基于Arduino的抗疫机器人设计

摘要：本文介绍了基于Arduino的抗疫机器人的设计方法，该机器人具有自动消毒、运送物品、自动避障等功能，从而实现减轻疫情期间相关工作人员的工作压力，提高工作效率，减少人员接触，避免交叉感染的目的。

關键词：机器人  设计  方法

本文参考了市场上各类抗疫智能机器人，提出了一种抗疫机器人的设计方案，以期在疫情期间节省医护人员时间精力，将其解放至更需要专业技能的领域，通过机器人应用显著改变医护人员应对传染性疾病的方式，成为技术为善和技术赋能医疗的重要显现。[1]

1.设计思路及功能分析

疫情期间医院的工作环境往往复杂狭窄，机器人首先需要有一套灵活的运动系统，这是顺利实施作业的前提，其次，机身的整体体积也应适应工作环境，需要把机身平台利用到最大化以减小其体积，另外还要考虑机器人运动的机动性及反复性。基于以上三个设计思路，本文所设计的抗疫机器人选择了运动方式更加灵活的麦克纳姆轮，其全向移动的特性可以让机器人在作业空间有限、狭窄复杂的环境更加高效的作业，通过加装机械手臂来递送患者或医护人员需要的物品，同时安装消毒装置，可自动地对消毒区进行消毒，并且加入传感器实现自主规划行进路线和规避障碍物。

2.硬件系统设计

机器人采用模块化设计，使用麦克纳姆轮作为运动底盘与螺杆连接固定亚克力板搭建的模式进行整体硬件电路布局，以杜邦线进行电路连接，不仅可以使各个模块得以重复利用，减少了电路焊接，便于系统检修，降低了设计和制作成本，而且提高了使用安全性。

2.1主控芯片

Arduino UNO R3是采用AVR单片机ATmega328P作为主控制器，拥有14路数字IO出口，32 KB Flash 内存并且支持USB、DC插头、DC输入端3种供电方式的开发板。可采用图形化编程软件Mixly 搭建开发环境，实现软件编程控制。

2.2 运动系统

运动系统主要由麦克纳姆轮和直流减速电机组成。

麦克纳姆轮的全方位移动方式是基于一个有许多位于机轮周边的轮轴中心轮，这些成角度的周边轮轴把一部分的机轮转向力转化到另一个机轮转向力上，依靠各自机轮的方向和速度，这些向力最终合成在需要的方向上，从而产生一个合力矢量，使得整个小车在矢量方向上能自由地移动而不改变机轮自身的方向。[2]本设计方案采用4个直径80mm的麦克纳姆轮进行组合，一方面可以灵活的实现全方位移动，另一方面能够承受较大的重量，保证运输物品过程中的稳定性。

直流减速电机是在普通直流电机的基础上加上配套齿轮减速箱，从而提供较低的转速，较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩，这很好的满足了麦克纳姆轮运动全向移动的需求。

2.3 物品运送系统

采用3个直流舵机和一个机械爪组成一个机械手臂，舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于需要角度不断变化并可以保持的控制系统，主要由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路组成。通过程序控制机械臂实现对物品的抓取，并将物品放置在机器人的置物台上，从而实现对物品的运送功能。

2.4消毒系统

本系统依据电动喷雾的原理进行设计，通过可充电电池输出电力驱使电动部件给消毒防疫药液施加压力，在正压力作用下，经过喷嘴雾化后，雾滴直接喷施于消毒空间或消毒部位，在喷管处连接一个直流舵机控制喷嘴的角度，从而实现多角度大范围的药液化学灭菌消毒。

2.5自动避障系统

针对疫情期间医院复杂的工作环境，通过在机器人四周安装光电传感器，来实现多个方向的障碍物探测。光电传感器是利用被检测物对光束的遮挡或反射，通过同步回路接通电路，从而检测物体的有无，通过将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。通过程序设定安全距离，一旦机器人检测到障碍物进入安全距离，立即调整行驶路线，从而实现自动避障的功能。

2.6 手动操作系统

为了让机器人在特殊环境下更加精确的实施作业，在机器人机身中部装载的5.8G图像传感器和摄像头实时记录机器人的工作环境，并且图像有效传输距离可达2500米，医护工作者还可以通过佩戴图传眼镜以第一人称视角查看机器人的工作情况，并且可以通过使用2.4G无线遥控将机器人工作模式切换为手动，远程控制机器人工作，从而实现手动与自动控制轻松切换的目的，满足了对特定情形下机器人工作高精度的需求。

3.测试结果与结论

本文所设计的抗疫机器人经过电路测试后，进行了使用场景的模拟实验，在自动模式下可以运送约500g左右的物品，采用三节18650锂电池供电，电池可反复充电并且方便替换，为续航能力提供了保障，续航里程可达700米，在电量充足的条件下行驶速度可达1.5m/s，消毒罐容积500ml，能够满足50平米左右房间的消毒需求。对于距离小于0.5m的障碍物能够有效的避开，并且重新选择行进路线。测试者在手动模式下对机器人进行操作的有效半径为15米左右，能够满足大部分使用场景的需求。

4.市场分析及推广前景

本设计将配送和消毒功能相结合，并且在灵活性上优于很多同类机器人，而自动消毒系统经过不断地调试也更加智能化。机器人所搭载的图像传感器和无线遥控可以让医护工作者能够进行远程操作，非常适用于通过空气、接触传染的隔离区域进行作业，这些功能以及灵活的运动方式很好应对目前疫情高发的复杂的环境。

本文所设计的机器人制作成本较低，功能完善、全面。经过不断地技术创新，以及工业化、自动化的设计生产后，能够适应市场需求并实现推广，从而在抗击新冠病毒的战役中，扮演好“智能苦力”的角色。[3]

参考文献：

[1] 程林.“智能苦力”：抗疫机器人伦理思考.四川师范大学学报（社会科学版）.2020（09）：20-26.

[2] 百度百科.麦克纳姆轮.

[3] 程林.“智能苦力”：抗疫机器人伦理思考.四川师范大学学报（社会科学版）.2020（09）：20-26.

韦晓燕（1990——），女，壮族，广西柳州人，柳州城市职业学院助教，学士，研究方向：电子系统设计、计算机通信网络。柳州城市职业学院 ，545036。