用紫外线灯给机器人消毒

必要的工具和机器

钻头、螺丝刀

关于这个项目

机器人介绍

紫外线杀菌机器人（UV Robot）是一种配备了紫外线灯系统的遥控机器人。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）。操作员可以通过地面站控制器（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环境中的疾病、病毒、细菌和其他类型的有害有机微生物的 DNA 结构，对它们进行消毒和杀灭。目前，一些国家已经成功测试了这些机器人，以对其医院、公共交通工具、办公场所和其他公共场所进行消毒。我们以经济高效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？

公共场所最常见和最流行的消毒方法是喷洒消毒液，它是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，这会导致呼吸系统出现问题，引起皮肤刺激，并可能导致环境不平衡。

此外，这种方法每天都伴随着巨大的材料和人工成本。

紫外机器人的优势

• 一次性成本（无需重新填充酒精或氯液）。
• 可用于消毒表面、医疗服、医用口罩和其他医疗设备。
• 与液体消毒方法相比，消毒时间缩短了 60%。 （在有织物材料的环境中使用时，干燥时间相当长）。
• 能够在有电子设备的环境中使用。
• 一个操作员可以覆盖很大的区域。 （不需要像液体喷雾那样多人）
• 我们已经测试并证明了 99.997% 的消毒率 该机器人与当地大学的微生物实验室合作。 （在最后一节中解释）

紫外线杀菌照射 (UVGI)

紫外线杀菌照射 (UVGI) 是一种消毒方法，它使用短波紫外线（紫外线 C 或 UVC）通过破坏核酸和破坏微生物的 DNA 来杀死或灭活微生物，使其无法执行重要的细胞功能。 UVC 被 RNA 和 DNA 碱基吸收，可使相邻的两个嘧啶光化学融合成共价连接的二聚体，然后变成非配对碱基。

UVGI 用于各种应用，例如食品、空气和水净化。 UVGI 可用于防止某些传染病的传播。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 nm。

每种类型的微生物都需要不同剂量的紫外线才能使其功能失活。考虑到 Covid-19 的情况，这里考虑使用紫外线灭活相同的病毒。在大多数研究论文和文章中，研究小组都以“每平方米焦耳”或“每平方厘米焦耳”的形式提到了灭菌过程所需的紫外线。但是在考虑紫外线灯的参数和规格时，厂家给出的紫外线强度是以“每平方厘米微瓦（uW）”为单位给出的，距离为1米。

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内通过一平方厘米面积的能量。

等式1 显示剂量和强度之间的关系。得出的结论是，通过改变对同一紫外光源的照射时间，可以获得不同的剂量。

UV强度与距离之间的关系由公式2表示。 据此，可以得出紫外线强度随着距光源距离的增加而降低的结论。

根据维基百科，8mJ的剂量可以灭活大部分病毒。

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的工作原理。

机器人有3个主要部件。

1.地面车辆

这部分由直流减速电机（差动驱动机器人）驱动的两个轮子移动。前后有两个脚轮，以保持平衡。我们在地面车辆内部放置了电控系统和电池，即12V 35Ah铅酸电池。

Arduino Mega 由主电池通过稳压模块供电，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.紫外线灯塔

我们使用了荧光紫外线灯泡，它需要一个单独的电子镇流器来为灯泡供电。灯塔包含 6 个紫外线灯泡，这些灯泡放置在铝制圆柱体周围，该圆柱体由铝板通过滚动制成。这个铝制圆柱体起到了紫外线反射器的作用。

所有电子镇流器都放置在铝筒内。在塔的顶部，有一个 FPV 摄像机和一个 FPV 发射器，用于将视频馈送传输到 GCS。紫外线塔固定在地面车辆顶部。

3.地面站控制器

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

开启紫外线灯

对于我们的机器人，我们选择了以下规格的 6 个 UV 灯泡。

• 功率 - 55 瓦
• 波长 - 254nm
• 长度 - 890 毫米
• 管径 - 15 毫米
• 类型 - 单端 4 针

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

***紫外线对人体皮肤和眼睛有害。不要长时间暴露您的眼睛和皮肤。透过玻璃观察光线是最安全的程序，因为紫外线无法穿透透明玻璃。***

FPV 视频系统

FPV 视频系统主要用于无人机以获取鸟瞰图。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源，而无需任何编程或焊接组件。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 传输视频源。

