紫外线灯消毒机器人开源分享

描述

机器人简介

紫外线杀菌机器人（UV Robot）是一种配备有紫外线系统的遥控机器人。该系统包含一个移动的机器人车辆和一个地面站控制器（GCS）。操作员可以使用地面站控制器 (GCS) 的操纵杆控制机器人，同时观察机器人的摄像头。

该机器人可以通过紫外线分解其DNA结构，对环境中的疾病、病毒、细菌和其他类型的有害有机微生物进行消毒和杀灭。目前，多个国家已经成功测试了这些机器人，对他们的医院、公共交通工具、办公场所和其他公共场所进行了消毒。我们以具有成本效益的方式实施了这种紫外线机器人，将消毒过程扩展到公共场所。

为什么不用消毒液？

对公共场所进行消毒最常见和流行的方法是喷洒消毒液，这种消毒液是 70% 的酒精基液体。近日，世界卫生组织（WHO）宣布，在公共场所经常使用消毒液确实有害。由于其强烈的气味，这可能会导致呼吸系统出现问题，引起皮肤刺激，并可能导致环境失衡。

此外，这种方法每天都会产生巨大的材料和劳动力成本。

UV机器人的优势

• 一次性费用（无需补充酒精或氯液）。
• 可用于消毒表面、医疗服、医用口罩和其他医疗设备。
• 与基于液体的消毒方法相比，可将消毒时间缩短 60%。（在有织物材料的环境中使用时，干燥时间相当长）。
• 能够用于带有电子设备的环境。
• 一个操作员可以覆盖大面积。（不需要像液体喷雾那样多人）
• 我们与当地一所大学的微生物实验室合作，测试并证明了这款机器人的消毒率达到了 99.997% 。（在上一节中解释）

紫外线杀菌辐照（UVGI）

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，主要波长为 254 纳米。

每种类型的微生物都需要不同剂量的紫外线来使其功能失活。考虑到 Covid-19 的情况，此处考虑使用紫外线灭活同一病毒。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。

单位“瓦特（W）”表示在一秒内发射的能量。每平方厘米微瓦代表一秒钟内通过一平方厘米面积的能量。

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。

根据维基百科，8mJ 的剂量可以灭活大多数病毒。

了解机器人的功能

整个系统有点复杂，因为我们添加了一些功能和安全特性以符合行业标准。在解释实现过程之前，最好先了解一下系统是如何工作的。

该机器人有 3 个主要部件。

1.地面车辆

这部分由两个由直流齿轮电机驱动的轮子（差动驱动机器人）驱动。前后有两个脚轮，以保持平衡。我们已将电子控制系统和电池放置在地面车辆内，这是一个 12V 35Ah 铅酸电池。

Arduino Mega 通过稳压模块由主电池供电，将电压从 12V 降低到 5V。带有 PWM 输出的四通道 RC 无线电接收器连接到 Mega 板。电机通过连接到 Arduino 板的双通道 H 桥电机驱动器驱动。逆变器连接在紫外线灯和电池之间，并使用连接到 Arduino 板的继电器开关进行控制。

2.紫外灯塔

我们使用了荧光紫外线灯泡，需要单独的电子镇流器单元来为灯泡供电。灯塔包含 6 个紫外线灯泡，这些灯泡放置在一个铝制圆柱体周围，该铝制圆柱体是由铝板通过滚动制成的。这个铝制圆柱体充当紫外线的反射器。

所有电子镇流器都放置在铝筒内。在塔顶，有一个 FPV 摄像头和一个 FPV 发射器，用于将视频馈送到 GCS。紫外线塔固定在地面车辆的顶部。

3.地面站控制器

这是机器人的遥控器。屏幕显示从机器人收到的摄像头反馈。操纵杆用于移动机器人。紫外线灯可以使用紫外线开关打开和关闭。布防开关用作安全开关。它在打开时会减少所有功能。

