次氯酸消殺機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)踐

0   引言

2020 年以來(lái)，新冠肺炎疫情全球蔓延，感染人數(shù)不斷上升，這既危害著人們生命安全與身體健康，又影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展；既打亂了人們?nèi)粘５恼Ｉ钆c工作，又干擾了人們正常的學(xué)習(xí)與研究。面對(duì)新冠肺炎疫情，國(guó)家堅(jiān)持把人民生命放在第一位，采取“外防輸入、內(nèi)防反彈”和“動(dòng)態(tài)清零”的方針策略，做好各項(xiàng)疫情防控工作，一方面鼓勵(lì)人們采取“居家隔離”“勤洗手”“戴口罩”等有力措施切斷疫情傳播；另一方面嚴(yán)格對(duì)環(huán)境進(jìn)行滅菌消殺，殺死新型冠狀病毒，確保人民群眾有安全舒適健康的生活環(huán)境。在對(duì)環(huán)境進(jìn)行滅菌消殺中，有的對(duì)社區(qū)公共區(qū)域、垃圾容器、垃圾收集轉(zhuǎn)運(yùn)站、公共廁所等環(huán)衛(wèi)設(shè)施噴灑消毒液進(jìn)行消殺；有的采用祡外線對(duì)辦公環(huán)境進(jìn)行滅菌消殺等。而在辦公環(huán)境、食堂、商場(chǎng)、公園廣場(chǎng)、居民社區(qū)、政務(wù)大廳等場(chǎng)所不可能長(zhǎng)時(shí)間采用紫外線照射和長(zhǎng)時(shí)間噴灑消毒藥水的做法，因?yàn)檫@些方法對(duì)人體都有一定的傷害，有沒有一種消殺對(duì)人體無(wú)害呢？本文介紹一種對(duì)人體無(wú)害并結(jié)合機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)消殺的新機(jī)器—次氯酸消殺機(jī)器人，應(yīng)用次氯酸消殺機(jī)器人對(duì)環(huán)境自動(dòng)進(jìn)行滅菌消殺。

1   次氯酸消殺原理

新型冠狀病毒肺炎疫情爆發(fā)初期，受李蘭娟院士次氯酸可以消殺新冠病毒實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，學(xué)校成立一個(gè)校企深度融合的研制團(tuán)隊(duì)，第一時(shí)間進(jìn)行科學(xué)性的收集、篩選與整合相關(guān)資料，經(jīng)過(guò)討論、分析、測(cè)試等多個(gè)復(fù)雜的環(huán)節(jié)，從環(huán)保節(jié)能、經(jīng)濟(jì)適用等方面進(jìn)行綜合考慮，最后采用了鹽水電解生成產(chǎn)物并進(jìn)行二次化學(xué)反應(yīng)生成次氯酸的技術(shù)路線進(jìn)行消殺，如圖1、圖2 所示。

圖1 電解次氯酸生成原理圖解

圖2 電解次氯酸化學(xué)圖解

電解食鹽水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：

本設(shè)計(jì)使用分腔電解應(yīng)用方法，電解產(chǎn)生的氫氣會(huì)直接排放到大氣中，而氯氣則通過(guò)水溶液與水和氫氧化鈉再次發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成次氯酸和次氯酸鈉，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

從上述的化學(xué)方程式中可以知道，最終生成物質(zhì)主要是次氯酸和次氯酸鈉，次氯酸鈉是一種離子化合物，強(qiáng)堿弱酸鹽，具有漂白、殺菌、消毒的作用，常用于漂白、工業(yè)廢水處理、造紙等領(lǐng)域；而次氯酸是共價(jià)化合物，濃溶液呈黃色，稀溶液無(wú)色，具有強(qiáng)氧化性和還原性，是一種比較安全的消毒劑，常常用于物體表面和室內(nèi)空氣的殺菌消毒。在新冠疫情爆發(fā)初期，國(guó)家衛(wèi)健委在《國(guó)家衛(wèi)生健康委辦公廳關(guān)于印發(fā)消毒劑使用指南的通知》中指出，次氯酸消毒劑能殺滅冠狀病毒，是一種安全殺毒比較好的消毒劑。當(dāng)次氯酸與病毒發(fā)生作用時(shí)，因?yàn)樗肿有?，不帶電荷，它很容易侵入病毒?nèi)與蛋白質(zhì)發(fā)生氧化作用或破壞其磷酸脫氫酶，使糖代謝失調(diào)導(dǎo)致病毒死亡，從而達(dá)到消殺之目的。

