進口冷鏈產品核酸采樣機器人系統設計

郭世杰

（福州物聯網開放實驗室有限公司，福建 福州 350000）

0 引 言

我國是貿易進出口大國，我國每年進口冷鏈產品數量巨大，在國內外新冠病毒肆虐的環境下，對進口冷鏈產品的核酸檢測工作尤為重要且工作量巨大。在我國進口冷鏈產品核酸檢測采樣操作過程中，為了提高效率，不僅需要大量的檢疫人員在現場進行工作，同時檢疫人員一旦進入工作區域就需要連續工作數日，當離開工作區域時又需要按規定進行相應的隔離觀察。檢驗人員在高風險環境下連續工作，不僅面臨感染風險，而且人力投入和隔離也消耗了巨大的成本費用[1-4]。為了降低檢疫人員的感染風險和費用成本，提高進口冷鏈產品檢疫工作效率，采用機器人替代檢疫人員進行核酸采樣工作，具有重要意義[5-8]。

目前，國內外機器人研發機構開發了大量機器人相關產品用于新冠疫情的防控，集中應用于消毒、配送、人體采樣和遠程會診等方面[9-11]。本文設計了一款針對進口冷鏈產品的核酸采樣機器人，實現了冷鏈產品核酸采樣的自動化。

1 進口冷鏈產品核酸采樣機器人系統組成

1.1 核酸采樣機器人系統組成

進口冷鏈產品的核酸采樣工作是一套標準化流程，包含了對冷鏈產品外包裝、內包裝以及內容的采樣，通過結合視覺引導、力控反饋功能的協作機器人可有效地提升效率、節約成本。

核酸采樣機器人系統采用中央控制計算機集中控制的方案，系統功能實現主要由中控機、協作機器人、六維力矩傳感器、深度相機、噴殺消毒系統和試管包裝機等六個功能子系統組成。系統組成如圖1所示。

圖1 核酸采樣機人系統組成

1.2 核酸采樣機器人系統通信方式

中央控制計算機與其他各功能子系統之間的通信方式如圖2所示。中控機通過TCP/IP協議與協作機器人控制器進行通信；六維力矩傳感器安裝在機械臂末端，通過Ethercat協議與協作機器人控制器之間進行通信；深度相機通過USB接口與中控機相連；噴殺消毒系統和試管包裝機均由協作機器人控制器擴展出的I/O接口以開關量進行控制。

圖2 核酸采樣機器人通信方式

2 核酸采樣機器人功能子系統

核酸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 協作機器人

機械臂及夾手是完成整個核酸采樣動作的最主要設備，本系統選用的是新松GCR10-1300型號協作機器人，該機械臂具有6個自由度，末端額定負載為10 kg，機械臂最大工作半徑為1 300 mm，可滿足機器人在核酸采樣過程中操作任務的距離要求。

機械臂夾爪采用了末端夾持器，選用增廣智能的電動模組，并針對拭子設計了專門的夾持機構，如圖3所示。

圖3 末端夾持器設計

2.2 力矩傳感器

力矩傳感器選用了坤維KWR75系列應變式六軸力/力矩傳感器，可同時檢測 3個力和3個力矩，力矩傳感器通過Ethercat協議與協作機器人控制器進行通信。

力矩傳感器用于拭子涂抹過程中監測夾持拭子與冷凍品的接觸力，通過設定合理閾值確保拭子在采樣過程中與冷凍品始終保持接觸，同時避免拭子因接觸力過大意外折斷，導致采樣失敗。

2.3 深度相機

本系統選用Intel D435深度相機作為定位相機，D435可以獲得彩色圖和同步的深度圖，主要用于獲取物品表面采樣點三維坐標。

2.4 消毒液噴殺系統

消毒液噴殺系統由高壓隔膜水泵、儲液桶和噴管組成。高壓隔膜水泵通過繼電器連接到機械臂控制柜I/O擴展口上，通過開關量進行控制。整個系統分別在試管夾具上方、采樣臺面兩側和包裝機成品出口處分別設置噴殺口。

