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電子發(fā)燒友網(wǎng)>電子資料下載>電子資料>紫外線燈消毒機器人開源分享

紫外線燈消毒機器人開源分享

2022-11-17 | zip | 0.03 MB | 次下載 | 2積分

資料介紹

描述

機器人簡介

紫外線殺菌機器人(UV Robot)是一種配備有紫外線系統(tǒng)的遙控機器人。該系統(tǒng)包含一個移動的機器人車輛和一個地面站控制器(GCS)。操作員可以使用地面站控制器 (GCS) 的操縱桿控制機器人,同時觀察機器人的攝像頭。

該機器人可以通過紫外線分解其DNA結(jié)構(gòu),對環(huán)境中的疾病、病毒、細菌和其他類型的有害有機微生物進行消毒和殺滅。目前,多個國家已經(jīng)成功測試了這些機器人,對他們的醫(yī)院、公共交通工具、辦公場所和其他公共場所進行了消毒。我們以具有成本效益的方式實施了這種紫外線機器人,將消毒過程擴展到公共場所。

為什么不用消毒液?

對公共場所進行消毒最常見和流行的方法是噴灑消毒液,這種消毒液是 70% 的酒精基液體。近日,世界衛(wèi)生組織(WHO)宣布,在公共場所經(jīng)常使用消毒液確實有害。由于其強烈的氣味,這可能會導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)出現(xiàn)問題,引起皮膚刺激,并可能導(dǎo)致環(huán)境失衡。

此外,這種方法每天都會產(chǎn)生巨大的材料和勞動力成本。

UV機器人的優(yōu)勢

  • 一次性費用(無需補充酒精或氯液)。
  • 可用于消毒表面、醫(yī)療服、醫(yī)用口罩和其他醫(yī)療設(shè)備。
  • 與基于液體的消毒方法相比,可將消毒時間縮短 60%。(在有織物材料的環(huán)境中使用時,干燥時間相當長)。
  • 能夠用于帶有電子設(shè)備的環(huán)境。
  • 一個操作員可以覆蓋大面積。(不需要像液體噴霧那樣多人)
  • 我們與當?shù)匾凰髮W(xué)的微生物實驗室合作,測試并證明了這款機器人的消毒率達到了 99.997% 。(在上一節(jié)中解釋)

紫外線殺菌輻照(UVGI)

紫外線殺菌輻射 (UVGI) 是一種消毒方法,它使用短波長紫外線(紫外線 C 或 UVC)光通過破壞核酸和破壞其 DNA 來殺死或滅活微生物,使它們無法執(zhí)行重要的細胞功能。UVC 被 RNA 和 DNA 堿基吸收,可導(dǎo)致兩個相鄰的嘧啶光化學(xué)融合成共價連接的二聚體,然后成為非配對堿基。

UVGI 用于多種應(yīng)用,例如食品、空氣和水的凈化。UVGI 可用于預(yù)防某些傳染病的傳播。低壓汞 (Hg) 放電燈和 LED 常用于 UVGI 應(yīng)用,并發(fā)射短波紫外線 C(100-280 納米)輻射,主要波長為 254 納米。

每種類型的微生物都需要不同劑量的紫外線來使其功能失活。考慮到 Covid-19 的情況,此處考慮使用紫外線滅活同一病毒。在大多數(shù)研究論文和文章中,研究小組以“焦耳每平方米”或“焦耳每平方厘米”的形式提到了滅菌過程所需的紫外線。但在考慮紫外線燈的參數(shù)規(guī)格時,制造商給出了距離為 1 米的“每平方厘米微瓦特(uW)”的紫外線強度。

單位“瓦特(W)”表示在一秒內(nèi)發(fā)射的能量。每平方厘米微瓦代表一秒鐘內(nèi)通過一平方厘米面積的能量。

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等式1顯示了劑量和強度之間的關(guān)系。得出的結(jié)論是,不同的劑量可以通過改變對同一紫外光源的曝光時間來實現(xiàn)。

紫外線強度與距離之間的關(guān)系如公式2所示。據(jù)此可以得出結(jié)論,紫外線強度隨著距離光源的距離而降低。

根據(jù)維基百科,8mJ 的劑量可以滅活大多數(shù)病毒。

了解機器人的功能

整個系統(tǒng)有點復(fù)雜,因為我們添加了一些功能和安全特性以符合行業(yè)標準。在解釋實現(xiàn)過程之前,最好先了解一下系統(tǒng)是如何工作的。

