公共场所多功能智能消毒机器人优化路径与安全性分析

摘要：在新冠疫情常态化背景下，车站、机场、商场、地铁等公共场所需要高频次、精细化的消毒流程，传统人工消毒方式面临效率不高与安全风险并存的难题。多功能智能消毒机器人结合移动机器人技术和自动消杀系统，可大幅降低人力消耗并减少交叉感染。其在公共场景中可实现自主导航、实时监测、灵活覆盖与多方式消毒（如化学喷洒、紫外线照射等），成为构建现代城市卫生防线的重要助力。然而，复杂环境下依旧存在路径规划难、人员流动频繁、UV/化学剂安全隐患、系统故障防控薄弱等挑战。本文在梳理此类机器人的应用背景和主要功能后，围绕行走路径优化与安全防护策略展开讨论，并从多传感器融合、动态调度、人机协同与行业标准等角度提出改进思路。研究表明，通过多层感知、分区规划、协同调度及完备的安全管理，多功能消毒机器人在公共场所可实现效率与安全兼顾，为今后的防疫与卫生管理提供可持续的智能化解决方案。

关键词：智能消毒机器人；公共场所；路径优化；安全防护；多传感器融合；消杀作业

1.应用背景及系统构成

1.1需求背景与作用价值

（1）疫情与防疫需求

新冠病毒反复出现变异株，公共空间的高密度人流接触让传统人工消毒模式难以维持高频次与高覆盖率。人力清洁不但费时费力，而且工作人员可能暴露于潜在感染环境中。通过无人化或少人化的智能消杀手段，可显著减轻保洁人员负担，并提升作业质量与安全。

（2）常态化卫生防护的前景

随着“后疫情时代”意识的形成，城市公共卫生管理将更加常态化、精细化。多功能消毒机器人不仅适用于疫情防控，也能执行流感、肠道细菌等常规消杀，实现长效运维和监测。例如，根据实际空气质量或局部污染信息自动调整消毒路线、频率与方式，形成智能化、全时段的卫生保障体系。

1.2系统基本构成

（1）移动底盘

机器人多采用四轮或履带式自主移动底盘，搭载驱动电机与控制器，可在室内外多种地面状况下平稳前行。精度更高者会配合激光雷达或视觉SLAM进行自主定位导航，避免过度依赖人工遥控。

（2）消毒执行模块

典型的消毒方式包括化学喷雾和UV-C紫外线。其中，喷雾系统需具备药剂箱、可调喷头及雾化组件；UV灯要求覆盖足够范围并可快速开闭、严控辐射强度。部分机器人同时装载两种消毒模式，以适应不同场景需求。

（3）多传感器感知单元

为了识别障碍、行人和环境结构，机器人普遍配置激光雷达、RGB-D摄像头、超声波等。也可拓展温度、湿度、空气质量传感器，以采集消毒条件（如浓度、喷雾范围等）或环境卫生数据，为远程监控平台提供支持。

（4）控制系统与通信

通过ROS等机器人操作系统或自研嵌入式软件进行运动控制、传感器融合和路径规划。无线通信（Wi-Fi/4G/5G）让机器人可与云端或控制中心联动，实现数据上报、远程调度与日志管理。

2.路径优化与动态调度

2.1路径规划的特征与难点

（1）多目标约束

在公共场所，要兼顾覆盖率、作业时效和人群密集度等多重目标，规划算法需在最短路径与安全距离之间找到平衡。机器人若过于保守，消毒效率下降；过于激进，又增加碰撞或干扰风险。

（2）实时人流变化

轨道交通站、展馆等地人流量随时间段剧烈变动。若不进行动态路径调整，机器人可能在高峰期陷入拥堵或频繁刹车，既影响效率又降低电能利用率。故需在激光雷达或视觉输入基础上实时重规划，灵活绕行或暂时等待。

2.2动态调度策略

（1）分区网格扫描

将公共场地按网格化或功能区切分，通过离线划定关键通道、房间与节点，再辅以实时人流数据进行动态调度。机器人完成一片区后可自动切换至下片区；若局部人群过大或发生突发事件，则优先绕行其他区域，或临时中止该片区计划。

