자외선 조명으로 로봇 소독

이 프로젝트 정보

로봇 소개

자외선 살균 로봇(UV Robot)은 자외선 시스템이 장착된 원격 조작 로봇입니다. 이 시스템에는 움직이는 로봇 차량과 지상국 컨트롤러(GCS)가 포함됩니다. 작업자는 로봇의 카메라 피드를 관찰하면서 지상국 컨트롤러(GCS)의 조이스틱을 사용하여 로봇을 제어할 수 있습니다.

로봇은 DNA 구조를 분해하여 자외선으로 질병, 바이러스, 박테리아 및 기타 유형의 환경에 유해한 유기 미생물을 소독하고 죽일 수 있습니다. 현재 여러 국가에서 이 로봇을 성공적으로 테스트하여 병원, 대중 교통, 사무실 공간 및 기타 공공 장소를 소독했습니다. 우리는 이 UV 로봇을 비용 효율적인 방식으로 구현하여 소독 프로세스를 공공 장소로 확장했습니다.

소독액을 사용하지 않는 이유는 무엇입니까?

공공 장소를 소독하는 가장 일반적이고 인기 있는 방법은 70% 알코올 기반 액체인 소독액을 분사하는 것입니다. 최근 세계보건기구(WHO)는 공공장소에서 소독액을 정기적으로 사용하는 것이 정말 해롭다고 발표했습니다. 강한 향으로 인해 호흡기계에 문제를 일으키고, 피부에 자극을 주며, 환경의 불균형을 유발할 수 있습니다.

게다가 이 방법은 매일 막대한 재료비와 인건비가 든다.

UV 로봇의 장점

자외선 살균 조사(UVGI)

자외선 살균 조사(UVGI)는 단파장 자외선(자외선 C 또는 UVC)을 사용하여 핵산을 파괴하고 DNA를 파괴하여 중요한 세포 기능을 수행할 수 없도록 하여 미생물을 죽이거나 비활성화하는 소독 방법입니다. UVC는 RNA와 DNA 염기에 흡수되어 두 개의 인접한 피리미딘이 공유 결합된 이합체로 광화학적 융합을 일으켜 쌍을 이루지 않는 염기가 될 수 있습니다.

UVGI는 식품, 공기 및 수질 정화와 같은 다양한 응용 분야에 사용됩니다. UVGI는 특정 전염병의 확산을 방지하는 데 사용할 수 있습니다. 저압 수은(Hg) 방전 램프 및 LED는 일반적으로 UVGI 응용 분야에 사용되며 주로 254nm에서 단파 자외선-C(100~280나노미터) 복사를 방출합니다.

각 유형의 미생물은 기능을 비활성화하기 위해 다른 양의 UV 광선이 필요합니다. 코로나19 상황을 고려하여 UV 광을 이용한 동일한 바이러스의 비활성화를 여기에서 고려합니다. 대부분의 연구 논문 및 기사에서 연구 그룹은 "평방 미터당 줄" 또는 "제곱센티미터당 줄" 측면에서 살균 공정에 필요한 UV 광을 언급했습니다. 그러나 UV 광의 매개변수 및 사양을 고려할 때 제조업체는 1미터 거리에서 "제곱센티미터당 마이크로와트(uW)"로 UV 광 강도를 부여했습니다.

단위 "Watt(W)"는 1초 동안 방출되는 에너지를 나타냅니다. 제곱센티미터당 마이크로와트는 1초 안에 1제곱센티미터의 면적을 통과한 에너지를 나타냅니다.

방정식 1 복용량과 강도 사이의 관계를 보여줍니다. 동일한 UV 광원에 대한 노출 시간을 다르게 하여 다양한 노출량을 얻을 수 있다고 결론지었습니다.

UV 강도와 거리의 관계는 2식으로 표시됩니다. 이에 따르면 UV 강도는 광원으로부터 멀어질수록 낮아지는 것으로 결론지을 수 있습니다.

Wikipedia에 따르면 8mJ의 용량은 대부분의 바이러스를 비활성화할 수 있습니다.

로봇의 기능 이해

전체 시스템은 업계 표준을 준수하기 위해 일부 기능과 안전 기능을 추가했기 때문에 약간 복잡합니다. 구현 절차를 설명하기 전에 시스템이 어떻게 작동하는지 이해하는 것이 좋습니다.

로봇에는 3가지 주요 구성 요소가 있습니다.

1. 지상 차량

이 부품은 DC 기어드 모터(차동 구동 로봇)로 구동되는 2개의 바퀴에 의해 움직입니다. 균형을 유지하기 위해 앞뒤에 두 개의 캐스터 휠이 있습니다. 지상 차량 내부에 전자 제어 시스템과 12V 35Ah 납축 배터리인 배터리를 배치했습니다.

