Robot de Desinfección UV con Arduino Mega: Sistema Germicida Controlado Remotamente

Componentes y Suministros

Arduino Mega 2560	×	1
Cámara FPV	×	1
Transmisor de Video FPV	×	1
Receptor de Video FPV	×	1
Monitor TFT Color	×	1
Controlador RC Radio 4CH	×	1
Motor DC Reductor 30W	×	2
Driver Dual Motor VNH5019	×	1

Herramientas y Máquinas Necesarias

Taladro, Destornillador

Sobre este Proyecto

Introducción al Robot

El Robot Ultravioleta Germicida (Robot UV) es un robot teleoperado equipado con un sistema de luz UV. El sistema contiene un vehículo robot móvil y una estación de control terrestre (GCS). El operador puede controlar el robot usando el joystick de la estación de control mientras observa la transmisión de cámara del robot.

El robot puede desinfectar y matar enfermedades, virus, bacterias y otros tipos de microorganismos orgánicos dañinos en el entorno, con luz ultravioleta, rompiendo su estructura de ADN. Actualmente, varios países han probado estos robots con éxito para desinfectar hospitales, transportes públicos, oficinas y otros lugares públicos. Hemos implementado este robot UV de forma rentable para expandir el proceso de desinfección a lugares públicos.

¿Por qué no líquidos desinfectantes?

El método más común para desinfectar lugares públicos es rociar líquidos desinfectantes basados en alcohol al 70%. Recientemente, la OMS anunció que es realmente dañino usar líquidos desinfectantes regularmente en lugares públicos. Esto puede causar problemas respiratorios por su olor fuerte, irritación cutánea y desequilibrios ambientales.

Además, este método conlleva un enorme coste de material y mano de obra diario.

Ventajas del Robot UV

• Coste único (no hace falta rellenar alcohol o cloro líquido).
• Puede usarse para desinfectar superficies, trajes médicos, mascarillas y otro equipo médico.
• Reduce el tiempo de desinfección en un 60% comparado con métodos basados en líquidos (el tiempo de secado es considerablemente alto en entornos con telas).
• Capacidad de uso en entornos con equipos electrónicos.
• Un operador puede cubrir una gran área (no se necesitan múltiples personas como en sprays líquidos).
• Hemos probado y demostrado una tasa de desinfección del 99.997% para este robot en colaboración con un laboratorio de microbiología de una universidad local (explicado en la última sección).

Irradicación Germicida Ultravioleta (UVGI)

La irradicación germicida ultravioleta (UVGI) es un método de desinfección que usa luz ultravioleta de onda corta (ultravioleta C o UVC) para matar o inactivar microorganismos destruyendo ácidos nucleicos y rompiendo su ADN, dejándolos incapaces de realizar funciones celulares vitales. El UVC es absorbido por bases de ARN y ADN y puede causar la fusión fotoquímica de dos pirimidinas adyacentes en dimeros unidos covalentemente, que luego se convierten en bases no pareadas.

UVGI se usa en variedad de aplicaciones: purificación de alimentos, aire y agua. Puede prevenir la propagación de ciertas enfermedades infecciosas. Lámparas de descarga de mercurio de baja presión y LEDs son comúnmente usados en aplicaciones UVGI y emiten radiación ultravioleta-C de onda corta (100-280 nanómetros), principalmente a 254 nm.

Cada tipo de microorganismo requiere una dosis diferente de luz UV para inactivar su funcionalidad. Considerando la situación del Covid-19, se considera la inactivación del mismo virus usando luz UV. En la mayoría de papers de investigación, los grupos mencionan la luz UV requerida para esterilización en términos de "Julio por metro cuadrado" o "Julio por centímetro cuadrado". Pero al considerar parámetros y especificaciones de la luz UV, los fabricantes dan intensidad en "Microwatio (uW) por centímetro cuadrado" a 1 metro de distancia.

