一种适用于电影院环境的具有自动巡航功能的消毒机器人

高 涵，阮冠鹏，殷治杰，林柏彤，游艳菲

（浙江科技学院，浙江 杭州 310023）

1 研究背景

2020年初，新冠疫情爆发，在举国努力之下，中国取得了抗疫的阶段性胜利。根据世卫组织和防疫专家判断，新冠病毒将与人类长期共存，其完全灭绝时间仍不确定。在面对与疫共存和急需复产的双重压力下，中国已率先进入到后疫情时代。在需要与新冠疫情进行长期持久战的现状下，公共卫生成为人们的关注热点，尤其是需要高频消毒的电影院。众所周知，新冠病毒潜伏期长、传染性强。电影院作为封闭的人流密集场所，极易增加病毒传播的风险。一间电影院观影厅容纳的观众人数少则几十，多则上百，如此众多人群在一个密闭的空间里共处一两个小时，其中只要有一个新冠病毒感染者，就有可能造成“超级传播”等严重后果。

影院的疫情防控措施是决定大众是否愿意去电影院最重要的因素之一，因此不管是站在全民抗疫和公共卫生的角度，还是站在电影院本身营收的角度，防控消毒都是重中之重。如今的电影院[1]清洁杀毒方式主要是依靠人工使用消毒液、酒精完成，或者在人工清洁后再使用紫外灯消毒，没有一套自动化的消毒杀菌体系，前者增加了人力成本，同时存在着清洁人员易感染病毒、消毒杀菌不到位等问题与隐患。而后者因为电影院中座椅密集的缘故可能会留下死角和残余，而且大范围紫外灯灭活消毒的时候如果有人意外进入将会发生严重的安全事故。在这样的背景下，笔者们研发了消毒杀菌机器人，使其具备了清洁与消毒杀菌的功能，并且可以适应有楼梯、多卫生死角的电影院环境，能够对电影院进行自动化、细节化的消毒杀菌。并且，当有人靠近机器人时，会自动关闭紫外灯，避免安全事故的发生。疫情后电影院电影票销量的影响因素如图1所示。

图1 疫情后电影院电影票销量的影响因素

《中国互联网发展报告（2021）》在2021（第二十届）中国互联网大会上发布，物联网市场规模达1.7万亿元，人工智能市场规模达3 031 亿元，万物互联的浪潮已经势不可挡，而笔者们研发这款消毒杀菌正是旨在实现电影院消毒的自动化，将电影院环境消毒杀菌体系纳入物联网的框架中，进一步解放人的双手，并防止人在消毒杀菌的过程中发生感染。

2 原理分析

如图2所示，该机器人主要包含以下模块：紫外线消毒模块、中央处理模块、行走模块、无线充电模块、无线通信模块、摄像头数据处理模块、红外热感模块。运用到以下物理原理：摄像头成像以及检测原理、红外探测原理、紫外线消毒原理、无线充电原理。

图2 机器人模块简述

2.1 人体热释电红外探测器工作原理

在自然界中， 红外线射线属于电磁波，具备一系列波的特性，其波速为光速，波段覆盖范围比较宽，在0.75～1 000 μm 之间。温度超过﹣273 ℃绝对零度的物质都将向其四周放射红外线，根据环境温度不同，其所放射的红外波长也有所不同，这就是热释电红外检测仪工作的原理，并针对不同环境温度的物质放射的红外线光谱差异，开展对一定区域的红外线测量，以判断所需要的目标。而人体放射的红外线中心波段为9～10 μm，只有通过高热电系数的材质（如PIR 材质）制成探测元件才可以检测。检测器件把检测对象所接收来的红外线照射转变成微小的电流信号，由装设于探头内侧的场效应管扩大后再往外部提供。而为了进一步提高探测器的探测灵敏度和增加探测距离，人类往往在探头的最前部加装了一菲涅尔透镜，此透镜通常由0.5 mm 透明塑料所构成，把透镜表面上、下两个部分各分成几个等份，构成了一个带有特定光学系统的小镜片，并与放大电路相配合，能把光信号放大70 dB 以上，这样就能够测量20 m 左右区域内人的行为。

2.2 紫外线杀菌消毒原理

核酸在被240～280 nm 的紫外光照射时会大量吸收紫外线，使细胞本身的代谢机制发生障碍，同时也会使细胞的遗传状况发生问题，而不断的紫外线辐射，最后也会造成细胞族群灭亡。此外，紫外光除去杀菌的作用，也可用来让细胞减低自己的“活力”，某些细胞在可见光的照耀下是特别活泼的，我们称为“光恢复”特性，也是说，在波段为300～500 nm 的强紫外线下，细胞本身的一个光恢复酶素会使细胞种群显得非常活泼，并且自身也会大量生长。所以，在必须控制这些病菌的数量和种群规模时，通过利用微弱的紫外光进行辐射可以把病菌的数量控制在规定范围内。

2.3 无线充电模块原理

所述核心处理芯片在执行自动巡航模块时，对电源进行实时监控，通过算法提前让机器人到达无线充电位置，通过无线充电模块对其充电。本设计采用电磁感应式，电磁感应无线充电利用的是电生磁、磁生电的电磁感应原理，即“电”与“磁”的相互转化。无线充电还有一种原理是磁场共振，磁场共振是由能量发送装置和能量接收装置组成，当2个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振时，它们就可以交换彼此的能量。无线充电流程如图3所示。