Arduino Mega는 전압 조정기 모듈을 통해 주 배터리로 전원을 공급받아 전압을 12V에서 5V로 낮춥니다. PWM 출력이 있는 4채널 RC 라디오 수신기가 메가 보드에 연결됩니다. 모터는 Arduino 보드에 연결된 듀얼 채널 H 브리지 모터 드라이버를 통해 구동됩니다. 인버터는 UV 조명과 배터리 사이에 연결되고 Arduino 보드에 연결된 릴레이 스위치를 사용하여 제어됩니다.

2. UV 라이트 타워

우리는 전구에 전원을 공급하기 위해 별도의 전자 안정기 장치가 필요한 형광 UV 전구를 사용했습니다. 라이트 타워는 6개의 UV 전구를 포함하고 있으며, 이 전구는 알루미늄 시트를 굴려서 만들어진 알루미늄 실린더 주위에 배치됩니다. 이 알루미늄 실린더는 자외선의 반사판 역할을 합니다.

모든 전자식 안정기는 알루미늄 실린더 내부에 배치됩니다. 타워의 상단에는 FPV 카메라와 GCS로 비디오 피드를 전송하는 FPV 송신기가 있습니다. UV 타워는 지상 차량 위에 고정되어 있습니다.

3. 지상국 컨트롤러

로봇의 조종기입니다. 화면은 로봇으로부터 받은 카메라 피드백을 보여줍니다. 조이스틱은 로봇을 움직이는 데 사용됩니다. UV 스위치를 사용하여 UV 조명을 켜고 끌 수 있습니다. 무장 스위치는 안전 스위치 역할을 합니다. 전원을 켤 때 의 모든 기능을 줄입니다.

UV 조명 켜기

우리 로봇의 경우 다음 사양의 UV 전구 6개를 선택했습니다.

파장을 제외하고는 엄격한 사양이 아닙니다. 전자식 안정기는 UV 전구의 4핀에 연결됩니다. 전자식 안정기에 전원이 공급되면 UV 전구가 켜집니다.

***자외선은 사람의 피부와 눈에 해롭습니다. 장기간 눈과 피부를 노출시키지 마십시오. UV 광선은 투명 유리를 통과할 수 없으므로 유리를 통해 빛을 관찰하는 것이 가장 안전한 절차입니다.***

FPV 비디오 시스템

FPV 비디오 시스템은 조감도를 얻기 위해 드론에 주로 사용됩니다. 우리의 경우 FPV 시스템을 사용하면 프로그래밍이나 납땜 구성 요소 없이 로봇에서 비디오 피드를 쉽게 얻을 수 있습니다. 로봇에는 카메라와 비디오 송신기가 있습니다. 이 시스템에 전원을 연결하기만 하면 5.8GHz를 사용하여 비디오 피드를 전송하기 시작합니다.

GCS에는 5.8GHz 비디오 수신기가 내장된 LCD 화면이 있습니다. 화면의 전원을 켜면 카메라 피드가 표시되기 시작합니다.

지상 차량 건설

주요 구조는 0.75' 강철 상자 막대로 만들어집니다. 다음은 우리 로봇에 사용된 디자인이지만 이에 국한되지 않습니다. 요구 사항에 따라 디자인을 변경하십시오.

프레임에는 하단에 2개의 모터와 2개의 캐스터 휠을 장착할 수 있는 공간과 메커니즘이 있어야 합니다. 구조 내부에는 납축전지를 잠그는 메커니즘이 있어야 합니다. 우리 로봇에서는 클래딩 보드를 사용하여 프레임을 덮었습니다.

두 모터의 와이어는 모터 드라이버의 출력 핀에 연결됩니다. 이 절차는 인터넷에서 쉽게 찾을 수 있으므로 전체 절차를 설명하기 위한 것이 아닙니다.

전자 제어 시스템의 개략도는 마지막에 첨부됩니다. RC 수신기의 채널 1 - 채널 4 PWM 신호 핀은 핀 18 - 21에서 Arduino 보드에 연결됩니다. 각 채널은 코드에서 다음과 같이 구성됩니다. 원하는 대로 변경할 수 있습니다.

이는 GCS를 구축할 때도 변경할 수 있습니다.

모터 드라이버의 핀은 회로도와 같이 Arduino 핀 3-11에 연결됩니다.

UV 조명을 켜기 위해 12v를 AC 230V로 변환하기 위해 인버터 회로가 여기에 사용됩니다. 충전기가 내장된 상용 인버터 장치를 구입했습니다. 이는 기존 전원 포인트를 사용하여 납축전지를 충전할 수 있게 함으로써 전자 시스템의 복잡성을 피하는 데 도움이 됩니다.