开启紫外线灯

对于我们的机器人，我们选择了 6 个具有以下规格的紫外线灯泡。

• 功率 - 55w
• 波长 - 254nm
• 长度 - 890mm
• 管径 - 15mm
• 类型 - 单端 4 针

这些不是严格的规格，除了波长。电子镇流器单元连接到紫外线灯泡的 4 个引脚。为电子镇流器供电时，紫外线灯泡会亮起。

***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 视频系统

FPV视频系统主要用于无人机获得鸟瞰图。在我们的案例中，使用 FPV 系统可以轻松地从机器人获取视频，无需任何编程或焊接组件。该机器人有一个摄像头和一个视频发射器。我们只需将电源连接到该系统，它就会开始使用 5.8GHz 传输视频。

GCS 具有内置 5.8GHz 视频接收器的 LCD 屏幕。启动屏幕后，它将开始显示相机馈送。

建造地面车辆

主体结构由 0.75' 钢箱条制成。以下是用于我们机器人的设计，但不限于此。根据您的要求更改设计。

框架应该有空间和一个在底部安装两个电机和两个脚轮的机构。在结构内部，应该有一个锁定铅酸电池的机构。在我们的机器人中，我们使用覆层板覆盖框架。

两个电机的线连接到电机驱动器的输出引脚。这个过程可以很容易地在互联网上找到，因此它并不打算描述整个过程。

最后附上电控系统示意图。RC 接收器的通道 1 - 通道 4 PWM 信号引脚从引脚 18 - 21 连接到 Arduino 板。每个通道在代码中按以下方式配置。你可以随心所欲地改变它。

• Ch 1 - 紫外线开关
• Ch 2 - 机器人布防开关
• Ch 3 - 前进/后退移动命令
• 第 4 章 - 左/右转向命令

这也可以在构建 GCS 时进行更改。

电机驱动器的引脚连接到 Arduino 引脚 3-11，如图所示。

要将 12v 转换为 AC 230V 为紫外线灯供电，此处使用了逆变器电路。我们购买了带有内置充电器的市售逆变器单元。通过允许我们使用现有电源点为铅酸电池充电，这有助于避免电子系统的复杂性。

在我们的案例中，我们使用了改进的正弦波逆变器，其效率约为 70%。要以 70% 的效率为所有电子镇流器供电，所需的逆变器功率为 470W。有了所有的安全余量，我们购买了一台 1kW 的逆变器。

电池端子连接到 12V 输入，E. 镇流器连接到交流输出端口。开/关开关被移除。开关中有 3 根线可用；公共线、地线和电源线。这 3 根线以下列方式连接到继电器开关，以控制来自 Arduino 板的紫外线灯。

• 普通线 -> 普通
• 地线 -> NC
• 接通电源 -> 否

我们包括一个系统电源开关、紫外线电源开关和一个紧急切断开关，以使机器人符合工业标准。

建造紫外线灯塔

塔的中间部分包含一块铝板。将片材卷成直径为 15cm 的圆柱体。圆柱体顶部和底部分别放置两块直径为30cm的圆形覆层板。这些用作紫外线灯座。两块覆层板都钻有 19 毫米的孔以适应紫外线。电子镇流器使用双面胶带固定在铝筒内。

FPV 摄像系统安装在塔顶，两根电线通过圆柱体引至底部。

建造地面控制站

以下是地面控制站 (GCS) 所需的组件。

• 2.4GHZ 4Ch RC 发射机
• FPV 屏幕
• 2 X 拨动开关
• 1 个电源开关
• 18650 电池芯
• 适用于 18650 的 3 节电池管理系统模块
• 12V、5A 开关电源

Rc 发射器包含 2 个操纵杆和几个开关。在这里，我们的兴趣只在于一个操纵杆、电路和 LED 指示灯。拆下发射器的外壳，观察电路如何感知操纵杆。每个操纵杆包含两个连接到电路板的电位器。根据操纵杆的位置，电位器改变它的电阻，以便电路可以读取操纵杆的位置。

拆下一个操纵杆和它的两个电位器。将各自的电线末端焊接到两个拨动开关上。现在我们有一个操纵杆和两个拨动开关来控制所有 4 个通道。一个开关用作机器人布防开关，另一个用作紫外线灯控制开关。LED 指示灯可用作 GCS 的电池监视器，因为它在电池电量不足时将其颜色变为红色。