2   次氯酸消殺機(jī)器人組成及工作原理

電解次氯酸消殺機(jī)器人是一款經(jīng)濟(jì)安全、高標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的工業(yè)級(jí)人工智能環(huán)境消毒系統(tǒng)。原材料只需要水+ 鹽，通過(guò)電解模塊對(duì)鹽水進(jìn)行電解生產(chǎn)次氯酸鈉消毒水，再經(jīng)過(guò)霧化由噴灑模塊噴灑到環(huán)境中進(jìn)行消殺各類病毒與細(xì)菌，這種消殺是環(huán)保型的消殺方式，氯酸消殺機(jī)器人實(shí)物如圖3 所示。

圖3 次氯酸消殺機(jī)器人實(shí)物

次氯酸消殺機(jī)器人主要由AGV 機(jī)器人和電解次氯酸消殺兩大部分組成，其控制電路由磁導(dǎo)航傳感器、光電傳感器、可編程控制器、直流驅(qū)動(dòng)器、左右行走電機(jī)、電解噴霧器和語(yǔ)音播報(bào)器等模塊組成，組成框圖如圖4所示。

2.1 磁導(dǎo)航傳感器

磁導(dǎo)航傳感器是用來(lái)檢測(cè)弱磁裝置的一種傳感器，是機(jī)器人AGV 小車的一個(gè)重要檢測(cè)器件，其作用是利用電磁原理檢測(cè)弱磁場(chǎng)，確定機(jī)器人AGV 小車的行車路線，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人AGV 小車的自動(dòng)控制。一般來(lái)說(shuō)，磁導(dǎo)航傳感器安裝在機(jī)器人AGV 小車的底部，通過(guò)感應(yīng)磁條磁釘?shù)拇艌?chǎng)判斷機(jī)器人AGV 的相對(duì)偏移量，來(lái)確定機(jī)器人AGV 小車自動(dòng)行走的路線。本消殺機(jī)器人(AGV 小車) 采用CNS-MGS-08 型的磁導(dǎo)航傳感器，如圖5 所示。它安裝在消殺機(jī)器人AGV 車體前方的底部，距離貼在地面的磁條表面約25 mm，磁條寬度視實(shí)際檢測(cè)情況，可選擇為30 mm 或50 mm。磁導(dǎo)航傳感器（CNS-MGS-08）在其內(nèi)部間隔10 mm 的地方平均排布的8 個(gè)采樣點(diǎn)，每一個(gè)采樣點(diǎn)都可以感應(yīng)磁條的弱磁場(chǎng)并將磁信號(hào)變換為電信號(hào)輸出，磁導(dǎo)航傳感器不斷連續(xù)采樣，每個(gè)采樣點(diǎn)檢測(cè)都檢測(cè)到不同大小的電信號(hào)，通過(guò)對(duì)8 個(gè)采樣點(diǎn)路信號(hào)比較分析，就可以判斷磁條相對(duì)于CNS-MGS-08 型磁導(dǎo)航傳感器的偏離位置，AGV機(jī)器人會(huì)自動(dòng)調(diào)整，確保機(jī)器人小車沿磁條正確前行。

圖5 磁導(dǎo)航傳感器原理圖

2.2 光電傳感器

本電路的光電傳感器采用反射式光電傳感器(P18-D1000N-S14U2)，實(shí)物如圖6 所示。反射式光電傳感器是將發(fā)射管（紅外發(fā)光管）和接收管（光敏三極管）以相同的方向安裝在固定支架上，當(dāng)有物體靠近反射式光電傳感器檢測(cè)區(qū)域時(shí)，發(fā)射管（紅外發(fā)光管）發(fā)出的光線通過(guò)物體反射到接收管（光敏三極管）上，使接收管（光敏三極管）導(dǎo)通，傳感器輸出相應(yīng)的高電平或低電平。為了更準(zhǔn)確檢測(cè)與判斷消殺機(jī)器人前方是否有人和故障物，本設(shè)計(jì)方案是在次氯酸消殺機(jī)器人的前方均衡放置三個(gè)反射式光電傳感器，以達(dá)到消殺機(jī)器人前方環(huán)境全覆蓋的目的。

