Amabie消毒機(jī)器人開源分享

描述

技術(shù)文摘

在 COVID-19 大流行下，全世界都強(qiáng)烈需要加速將機(jī)器人引入消毒任務(wù)。然而，現(xiàn)有的機(jī)器人存在很多問題，尤其是價(jià)格昂貴且難以量產(chǎn)。這個(gè)事實(shí)是致命的：前者是成本問題，阻礙了消費(fèi)者購買機(jī)器人；后者是一個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)的問題，阻止了供應(yīng)商決定開發(fā)和銷售機(jī)器人。這兩個(gè)問題肯定會耽誤市場發(fā)展，消毒機(jī)器人在社會上的部署也會被推遲。

我們開發(fā)了一款名為“ Amabie ”的消毒機(jī)器人，它的名字來源于一種日本精神，它可制造且價(jià)格合理，可以解決這些問題。Amabie 自動使用紫外線燈對房間進(jìn)行消毒。它的設(shè)計(jì)主要集中在三點(diǎn)：第一點(diǎn)是“可制造”，第二點(diǎn)是“實(shí)惠”，最后是“可擴(kuò)展”。

第一點(diǎn)，“可制造”是指易于批量生產(chǎn)。Amabie的硬件可以分為一些模塊，幾乎所有的模塊都是由可靠的供應(yīng)商出售的現(xiàn)成零件組成的。這樣的設(shè)計(jì)使建造和維修變得簡單。此外，我們不必生產(chǎn)復(fù)雜的部件（例如電機(jī)單元）。與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，不再需要建造 Amabie。第二點(diǎn)“負(fù)擔(dān)得起”意味著我們可以以低成本構(gòu)建 Amabie，同時(shí)它具有足以在任何機(jī)構(gòu)中使用的消毒能力。認(rèn)真審視批量生產(chǎn)，我們意識到降低制造成本，包括零部件采購和組裝。最后一點(diǎn)“可擴(kuò)展”意味著用戶可以輕松地為自己的環(huán)境定制 Amabie。例如，我們準(zhǔn)備了三種類型的 Amabie：Type-1 是基本款，Type-2 有更多的紫外線燈和更大的電池，可以工作更長時(shí)間，Type-3 有一個(gè)機(jī)械臂。由于它們都基于相同的框架，因此三種類型的 Amabie 可以構(gòu)建在相同的生產(chǎn)過程上。

在下文中，我們將描述構(gòu)建基本模型 Amabie Type-1 的技術(shù)。我們的提議不僅包括機(jī)器人，還包括機(jī)器人系統(tǒng)，即安全使用 Amabie 的環(huán)境輔助模塊。我們工作的主要貢獻(xiàn)是集成。盡管每種基本技術(shù)都不是新的，但我們結(jié)合當(dāng)前技術(shù)是最有效的消毒任務(wù)。

機(jī)器：兩個(gè)驅(qū)動輪驅(qū)動 Amabie，四個(gè)腳輪支撐它。即使 Amabie 在不光滑的地板上行駛，懸掛裝置也能使車輪保持穩(wěn)定。它有六個(gè)紫外線燈：四個(gè)固定在主框架上，另一個(gè)（兩個(gè)燈）傾斜，以便不僅面向墻壁，而且面向床、椅子和桌子的頂部。

電路：Amabie 配備了鉛酸電池。為了安全緊急停止，斷路器經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，不會損壞 Amabie 的任何組件。為了最大限度地提高主計(jì)算機(jī)的性能，微控制器與執(zhí)行器和模擬接口進(jìn)行通信。

軟件：所有軟件均在機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）上實(shí)現(xiàn)，這是一個(gè)全球使用的機(jī)器人平臺。許多在 ROS 上運(yùn)行的資源已發(fā)布，它們可以根據(jù)需要擴(kuò)展 Amabie。四個(gè)攝像頭模塊使 Amabie 能夠創(chuàng)建地圖、自我定位以及檢測物體和人類。

安全系統(tǒng)：雖然沒有人可以消除 Amabie 的盲點(diǎn)，但我們創(chuàng)建了一種新穎的系統(tǒng)來檢測人員以確保安全操作。我們開發(fā)了一種易于安裝在門上的信標(biāo)。信標(biāo)具有無線通信模塊和超聲波傳感器，因此它可以檢測到有人進(jìn)入房間，然后信標(biāo)將其發(fā)送給 Amabie。

