次氯酸消殺機器人設(shè)計與實踐

0   引言

2020 年以來，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，又影響社會經(jīng)濟發(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習與研究。面對新冠肺炎疫情，國家堅持把人民生命放在第一位，采取“外防輸入、內(nèi)防反彈”和“動態(tài)清零”的方針策略，做好各項疫情防控工作，一方面鼓勵人們采取“居家隔離”“勤洗手”“戴口罩”等有力措施切斷疫情傳播；另一方面嚴格對環(huán)境進行滅菌消殺，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。在對環(huán)境進行滅菌消殺中，有的對社區(qū)公共區(qū)域、垃圾容器、垃圾收集轉(zhuǎn)運站、公共廁所等環(huán)衛(wèi)設(shè)施噴灑消毒液進行消殺；有的采用祡外線對辦公環(huán)境進行滅菌消殺等。而在辦公環(huán)境、食堂、商場、公園廣場、居民社區(qū)、政務(wù)大廳等場所不可能長時間采用紫外線照射和長時間噴灑消毒藥水的做法，因為這些方法對人體都有一定的傷害，有沒有一種消殺對人體無害呢？本文介紹一種對人體無害并結(jié)合機器人進行自動消殺的新機器—次氯酸消殺機器人，應(yīng)用次氯酸消殺機器人對環(huán)境自動進行滅菌消殺。

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驗的啟發(fā)，學校成立一個校企深度融合的研制團隊，第一時間進行科學性的收集、篩選與整合相關(guān)資料，經(jīng)過討論、分析、測試等多個復雜的環(huán)節(jié)，從環(huán)保節(jié)能、經(jīng)濟適用等方面進行綜合考慮，最后采用了鹽水電解生成產(chǎn)物并進行二次化學反應(yīng)生成次氯酸的技術(shù)路線進行消殺，如圖1、圖2 所示。

圖1 電解次氯酸生成原理圖解

圖2 電解次氯酸化學圖解

電解食鹽水發(fā)生化學反應(yīng)：

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

從上述的化學方程式中可以知道，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；而次氯酸是共價化合物，濃溶液呈黃色，稀溶液無色，具有強氧化性和還原性，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，國家衛(wèi)健委在《國家衛(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。當次氯酸與病毒發(fā)生作用時，因為它分子小，不帶電荷，它很容易侵入病毒內(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)導致病毒死亡，從而達到消殺之目的。

2   次氯酸消殺機器人組成及工作原理

電解次氯酸消殺機器人是一款經(jīng)濟安全、高標準、模塊化的工業(yè)級人工智能環(huán)境消毒系統(tǒng)。原材料只需要水+ 鹽，通過電解模塊對鹽水進行電解生產(chǎn)次氯酸鈉消毒水，再經(jīng)過霧化由噴灑模塊噴灑到環(huán)境中進行消殺各類病毒與細菌，這種消殺是環(huán)保型的消殺方式，氯酸消殺機器人實物如圖3 所示。

圖3 次氯酸消殺機器人實物

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

2.1 磁導航傳感器

磁導航傳感器是用來檢測弱磁裝置的一種傳感器，是機器人AGV 小車的一個重要檢測器件，其作用是利用電磁原理檢測弱磁場，確定機器人AGV 小車的行車路線，實現(xiàn)機器人AGV 小車的自動控制。一般來說，磁導航傳感器安裝在機器人AGV 小車的底部，通過感應(yīng)磁條磁釘?shù)拇艌雠袛鄼C器人AGV 的相對偏移量，來確定機器人AGV 小車自動行走的路線。本消殺機器人(AGV 小車) 采用CNS-MGS-08 型的磁導航傳感器，如圖5 所示。它安裝在消殺機器人AGV 車體前方的底部，距離貼在地面的磁條表面約25 mm，磁條寬度視實際檢測情況，可選擇為30 mm 或50 mm。磁導航傳感器（CNS-MGS-08）在其內(nèi)部間隔10 mm 的地方平均排布的8 個采樣點，每一個采樣點都可以感應(yīng)磁條的弱磁場并將磁信號變換為電信號輸出，磁導航傳感器不斷連續(xù)采樣，每個采樣點檢測都檢測到不同大小的電信號，通過對8 個采樣點路信號比較分析，就可以判斷磁條相對于CNS-MGS-08 型磁導航傳感器的偏離位置，AGV機器人會自動調(diào)整，確保機器人小車沿磁條正確前行。

