消毒机器人制造技术

一种基于紫外线的表面消毒系统，由紫外线光源、机器人臂和全向移动底座组成。移动机器人可以自主编程，能够将紫外线光源带至距离表面几厘米远处以实现有效和高效的表面消毒。该移动机器人可以在复杂环境中自主导航以在大面积内执行消毒操作。面积内执行消毒操作。面积内执行消毒操作。

【技术实现步骤摘要】
消毒机器人
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2021年10月21日提交的美国临时专利申请序号63/270,246的优先权，其内容通过引用并入本文。


[0003]本专利技术涉及用于清洁区域的机器人，更具体地，涉及使用紫外线用于清洁的机器人。

技术介绍

[0004]目前的表面消毒方法包括喷洒消毒化学品或使用紫外线。没有令人信服的证据表明，在空气中喷洒化学品对消毒空间有效，因为很难确保在空气中喷洒化学品后，在表面上有足够的残留化学品。此外，由于对环境的负面影响和对例如书籍的物品表面的可能损坏，也难以直接将液体形式的化学品喷洒在表面上。
[0005]目前，基于紫外线的消毒灯要么固定在墙上，要么放置在移动底座上。它们通常离需要消毒的表面有数米远。研究表明，为了在短时间内实现有效的消毒，紫外线需在距离待消毒表面仅几厘米处，因为波长在250纳米范围内的紫外线在通过空气传播时衰减明显。因此，使用目前可用的基于紫外线的消毒系统，通常需要数小时的照射时间来实现有效的消毒。目前市场上没有可以在距离表面几厘米的距离上照射紫外线来实现在数秒内消毒的可用产品或样机。
[0006]主要的困难是消毒表面很大并且形状复杂。因此，使用目前的机器人编程方法生成机器人运动规划来控制机器人的运动，从而在几厘米外的表面上扫过并对其进行紫外线照射是不可行的。