1. 概念

介紹

這些天來，COVID-19 在全世界流行。由于許多感染者和患有基礎(chǔ)疾病的患者聚集在醫(yī)院，因此每天都在進(jìn)行病毒清除活動。當(dāng)然，即使在 COVID-19 全球大流行之前，這些活動每天都在進(jìn)行。然而，大多數(shù)醫(yī)院的員工一直在使用含酒精的消毒噴霧劑或布進(jìn)行消毒 [1]。然后，為了減少人為錯(cuò)誤和勞動力成本，開發(fā)了紫外線機(jī)器人。例如，UVD Robots ApS 開發(fā)了 UVD 機(jī)器人 [2]，General Disinfection Service 開發(fā)了“Light Strike”[3]。這些機(jī)器人可以消滅99.99%的病毒，所以一些醫(yī)院使用這些機(jī)器人。

但是這些醫(yī)院規(guī)模大，比如大學(xué)醫(yī)院，小醫(yī)院，比如個(gè)體醫(yī)院，很少引進(jìn)這些機(jī)器人。主要原因是價(jià)格高。這些機(jī)器人大約是150,000美元。比較機(jī)器人的引進(jìn)成本和人工成本，醫(yī)院只能判斷引進(jìn)它不是工作。此外，考慮到電池壽命和其他性能，我們不能否認(rèn)性能過高。沒有遭受醫(yī)療中斷的醫(yī)院將推遲引入它。然而，醫(yī)療行業(yè)正在日新月異。所以，如果他們需要紫外線機(jī)器人，我們現(xiàn)在就需要他們。因此，我們開發(fā)了滿足負(fù)擔(dān)能力并且可以立即引入現(xiàn)場的紫外線機(jī)器人“Amabie”。名字“阿瑪比”“來自日本精神。據(jù)說在日本，Amabie 預(yù)知流行病并避開人們。我們通過使其具有最低要求的功能和高擴(kuò)展性，讓用戶可以選擇適合自己情況的 UV 機(jī)器人。這文章主要介紹最基本的類型。

概念

這就是我們的紫外線機(jī)器人“ Amabie ”。我們基于以下 3 個(gè)概念開發(fā)了 Amabie。

• 可擴(kuò)展
• 經(jīng)濟(jì)實(shí)惠
• 可制造

(1)可擴(kuò)展

各種機(jī)構(gòu)都需要UV機(jī)器人。因此，我們開發(fā)了以下 3 種類型以滿足各種需求。它就是其中的一個(gè)例子。Amabie 可以根據(jù)您的情況進(jìn)行定制。

(2)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠

如表 1 所示，Amabie 價(jià)格低廉。現(xiàn)有的紫外線機(jī)器人幾乎是 150,000 美元。Amabie 不到現(xiàn)有紫外線機(jī)器人的十分之一。

(3)可制造

Amabie 很容易生產(chǎn)。您可以在 1 周內(nèi)獲得 Amabie。因此，當(dāng)您想要一個(gè)紫外線機(jī)器人時(shí)，例如流行病，您可以比其他紫外線機(jī)器人更快地獲得紫外線機(jī)器人“Amabie”。大約 80% 的 Amabie 零件由現(xiàn)成產(chǎn)品制成。所以，Amabie 很容易制作。

消毒性能

這是 Type1 的消毒區(qū)域。如圖所示，Amabie 的消毒范圍很大。

現(xiàn)有的紫外線機(jī)器人對空間進(jìn)行消毒。但是，需要對醫(yī)院的表面進(jìn)行消毒，等等[1]。因此，Amabie 接近目標(biāo)進(jìn)行正確消毒。

