次氯酸消殺機器人設計與實(shí)踐

0   引言

2020 年以來(lái)，新冠肺炎疫情全球蔓延，感染人數不斷上升，這既危害著(zhù)人們生命安全與身體健康，又影響社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展；既打亂了人們日常的正常生活與工作，又干擾了人們正常的學(xué)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、內防反彈”和“動(dòng)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(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。在對環(huán)境進(jìn)行滅菌消殺中，有的對社區公共區域、垃圾容器、垃圾收集轉運站、公共廁所等環(huán)衛設施噴灑消毒液進(jìn)行消殺；有的采用祡外線(xiàn)對辦公環(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、政務(wù)大廳等場(chǎng)所不可能長(cháng)時(shí)間采用紫外線(xiàn)照射和長(cháng)時(shí)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(méi)有一種消殺對人體無(wú)害呢？本文介紹一種對人體無(wú)害并結合機器人進(jìn)行自動(dòng)消殺的新機器—次氯酸消殺機器人，應用次氯酸消殺機器人對環(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)驗的啟發(fā)，學(xué)校成立一個(gè)校企深度融合的研制團隊，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、測試等多個(gè)復雜的環(huán)節，從環(huán)保節能、經(jīng)濟適用等方面進(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)反應生成次氯酸的技術(shù)路線(xiàn)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：

本設計使用分腔電解應用方法，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)反應而生成次氯酸和次氯酸鈉，其化學(xué)反應方程式如下：

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空氣的殺菌消毒。在新冠疫情爆發(fā)初期，國家衛健委在《國家衛生健康委辦公廳關(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(shí)，因為它分子小，不帶電荷，它很容易侵入病毒內與蛋白質(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。原材料只需要水+ 鹽，通過(guò)電解模塊對鹽水進(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(lèi)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(shí)物如圖3 所示。

圖3 次氯酸消殺機器人實(shí)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、直流驅動(dòng)器、左右行走電機、電解噴霧器和語(yǔ)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(lái)檢測弱磁裝置的一種傳感器，是機器人AGV 小車(chē)的一個(gè)重要檢測器件，其作用是利用電磁原理檢測弱磁場(chǎng)，確定機器人AGV 小車(chē)的行車(chē)路線(xiàn)，實(shí)現機器人AGV 小車(chē)的自動(dòng)控制。一般來(lái)說(shuō)，磁導航傳感器安裝在機器人AGV 小車(chē)的底部，通過(guò)感應磁條磁釘的磁場(chǎng)判斷機器人AGV 的相對偏移量，來(lái)確定機器人AGV 小車(chē)自動(dòng)行走的路線(xiàn)。本消殺機器人(AGV 小車(chē)) 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(chē)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)際檢測情況，可選擇為30 mm 或50 mm。磁導航傳感器（CNS-MGS-08）在其內部間隔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)都可以感應磁條的弱磁場(chǎng)并將磁信號變換為電信號輸出，磁導航傳感器不斷連續采樣，每個(gè)采樣點(diǎn)檢測都檢測到不同大小的電信號，通過(guò)對8 個(gè)采樣點(diǎn)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(huì )自動(dòng)調整，確保機器人小車(chē)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(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，當有物體靠近反射式光電傳感器檢測區域時(shí)，發(fā)射管（紅外發(fā)光管）發(fā)出的光線(xiàn)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）導通，傳感器輸出相應的高電平或低電平。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，本設計方案是在次氯酸消殺機器人的前方均衡放置三個(gè)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(shí)物圖

2.3 可編程控制器

可編程控制器又稱(chēng)為PLC, 是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作電子系統。它采用可編程的存儲器執行存儲邏輯運算、算術(shù)運算、順序控制、定時(shí)、計數等邏輯運算操作的指令，以控制各類(lèi)型設備或生產(chǎn)過(guò)程。本消殺機器人采用的可編程控制器是FGRB-C8X8T-2/2，它根據傳感器采集的數據分析，按照預定的走行決策及路徑所編寫(xiě)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(xiàn)圖

2.4 直流驅動(dòng)器

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

圖8 直流驅動(dòng)器接線(xiàn)圖

2.5 左右行走電機

左右行走電機是AGV 小車(chē)重要的執行部件，本消殺機器人的左右行走電機采用無(wú)刷直流電動(dòng)機（4GN50RC），是一種典型的將電能轉換為機械能的機電一體化設備，具有響應快速、起動(dòng)轉矩大、使用壽命長(cháng)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。根據歐盟EC 1907-2006 規范，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 值的調節范圍：3.0-8.5）經(jīng)過(guò)消殺機器人的噴頭對環(huán)境進(jìn)行殺毒。機器人的噴頭采用壓流和風(fēng)力的二次霧化，經(jīng)過(guò)特殊設計風(fēng)道噴灑，霧滴附著(zhù)率高，藥液利用率高。

2.7 語(yǔ)音播報器

語(yǔ)音播報器是次氯酸消殺機器人工作狀態(tài)現場(chǎng)反饋信息的必不可少的配件，主要功能為次氯酸消殺機器人提供聲音提醒與音樂(lè )播放，有開(kāi)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(diǎn)料系統提示音（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)音播報器接線(xiàn)圖

2.8 消殺機器人操作與調試

在消殺現場(chǎng)，人工規劃好消殺路線(xiàn)，并在預定的路線(xiàn)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(kāi)機器人的電源開(kāi)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)明消殺機器人的磁導航傳感器沒(méi)有與磁條配合，此時(shí)需挪動(dòng)機器人，令綠色帶燈按鈕燈常亮，調試完畢。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 值的調節范圍：3.0-8.5），打開(kāi)機器人上方的消毒霧化旋鈕，調整到合適的出物量。按下機器人的綠色帶燈按鈕，機器人啟動(dòng)，沿著(zhù)磁條運行消菌殺毒，機器人走到站的掉頭橫向磁條時(shí)，機器人會(huì )自動(dòng)停止然后反向運行，如此往返進(jìn)行殺毒。當機器人前方30CM 范圍內有人或物體擋住，機器人會(huì )自動(dòng)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，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，對人體無(wú)害，根據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(pán)采用先進(jìn)的動(dòng)力系統懸掛裝置，有著(zhù)優(yōu)異的平穩性和地面適應性能、高級別的越障越坎能力、精確導航能力，完善的語(yǔ)音播報系統輔助政務(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(xiàn)工作人員進(jìn)入容易產(chǎn)生易交叉感染的危險區域進(jìn)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(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年9月期）