核酸檢測的咽拭子采樣機器人系統開發

楊海濤，豐 飛，魏 鵬，孫占榮

(江蘇集萃華科智能裝備科技有限公司，江蘇 無錫 214000)

0 引言

新冠病毒的檢測方法主要包括核酸檢測(熒光定量RT-PCR)和抗體檢測。目前，確診新冠肺炎最主要的檢測手段是核酸檢測，通過直接對采集標本中的病毒核酸進行檢測，具有特異性強和敏感度相對較高的優點[1]。

核酸檢測采樣目前采用的主要方式是口腔咽拭子采樣檢測[2]。在核酸檢測咽拭子采樣操作過程中，醫護人員需要與患者近距離接觸，患者咳嗽、用力呼吸等都會產生大量飛沫或氣溶膠，會極大增加醫護人員在采樣過程中交叉感染風險。為了防止醫護人員被新冠病毒傳染和提升咽拭子核酸采樣質量， 采用機器人替代醫護人員進行口腔咽拭子核酸自主采樣，這可以減輕醫護人員工作強度和精神壓力，降低醫護人員交叉感染的風險，提高核酸檢測采樣的準確率，對于新冠病毒防控具有重要意義。

目前，國內外公司和機器人研發機構開發了大量機器人相關產品用于新冠病毒的防控，主要集中在消毒、配送和遠程會診等方面[3-10]。在此，研制了一款針對呼吸道傳染病特種呼吸機器人，實現了人體口腔呼吸道咽拭子核酸采樣檢測。

1 咽拭子采樣機器人系統

1.1 咽拭子采樣機器人的系統組成

目前，口腔咽拭子核酸檢測工作基本還是依靠醫護人員手工操作完成。為了減輕醫護人員核酸檢測的工作強度并降低醫護人員交叉感染的風險，研制了一套針對人體口腔內核酸咽拭子檢測工作的采樣機器人系統。

口腔內咽拭子采樣機器人系統的組成如圖1所示。根據咽拭子采樣機器人系統的功能，將機器人系統劃分為以下幾個子系統：任務機械臂子系統；下巴托自動升降平臺；咽拭子存儲系統；采樣后咽拭子保存系統； 信息交互子系統。

圖1 咽拭子采樣機器人系統功能組成

1.2 咽拭子采樣機器人系統的通信

咽拭子采樣機器人系統采用中央控制計算機實現對整個系統的集中控制，其與各個功能部件之間的通信方式如圖2所示。中央控制計算機通過TCP/IP協議實現與UR5機械臂控制器、六維力/力矩傳感器以及信息交互系統的通信；通過Modbus TCP協議實現與末端夾持器的通信；通過USB接口實現與三維立體視覺相機的通信；通過RS232串口通信實現與下巴托自動升降平臺控制器以及咽拭子樣棒自動存儲系統的通信。

圖2 咽拭子采樣機器人系統的通信方式

2 咽拭子采樣機器人的功能子系統

咽拭子采樣機器人的各個功能子系統是完成核酸檢測過程不可或缺的組成部分。

2.1 任務機械臂子系統

任務機械臂子系統是整個系統中最為核心的子系統，需要參與到整個采樣過程中，主要實現自主取咽拭子、咽拭子核酸采樣和咽拭子存放保存等操作任務。

任務機械臂子系統包括UR機械臂、末端夾持器和視覺相機等。UR機械臂具有6個自由度，末端額定負載為5 kg，最大臂展為850 mm，可以滿足機器人在咽拭子采樣過程中操作任務的工作空間需求。末端夾持器選用增廣智能的電動模組，并針對咽拭子的管子專門設計了夾持機構。視覺相機選用紅外雙目視覺相機，用于人體口腔的定位。六維力/力矩傳感器用于監視機械臂末端夾持的咽拭子與口腔內壁采樣過程中的接觸力，當接觸力超過一定閾值后，機械臂進入柔順控制模式，自動調節咽拭子與口腔內壁的接觸力，讓接觸力始終保持在閾值范圍內，從而不會對人體口腔造成傷害。

2.2 下巴托自動升降平臺

下巴托自動升降平臺子系統可以根據被采集者坐定高度自動調整下巴托升降平臺。下巴托升降平臺上固定了人體頭部模型，人體模型在口腔里固定了1個口含器(咬嘴)，用于機械臂末端的視覺相機的口腔定位。

2.3 咽拭子存儲系統

咽拭子存儲子系統能對一次性采樣咽拭子采樣管進行批量存儲，并且具有咽拭子采樣管頂出和夾緊功能，通過機械臂可以實現咽拭子的自動取出操作。

2.4 采樣后咽拭子保存系統

采樣后咽拭子保存子系統主要用于核酸檢測機器人采樣后的咽拭子封存和存儲。

2.5 信息交互子系統

信息交互子系統負責實現篩查人員的互動式實名登記(人臉+ID)、流行病情況自主詢問與建議、引導取樣全過程、耗品廢棄物與樣品保存情況顯示與提醒，以及測溫過程引導等工作。