现在我们需要为发射器和 FPV 屏幕制作电源。18650电池的电池电压为3.7V。充满电后变为4.2V。为此，我们将 3 节电池串联起来以获得大约 12V 的电压。在我们的案例中，我们使用了容量为 1000mAh 的电池。为了增加GCS的运行时间，我们使用了9节电池，3节串联电池组并联得到3000mAh容量。然后连接BMS模块以保护电池。

P+ 和 P- 连接到 Transmitter 电源输入和 FPV 屏幕电源输入。12V 开关模式电源 (SMPS) 带有一个电位器，用于在有限范围内调节输出电压。将其设置为 12.8 并将电压输出连接到 BMS 的 P+ 和 P-。这将有助于在插入 SMPS 时为电池组充电。

您可以根据自己的喜好为此设计一个外壳。

编码

代码的第一个任务是读取 RC 通道输入。由于我们使用的是 PWM 接收器，因此我使用中断来读取 PWM 值。为了方便起见，我包含了一个 PWM 库，以通过以下方式定义连接的引脚来使用中断。

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

在启动序列中，代码检查电池电压以及 UV 开关是否打开。如果它检测到其中任何一个，启动过程将在那里等待，直到所有问题都修复。

//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

}

运行电机时，电池电压仅在那一刻急剧下降。为了避免每次移动机器人时触发低电压警报，电池监控部分仅在机器人不移动时运行。

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

所有其他功能，包括控制电机驱动器、使用蜂鸣器产生音调和控制继电器都以通常的方式工作。如果您不了解这些主题，您可以遵循有关上述主题的一般教程。

运营流程

上电程序

GCS 控制器

1. 打开主开关。

2. 确保机器人布防开关和紫外线灯开关均已关闭。（在向下位置）。

机器人

1. 打开电源开关。

2. 等待启动音。

3. 等待系统提示音。

控制机器人

1. 打开机器人布防开关。

2. 移动操纵杆移动机器人。

3. 打开紫外线开关，打开紫外线灯。当机器人布防开关处于关闭位置时，UV 开关不起作用。

电池电量指示器

1. 确保电池至少有 4 格闪烁以操作机器人。

2. 电池电量低时，蜂鸣器发出哔哔声，电池电量指示灯的最后两格闪烁。

充电程序

1. 关闭机器人。

2. 关闭 GCS。

3. 将逆变器插入电源插座。（通常逆变器有一个内置的充电电平指示器）

 

一般注意事项

1. 在人多的地方使用

紫外线对人的眼睛和皮肤有害。短距离（小于 3m）暴露在光线下超过 60 秒会伤害眼睛并可能导致皮肤刺激。然而，紫外线束不能穿透任何固体介质。透过透明玻璃看紫外线不会影响人的眼睛或身体。

2、敏感材料与器件

软塑料对紫外线高度敏感。软塑料通常用于玩具和食品包装。因此，该设备不能在玩具店、超市和有上述物品的地方使用。但是，紫外线灯可用于对上述区域的地板进行消毒。

3.在医院使用的能力

在医院环境中，紫外线有助于在很短的时间内对高接触表面进行消毒。但是在这种情况下应该考虑紫外线对医疗设备和药物的有效性。

带有塑料外壳的医疗设备是由硬塑料制成的，因为它们在制造过程中会经过辐射处理。此外，对于储存在医院的药物，紫外线的有效性没有经过证实的影响。

此外，所有不锈钢医疗设备和 N95 口罩都可以使用同一设备进行消毒。

4. 阴影区域的有效性

紫外线与可见光一样从表面反射。因此，没有得到直射紫外光的区域会得到反射的紫外光。但是，严重覆盖或阴影区域无法获得有效的紫外线。这些区域也没有使用基于消毒液的方法进行消毒。

5. 其他注意事项

在封闭环境中长时间工作时，紫外线会产生臭氧。作为一般做法，所有封闭环境在紫外线灯消毒后通风20分钟。