（2）多机器人协同

在大空间部署多台机器人时，可采用云端控制平台接收各机器人位置信息，基于全局视角制定最优分配。若某机器人耗材将尽或电量不足，系统可令其先返回补给点，其他机器人则可补位该区域任务。通过集群协同，可显著提升整体效率并降低漏喷或重复覆盖。

3.安全性与人机防护策略

3.1感知融合与碰撞预防

（1）传感器冗余

为应对行人突然出现、儿童身高偏低或携带物品的复杂形态，应多重传感器（激光雷达、摄像头、超声波等）覆盖，减少盲区和误检。若某传感器数据失效或误差过大，可通过其他传感器补偿，从而提高避障决策的可靠性。

（2）动态减速与绕行

在检测到前方拥堵或行人靠近时，机器人自动减速并发出提示音或灯光信号；若距离过近，则停滞等待或选择替代路径。对于大型开放区域的临时搭建、家具摆放变化等，需在SLAM地图中及时更新避免碰撞。

3.2消毒模式安全管理

（1）化学喷洒控制

喷头设计必须确保雾化均匀并可调节喷洒剂量与角度，避免形成局部浓度过高或地面打滑。药剂应通过自动计量防止超量，若检测到地面温度湿度超阈值，可暂停喷洒或切换喷头模式，以免造成环境污染或对电子设备的损害。

（2）UV灯照射与屏蔽

UV-C能有效杀灭病毒，但对人体皮肤与眼睛亦有潜在伤害。可在接近人员时自动关闭或采用机械遮罩，同时在机器人外壳及作业区域设显眼警示标识。对于狭小封闭空间或高人流区，建议夜间或人流稀少时使用UV模式。

3.3故障与应急预案

（1）紧急停机与远程接管

公共场所易发生通信干扰或机器人失控风险，需设置紧急停止按钮或远程遥控端口，管理者可一键令机器人停车或原路返回。若网络断连，机器人可预编程进入安全模式（减速或原地停止）。

（2）系统自检与报警

建立定期自检机制，实时监测电机状态、传感器数据和消毒模块压力；出现异常时立即发送报警信息或切换至“安全巡航”模式，降低速度并发出提示，等待技术人员检查。

4.未来发展与改进建议

4.1强化多传感器融合与人群预测

智能消毒机器人若能整合激光雷达SLAM与视觉深度检测、红外传感器等多模态数据，将更准确地识别行人移动轨迹并预测下一步方向。结合人流热力图和机器学习算法，还可预测高峰时段与热点区域，动态分配消毒资源、优化作业调度。

4.2人机协同与场景扩展

即便拥有强大的感知与决策能力，机器人在极端或复杂环节仍可与人工互补：人工在一些死角或精细场景进行协助或补充喷洒，机器人主导大面积与重复性覆盖。此类协同模式可让公共场所获得更全面与灵活的消毒方案，也为后期拓展到日常保洁、医疗巡查等功能奠定基础。

4.3行业标准与安全认证

智能消毒机器人尚缺乏统一的性能评估与安全标准。建议从机器人定位导航准确度、化学或紫外线消毒效果、环境适应性与碰撞防护等方面建立行业测试体系。通过第三方认证，让公共场所管理者对其安全性与可靠性有更透明的了解，推进规模化应用落地。

结语

随着人工智能与传感技术进一步升级，消毒机器人将与智能监控系统、智慧城市云平台深度联动，共享人流与环境数据，以实现全方位的卫生与安全管控。行业标准和检测认证的完善也将为其广泛部署提供保障。可以预见，智能消毒机器人不仅会在突发传染病防控中发挥关键作用，也将成为日常公共卫生维护的重要载体，为城市管理数字化和居民健康安全创造更优质的服务。

参考文献

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[2]孙悦美.基于用户体验的公共场所消毒设备的设计研究[D].哈尔滨理工大学，2023.DOI：10.27063/d.cnki.ghlgu.2023.001347.

2022年国家级大学生创新创业训练计划项目，项目名称：多功能智能消毒机器人，项目编号：202212308016