2.5 試管包裝機

系統配備自動包裝機，利用透明塑料膜對采樣后的試管進行熱熔密封包裝，包裝機由機械臂控制柜輸出的開關量進行包裝控制。

3 核酸采樣機器人工作流程

核酸采樣機器人的整個實現流程可分為以下7個步驟：

（1）工作人員將被采樣物品放置于采樣臺上劃定的區域內，并在中控機上選擇采樣模式后，點擊定位及采樣按鍵；

（2）深度相機將物品定位后的采樣坐標點提供給協作機器人；

（3）機械臂運動到試管、拭子存儲區對應位置，分別取出試管、拭子并通過夾具固定后，用拭子蘸取保存液準備采樣；

（4）機械臂夾取咽拭子后定位到采樣坐標點附近，開始力控探尋，當拭子接觸到被采樣物品并達到力控設定閾值后，沿基坐標系Y軸方向做往復旋轉擦拭；

（5）將采樣拭子插入、折斷到試管保存液中，旋轉擰緊采樣試管，完成采樣操作；

（6）機械臂夾起試管至噴殺口處噴殺消毒后，將試管送入包裝機進行包裝；包裝后，在包裝機出口試管存放區，再次進行噴殺消毒；

（7）最后工作人員將被采樣物品移出采樣臺后，可點擊臺面消殺按鍵，對采樣臺面進行噴殺消毒，整個流程結束。

4 核酸采樣機器人具體操作過程

核酸采樣機器人選用的新松GCR10-1300協作機器人，其重復精度為±0.05 mm，機械臂運動能夠保證位置精度，不會產生大的位置偏差，不會造成采樣時取樣位置偏出物體表面。

機械臂運動速度是根據不同動作和工作區域分別設置的速度值。在一些非關鍵性動作（如夾取或扔掉試管、拭子等）和操作臺內無人員接近的自由空間中，為了節省采樣時間，速度設置為最快；在拭子插入試管的操作過程中，速度與自由空間相比是較慢的，因為速度過快或過慢均會引起拭子的抖動，造成拭子不能被準確地插入試管中；在力控探尋采樣點的過程中，速度是最慢的，一方面是因為拭子本身是非常柔軟的結構，它本身緩沖了一部分接觸力，因此機械臂感受到力的變化會相對滯后；另一方面是為了防止過快的速度使拭子變形過大導致折斷和采樣失敗。

4.1 視覺相機定位采樣點坐標

核酸采樣機器人系統中選用的定位相機為雙目立體深度相機。該相機最主要功能是獲取采樣點三維坐標。其原理是通過將相機獲得的彩色圖像流與深度流對齊，這樣彩色圖像上的每個像素就會對應一個深度值，作為z坐標，然后通過相機內參獲得該像素的x坐標和y坐標，將獲得的x、y、z作為該像素點的相機坐標系下的三維坐標。再通過矩陣轉換將相機坐標系下的三維坐標轉換為協作機器人基坐標系下的三維坐標點。中控機系統操作界面如圖4所示。

圖4 中控機系統操作界面

4.2 機械臂夾取試管及拭子操作

機械臂在采樣之前需要從試管存儲盤中取出試管及一次性咽拭子，取出過程利用協作機器人碼垛程序來完成，分別如圖5、圖6和圖7所示。通過示教器分別給碼垛程序的三個點位參數（接近點位、動作點位、退出點位）賦坐標值，進而實現機械臂夾取動作。首先機械臂到達試管正上方位置（即接近點位）；然后機械臂向下到達夾取試管位置（即動作點位），夾手夾緊試管頂端；最后從托盤中取出試管。拭子的夾取方式與試管的夾取方式一致。

圖5 機械臂到達接近點位置

圖7 機械臂到達退出點位置

4.3 拭子涂抹采樣操作

拭子采樣流程中，機械臂在不同位置的運動狀態分別如圖8～圖14所示。采樣過程首先是機械臂運動到采樣坐標點附近；然后機械臂向采樣點坐標進行力控探尋，當拭子接觸力達到閾值范圍后機械臂開始沿著基坐標系Y軸方向做往復涂抹動作，涂抹長度為10 cm；最后將采樣完成的拭子插入到保存液試管中，并折斷拭子，蓋好試管蓋并擰緊，采樣流程完成。

圖8 機械臂到達采樣點位置附近

圖10 接觸力達到閾值開始涂抹動作

圖11 機械臂往復涂抹動作

圖12 拭子插入試管并折斷動作

圖13 試管夾送至消殺噴口

圖14 試管送入包裝機入口

5 結 語

隨著人們在協作機器人領域的不斷探索與研究，越來越多的協作機器人被應用到各項工作中。協作機器人具有高效性、靈活性、準確性和耐用性，不僅可以替代人們完成大量重復性的勞動，在結合了機器視覺和力覺控制的能力后，也能夠為人們提供更加精密和智能的生產力。