우리의 경우 효율이 약 70%인 수정된 사인파 인버터를 사용했습니다. 70% 효율로 모든 전자식 안정기에 전원을 공급하려면 인버터에 필요한 전력량이 470W입니다. 모든 안전 여유를 가지고 1kW 인버터를 구입했습니다.

배터리 단자는 12V 입력에 연결되고 E. 안정기는 AC 출력 포트에 연결됩니다. 온/오프 스위치가 제거됩니다. 스위치에는 3개의 전선이 있습니다. 일반 와이어, 접지 와이어 및 전원 온 와이어. 이 3개의 전선을 릴레이 스위치에 다음과 같이 연결하여 아두이노 보드의 UV 조명을 제어합니다.

로봇이 산업 표준을 준수하도록 시스템 전원 켜기 스위치, UV 전원 켜기 스위치 및 비상 차단 스위치를 포함했습니다.

UV 라이트 타워 구축

타워의 중간 부분에는 알루미늄 시트가 있습니다. 시트를 말아서 지름 15cm의 원통을 만듭니다. 직경 30cm의 원형 클래딩 보드 2개가 실린더의 상단과 하단에 배치됩니다. UV 램프 홀더로 사용됩니다. 두 클래딩 보드 모두 UV 광선에 맞게 19mm 구멍이 뚫려 있습니다. E.밸러스트는 양면 접착 테이프를 사용하여 알루미늄 실린더 내부에 고정됩니다.

FPV 카메라 시스템은 타워의 상단에 장착되고 두 개의 와이어는 실린더를 통해 하단으로 가져옵니다.

지상 관제소 건설

다음은 지상 관제소(GCS)에 필요한 구성 요소입니다.

Rc 송신기에는 2개의 조이스틱과 여러 스위치가 있습니다. 여기에서 우리의 관심은 하나의 조이스틱, 회로 및 표시등 LED에만 있습니다. 트랜스미터의 인클로저를 제거하고 조이스틱이 회로에서 어떻게 감지되는지 관찰합니다. 각 조이스틱에는 회로 기판에 연결된 두 개의 전위차계가 있습니다. 조이스틱의 위치에 따라 전위차계가 저항을 변경하여 회로가 조이스틱의 위치를 ​​읽을 수 있도록 합니다.

하나의 조이스틱과 두 개의 전위차계를 제거합니다. 각 와이어 끝을 두 개의 토글 스위치에 납땜합니다. 이제 조이스틱 1개와 토글 스위치 2개로 4개 채널을 모두 제어할 수 있습니다. 하나의 스위치는 로봇 무장 스위치로 작동하고 다른 하나는 UV 조명 제어 스위치로 작동합니다. 인디케이터 LED는 배터리가 부족하면 '빨간색'으로 변하기 때문에 GCS의 배터리 모니터로 사용할 수 있습니다.

이제 송신기와 FPV 화면용 전원 공급 장치를 만들어야 합니다. 18650 배터리의 셀 전압은 3.7V입니다. 완전히 충전되면 4.2V가 됩니다. 이를 위해 3개의 셀을 직렬로 연결하여 약 12V를 얻습니다. 우리의 경우 1000mAh 용량의 셀을 사용했습니다. GCS의 실행 시간을 늘리기 위해 9개의 배터리, 3개의 직렬 연결된 셀 세트를 병렬로 사용하여 3000mAh 용량을 확보했습니다. 그런 다음 BMS 모듈을 연결하여 배터리를 보호합니다.

P+ 및 P-는 송신기 전원 입력과 FPV 화면 전원 입력에 연결됩니다. 12V 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)는 전위차계와 함께 제공되어 제한된 범위 내에서 출력 전압을 조정합니다. 12.8로 설정하고 전압 출력을 BMS의 P+와 P-에 연결합니다. 이것은 SMPS가 연결되어 있을 때 배터리 팩을 충전하는 데 도움이 됩니다.

취향에 따라 인클로저를 디자인할 수 있습니다.

코딩

코드의 첫 번째 작업은 RC 채널 입력을 읽는 것입니다. 우리는 PWM 수신기를 사용하기 때문에 PWM 값을 읽기 위해 인터럽트를 사용했습니다. 일을 쉽게 하기 위해 다음과 같이 연결된 핀을 정의하여 인터럽트를 사용하는 PWM 라이브러리를 포함했습니다.

시작 시퀀스에서 코드는 배터리 전압과 UV 스위치가 켜져 있는지 확인합니다. 둘 중 하나를 감지하면 시작 절차는 모든 것이 수정될 때까지 그곳에서 기다립니다.