這種性能足以正確消毒幾乎所有區(qū)域。

二、操作說明

如何使用阿瑪比

使用 Amabie 非常簡單。流量是；

(1) 您沿左側(cè)墻設(shè)置路線。

(2) 你按下啟動按鈕。

(3) Amabie 對房間進(jìn)行消毒。

(4) Amabie 回到起點(diǎn)。

(5) Amabie 通知您。

一個(gè)示例課程就是這樣。

如何保養(yǎng)紫外線燈

當(dāng)照明時(shí)間達(dá)到 6000 小時(shí)或燈泡發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)更換新的紫外線燈管。當(dāng) Amabie 的開關(guān)關(guān)閉時(shí)，用戶可以通過將燈旋轉(zhuǎn) 90 度來更換紫外線燈。當(dāng)燈“亮”的次數(shù)達(dá)到指定次數(shù)時(shí)，應(yīng)更換新的啟動器。當(dāng)您移除 Amabie 的外殼時(shí)，用戶可以輕松更換增長啟動器，因?yàn)樗菙Q緊的。用戶可以查看點(diǎn)燈時(shí)間和燈“亮”的數(shù)量，但會在觸摸屏上顯示自動提醒。

3.紫外線燈

紫外線殺菌照射的目的

UV-C 光（波長為 200-280 nm）已被用于殺死或滅活細(xì)菌或病毒。由于 COVID-19 (SARS-CoV-2) 現(xiàn)在正在全球范圍內(nèi)傳播，紫外線殺菌輻射引起了越來越多的關(guān)注。根據(jù)最新的期刊文章，UV-C（254 nm）照射在滅活和抑制 SARS-CoV-2 復(fù)制方面非常有效 [6]。Amabie 的目標(biāo)不是對整個(gè)房間空間進(jìn)行消毒，而是對必要的表面和地板進(jìn)行有效的消毒。包括地板的原因是，當(dāng)空氣中的飛沫落在地板上干燥時(shí)，病毒會在空氣中飆升[7]。

紫外燈規(guī)格

Amabie 有兩種類型的紫外線燈，由日本制造商松下制造。一種是GL 10，10W燈功率。另一種是GL15，15W燈功率。其他使用更高功率燈的 UV 機(jī)器人，例如 UVD 機(jī)器人使用 180W 的 UV 燈 [8]。我們認(rèn)為 Amabie 有足夠的紫外線能量，因?yàn)樗梢越咏繕?biāo)。這兩種燈都非常容易獲得，并且成本低于每單位 20 美元。此外，額定壽命，即保持80%輸出的時(shí)間為六千小時(shí)。一些紫外線燈的功率轉(zhuǎn)換尚不清楚，但 Amabie 燈的功率轉(zhuǎn)換已為人所知。因此，我們在計(jì)算中使用 80% 的紫外線輻照度，因?yàn)閼?yīng)該考慮紫外線燈的退化。

紫外燈布局

在 Type1 中，Amabie 有六個(gè) UV 燈，其中兩個(gè)用于地板，四個(gè)用于墻壁或側(cè)面物體。在 Type2 和 Type1 的擴(kuò)展版 Type2 和 3 中，Amabie 有 11 個(gè) UV 燈，其中 3 個(gè)用于地板，8 個(gè)用于墻壁或側(cè)面物體。紫外燈對稱布局和Type2和3的高度。

燈 A (A') 有兩個(gè) UV 燈，因?yàn)樗怯?a href='http://ttokpm.com/v/tag/194/' target='_blank' class='arckwlink_none'>伺服電機(jī)傾斜的，所以它可以照射很廣的區(qū)域。所有的燈都有一個(gè)鋁反射器，所以它們的光線會集中在前面的中心。我們認(rèn)為燈 A 可以通過傾斜有效地照射低處和高處。這是Amabie的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。燈 D (D') 和 E 用于地板消毒。燈E只有10W輸出（GL10），其他都是15W（GL15）。

UV-C 劑量計(jì)算

我們將5 分鐘內(nèi) 25 mJ/cm2 或更多劑量定義為消毒條件，并計(jì)算每個(gè)紫外線燈的消毒距離和面積。將 E [μW/cm2] 定義為 1m 處的紫外線輻照度，將 t [s] 定義為曝光時(shí)間。γ [mJ/cm2] 作為來自紫外燈的 r [m] 位置處的輻照能量密度，已經(jīng)表達(dá)了這個(gè)方程。

通過求解 r，可以得出 γ=25 mJ/cm2 或更大的劑量距離。

為簡化起見，將燈 A（2 個(gè)）視為具有兩倍輻照度的單個(gè)燈。如前所述，由于退化，我們在計(jì)算中使用了 80% 的紫外線輻照度。因此，GL10 在 1m 處的輻照度為 23.2 μW/cm2，GL15 為 40.8 μW/cm2。