La Ecuación 1 muestra la relación entre dosis e intensidad. Concluye que diferentes dosis pueden lograrse variando el tiempo de exposición a la misma fuente UV.

La relación entre intensidad UV y distancia se muestra en la Ecuación 2. Según eso, la intensidad UV disminuye con la distancia de la fuente.

Según Wikipedia, una dosis de 8mJ puede inactivar la mayoría de los virus.

Entendiendo la Funcionalidad del Robot

El sistema general es algo complejo ya que añadimos funcionalidades y características de seguridad para cumplir estándares industriales. Antes de explicar el procedimiento de implementación, es bueno entender cómo funciona el sistema.

El robot tiene 3 componentes principales:

1. Vehículo Terrestre

Esta parte se mueve por dos ruedas impulsadas por motores DC reductores (robot de tracción diferencial). Hay dos ruedas locas delantera y trasera para mantener el equilibrio. Hemos colocado el sistema de control electrónico y la batería (12V 35Ah Plomo-Ácido) dentro del vehículo.

Arduino Mega se alimenta con la batería principal a través de un regulador de voltaje para reducir de 12V a 5V. Un receptor RC radio de 4 canales con salidas PWM se conecta a la placa Mega. Los motores se controlan mediante un driver H-bridge de doble canal conectado al Arduino. Un inversor se conecta entre las luces UV y la batería y se controla usando un relé conectado al Arduino.

2. Torre de Luz UV

Usamos bombillas UV fluorescentes que requieren una unidad de balasto electrónico separada para encender la bombilla. La torre contiene 6 bombillas UV colocadas alrededor de un cilindro de aluminio hecho de una lámina de aluminio enrollada. Este cilindro actúa como reflector de rayos UV.

Todos los balastos electrónicos se colocan dentro del cilindro de aluminio. En la parte superior de la torre hay una cámara FPV y un transmisor FPV para transmitir la imagen a la GCS. La torre UV se fija encima del vehículo terrestre.

3. Estación de Control Terrestre (GCS)

Es el control remoto del robot. La pantalla muestra la retroalimentación de cámara recibida del robot. El joystick mueve el robot. Las luces UV se encienden/apagan con el interruptor UV. El interruptor de armado actúa como interruptor de seguridad; corta todas las funcionalidades al activarse.

Encendido de Luces UV

Para nuestro robot, seleccionamos 6 bombillas UV con estas especificaciones:

• Potencia - 55w
• Longitud de onda - 254nm
• Longitud - 890mm
• Diámetro tubo - 15mm
• Tipo - 4 pines un extremo

Estas no son especificaciones estrictas excepto la longitud de onda. La unidad de balasto electrónico se conecta a los 4 pines de la bombilla UV. Las bombillas se encienden cuando se alimenta el balasto.

***La luz UV es dañina para piel y ojos humanos. No expongas tus ojos y piel por períodos prolongados. Observar la luz a través de cristal es el procedimiento más seguro ya que la luz UV no penetra el cristal transparente.***

Sistema de Video FPV

Los sistemas de video FPV se usan principalmente en drones para vista aérea. En nuestro caso, usar FPV facilita obtener la imagen del robot sin programación ni soldar componentes. El robot tiene cámara y transmisor de video. Solo hay que conectar alimentación y empieza a transmitir a 5.8GHz.

La GCS tiene pantalla LCD con receptor 5.8GHz integrado. Al encender la pantalla muestra la imagen de cámara.

Construcción del Vehículo Terrestre

La estructura principal está hecha con perfiles de acero caja de 0.75'. El siguiente es el diseño usado pero no te limites a él; cámbialo según tus requisitos.

El marco debe tener espacio y mecanismo para montar dos motores y dos ruedas locas en la parte inferior. Dentro debe haber mecanismo para fijar la batería de plomo-ácido. En nuestro robot usamos tableros de revestimiento para cubrir el marco.

