板。這些用作紫外線燈座。兩塊覆層板都鉆有 19 毫米的孔以適應紫外線。電子鎮(zhèn)流器使用雙面膠帶固定在鋁筒內。

FPV 攝像系統(tǒng)安裝在塔頂，兩根電線通過圓柱體引至底部。

建造地面控制站

以下是地面控制站 (GCS) 所需的組件。

• 2.4GHZ 4Ch RC 發(fā)射機
• FPV 屏幕
• 2 X 撥動開關
• 1 個電源開關
• 18650 電池芯
• 適用于 18650 的 3 節(jié)電池管理系統(tǒng)模塊
• 12V、5A 開關電源

Rc 發(fā)射器包含 2 個操縱桿和幾個開關。在這里，我們的興趣只在于一個操縱桿、電路和 LED 指示燈。拆下發(fā)射器的外殼，觀察電路如何感知操縱桿。每個操縱桿包含兩個連接到電路板的電位器。根據操縱桿的位置，電位器改變它的電阻，以便電路可以讀取操縱桿的位置。

拆下一個操縱桿和它的兩個電位器。將各自的電線末端焊接到兩個撥動開關上。現(xiàn)在我們有一個操縱桿和兩個撥動開關來控制所有 4 個通道。一個開關用作機器人布防開關，另一個用作紫外線燈控制開關。LED 指示燈可用作 GCS 的電池監(jiān)視器，因為它在電池電量不足時將其顏色變?yōu)榧t色。

現(xiàn)在我們需要為發(fā)射器和 FPV 屏幕制作電源。18650電池的電池電壓為3.7V。充滿電后變?yōu)?.2V。為此，我們將 3 節(jié)電池串聯(lián)起來以獲得大約 12V 的電壓。在我們的案例中，我們使用了容量為 1000mAh 的電池。為了增加GCS的運行時間，我們使用了9節(jié)電池，3節(jié)串聯(lián)電池組并聯(lián)得到3000mAh容量。然后連接BMS模塊以保護電池。

P+ 和 P- 連接到 Transmitter 電源輸入和 FPV 屏幕電源輸入。12V 開關模式電源 (SMPS) 帶有一個電位器，用于在有限范圍內調節(jié)輸出電壓。將其設置為 12.8 并將電壓輸出連接到 BMS 的 P+ 和 P-。這將有助于在插入 SMPS 時為電池組充電。

您可以根據自己的喜好為此設計一個外殼。

編碼

代碼的第一個任務是讀取 RC 通道輸入。由于我們使用的是 PWM 接收器，因此我使用中斷來讀取 PWM 值。為了方便起見，我包含了一個 PWM 庫，以通過以下方式定義連接的引腳來使用中斷。

PWM ch1(18);                                // Setup pin 18 for input
PWM ch2(19);                                // Setup pin 19 for input
PWM ch3(20);                                // Setup pin 20 for input
PWM ch4(21);                                // Setup pin 21 for input

在啟動序列中，代碼檢查電池電壓以及 UV 開關是否打開。如果它檢測到其中任何一個，啟動過程將在那里等待，直到所有問題都修復。

//check battery voltage
battery_voltage_monitor();
while(batterylow == true){
    battery_voltage_monitor();
    low_battery_notification();
}

//verify the uv swtich is turned off
rc_read();
while(uv_pwm > switch_on_pwm){
rc_read();
uv_on_warning_at_startup();     //buzzer tone

}

運行電機時，電池電壓僅在那一刻急劇下降。為了避免每次移動機器人時觸發(fā)低電壓警報，電池監(jiān)控部分僅在機器人不移動時運行。

if (robot_moving == false){
battery_voltage_monitor();    //monitor the battery when robot is not moving
}

所有其他功能，包括控制電機驅動器、使用蜂鳴器產生音調和控制繼電器都以通常的方式工作。如果您不了解這些主題，您可以遵循有關上述主題的一般教程。

運營流程

上電程序

GCS 控制器

1. 打開主開關。

2. 確保機器人布防開關和紫外線燈開關均已關閉。（在向下位置）。

機器人

1. 打開電源開關。

2. 等待啟動音。

3. 等待系統(tǒng)提示音。

控制機器人

1. 打開機器人布防開關。

2. 移動操縱桿移動機器人。

3. 打開紫外線開關，打開紫外線燈。當機器人布防開關處于關閉位置時，UV 開關不起作用。

電池電量指示器

1. 確保電池至少有 4 格閃爍以操作機器人。

2. 電池電量低時，蜂鳴器發(fā)出嗶嗶聲，電池電量指示燈的最后兩格閃爍。

充電程序

1. 關閉機器人。

2. 關閉 GCS。

3. 將逆變器插入電源插座。（通常逆變器有一個內置的充電電平指示器）

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一般注意事項

1. 在人多的地方使用

紫外線對人的眼睛和皮膚有害。短距離（小于 3m）暴露在光線下超過 60 秒會傷害眼睛并可能導致皮膚刺激。然而，紫外線束不能穿透任何固體介質。透過透明玻璃看紫外線不會影響人的眼睛或身體。

2、敏感材料與器件

軟塑料對紫外線高度敏感。軟塑料通常用于玩具和食品包裝。因此，該設備不能在玩具店、超市和有上述物品的地方使用。但是，紫外線燈可用于對上述區(qū)域的地板進行消毒。

3.在醫(yī)院使用的能力

在醫(yī)院環(huán)境中，紫外線有助于在很短的時間內對高接觸表面進行消毒。但是在這種情況下應該考慮紫外線對醫(yī)療設備和藥物的有效性。

帶有塑料外殼的醫(yī)療設備是由硬塑料制成的，因為它們在制造過程中會經過輻射處理。此外，對于儲存在醫(yī)院的藥物，紫外線的有效性沒有經過證實的影響。

此外，所有不銹鋼醫(yī)療設備和 N95 口罩都可以使用同一設備進行消毒。

4. 陰影區(qū)域的有效性

紫外線與可見光一樣從表面反射。因此，沒有得到直射紫外光的區(qū)域會得到反射的紫外光。但是，嚴重覆蓋或陰影區(qū)域無法獲得有效的紫外線。這些區(qū)域也沒有使用基于消毒液的方法進行消毒。

5. 其他注意事項

在封閉環(huán)境中長時間工作時，紫外線會產生臭氧。作為一般做法，所有封閉環(huán)境在紫外線燈消毒后通風20分鐘。