//배터리 전압 확인
battery_voltage_monitor();
while(batterylow ==true){
 battery_voltage_monitor();
 low_battery_notification();
}

//uv 스위치가 꺼져 있는지 확인
rc_read();
while(uv_pwm> switch_on_pwm){
rc_read();
 uv_on_warning_at_startup(); //부저음

} 

모터를 구동할 때 배터리 전압은 그 순간 동안만 치명적으로 떨어집니다. 로봇을 움직일 때마다 저전압 알람이 울리지 않도록 배터리 모니터링 부분은 로봇이 움직이지 않을 때만 작동합니다.

if (robot_moving ==false){
battery_voltage_monitor(); //로봇이 움직이지 않을 때 배터리를 모니터링합니다.
} 

모터 드라이버 제어, 부저로 톤 생성 및 릴레이 제어를 포함한 다른 모든 기능은 일반적인 방식으로 작동합니다. 모르는 경우 위의 주제에 대한 일반 자습서를 따를 수 있습니다.

운영 절차

전원 켜기 절차

GCS 컨트롤러

1. 메인 스위치를 켭니다.

2. 로봇 무장 스위치와 UV 라이트 스위치가 모두 꺼져 있는지 확인하십시오. (아래 위치에서).

로봇

1. 전원 스위치를 켭니다.

2. 시작음을 기다립니다.

3. 시스템 오케이 톤을 기다립니다.

로봇 제어

1. 로봇 무장 스위치를 켭니다.

2. 조이스틱을 움직여 로봇을 움직입니다.

3. UV 스위치를 켜서 UV 조명을 켭니다. Robot Arming Switch가 Off 상태일 때 UV 스위치가 작동하지 않습니다.

배터리 잔량 표시기

1. 로봇을 작동시키기 위해 배터리에 최소 4개의 막대가 깜박이는지 확인하십시오.

2. 배터리가 부족하면 부저가 울리고 배터리 잔량 표시기의 마지막 두 막대가 깜박입니다.

충전 절차

1. 로봇을 끕니다.

2. GCS를 끕니다.

3. 인버터를 전원에 연결합니다. (일반적으로 인버터에는 충전 레벨 표시기가 내장되어 있습니다.)

일반 고려사항

1. 혼잡한 장소에서 사용

자외선은 사람의 눈과 피부에 해롭습니다. 단거리(3m 이내)의 빛에 60초 이상 노출되면 눈에 손상을 줄 수 있으며 피부에 자극을 줄 수 있습니다. 그러나 자외선은 고체 매질을 투과할 수 없습니다. 투명한 유리를 통해 자외선을 바라보는 것은 사람의 눈이나 신체에 영향을 미치지 않습니다.

2. 민감한 재료 및 기기

연질 플라스틱은 자외선에 매우 민감합니다. 연질 플라스틱은 일반적으로 장난감 및 식품 포장에 사용됩니다. 따라서 장난감 가게, 슈퍼마켓 및 위의 항목을 사용할 수 있는 곳에서는 장치를 사용할 수 없습니다. 그러나 UV 조명은 앞서 언급한 영역의 바닥을 소독하는 데 사용할 수 있습니다.

3. 병원에서 사용 가능

병원 환경에서 자외선은 매우 짧은 시간 내에 접촉이 많은 표면을 소독하는 데 도움이 됩니다. 그러나 이 시나리오에서는 의료 장비 및 약물에 대한 자외선의 효과를 고려해야 합니다.

플라스틱 인클로저가 있는 의료 장비는 제조 과정에서 방사선 처리를 거치면서 단단한 플라스틱으로 만들어집니다. 더군다나 병원에 보관되어 있는 약품에 대해서는 자외선의 효과가 입증된 바가 없습니다.

또한 모든 스테인리스 스틸 의료 장비와 N95 마스크를 동일한 기기로 살균할 수 있습니다.

4. 음영 처리된 영역의 효과

자외선은 가시광선과 마찬가지로 표면에서 반사됩니다. 따라서 직접적인 자외선을 받지 못하는 영역은 반사된 자외선을 얻습니다. 그러나 심하게 덮이거나 그늘진 부분은 효과적인 UV 광선을 얻지 못합니다. 이 부분은 소독액 기반의 방법으로도 소독되지 않습니다.

5. 기타 고려사항

UV 광선은 밀폐된 환경에서 장기간 작업할 때 오존을 생성합니다. 원칙적으로 모든 밀폐된 환경은 자외선 살균 후 20분 동안 환기됩니다.

코드

Arduino Mega용 코드

회로도