Los cables de los dos motores se conectan a los pines de salida del driver de motor. Este procedimiento se encuentra fácilmente en internet, por no se describe completo.

El esquema del sistema de control electrónico está adjunto al final. Canales 1-4 PWM del receptor RC se conectan a la placa Arduino desde pines 18-21. Cada canal se configura así en el código (puedes cambiarlo):

• Ch 1 - Interruptor UV
• Ch 2 - Interruptor Armado Robot
• Ch 3 - Comandos Adelante/Atrás
• Ch 4 - Comandos Izquierda/Derecha

Los pines del driver de motor se conectan a pines Arduino 3-11 como muestra el esquema.

Para convertir 12V a AC 230V para alimentar luces UV, se usa un circuito inversor. Compramos una unidad inversora comercial con cargador integrado. Esto evita complejidad permitiendo cargar la batería usando tomas existentes.

Usamos un inversor de onda sinusoidal modificada con ~70% eficiencia. Para alimentar todos los balastos con 70% eficiencia se requieren 470W. Con márgenes de seguridad compramos inversor de 1kW.

Terminales de batería a entrada 12V y balastos a salidas AC. El interruptor on/off se retira. Hay 3 cables en el interruptor: común, tierra y encendido. Estos 3 cables se conectan al relé así para controlar luces UV desde Arduino:

• Cable común -> Común
• Cable tierra -> NC
• Cable encendido -> NO

Incluimos interruptor de encendido sistema, interruptor encendido UV y interruptor de parada de emergencia para cumplir estándares industriales.

Construcción de la Torre UV

La parte media contiene una lámina de aluminio enrollada para hacer un cilindro de 15cm diámetro. Dos tableros circulares de 30cm se colocan arriba y abajo como soportes de lámparas UV. Ambos se taladran con agujeros de 19mm para encajar las bombillas UV. Los balastos se fijan dentro del cilindro con cinta doble cara.

El sistema FPV se monta encima de la torre y dos cables bajan por el cilindro.

Construcción de la Estación de Control

Componentes requeridos para la GCS:

• Transmisor RC 2.4GHz 4Ch
• Pantalla FPV
• 2 interruptores basculantes
• 1 interruptor de encendido
• Celdas 18650
• Módulo BMS 3 celdas para 18650
• Fuente Conmutada 12V, 5A

El transmisor RC tiene 2 joysticks y varios interruptores. Nos interesa solo un joystick, el circuito y el LED indicador. Quita la carcasa y observa cómo los joysticks son detectados por el circuito. Cada joystick contiene dos potenciómetros conectados a la placa. Según la posición, el potenciómetro cambia su resistencia para que el circuito lea la posición.

Quita un joystick y sus dos potenciómetros. Suelda los cables a los dos interruptores basculantes. Ahora tenemos un joystick y dos interruptores para controlar los 4 canales. Un interruptor actúa como armado del robot y el otro como control de luz UV. El LED indicador sirve como monitor de batería de la GCS ya que cambia a rojo cuando la batería está baja.

Ahora necesitamos fuente de alimentación para el transmisor y pantalla FPV. Voltaje de celda 18650 es 3.7V (4.2V cargada). Conectamos 3 celdas en serie para ~12V. Usamos celdas de 1000mAh. Para aumentar autonomía, usamos 9 baterías: 3 series en paralelo para 3000mAh. Conectamos el módulo BMS para protección.

P+ y P- se conectan a entrada de alimentación del transmisor y pantalla FPV. La fuente conmutada 12V (SMPS) trae potenciómetro para ajustar voltaje en rango limitado. Ajusta a 12.8V y conecta salida a P+ y P- del BMS. Esto carga el pack cuando la SMPS está enchufada.

Puedes diseñar una carcasa según tu preferencia.