GCS 有一个带有内置 5.8GHz 视频接收器的 LCD 屏幕。启动屏幕后，它会开始显示相机画面。

建造地面车辆

主要结构由 0.75' 钢箱形钢筋制成。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机制，可以在底部安装两个电机和两个脚轮。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，我们使用了覆层板来覆盖框架。

两个电机的导线连接到电机驱动器的输出引脚。此过程在互联网上很容易找到，因此不打算描述整个过程。

最后附上电控系统原理图。 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。您可以随心所欲地更改它。

• 第 1 章 - 紫外线开关
• 第 2 章 - 机器人布防开关
• 第 3 章 - 向前/向后移动命令
• 第 4 章 - 左转/右转指令

这也可以在构建 GCS 时更改。

电机驱动器的引脚连接到 Arduino 引脚 3 - 11，如原理图所示。

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

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，逆变器所需的瓦数为 470W。考虑到所有安全裕度，我们购买了 1kW 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。打开/关闭开关被移除。开关中有 3 条可用线；公共线、地线和电源线。这 3 根线按以下方式连接到继电器开关，以控制来自 Arduino 板的 UV 灯。

• 普通电线 -> 普通
• 地线 -> NC
• 接通电源 -> 否

我们已经包括了一个系统电源开关、紫外线电源开关和一个紧急切断开关，以符合机器人的工业标准。

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 15 厘米的圆柱体。圆柱体的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。两个覆层板都钻了 19 毫米的孔以适应紫外线。 E.镇流器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带到底部。

建造地面控制站

以下是地面控制站 (GCS) 所需的组件。

• 2.4GHZ 4Ch 遥控发射器
• FPV 屏幕
• 2 个切换开关
• 1 个电源开关
• 18650 节电池
• 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，我们只对一个操纵杆、电路和 LED 指示灯感兴趣。拆下变送器的外壳，观察电路如何感应操纵杆。每个操纵杆包含两个连接到电路板的电位器。电位器根据摇杆的位置改变其阻值，使电路读取摇杆的位置。

移除一个操纵杆及其两个电位计。将相应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，因为当电池电量不足时，它的颜色会变为红色。

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，我们串联 3 个电池以获得大约 12V。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。然后接上BMS模块保护电池。

P+ 和 P- 连接到发射器电源输入和 FPV 屏幕电源输入。 12V 开关电源 (SMPS) 带有电位器，可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); // 为输入设置引脚 18
PWM ch2(19); // 为输入设置引脚 19
PWM ch3(20); // 为输入设置引脚 20
PWM ch4(21); // 设置 pin 21 为输入 

在启动序列中，代码检查电池电压以及 UV 开关是否打开。如果检测到其中任何一个，启动程序将在那里等待，直到所有问题都被修复。

//检查电池电压
battery_voltage_monitor();
while(batterylow ==true){
 battery_voltage_monitor();
 low_battery_notification();
}

//验证uv开关是否关闭
rc_read();
while(uv_pwm> switch_on_pwm){
rc_read();
 uv_on_warning_at_startup(); //蜂鸣器提示音

} 

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

if (robot_moving ==false){
battery_voltage_monitor(); //当机器人不移动时监控电池
} 

所有其他功能，包括控制电机驱动器、用蜂鸣器产生音调和控制继电器都以通常的方式工作。如果您不了解上述主题，您可以按照一般教程进行操作。

操作程序

上电程序

GCS 控制器

1. 打开总开关。

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. 等待开始音。

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 条闪烁以操作机器人。

2. 电池电量低时，蜂鸣器发出蜂鸣声，电池电量指示灯的最后两格闪烁。

充电流程

1. 关闭机器人。

2. 关闭 GCS。

3. 将逆变器插入电源插座。 （通常逆变器内置充电电平指示器）

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。在短距离（小于 3m）的光线下暴露 60 秒以上会伤害眼睛并可能导致皮肤刺激。然而，紫外线光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.敏感材料和设备

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.可在医院使用

在医院环境中，紫外线有助于在很短的时间内对频繁接触的表面进行消毒。但在这种情况下应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由硬塑料制成，因为它们在制造过程中经过了辐射处理。此外，还没有证实紫外线对医院储存药物的有效性有影响。

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，没有得到直接紫外光的区域，得到反射的紫外光。但是，重度覆盖或阴影区域无法获得有效的紫外线。这些区域也不会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。一般情况下，所有封闭环境经紫外线灯消毒后通风20分钟。

代码

Arduino Mega 代码

示意图