該機器人有 3 個主要部件。

1.地面車輛

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這部分由兩個由直流齒輪電機驅(qū)動的輪子(差動驅(qū)動機器人)驅(qū)動。前后有兩個腳輪,以保持平衡。我們已將電子控制系統(tǒng)和電池放置在地面車輛內(nèi),這是一個 12V 35Ah 鉛酸電池。

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電子控制系統(tǒng)
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Arduino Mega 通過穩(wěn)壓模塊由主電池供電,將電壓從 12V 降低到 5V。帶有 PWM 輸出的四通道 RC 無線電接收器連接到 Mega 板。電機通過連接到 Arduino 板的雙通道 H 橋電機驅(qū)動器驅(qū)動。逆變器連接在紫外線燈和電池之間,并使用連接到 Arduino 板的繼電器開關(guān)進行控制。

2.紫外燈塔

我們使用了熒光紫外線燈泡,需要單獨的電子鎮(zhèn)流器單元來為燈泡供電。燈塔包含 6 個紫外線燈泡,這些燈泡放置在一個鋁制圓柱體周圍,該鋁制圓柱體是由鋁板通過滾動制成的。這個鋁制圓柱體充當紫外線的反射器。

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所有電子鎮(zhèn)流器都放置在鋁筒內(nèi)。在塔頂,有一個 FPV 攝像頭和一個 FPV 發(fā)射器,用于將視頻饋送到 GCS。紫外線塔固定在地面車輛的頂部。

3.地面站控制器

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這是機器人的遙控器。屏幕顯示從機器人收到的攝像頭反饋。操縱桿用于移動機器人。紫外線燈可以使用紫外線開關(guān)打開和關(guān)閉。布防開關(guān)用作安全開關(guān)。它在打開時會減少所有功能。

開啟紫外線燈

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對于我們的機器人,我們選擇了 6 個具有以下規(guī)格的紫外線燈泡。

  • 功率 - 55w
  • 波長 - 254nm
  • 長度 - 890mm
  • 管徑 - 15mm
  • 類型 - 單端 4 針

這些不是嚴格的規(guī)格,除了波長。電子鎮(zhèn)流器單元連接到紫外線燈泡的 4 個引腳。為電子鎮(zhèn)流器供電時,紫外線燈泡會亮起。

***UV Light is harmful to human skin and eyes. Do not expose your eyes and skin for a longer period. Observing the light through glass is the safest procedure as UV light cannot penetrate transparent glass.***

FPV 視頻系統(tǒng)

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1 / 2 ? FPV 攝像頭和發(fā)射器
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FPV視頻系統(tǒng)主要用于無人機獲得鳥瞰圖。在我們的案例中,使用 FPV 系統(tǒng)可以輕松地從機器人獲取視頻,無需任何編程或焊接組件。該機器人有一個攝像頭和一個視頻發(fā)射器。我們只需將電源連接到該系統(tǒng),它就會開始使用 5.8GHz 傳輸視頻。

GCS 具有內(nèi)置 5.8GHz 視頻接收器的 LCD 屏幕。啟動屏幕后,它將開始顯示相機饋送。

建造地面車輛

主體結(jié)構(gòu)由 0.75' 鋼箱條制成。以下是用于我們機器人的設(shè)計,但不限于此。根據(jù)您的要求更改設(shè)計。

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框架應(yīng)該有空間和一個在底部安裝兩個電機和兩個腳輪的機構(gòu)。在結(jié)構(gòu)內(nèi)部,應(yīng)該有一個鎖定鉛酸電池的機構(gòu)。在我們的機器人中,我們使用覆層板覆蓋框架。

兩個電機的線連接到電機驅(qū)動器的輸出引腳。這個過程可以很容易地在互聯(lián)網(wǎng)上找到,因此它并不打算描述整個過程。

最后附上電控系統(tǒng)示意圖。RC 接收器的通道 1 - 通道 4 PWM 信號引腳從引腳 18 - 21 連接到 Arduino 板。每個通道在代碼中按以下方式配置。你可以隨心所欲地改變它。

  • Ch 1 - 紫外線開關(guān)
  • Ch 2 - 機器人布防開關(guān)
  • Ch 3 - 前進/后退移動命令
  • 第 4 章 - 左/右轉(zhuǎn)向命令