圖6 光電傳感器實(shí)物圖

2.3 可編程控制器

可編程控制器又稱為PLC, 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。它采用可編程的存儲(chǔ)器執(zhí)行存儲(chǔ)邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)等邏輯運(yùn)算操作的指令，以控制各類型設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。本消殺機(jī)器人采用的可編程控制器是FGRB-C8X8T-2/2，它根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)分析，按照預(yù)定的走行決策及路徑所編寫的程序，控制左右行走電機(jī)的正常運(yùn)行。

圖7 可編程控制器端口接線圖

2.4 直流驅(qū)動(dòng)器

直流驅(qū)動(dòng)器可分為有刷驅(qū)動(dòng)器和無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器兩種。本消殺機(jī)器人采用直流無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器（CNS-BLD30HB），控制電路接線如圖8 所示。直流無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器是一款多功能、高性能、全數(shù)字式的直流無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器，具有靈活多樣的輸入控制方式、極高的調(diào)速比、低噪聲和完善的軟硬件保護(hù)功能，驅(qū)動(dòng)器可通過(guò)端口與計(jì)算機(jī)相連，調(diào)整電機(jī)參數(shù)、加減速時(shí)間和IO 輸入輸出狀態(tài)設(shè)置等參數(shù)設(shè)置。

圖8 直流驅(qū)動(dòng)器接線圖

2.5 左右行走電機(jī)

左右行走電機(jī)是AGV 小車重要的執(zhí)行部件，本消殺機(jī)器人的左右行走電機(jī)采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（4GN50RC），是一種典型的將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)電一體化設(shè)備，具有響應(yīng)快速、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

2.6 次氯酸發(fā)生器

次氯酸發(fā)生器利用電化學(xué)活化(ECA) 技術(shù)，僅以鹽和水為原料，通過(guò)陶瓷納米隔膜的電解槽，生產(chǎn)出一定濃度、高穩(wěn)定性的次氯酸溶液，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程不存在任何潛在危害。根據(jù)歐盟EC 1907-2006 規(guī)范，次氯酸被定義為“安全、無(wú)毒”的殺菌產(chǎn)品。次氯酸發(fā)生器生產(chǎn)200-1 000 ppm 的次氯酸（pH 值的調(diào)節(jié)范圍：3.0-8.5）經(jīng)過(guò)消殺機(jī)器人的噴頭對(duì)環(huán)境進(jìn)行殺毒。機(jī)器人的噴頭采用壓流和風(fēng)力的二次霧化，經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)風(fēng)道噴灑，霧滴附著率高，藥液利用率高。

2.7 語(yǔ)音播報(bào)器

語(yǔ)音播報(bào)器是次氯酸消殺機(jī)器人工作狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)反饋信息的必不可少的配件，主要功能為次氯酸消殺機(jī)器人提供聲音提醒與音樂(lè)播放，有開機(jī)音、運(yùn)行音、故障提醒音（障礙物報(bào)警、機(jī)器人異常報(bào)警、交通管制報(bào)警等）、到站提醒音、點(diǎn)料系統(tǒng)提示音（叫料點(diǎn)提示、發(fā)料點(diǎn)提示）等不同過(guò)程的聲音提醒，當(dāng)然也可以錄制不同的聲音作為宣傳廣播之用。