我們應(yīng)該考慮反射器的影響，通過使用燈具的 CAD 數(shù)據(jù)來計(jì)算 Amabie 的正確消毒區(qū)域，因?yàn)樗袩舳加幸粋€(gè)鋁反射器。由于 GL10 和 GL15 的波長為 253.7 nm，因此我們在此計(jì)算中使用92%作為鋁反射器的反射率。

Amabie 有五盞燈，但燈 B 和燈 C 是一樣的。因此，我們分析了反射器的四種圖案效果。為簡化起見，我們只考慮直行或僅反射一次的光線。

校正因子 k 表示反射器提高了多少輻照度，當(dāng) α 是直射光線而 β 是反射光線時(shí)，可以推導(dǎo)出這個(gè)方程。實(shí)際上，反射器的效果具有角度色散。但是，我們在此計(jì)算中使用校正因子進(jìn)行簡化。

虛線是普通的紫外線燈，實(shí)線包括反射器的效果。結(jié)果，通過使用反射器改善了 Amabie 的消毒區(qū)域。

這些數(shù)字顯示了1 分鐘內(nèi)的消毒區(qū)域。地板的寬度約為900 毫米。如果 Amabie 到墻壁的距離為 200 毫米，則紫外線燈管覆蓋1700 毫米高度。2、3型消毒區(qū)域?qū)ΨQ分布。關(guān)于UV光的軸向，消毒區(qū)域的寬度與燈的長度相同。

閾值 (TLV) 計(jì)算

由于紫外燈的波長為 253.7 nm，閾值限值 TLV_λ 等于 6 mJ/cm2。 [11] 因此，當(dāng) E_λ [mW/cm2] 是未過濾的輻照度 [11] 時(shí)，1m t_max [s] 處的最大曝光時(shí)間由該方程得出。t_max 的最小值為 43.8 秒。Amabie 的紫外線燈比其他紫外線機(jī)器人等高功率紫外線燈更安全。

上部設(shè)計(jì)

我們使用 30mm 方形鋁制框架作為 Amabie 的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗亓枯p且易于使用。燈A轉(zhuǎn)軸的材質(zhì)采用碳鋼S45C（JIS）。燈 A 由伺服電機(jī) RS405CB (Futaba, 48kgf?cm) 通過同步帶傾斜。因?yàn)闊鬉的旋轉(zhuǎn)軸穿過重心，所以它可以以最小的扭矩旋轉(zhuǎn)。T_q=480x9.8=4704 [N?mm] 是扭矩，τ_a=94 [MPa] 是許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，M=3863 [N?mm] 是彎矩時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸的直徑 d 由這些公式確定, σ_a=117 [MPa] 為許用彎曲應(yīng)力。因此，直徑應(yīng)大于 7mm，我們決定直徑等于 20mm 具有較高的安全余量。

4. 起落架

起落架是移動的一部分。尺寸為 W460×D570(mm)。它有 2 個(gè)驅(qū)動輪和 4 個(gè)腳輪。通過減少電機(jī)的數(shù)量，我們可以降低成本。起落架內(nèi)的紫外線燈對地板進(jìn)行消毒。當(dāng)紫外線燈熄滅后，用戶可以通過取下蓋子來更換它。驅(qū)動輪具有懸架，因此用戶不介意在空中旋轉(zhuǎn)。為了爬過臺階，例如電纜，輪子和腳輪的直徑很大。

驅(qū)動輪

驅(qū)動輪是移動機(jī)器人的部件。主要部件是電機(jī)、懸架和車輪。然后，我描述了我選擇的產(chǎn)品。

電機(jī)為 MABUCHI MOTOR 制造的 MS-94BZB。懸架是 Accurate 制造的 P513。滑動襯套為 NIPPON BEARING 制造的 SME16GWUU。車輪是由 Actobotics 制造的 6 英寸重型模型。其他固定部件由 MISUMI 制造。

我們設(shè)計(jì)的起落架總重量假定為 100 公斤。它有 6 個(gè)接地點(diǎn)，因此驅(qū)動輪上加載的力為 166N，以免撞到地板。那么，懸架的強(qiáng)制力一定超過了 166N。懸架“P513”的允許載荷為103.2。它使用兩個(gè)懸架標(biāo)準(zhǔn)一驅(qū)動輪。