圖5 磁導航傳感器原理圖

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，當有物體靠近反射式光電傳感器檢測區(qū)域時，發(fā)射管（紅外發(fā)光管）發(fā)出的光線通過物體反射到接收管（光敏三極管）上，使接收管（光敏三極管）導通，傳感器輸出相應(yīng)的高電平或低電平。為了更準確檢測與判斷消殺機器人前方是否有人和故障物，本設(shè)計方案是在次氯酸消殺機器人的前方均衡放置三個反射式光電傳感器，以達到消殺機器人前方環(huán)境全覆蓋的目的。

圖6 光電傳感器實物圖

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)計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。它采用可編程的存儲器執(zhí)行存儲邏輯運算、算術(shù)運算、順序控制、定時、計數(shù)等邏輯運算操作的指令，以控制各類型設(shè)備或生產(chǎn)過程。本消殺機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，按照預定的走行決策及路徑所編寫的程序，控制左右行走電機的正常運行。

圖7 可編程控制器端口接線圖

2.4 直流驅(qū)動器

直流驅(qū)動器可分為有刷驅(qū)動器和無刷驅(qū)動器兩種。本消殺機器人采用直流無刷驅(qū)動器（CNS-BLD30HB），控制電路接線如圖8 所示。直流無刷驅(qū)動器是一款多功能、高性能、全數(shù)字式的直流無刷驅(qū)動器，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功能，驅(qū)動器可通過端口與計算機相連，調(diào)整電機參數(shù)、加減速時間和IO 輸入輸出狀態(tài)設(shè)置等參數(shù)設(shè)置。

圖8 直流驅(qū)動器接線圖

2.5 左右行走電機

左右行走電機是AGV 小車重要的執(zhí)行部件，本消殺機器人的左右行走電機采用無刷直流電動機（4GN50RC），是一種典型的將電能轉(zhuǎn)換為機械能的機電一體化設(shè)備，具有響應(yīng)快速、起動轉(zhuǎn)矩大、使用壽命長等特點。

2.6 次氯酸發(fā)生器

次氯酸發(fā)生器利用電化學活化(ECA) 技術(shù)，僅以鹽和水為原料，通過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，整個生產(chǎn)過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)過消殺機器人的噴頭對環(huán)境進行殺毒。機器人的噴頭采用壓流和風力的二次霧化，經(jīng)過特殊設(shè)計風道噴灑，霧滴附著率高，藥液利用率高。

2.7 語音播報器

語音播報器是次氯酸消殺機器人工作狀態(tài)現(xiàn)場反饋信息的必不可少的配件，主要功能為次氯酸消殺機器人提供聲音提醒與音樂播放，有開機音、運行音、故障提醒音（障礙物報警、機器人異常報警、交通管制報警等）、到站提醒音、點料系統(tǒng)提示音（叫料點提示、發(fā)料點提示）等不同過程的聲音提醒，當然也可以錄制不同的聲音作為宣傳廣播之用。

圖9 語音播報器接線圖

2.8 消殺機器人操作與調(diào)試

在消殺現(xiàn)場，人工規(guī)劃好消殺路線，并在預定的路線上安裝磁條，磁條寬度為30 mm 或者是50 mm，把消殺機器人放置在磁條上方，打開機器人的電源開關(guān)，正常時綠色帶燈按鈕燈為常亮狀態(tài)，若綠色按鈕燈閃爍，說明消殺機器人的磁導航傳感器沒有與磁條配合，此時需挪動機器人，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），打開機器人上方的消毒霧化旋鈕，調(diào)整到合適的出物量。按下機器人的綠色帶燈按鈕，機器人啟動，沿著磁條運行消菌殺毒，機器人走到站的掉頭橫向磁條時，機器人會自動停止然后反向運行，如此往返進行殺毒。當機器人前方30CM 范圍內(nèi)有人或物體擋住，機器人會自動停止并發(fā)出報警聲音。

3   研究成果

次氯酸消殺機器人是一款經(jīng)濟安全、高標準、模塊化的工業(yè)級人工智能環(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)境中進行消殺，是綠色環(huán)保型的消殺方式，消殺效果好，對人體無害，根據(jù)廣東省微生物分析檢測中心的報告顯示，樣品的細菌消殺率達到99.99%以上，產(chǎn)生的PH 值和有效氯含量均達到國家標準，如圖5 所示。

樣液殺菌率檢測

樣液pH值檢測

有效氯含量檢測

圖5 樣液檢測報告

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

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年9月期）