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使用UVC和垃圾場材料的自主消毒機器人

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資料介紹

描述

完成我們的原型

其他消毒項目及其缺點

最近開發(fā)的一些可以執(zhí)行消毒任務的工作機器人，它們的體型巨大，它們使用的硬件成本很高，這可能是大規(guī)模生產和部署在醫(yī)院/診所/公共場所的巨大障礙。
這些機器人不能用于某些必須保持干燥環(huán)境的地方，例如 ICU、研究實驗室、工廠、生產車間，而且并非所有這些地方都是完全自動化的。此外，這些機器人需要某種人類幫助來引導自己、穿過擁擠的區(qū)域等。
對于像我們這樣的欠發(fā)達國家，他們負擔不起制造這些機器人的費用。這些原因使人們在醫(yī)院、診所等沒有適當的防護裝備的情況下用手進行消毒。

UVGI 如何提供幫助

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，主要為 254 nm ? 資源

我們的解決方案

IR-Beacon 引導使用 UVC 和垃圾場材料的自主消毒機器人。

機器人功能：

消毒過程：陽光包含三種類型的紫外線。首先是 UVA，它構成了到達地球表面的紫外線輻射的絕大部分。它能夠深入皮膚，被認為是造成高達 80% 的皮膚老化的原因，從皺紋到老年斑。其次是 UVB，它會破壞我們皮膚中的 DNA，導致曬傷并最終導致皮膚癌（最近科學家發(fā)現(xiàn)UVA也可以做到這一點）。還有第三種類型：UVC。光譜中這個相對模糊的部分由更短、能量更高的光波長組成。它特別擅長破壞遺傳物質。要安全使用 UVC，您需要專業(yè)設備和培訓。世界衛(wèi)生組織 (WHO) 已對使用紫外線消毒的人發(fā)出嚴厲警告。我們的全自動系統(tǒng)來了，它能夠自行運行。
自主引導路徑：在房間的出入口位置將有兩個紅外信標站，用于引導機器人進出。然后志愿者可以在不進入的情況下收集它。

IR導路工作流程

自主運動：通過周圍的超聲波傳感器實現(xiàn)自主運動，使其能夠避開進入其路徑的障礙物。| 關聯(lián)

圖 1.0：手動駕駛網絡應用

設計指標：

物理尺寸：所有測量值都可以在我們附加在附件部分的設計文件中找到。

近似物理尺寸

安全（燈自動關閉）：我們使用專用電池（3s LiPo 1100mAh）為燈供電。但我們還沒有運動感應。相反，我們保持每次激活大約 30 分鐘的時間順序。之后，燈將關閉。并且需要手動開啟。
安全性（穩(wěn)態(tài)推力）：我們的機器人總重量約為 2kg。我們正在使用兩個直流有刷齒輪電機，每個電機的扭矩為 1kg。因此移動它所需的力更小，也小于 8kg。
安全（UV On Indicator）：我們集成了帶有微控制器的繼電器來打開 UV。所以這種方式繼電器板指示UV是否打開。
自動化接口軟件/用途：Web-app。
控制：用于手動控制和紅外信標引導自動駕駛的網絡應用程序。
成本 - 總單位 BoM：約 200 美元（孟加拉國貨幣：BDT-16,000）。
燈壽命計數器：因為 UVC 燈是通過繼電器板觸發(fā)的。因此，我們可以通過知道它何時打開和何時關閉來維護生命計數器。
操作日志：我們的系統(tǒng)涉及樹莓派，用戶可以從中跟蹤時間。此外，我們使用的是安卓手機，它有內置的 GPS 來了解位置，但不像激光雷達或 VSLAM 技術。
電源：使用 11.1volt 3300mAh 3s LiPo 主電池進行電機驅動，也用于為傳感器和微控制器供電。另一個 11.1volt 1100mAh 3s LiPo 電池用于點亮 UVC 燈。
投影燈可靠性：約 9000 小時 | 資源
維護燈更換：我們的 UVC 燈罩使用戶能夠非常輕松地更換燈。這樣維修人員就不需要高素質了。
重量：約2.0kg
可靠性：我們使用膠合板制造底盤。在正常情況下，膠合板具有高強度和耐用性。我們還應用了防水涂層，使其防水。通過這種方式，我們認為如果我們的微控制器和其他傳感器正常工作，機器人將能夠保持 6 個月（至少）。

我們如何構建它：

底盤設計：

使用 AutoCAD 設計軟件進行測量和調整制造過程。最后附上設計文件。

圖 1.1：底盤設計

底盤制造：

機箱由膠合板制成，在大多數五金店都很容易買到。如果它的建造方式可以穿越所有區(qū)域并且所有設備都可以輕松安裝。為此，優(yōu)選的形狀應該是圓形/橢圓形。機箱圓形半徑為 5 英寸。

圖 1.2：底盤制造

驅動電機和車輪安裝：

所有測量值都可以在 AutoCAD 設計 (.dwg) 文件中找到。

圖 2.1：電機和車輪的組裝

腳輪安裝：

圖 2.2：腳輪的組裝

在底盤上安裝聲納傳感器：

使用膠槍將聲納傳感器安裝在底盤主體上，并使用紙板紙使它們升高和平衡。

圖 3.1：前置聲納組件和主要距離測試

最終聲納組裝和焊接：

圖 3.2：最終聲納組件

在機箱上安裝紅外接收器：

使用焊接在 Vero 板上的母頭針連接 IR 接收器并將其熱粘在機箱上，連接的白線用作 VCC、gnd 和 Signal。

圖 4.1：左右紅外接收器組件

紅外信標外殼組件：

IR 信標/發(fā)射器電路是從有一些按鈕故障的舊電視遙控器中提取的。為了讓信標始終工作，不得不短按一個按鈕。信標產生 38KHz 的頻率，機器人試圖遵循該路徑。

圖 4.2：從舊電視遙控器發(fā)射的 IR 信標

UVC燈安裝：

我們不得不購買 4watt UVC 管燈。由于燈在沿著身體移動時需要便攜，因此需要一個逆變器電路。示意圖可在貢獻者鏈接上找到。該電路從 3.7 伏 1100 毫安時的鋰電池中獲取能量并為燈供電。

圖 5.1：UVC 燈外殼，底盤上的組裝（圖片因相機不佳而略白熾燈）

UVC 劑量計算：

在大多數研究論文和文章中，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。但是在考慮紫外線燈的參數和規(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。

劑量(J) = 強度(W) × 暴露時間(s) ... (1)

此計算的結果將是一個以 μWSec/cm2 表示的值 | 資源

距離 r 處的強度 ∝ 1/r^2 ... (2)

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。

最終電路組裝：

電路圖可以在fritzing文件中找到。

圖 6.1：底盤上的最終電路組件和 Vero 板外殼。

一些說明：

我們使用了模擬傳感器（如 IR 接收器）來讀取使用 ATMega328p 的傳感器值。
ATMega328p 提取傳感器數據，執(zhí)行 Arduino 代碼并生成電機控制字符串，例如：前向、左、右，使用串行端口（從微控制器讀取 tx 引腳）發(fā)送到樹莓派。
樹莓派和 Arduino 之間的串行通信設置程序，可以在貢獻者鏈接部分找到。
我們使用逆變器電路來點亮 4W UVC 燈。示意圖也可以在貢獻者鏈接上找到。
我們使用外部 wifi 適配器以獲得更好的連接性。外部適配器不是強制性的，也可以使用內置適配器。