由于要爬過臺階，輪子的直徑是 6”。那么，啟動函數(shù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩“ T_L ”為；

我們決定最大速度與人類步行速度相同，1m/s，加速周期為2s。采用梯形加速度，加速力矩為；

因此，電機(jī)需要超過 8.2 kg·m 的扭矩。MS-94BZB 的重量為 86 kg?m。因此，它符合要求。此外，我們優(yōu)先考慮易于組裝。我們不想使用 Gearbox。那么，該電機(jī)輸出軸的徑向負(fù)載能力為 70 kgf。它符合要求。

接下來，我們考慮了從地面加載的力產(chǎn)生的力矩。從地面受到的力與懸掛的力“206N”相同。由力“ F ”產(chǎn)生的力矩“ M ”加載在兩個(gè)滑動襯套上。因此，加載在一個(gè)滑動襯套上的力矩為 1/2 * M 。長度“ L ”為119.86mm。所以，1/2 * M是；

SME16GWUU 的允許靜力矩為 12600 N·mm。因此，它符合要求。

腳輪

腳輪是TAKIGEN MFG.CO的K-420G-50N。由于允許載荷為372N，因此滿足要求。現(xiàn)在，我們要爬超過 100 毫米的臺階。爬過臺階所需的時(shí)間是M_P 。推動機(jī)器人產(chǎn)生的力矩“ F ”為M_F 。負(fù)載為 166N。所以，M_P是；

那么，M_F是；

根據(jù)這個(gè)公式，amabie 可以通過推動 217N 的力爬上 10mm 的臺階。

5. 電路設(shè)計(jì)

電源

Amabie 有兩條電源線，一條 DC 24V 電源線和一條 AC 100V 電源線。DC 24V 電源由機(jī)器人內(nèi)置的鉛酸電池提供，AC 100V 電源由機(jī)器人內(nèi)部的 DC/AC 逆變器產(chǎn)生。DC 24V電源線驅(qū)動輪子電機(jī)、頂部UV燈的傾斜電機(jī)、MCU板和塔指示燈，AC 100V電源線驅(qū)動UV燈和主機(jī)。在緊急情況下，可以通過接觸器切斷提供給電機(jī)和紫外線燈的電流。

控制信號

Amabie 有兩個(gè)控制設(shè)備，一個(gè)主計(jì)算機(jī)和一個(gè)定制的微控制單元 (MCU) 板。計(jì)算機(jī)處理高級控制，例如 SLAM 和圖像傳感，而 MCU 板處理內(nèi)部設(shè)備的控制，例如驅(qū)動電機(jī)、切換 UV 燈和接收開關(guān)信號。計(jì)算機(jī)和MCU板通過USB線通過串行通信發(fā)送和接收控制信號。電腦將運(yùn)行狀態(tài)、輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速、UV燈開/關(guān)、UV燈傾斜角度等信息傳送至MCU板。MCU 板向計(jì)算機(jī)發(fā)送緊急停止信號。它還根據(jù)從計(jì)算機(jī)接收到的信號向車輪電機(jī)控制器和伺服電機(jī)發(fā)送旋轉(zhuǎn)指令，并向紫外線燈繼電器發(fā)送驅(qū)動信號。

成分

• 電池

Amabie 有兩節(jié) 12V 鉛酸電池。它們串聯(lián)并為電路提供 24V 電源。電池容量足以讓 Amabie 最大功率運(yùn)行 2 小時(shí)。

• 斷路器 (CB1)

電池和 DC 24V 電源線通過斷路器連接。它具有短路時(shí)斷開電池和電路的作用，以及機(jī)器人主電源開關(guān)的作用。

• DC24V/AC100V逆變器（U4）

AC 100V 電源線由 DC/AC 逆變器從 DC 24V 電源線產(chǎn)生。逆變器可以輸出280W的功率，足以驅(qū)動15W的UV燈x10和一臺15W的電腦。

• 緊急停止按鈕（SW1、U5）

Amabie 配備了緊急停止按鈕。當(dāng)按下該按鈕或來自 MCU 板的使能信號被切斷時(shí)，到接觸器的電信號被切斷。同時(shí)，DC/DC 轉(zhuǎn)換器也停止。

• 接觸器（U6、U7、U10）

車輪馬達(dá)和紫外線燈通過接觸器連接到電源。當(dāng)按下緊急停止按鈕或來自 MCU 板的 Enable 信號被切斷時(shí)，接觸器會關(guān)閉這些電路。