Programación

La primera tarea del código es leer entradas de canales RC. Como usamos receptor PWM, usé interrupciones para leer valores PWM. Para facilitar incluí una librería PWM definiendo pines conectados así:

PWM ch1(18); // Pin 18 para entrada
PWM ch2(19); // Pin 19 para entrada
PWM ch3(20); // Pin 20 para entrada
PWM ch4(21); // Pin 21 para entrada

En la secuencia de inicio, el código verifica voltaje de batería y si el interruptor UV está encendido. Si detecta cualquiera, el inicio espera hasta que se arreglen.

//verificar voltaje batería
battery_voltage_monitor();
while(batterylow == true){
 battery_voltage_monitor();
 low_battery_notification();
}

//verificar interruptor UV apagado
rc_read();
while(uv_pwm > switch_on_pwm){
 rc_read();
 uv_on_warning_at_startup(); //tono zumbador
}

Al mover motores, el voltaje de batería cae críticamente solo momentáneamente. Para evitar alarma de baja tensión cada vez que movemos el robot, el monitoreo solo corre cuando el robot no se mueve.

if (robot_moving == false){
 battery_voltage_monitor(); //monitorear batería cuando robot no se mueve
}

Todas las demás funciones (control driver motor, generar tonos zumbador, control relé) funcionan de forma habitual. Puedes seguir tutoriales generales si no las conoces.

Procedimientos de Operación

Encendido

Controlador GCS

1. Enciende interruptor principal.
2. Asegúrate que ambos interruptores (Armado Robot y Luz UV) estén apagados (posición abajo).

Robot

1. Enciende interruptor de alimentación.
2. Espera tono de inicio.
3. Espera tono de sistema OK.

Control del Robot

1. Enciende interruptor Armado Robot.
2. Mueve joystick para mover robot.
3. Enciende interruptor UV para encender luces UV. Cuando Armado está apagado, interruptor UV no funciona.

Indicador de Nivel de Batería

1. Asegúrate que la batería tenga al menos 4 barras parpadeando para operar.
2. Cuando batería baja, zumbador suena con las últimas dos barras parpadeando.

Procedimiento de Carga

1. Apaga el robot.
2. Apaga la GCS.
3. Conecta el inversor a toma de corriente. (Normalmente los inversores tienen indicador de nivel de carga integrado)

Consideraciones Generales

1. Uso en áreas concurridas

La luz UV es dañina para ojos y piel. Exposición a corta distancia (<3m) por más de 60 segundos puede dañar ojos y causar irritación cutánea. Sin embargo, los rayos UV no penetran medios sólidos. Mirar la luz UV a través de cristal transparente no afecta ojos ni cuerpo.

2. Materiales y dispositivos sensibles

Plásticos blandos son muy sensibles a UV. Se usan comúnmente en juguetes y envoltorios de comida. Por tanto, el dispositivo no puede usarse en jugueterías, supermercados, etc. Sin embargo, las luces UV pueden usarse para desinfectar suelos de dichas áreas.

3. Uso en hospitales

En hospitales, UV ayuda a desinfectar superficies de alto contacto rápidamente. Pero la efectividad en equipos médicos y fármacos debe considerarse. Equipos con carcasa plástica usan plásticos duros (sometidos a tratamiento de radiación en fabricación). No hay efectos probados de UV en fármacos almacenados. Equipos de acero inoxidable y mascarillas N95 pueden esterilizarse con el mismo dispositivo.

4. Efectividad en áreas sombreadas

La luz UV se refleja como la luz visible. Áreas sin luz UV directa reciben UV reflejada. Sin embargo, áreas muy cubiertas no reciben UV efectiva. Estas áreas tampoco se desinfectan con métodos basados en líquidos.

5. Otras consideraciones

La luz UV genera ozono en entornos cerrados por períodos prolongados. Como práctica general, todos los entornos cerrados se ventilan 20 minutos después de ser esterilizados por UV.

Código

Código para Arduino Mega

https://github.com/tharindusuraj/Ultraviolet-Germicidal-Robot

Esquemáticos

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