图3 无线充电流程图

3 技术分析

3.1 紫外线消毒技术

在紫外线杀菌中，不同的发光波长有不同的功效。当光的波长在300 nm 以内时，会有消毒的效果，在260 nm 左右时对细胞的杀灭效应也比较明显。紫外线杀菌设备的实践应用中的标准单位辐照剂量和照度，就是以紫外线在杀死耐紫外线能力较强的细菌时所需的紫外线辐照剂量作为标准参考的。

3.2 自动巡航技术

由核心处理芯片控制摄像头开启，将摄像头采集到的数据反馈给摄像头采集模块与摄像头红外感应处理模块，经过核心处理芯片的算法得出路径，并在确定无移动热源环境下控制紫外线灯开启，同时通过电机处理模块控制电机，使驱动齿轮带动履带实现行走。在遇到障碍物时，摄像头将采集到数据反馈给摄像头采集模块，再传输给核心处理芯片，再将信息给到电机处理模块，使电机差速工作，实现车体转弯，从而达到避障效果。

3.3 无线充电技术

核心处理芯片在执行自动巡航模块时，对电源进行实时监控，在蓄电池电量不足以达到起始充电位置时，核心处理芯片传输信号给电机驱动模块，驱动车体回到原始位置，通过无线充电模块给蓄电池充电。通过算法提前让机器人到达无线充电位置，通过无线充电模块对其充电。

3.4 PWM 控制模块

PWM 控制——脉冲宽度调制高新技术是利用微处理设备的数码信息对仿真集成电路实现控制的一项十分高效的高新技术。脉冲宽度调制是利用微加工设备的数码输出信号来对仿真集成电路实现调节的一项十分高效的工艺技术，被应用在从测试、通讯到功率调节与转换的众多应用领域中。在PWM 波形中，各输出脉冲的幅值是相同的，要调整等效输出电流正弦波的幅值时，只需按一个百分比系数调整各输出脉冲的长度即可，所以在交—直—交变频器中，PWM 逆变控制电路产生的脉冲电压等于直流出口侧输入电流的幅值。

根据以上原理，在给定了正弦波频谱、幅值和半个时间内的脉冲时间数后，PWM 波形各脉冲信号的长度和间距就能够精确统计得出。根据计算结果调节集成电路中各控制开关元件的通断，就能够获得所要求的PWM 波形。PWM 电路图如图4所示。

图4 PWM 电路图

3.5 红外感应技术

消毒机器人在进行杀菌任务时，考虑到紫外线对人体的不良影响，采用红外传感器控制消毒机器人进行杀毒任务时紫外灯的开启或关闭。并采用可重复触发方式，即感应输出低电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持低电平，直到人离开后才延时将低电平变为高电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点）。消毒工作时，当人进入其感应范围则输出低电平，紫外线灯关闭。红外感应流程如图5所示。

图5 红外感应流程图

4 科技创新点

通过人体热释电红外探测器探测到人体靠近后自动断开电路，避免紫外线对人体造成伤害。该机器人在检测周围的环境后进行自动消毒，当经过紫外线杀菌消毒一段时间以后，会自动熄灭紫外线杀菌灯，大大降低了人工手动消毒的工作量。

5 应用前景

在全球疫情的影响下，影院的复工显得更加艰难，一方面必须加紧维修、整理、筹备疫情消杀物料，另一方面，由于疫情时期缺少营业收入，这对不少影城而言，丧失了大批人员，还必须再次招人、培训，难度不小。基于此，智能机器人再次出镜。近日，深圳、上海、武汉等地均通过利用人工智能技术助力影院安全高效地开展复工作业，目前，深圳万象影城MIXC（深圳湾旗舰店）、华谊兄弟影院，上海上影影城，武汉百方汇影城光谷K11 店均出现机器人的身影。电影院作为人群密集、密闭性场所，对疫情防控和消毒的要求更高。根据国家电影局对于电影院的疫情防控要求，本产品完全符合国家的电影院消毒规范，做到对座椅各个角落以及对电影院的地毯式消毒，不留死角。本产品具有极高的地形通过性，转向灵活，面对楼梯、陡坡或其他狭窄路段，都可灵活通过并完成消毒作业，并且按照事先规划的路线完成消杀作业。本产品在楼梯消毒的效果仿真图如图6所示。

图6 本产品在楼梯消毒的效果仿真图（借鉴）

目前疫情防控形势严峻，影城作为社会营业场地，要认真抓好防治管理工作，全方位履行影城消毒清洁的各项流程。为保证工作人员和观影人员的身心健康，搞好影院预防感染的消毒管理工作，特制定消毒规范。在疫情常态化背景下，公共场所的消毒要求也将逐步变得严格，市场对消毒机器人的需求量也将激增。新冠疫情的爆发使得人们加大了对消毒的重视，因此会增加消毒器械的购买量，一个好的多功能的消毒机器人将是消费者的最优选择[2]。对于一些影业企业来说，影院的消毒工作也至关重要，而本产品所具有的多种消杀方式，都能有效地解决人流众多的公共区域卫生消杀难题。本产品具有自动规划路线、自动回程充电等功能，可在设置好路线后，全自动消毒，无需人工控制。利用消毒机器人进行消杀作业不仅有效减少了人员接触风险，降低了人工成本，还大大提高了公共场所大面积的消毒工作效率。