• DC/DC 轉(zhuǎn)換器 (U3)

由于伺服電機(jī)的標(biāo)稱電壓為 12V，DC/DC 轉(zhuǎn)換器將 24V 電源線降壓為 12V 并為伺服電機(jī)供電。

• 電機(jī)控制器（U1、U2）

該電機(jī)控制器為電機(jī)廠家正品，通過CAN信號接收指令。CAN 信號從 MCU 板傳輸。

• 伺服電機(jī) (M1)

安裝用于改變紫外光方向的伺服電機(jī)通過 RS485 信號接收目標(biāo)角度指令。RS485 信號由微機(jī)板傳輸。

• 紫外燈驅(qū)動繼電器（U12、U13、U14）

紫外線燈通過繼電器連接到 100V 電源線。繼電器由來自 MCU 板的信號打開/關(guān)閉。

• 塔燈 (U21)

Amabie 配有塔式指示燈，可將機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)告知用戶。燈發(fā)出三種顏色。綠色：待機(jī)，黃色：運(yùn)行，紅色：錯(cuò)誤。請注意，黃色指示燈閃爍。

• 車輪制動器（U18、U19）

安裝在車輪電機(jī)上的電磁制動器用于使機(jī)器人緊急停止。全輪電機(jī)的制動器由來自 MCU 板的信號通過繼電器激活。

• 單片機(jī)（U20）

與主機(jī)通信并向各設(shè)備發(fā)送信號的MCU板支持與主機(jī)的串行通信、24V數(shù)字I/O、RS485通信、CAN通信。

六、安全措施

Amabie 具有緊急停止功能作為安全措施，以防人為錯(cuò)誤或意外情況。當(dāng) Amabie 檢測到人為入侵或內(nèi)部問題時(shí)，它會切斷供應(yīng)給電動機(jī)和紫外線燈的電力并制動車輪電機(jī)，這意味著 Amabie 可以安全地停止運(yùn)行。一旦 Amabie 執(zhí)行緊急停止功能，程序會自動切換到緊急停止?fàn)顟B(tài)。然后，除非重新啟動序列，否則它無法重新啟動。

緊急停止按鈕

如果用戶或其他人注意到自己的危險(xiǎn)或工作機(jī)器人的異常，他們可以通過按下安裝在機(jī)身頂部的終止按鈕來安全地停止 Amabie 的操作。斷電按鈕向電路上的接觸器發(fā)出斷電信號，直接切斷電源，無需任何軟件。因此，即使軟件無法檢測到意外問題，您也可以安全地停止 Amabie 的操作。

斷路器

斷路器可以檢測電路上的過電流。如果發(fā)生短路，斷路器會切斷電池下方的所有電源線。因此，斷路器避免了異常發(fā)熱和火災(zāi)。

人體檢測

安裝在身體前上方的 3D 攝像頭可以檢測到人的存在。如果有人進(jìn)入正在運(yùn)行的 Amabie 面前，攝像頭會檢測到并立即停止 Amabie 的操作。檢測算法的細(xì)節(jié)在軟件部分。

電池觀察員

如果在操作過程中電池電量耗盡，Amabie 可能會執(zhí)行意外行為。電池觀察器在操作期間始終監(jiān)控電池的電壓。如果觀察者判斷剩余電池電量過低，Amabie 會在電池電量耗盡之前安全停止。

人體進(jìn)入感應(yīng)信標(biāo)

人員進(jìn)入感應(yīng)信標(biāo)是用于擴(kuò)展安全性的外部附件。信標(biāo)由用戶附在房間門附近的墻上，它監(jiān)視通過門進(jìn)入房間的人。它包含一個(gè)超聲波距離傳感器和一個(gè)藍(lán)牙模塊，并使用電池工作。尺寸非常小，L：60mm，W：60mm，H：25mm。如果有人在 Amabie 操作期間進(jìn)入房間，信標(biāo)會檢測到它并將通知發(fā)送給 Amabie。收到它，阿瑪比立即安全地停止了操作。