圖9 語(yǔ)音播報(bào)器接線圖

2.8 消殺機(jī)器人操作與調(diào)試

在消殺現(xiàn)場(chǎng)，人工規(guī)劃好消殺路線，并在預(yù)定的路線上安裝磁條，磁條寬度為30 mm 或者是50 mm，把消殺機(jī)器人放置在磁條上方，打開機(jī)器人的電源開關(guān)，正常時(shí)綠色帶燈按鈕燈為常亮狀態(tài)，若綠色按鈕燈閃爍，說(shuō)明消殺機(jī)器人的磁導(dǎo)航傳感器沒有與磁條配合，此時(shí)需挪動(dòng)機(jī)器人，令綠色帶燈按鈕燈常亮，調(diào)試完畢。在次氯酸發(fā)生器倒入合適的鹽水，預(yù)熱約5 分鐘，確保次氯酸發(fā)生器生產(chǎn)200-1 000 ppm 的次氯酸（pH 值的調(diào)節(jié)范圍：3.0-8.5），打開機(jī)器人上方的消毒霧化旋鈕，調(diào)整到合適的出物量。按下機(jī)器人的綠色帶燈按鈕，機(jī)器人啟動(dòng)，沿著磁條運(yùn)行消菌殺毒，機(jī)器人走到站的掉頭橫向磁條時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)停止然后反向運(yùn)行，如此往返進(jìn)行殺毒。當(dāng)機(jī)器人前方30CM 范圍內(nèi)有人或物體擋住，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)停止并發(fā)出報(bào)警聲音。

3   研究成果

次氯酸消殺機(jī)器人是一款經(jīng)濟(jì)安全、高標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的工業(yè)級(jí)人工智能環(huán)境消毒系統(tǒng)，消殺的原材料只需要水+ 鹽，就可以通過(guò)電解模塊生產(chǎn)次氯酸鈉消毒水，

再霧化噴灑到環(huán)境中進(jìn)行消殺，是綠色環(huán)保型的消殺方式，消殺效果好，對(duì)人體無(wú)害，根據(jù)廣東省微生物分析檢測(cè)中心的報(bào)告顯示，樣品的細(xì)菌消殺率達(dá)到99.99%以上，產(chǎn)生的PH 值和有效氯含量均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，如圖5 所示。

樣液殺菌率檢測(cè)

樣液pH值檢測(cè)

有效氯含量檢測(cè)

圖5 樣液檢測(cè)報(bào)告

消殺機(jī)器人底盤采用先進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)懸掛裝置，有著優(yōu)異的平穩(wěn)性和地面適應(yīng)性能、高級(jí)別的越障越坎能力、精確導(dǎo)航能力，完善的語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)輔助政務(wù)宣傳功能，它適用于學(xué)校、商場(chǎng)、公園廣場(chǎng)、食堂、政務(wù)大廳等場(chǎng)所，又可替代一線工作人員進(jìn)入容易產(chǎn)生易交叉感染的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行消殺作業(yè)，提升精準(zhǔn)消殺的能力，大大提高日常防疫消毒工作效果。

參考文獻(xiàn):

[1] 杜從商.PLC編程應(yīng)用基礎(chǔ)(三菱)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010:1-50.

[2] 鐘柱培.傳感器技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2015:15-78.

[3] 丁繼斌.傳感器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010:82-93.

[4] 松井邦彥.傳感器應(yīng)用技巧141例[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:1-33.

[5] 伍湘彬.電子測(cè)量?jī)x器與應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2016:61-120.

[6] 于寶明,張園.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2016:16-26.

[7] 楊少光.機(jī)電一體化設(shè)備的組裝與調(diào)試[M].南寧:廣西教育出版社,2009:175-216.

[8] 聶輝海.傳感器技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012:29-61.

[9] 劉載興,陳宏鏡.積木式編程開發(fā)[M].北京:高等教育出版社,2015:96-113.

[10] 鐘柱培.自動(dòng)化控制元件及應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2012:6-54.

[11] 朱永金,成友才.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)(C語(yǔ)言)[M].北京:中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2007:191-198.

[12] 王洪,唐鍇.電機(jī)設(shè)備安裝與維護(hù)[M].北京:科學(xué)出版社,2011:73-112.

[13] 謝文,劉蕊.傳感器技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2009:92-113.

[14] 何翠,楊光永,徐天奇. AGV磁導(dǎo)航信號(hào)的研究與仿真[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2019,(7):72-73.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年9月期）