3 咽拭子采樣機器人的工作流程

核酸檢測機器人的咽拭子采樣的整個實現流程如下：

a.采樣人登記(人臉或者ID)，并與采樣管編碼對應。

b.機器人通過視覺相機全程跟隨正對被采集人的口腔位置，保持適宜距離。

c.被采集者將下巴托調整到合適高度位置，并佩戴好口含器。

d.被采集者準備好后，按動采集按鈕，機器人通過視覺觀察被采集人是否正確含入一次性專用口含器，并處在機械臂可達工作空間內，如高度不合適可以提示被采集者通過椅子之類升高或降低。

e.機械臂運動到達咽拭子樣棒存儲系統對應位置，取出一次性咽拭子。

f.機器人抓取咽拭子后定位到口腔部位，打開觀察光束，進行取樣部位初步定位。

g.機械手在初步定位下持咽拭子無接觸穿過口腔前部，將咽拭子側方貼近取樣部位(兩側咽扁桃體、咽后壁)并較快旋轉2周，離開復位后再貼近旋轉2周，往返在每個部位執行3次(旋轉幾周、是否能旋轉、用多大力接觸后旋轉或擦拭，需根據六維力/力矩傳感器測量的接觸力和采樣實驗效果來綜合確定)。

h.實時監控機械臂末端咽拭子采樣的接觸力信號，當接觸力超過設定閾值時，通過六維力矩傳感器實現柔順控制，保證接觸力不會超過閾值，即不會對被采樣者造成傷害。

i.通過機械臂末端的視覺相機定位口腔，并在動態過程中居中取出咽拭子。

j.取出后，機械臂通過視覺相機定位，將咽拭子插回咽拭子保存系統，旋轉擰緊采樣管，完成采樣操作。

k.系統語音提示被采樣人采樣完畢，并顯示采集編號和發送信息至其手機。

4 咽拭子采樣機器人系統采樣實驗

咽拭子采樣機器人系統中選用的UR5輕型機械臂其重復精度為±0.1 mm，絕對定位精度在未校準情況下為2～3 mm，校準后絕對定位精度會優于0.5 mm[11]，能夠滿足采樣實驗對機器人運動位置的定位精度要求。機械臂運動能夠保證位置精度，不會產生大的位置偏差，對人體造成傷害。

機械臂運動速度是根據各個子任務的不同區間來分別設置速度值。在距離人較遠的自由空間中，為了節省采樣時間，速度設置為最快；在與咽拭子插拔的接觸操作過程中，速度與自由空間相比是較慢的；在進入人體口腔內進行采樣的過程中，速度是最慢的，一方面是為了確保不會對人體口腔造成傷害，另一方面是為了保證咽拭子采樣的質量。

咽拭子本身是非常柔軟的結構，并且機械臂在運動過程中速度是非常緩慢的。此外，機械臂末端安裝有六維力/力矩傳感器，可以實時檢測咽拭子與口腔內壁的接觸力，并且為接觸力設定了1個閾值，該閾值為人體口腔可接受的1個外力值。當接觸力超過設定閾值時，機械臂由位置控制切換到柔順控制，通過柔順控制來調整機械臂末端的位置從而調整咽拭子與口腔內壁的接觸力大小，從而保證不會對人體口腔造成傷害。

在咽拭子采樣機器人系統采樣實驗中，機械臂的運動過程如下：

a.機械臂末端視覺相機定位人體口腔位置。

b.機械臂從咽拭子存儲系統中取出咽拭子。

c.機械臂咽拭子的采樣操作。

d.機械臂將采樣后咽拭子放到咽拭子采樣保存系統。

e.機械臂回到初始位置。

4.1 機械臂末端視覺相機定位人體口腔位置

咽拭子采樣機器人系統中選用的相機為紅外雙目視覺相機。該相機主要用于人體口腔的定位，其在暗光線情況下和正常光線情況拍攝人體口腔口含器的圖像分別如圖3和圖4所示，通過對圖像進行處理，可以獲得機械臂相對口腔的位姿信息，從而利用該信息視覺伺服引導機械臂運動。

圖3 在暗光線情況下的口腔口含器視覺圖像

圖4 在正常光線情況下的口腔口含器的圖像

4.2 機械臂取咽拭子操作

機械臂在采樣之前需要從咽拭子存儲系統中取出一次性咽拭子，咽拭子取出過程分別如圖5、圖6和圖7所示。首先機械臂到達咽拭子存儲系統正上方位置；然后機械臂到達夾取咽拭子的位置，夾持器夾緊咽拭子的一端;最后從存儲系統中取出咽拭子。

圖5 機械臂取咽拭子之前狀態

圖6 機械臂末端夾持器鎖緊咽拭子狀態

圖7 機械臂取出咽拭子狀態

4.3 機械臂咽拭子的采樣操作

在咽拭子采樣實驗中，機械臂在不同位置的運動狀態分別如圖8、圖9和圖10所示。采樣過程首先是機械臂視覺伺服運動到人體口腔附近；然后機械臂視覺伺服運動到人體口腔內，進行采樣操作；最后從人體口腔內取出采樣后的咽拭子。

圖8 機械臂視覺伺服運動到人體口腔附近

圖9 機械臂視覺伺服運動到人體口腔內

圖10 機械臂運動體口腔內采樣位置

4.4 機械臂采樣后咽拭子放回保存系統

機械臂采樣后需要將咽拭子放到保存系統中，采樣后咽拭子放回過程分別如圖11和圖12所示。在這一操作過程中，機械臂需要完成的最主要任務是將咽拭子插到試管中。該操作機械臂的動作流程如下：首先機械臂運動到試管正上方；然后通過視覺和力覺配合，將咽拭子插到試管中，夾持器釋放咽拭子，該操作任務完成。

圖11 機械臂夾持咽拭子在試管正上方的狀態

圖12 機械臂將咽拭子插到試管中的狀態

5 結束語

咽拭子采樣機器人主要是針對口腔內核酸檢測而開發的自動化系統，該系統可以用于醫院或者社區對被測試者進行自動化的核酸采樣。目前，系統還處于樣機研制階段，還未進行人體真實采樣，無法給出采樣準確率的相關數據。后續系統功能完善后，可以實現人體口腔的定位、自動取咽拭子、自動口腔內核酸采樣以及采樣后咽拭子保存等整個采樣過程。