充電

在啟動 Amabie 之前，請確保電池已充電。您可以通過機(jī)身背面下方的充電端口檢查電池電量。如果指示燈未充滿，則需要在啟動前給電池充電。您可以使用 24V 鉛酸電池的通用電池充電器為機(jī)器人電池充電。向上滑動充電口蓋，按照充電口上的 +/- 標(biāo)記裝上充電器插頭。充電器的使用方法請參閱各產(chǎn)品的使用說明書。

7. 軟件

概述

Amabie軟件是分布式的：有兩個(gè)核心計(jì)算單元，即主計(jì)算機(jī)和MCU板。前者主要負(fù)責(zé)圖像處理和決策；后者與模塊通信并處理信號。

計(jì)算機(jī)

Amabie 的主計(jì)算機(jī)是 Jetson Xavier NX，它擁有高性能的節(jié)能 GPU。Ubuntu 18.04 LTS Bionic Beaver 安裝為操作系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的所有實(shí)施軟件均基于機(jī)器人操作系統(tǒng) (ROS) Melodic Morenia，這是最流行的機(jī)器人平臺。

單片機(jī)

Amabie上的MCU板是由STM32 Nucleo Board STM32F303RE（STMicroelectronics）、X-NUCLEO-PLC01A1（STMicroelectronics）和RS485 CAN Shield（Waveshare）組成的原創(chuàng)定制板。固件是在 Mbed 環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的。該程序被描述為使Amabie的每個(gè)組件抽象并實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展性。程序的結(jié)構(gòu)如圖所示。

Amabie 的所有組件（例如輪子和紫外線燈）都被描述為類。此外，該程序還有一個(gè)用于發(fā)送和接收命令信號的類。支持的通信是使用rosserial 協(xié)議的串行通信、RS485 通信和CAN 通信。并且板子每個(gè)都有8ch 24V 數(shù)字PLC I/O 端口。

相機(jī)

Amabie 有四個(gè)攝像頭：三個(gè) Intel RealSense d435 RGB-D 攝像頭和一個(gè) Intel RealSense T265 跟蹤攝像頭。RGB-D相機(jī)可以拍攝深度照片；換句話說，它們不僅可以用作相機(jī)，還可以用作 LiDAR 傳感器。兩個(gè) RGB-D 攝像頭安裝在前下方和后下方，以檢測 Amabie 必須避開的障礙物。另一個(gè) RGB-D 攝像頭和跟蹤攝像頭安裝在前上方。所有相機(jī)都通過高速 USB 3.1 電纜連接到主計(jì)算機(jī)。

基于 ROS 的軟件

由于 ROS 被設(shè)計(jì)為一個(gè)分布式計(jì)算平臺，每個(gè)軟件都作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立運(yùn)行。主要節(jié)點(diǎn)描述如下。

• V-SLAM：同步定位和建圖 (SLAM) 是自主機(jī)器人必不可少的技術(shù)。由于小型機(jī)構(gòu)有很多可移動的物體，例如椅子和玩具，2D（平面）SLAM 算法可能會因?yàn)樗鼈兊牟淮_定性而失敗。里面需要3D SLAM。另一方面，3D LiDAR 傳感器通常非常昂貴。相反，我們使用視覺 SLAM (V-SLAM)，基于相機(jī)的 SLAM 算法。Amabie 并行使用兩種不同的算法。一個(gè)在跟蹤相機(jī)上運(yùn)行以估計(jì)局部位移 [12]，另一個(gè)在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行以創(chuàng)建地圖并估計(jì)全局位置 [13]。
• 自動駕駛：完全自動駕駛和消毒仍然是困難的技術(shù)。我們建議模仿來實(shí)現(xiàn)它。用戶購買 Amabie 后，他/她將其控制為無線電遙控車，并教他們希望它重播的路徑和消毒目標(biāo)。在這個(gè)術(shù)語中，Amabie 在記住地圖的同時(shí)創(chuàng)建地圖。當(dāng) Amabie 自動駕駛時(shí)，它會跟隨路徑并對目標(biāo)進(jìn)行消毒。如果路上有障礙物，Amabie 會嘗試避開它們。

模擬

盡管由于大流行導(dǎo)致大學(xué)停課，我們無法構(gòu)建真正的原型，但我們使用 Choreonoid [14] 開發(fā)了一個(gè)模擬環(huán)境。由于 Choreonoid 支持光模擬作為以下快照，我們可以評估 Amabie 可以照亮的消毒區(qū)域

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