技术实现思路

[0007]根据本专利技术，基于紫外线的表面消毒系统使用安装在移动机械臂上的紫外线光源。机器人可以通过编程自动行动。因此，机器人可以沿着待消毒的表面移动到选定的地方，并且机器人的手臂被程序控制扫过该地方的表面，以将紫外线光源带到距离表面几厘米的距离内，从而实现有效和高效的表面消毒。
[0008]使用全局局部化作为初始条件的参考系实现自动控制。然后该控制基于Wasserstein距离主要对在移动操纵器的末端执行器坐标系(E.E.F)中的参考点云和当前点云进行比较。然后在低频(如10Hz)时输出它们之间的刚性特殊变换信息，并且在高频(如50Hz)时输出沿末端执行器的最优路径期望的速度信息。
附图说明
[0009]本专利或申请文件包含至少一幅彩图。具有彩图的本专利或专利申请出版物的副本将由本办公室在要求和支付必要的费用后提供。
[0010]当考虑到以下详细说明和附图时，本专利技术的上述和其他目的和优点将变得更加明显，在下列详细说明和附图中，相似的称号表示不同视图中的相似元件，其中:
[0011]图1是根据本专利技术的具有全向轮移动底座的消毒机器人的立体图；
[0012]图2是本专利技术的消毒机器人的电子系统框图；
[0013]图3是本专利技术的消毒机器人示意图，显示了移动操纵器和移动机器人坐标系；
[0014]图4显示了物体在世界坐标系(W.R.F)中的不特定姿态；
[0015]图5显示了本专利技术的移动操纵器在不同非结构化环境下的图像；
[0016]图6是根据本专利技术在末端执行器(紫外线光源)坐标系中具有点云采集和基于点云配准的基于矢量空间/切片Wasserstein距离的非矢量空间控制器的“物体感知局部规划器”的示意图；
[0017]图7是本专利技术的机器人臂上的光探测和测距(LiDAR)模块以及移动操纵器末端执行器(E.E)上的飞行时间(ToF)相机的图像；
[0018]图8显示了“物体感知局部规划器”在移动物体上的完整消毒过程中的详细框架；
[0019]图9是与本专利技术一起使用的C波段紫外线光源设计的立体图；
[0020]图10是用于图9的C波段紫外线光源的控制系统的框图；
[0021]图11是用于图9中的C波段紫外线光源的电子系统的示意图；
[0022]图12是显示本专利技术不同距离和时间对大肠杆菌消毒结果的图片；
[0023]图13A至13D显示，在被占用的公共场所以分别为0mJ/cm3、0.5mJ/cm3、1mJ/cm3和2mJ/cm3的当前监管暴露限值持续暴露于C波段远紫外线后，正常人类肺MRC5成纤维细胞中的Alpha HCoV
‑
229E；
[0024]图14A显示了四种培养物在3000/0.5min、6000/1min、12000/2min和24000/3min的270nm的C波段紫外线LED的暴露，并且图14B显示了菌落数量随剂量变化的曲线图，剂量单位是uJ/cm2；
[0025]图15是用于移动物体消毒的移动操作任务的坐标系和变换的示意图；
[0026]图16是根据本专利技术实施例的点云配准的示意图；
[0027]图17是根据本专利技术实施例的路径变换的示意图；
[0028]图18将矢量空间中的计划轨迹表示为两个三维点；
[0029]图19显示了非矢量空间中的参考管作为三维点集；
[0030]图20是Wasserstein非矢量空间中跟随控制框架的单管的框图；
[0031]图21A将Wasserstein非矢量空间中三个连接的参考管表示为三个三维点集，并且图21B是Wasserstein非矢量空间中多个连接管跟随控制框架的框图；
[0032]图22是一系列的照片，说明了非矢量空间的运动规划和预期外物体运动的控制过程；以及
[0033]图23显示了被占用的物体(沙发)和空箱(架子)的照片；并且
[0034]图24说明了根据本专利技术在椅子上的物体检测结果。
具体实施方式
[0035]如图1所示，本专利技术的消毒机器人10的设计主要有两个部分，移动底座12和具有在末端执行器15上的紫外线光源16的通用可定位操纵器14。底座12有三个全向轮11，提供了
能够在任何方向上平移而不转弯的优势。这将使机器人能够在很窄的空间内移动。
[0036]操纵器包括位于操纵器臂末端的C波段紫外线光源16中的LiDAR激光测距模块。它用于测量C波段紫外线光源与消毒表面之间的距离。这样，灯可以更接近表面，从而提高消毒效率。
[0037]机器人的电子控制系统20安装在底座12上，并且主要包括一个处理板，例如NVIDA Jetson，其提供多个神经网络并行应用，例如图像分类、目标检测、分割和语音处理。本专利技术将该处理板用于传感器信息处理和任务规划。该系统还包括用于机器人控制的微处理器，例如意法半导体STM32。机载传感器包括多线激光扫描仪和360度相机。该系统通过互联网和移动电话服务进行通信。电子系统的结构如图2所示。
[0038]如图2所示，用户可以通过WiFi或其他传输链路从远程PC22控制机器人的电子系统。远程信号由位于处理板24上的WiFi接口或收发器23接收。信号被放置在内部的高级RISC机器(ARM)总线上。此外，USB相机52的输出通过USB主机定向到ARM总线，并且16线激光器58的输出通过以太网接口定向到ARM总线。该总线连接到6核NVIDIA Carmel ARM处理器20A和384核NVIDIA Volta GPU2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种消毒机器人，包括：移动底座，具有全向轮；通用可定位操纵器，具有末端执行器(E.E.)；紫外线灯模块，附接至所述操纵器的末端执行器，包括紫外线消毒灯和测距模块，所述测距模块使用传感器探测从所述灯到待消毒表面的距离；以及电子控制系统，用于基于来自传感器的信息通过控制所述底座的方向轮和所述操纵器的移动来规划所述紫外线灯在表面上的移动。2.根据权利要求1所述的消毒机器人，其中测距模块包括多线激光扫描仪和360度相机。3.根据权利要求2所述的消毒机器人，其中测距模块是LiDAR系统。4.根据权利要求1所述的消毒机器人，还包括具有收发器的远程处理器和连接到电子控制电路的收发器，这样远程处理器和电子控制电路可以通过传输链路通信，使得用户可以远程控制机器人。5.根据权利要求4所述的消毒机器人，其中所述远程处理器和所述电子控制电路通过WiFi传输链路通信。6.根据权利要求1所述的消毒机器人，其中所述通用可定位操纵器具有3个旋转关节，其位于三个XYZ关节坐标系，并且所述移动底座位于单独的XYZ坐标系。7.根据权利要求1所述的消毒机器人，其中所述电子控制系统根据已知的起点和终点，在任务空间中从传感器获取速度、加速度、位置和时间，并且生成轨迹规划以控制末端执行器，使其遵循该轨迹。8.根据权利要求7所述的消毒机器人，其中轨迹被分为三个部分：三阶、五阶和三阶轨迹；在规划器中执行三阶、五阶和三阶轨迹之后，将任务空间中每个点的姿态转换为关节空间，以通过反向运动学和雅可比矩阵控制机器人的关节，以便发布命令来根据位置和速度控制关节，其中速度和位置对应于特定的时间。9.根据权利要求1所述的消毒机器人，其中所述电子控制系统包括前馈部分和反馈部分和用于操纵器的控制器，其中，第一部分(前馈)通过动力学模型获得以计算控制器中的转矩，第二部分(反馈)是位置和速度，其中，基于位置和速度偏差，构造了位置环和速度环，其中，转矩的前馈与位置环和速度环相结合以计算解耦输出，控制器输出是转矩，其值满足整个机器人系统的要求以实现目标，包括每个关节之间的相互影响；并且其中，将转矩输出提供给操纵器的驱动器，驱动器产生电流以使操纵器电机根据相应的转矩运行。10.根据权利要求1所述的消毒机器人，其中所述电子控制系统根据对象感知局部规划器方法规划路径，包括以下步骤：从实时点云中分割X(t)段；从全局地图分割X
ref
(s)段作为末端执行器的期望路径；使用所选的X(t)段和基于Wasserstein的点云切片感知运动局部规划器以比较于实际紫外线路径绘制紫外线期望路径；
更新该比较；以及沿测地线路径更新末端执行器的速度剖面，从而建立从X(t)到X
ref
(s)的最佳传输路径。11.根据权利要求10所述的消毒机器人，其中比较以10Hz的速度更新并且速度剖面以50Hz的速度更新。12.根据权利要求1所述的消毒机器人，还包括飞行时间(ToF)相机，所述相机连接到末端执行器处的紫外线灯模块上，以及机器人基座上的光检测和测距(LiDAR)设备，其中，规划路径的方法包括以下步骤：在当前点云分割处理器上从机器人接收当前图像I(t)、当前点云X(t)和camera_intrinsics.yami和camera_tof_If.launch信号；在当前点云分割处理器上生成在局部坐标系的视锥和X
seg
(t)，并将其传递给切片感知对象跟踪器；在参考点云生成器接收UV_desired.txt、Map.ply和p_num(s)，反过来生成X'
seg
...

【专利技术属性】
技术研发人员：席宁，马也，王斯煜，王清阳，叶家杰，郭进，毕盛，
申请(专利权)人：港大科桥有限公司，
类型：发明
国别省市：