這也可以在構(gòu)建 GCS 時進行更改。

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示意圖
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電機驅(qū)動器的引腳連接到 Arduino 引腳 3-11,如圖所示。

要將 12v 轉(zhuǎn)換為 AC 230V 為紫外線燈供電,此處使用了逆變器電路。我們購買了帶有內(nèi)置充電器的市售逆變器單元。通過允許我們使用現(xiàn)有電源點為鉛酸電池充電,這有助于避免電子系統(tǒng)的復(fù)雜性。

在我們的案例中,我們使用了改進的正弦波逆變器,其效率約為 70%。要以 70% 的效率為所有電子鎮(zhèn)流器供電,所需的逆變器功率為 470W。有了所有的安全余量,我們購買了一臺 1kW 的逆變器。

電池端子連接到 12V 輸入,E. 鎮(zhèn)流器連接到交流輸出端口開/關(guān)開關(guān)被移除。開關(guān)中有 3 根線可用;公共線、地線和電源線。這 3 根線以下列方式連接到繼電器開關(guān),以控制來自 Arduino 板的紫外線燈。

  • 普通線 -> 普通
  • 地線 -> NC
  • 接通電源 -> 否
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我們包括一個系統(tǒng)電源開關(guān)、紫外線電源開關(guān)和一個緊急切斷開關(guān),以使機器人符合工業(yè)標準。

建造紫外線燈塔

塔的中間部分包含一塊鋁板。將片材卷成直徑為 15cm 的圓柱體。圓柱體頂部和底部分別放置兩塊直徑為30cm的圓形覆層板。這些用作紫外線燈座。兩塊覆層板都鉆有 19 毫米的孔以適應(yīng)紫外線。電子鎮(zhèn)流器使用雙面膠帶固定在鋁筒內(nèi)。

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FPV 攝像系統(tǒng)安裝在塔頂,兩根電線通過圓柱體引至底部。

建造地面控制站

以下是地面控制站 (GCS) 所需的組件。

  • 2.4GHZ 4Ch RC 發(fā)射機
  • FPV 屏幕
  • 2 X 撥動開關(guān)
  • 1 個電源開關(guān)
  • 18650 電池芯
  • 適用于 18650 的 3 節(jié)電池管理系統(tǒng)模塊
  • 12V、5A 開關(guān)電源

Rc 發(fā)射器包含 2 個操縱桿和幾個開關(guān)。在這里,我們的興趣只在于一個操縱桿、電路和 LED 指示燈。拆下發(fā)射器的外殼,觀察電路如何感知操縱桿。每個操縱桿包含兩個連接到電路板的電位器根據(jù)操縱桿的位置,電位器改變它的電阻,以便電路可以讀取操縱桿的位置。

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1 / 2 ? 4 通道發(fā)射器
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拆下一個操縱桿和它的兩個電位器。將各自的電線末端焊接到兩個撥動開關(guān)上。現(xiàn)在我們有一個操縱桿和兩個撥動開關(guān)來控制所有 4 個通道。一個開關(guān)用作機器人布防開關(guān),另一個用作紫外線燈控制開關(guān)。LED 指示燈可用作 GCS 的電池監(jiān)視器,因為它在電池電量不足時將其顏色變?yōu)榧t色。

現(xiàn)在我們需要為發(fā)射器和 FPV 屏幕制作電源。18650電池的電池電壓為3.7V。充滿電后變?yōu)?.2V。為此,我們將 3 節(jié)電池串聯(lián)起來以獲得大約 12V 的電壓。在我們的案例中,我們使用了容量為 1000mAh 的電池。為了增加GCS的運行時間,我們使用了9節(jié)電池,3節(jié)串聯(lián)電池組并聯(lián)得到3000mAh容量。然后連接BMS模塊以保護電池。

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將 BMS 連接到電池組
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P+ 和 P- 連接到 Transmitter 電源輸入和 FPV 屏幕電源輸入。12V 開關(guān)模式電源 (SMPS) 帶有一個電位器,用于在有限范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓。將其設(shè)置為 12.8 并將電壓輸出連接到 BMS 的 P+ 和 P-。這將有助于在插入 SMPS 時為電池組充電。

您可以根據(jù)自己的喜好為此設(shè)計一個外殼。

編碼

代碼的第一個任務(wù)是讀取 RC 通道輸入。由于我們使用的是 PWM 接收器,因此我使用中斷來讀取 PWM 值。為了方便起見,我包含了一個 PWM 庫,以通過以下方式定義連接的引腳來使用中斷。

PWM ch1(18);                                // Setup pin 18 for input
PWM ch2(19);                                // Setup pin 19 for input
PWM ch3(20);                                // Setup pin 20 for input
PWM ch4(21);                                // Setup pin 21 for input

在啟動序列中,代碼檢查電池電壓以及 UV 開關(guān)是否打開。如果它檢測到其中任何一個,啟動過程將在那里等待,直到所有問題都修復(fù)。

//check battery voltage
battery_voltage_monitor();
while(batterylow == true){
    battery_voltage_monitor();
    low_battery_notification();
}

//verify the uv swtich is turned off
rc_read();
while(uv_pwm > switch_on_pwm){
rc_read();
uv_on_warning_at_startup();     //buzzer tone

}

運行電機時,電池電壓僅在那一刻急劇下降。為了避免每次移動機器人時觸發(fā)低電壓警報,電池監(jiān)控部分僅在機器人不移動時運行。

if (robot_moving == false){
battery_voltage_monitor();    //monitor the battery when robot is not moving
}

所有其他功能,包括控制電機驅(qū)動器、使用蜂鳴器產(chǎn)生音調(diào)和控制繼電器都以通常的方式工作。如果您不了解這些主題,您可以遵循有關(guān)上述主題的一般教程

運營流程

上電程序

GCS 控制器

1. 打開主開關(guān)。

2. 確保機器人布防開關(guān)和紫外線燈開關(guān)均已關(guān)閉。(在向下位置)。

機器人

1. 打開電源開關(guān)。

2. 等待啟動音。

3. 等待系統(tǒng)提示音。

控制機器人

1. 打開機器人布防開關(guān)。

2. 移動操縱桿移動機器人。

3. 打開紫外線開關(guān),打開紫外線燈。當機器人布防開關(guān)處于關(guān)閉位置時,UV 開關(guān)不起作用。

電池電量指示器

1. 確保電池至少有 4 格閃爍以操作機器人。

2. 電池電量低時,蜂鳴器發(fā)出嗶嗶聲,電池電量指示燈的最后兩格閃爍。

充電程序

1. 關(guān)閉機器人。

2. 關(guān)閉 GCS。

3. 將逆變器插入電源插座。(通常逆變器有一個內(nèi)置的充電電平指示器)

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一般注意事項

1. 在人多的地方使用

紫外線對人的眼睛和皮膚有害。短距離(小于 3m)暴露在光線下超過 60 秒會傷害眼睛并可能導(dǎo)致皮膚刺激。然而,紫外線束不能穿透任何固體介質(zhì)。透過透明玻璃看紫外線不會影響人的眼睛或身體。

2、敏感材料與器件

軟塑料對紫外線高度敏感。軟塑料通常用于玩具和食品包裝。因此,該設(shè)備不能在玩具店、超市和有上述物品的地方使用。但是,紫外線燈可用于對上述區(qū)域的地板進行消毒。

3.在醫(yī)院使用的能力

在醫(yī)院環(huán)境中,紫外線有助于在很短的時間內(nèi)對高接觸表面進行消毒。但是在這種情況下應(yīng)該考慮紫外線對醫(yī)療設(shè)備和藥物的有效性。

帶有塑料外殼的醫(yī)療設(shè)備是由硬塑料制成的,因為它們在制造過程中會經(jīng)過輻射處理。此外,對于儲存在醫(yī)院的藥物,紫外線的有效性沒有經(jīng)過證實的影響。

此外,所有不銹鋼醫(yī)療設(shè)備和 N95 口罩都可以使用同一設(shè)備進行消毒。

4. 陰影區(qū)域的有效性

紫外線與可見光一樣從表面反射。因此,沒有得到直射紫外光的區(qū)域會得到反射的紫外光。但是,嚴重覆蓋或陰影區(qū)域無法獲得有效的紫外線。這些區(qū)域也沒有使用基于消毒液的方法進行消毒。

5. 其他注意事項

在封閉環(huán)境中長時間工作時,紫外線會產(chǎn)生臭氧。作為一般做法,所有封閉環(huán)境在紫外線燈消毒后通風20分鐘。


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