核酸檢測(cè)的咽拭子采樣機(jī)器人系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

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(wú)錫 214000)

0 引言

新冠病毒的檢測(cè)方法主要包括核酸檢測(cè)(熒光定量RT-PCR)和抗體檢測(cè)。目前，確診新冠肺炎最主要的檢測(cè)手段是核酸檢測(cè)，通過(guò)直接對(duì)采集標(biāo)本中的病毒核酸進(jìn)行檢測(cè)，具有特異性強(qiáng)和敏感度相對(duì)較高的優(yōu)點(diǎn)[1]。

核酸檢測(cè)采樣目前采用的主要方式是口腔咽拭子采樣檢測(cè)[2]。在核酸檢測(cè)咽拭子采樣操作過(guò)程中，醫(yī)護(hù)人員需要與患者近距離接觸，患者咳嗽、用力呼吸等都會(huì)產(chǎn)生大量飛沫或氣溶膠，會(huì)極大增加醫(yī)護(hù)人員在采樣過(guò)程中交叉感染風(fēng)險(xiǎn)。為了防止醫(yī)護(hù)人員被新冠病毒傳染和提升咽拭子核酸采樣質(zhì)量， 采用機(jī)器人替代醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行口腔咽拭子核酸自主采樣，這可以減輕醫(yī)護(hù)人員工作強(qiáng)度和精神壓力，降低醫(yī)護(hù)人員交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，提高核酸檢測(cè)采樣的準(zhǔn)確率，對(duì)于新冠病毒防控具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外公司和機(jī)器人研發(fā)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了大量機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)品用于新冠病毒的防控，主要集中在消毒、配送和遠(yuǎn)程會(huì)診等方面[3-10]。在此，研制了一款針對(duì)呼吸道傳染病特種呼吸機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了人體口腔呼吸道咽拭子核酸采樣檢測(cè)。

1 咽拭子采樣機(jī)器人系統(tǒng)

1.1 咽拭子采樣機(jī)器人的系統(tǒng)組成

目前，口腔咽拭子核酸檢測(cè)工作基本還是依靠醫(yī)護(hù)人員手工操作完成。為了減輕醫(yī)護(hù)人員核酸檢測(cè)的工作強(qiáng)度并降低醫(yī)護(hù)人員交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，研制了一套針對(duì)人體口腔內(nèi)核酸咽拭子檢測(cè)工作的采樣機(jī)器人系統(tǒng)。

口腔內(nèi)咽拭子采樣機(jī)器人系統(tǒng)的組成如圖1所示。根據(jù)咽拭子采樣機(jī)器人系統(tǒng)的功能，將機(jī)器人系統(tǒng)劃分為以下幾個(gè)子系統(tǒng)：任務(wù)機(jī)械臂子系統(tǒng)；下巴托自動(dòng)升降平臺(tái)；咽拭子存儲(chǔ)系統(tǒng)；采樣后咽拭子保存系統(tǒng)； 信息交互子系統(tǒng)。

圖1 咽拭子采樣機(jī)器人系統(tǒng)功能組成

1.2 咽拭子采樣機(jī)器人系統(tǒng)的通信

咽拭子采樣機(jī)器人系統(tǒng)采用中央控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的集中控制，其與各個(gè)功能部件之間的通信方式如圖2所示。中央控制計(jì)算機(jī)通過(guò)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)與UR5機(jī)械臂控制器、六維力/力矩傳感器以及信息交互系統(tǒng)的通信；通過(guò)Modbus TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)與末端夾持器的通信；通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)與三維立體視覺(jué)相機(jī)的通信；通過(guò)RS232串口通信實(shí)現(xiàn)與下巴托自動(dòng)升降平臺(tái)控制器以及咽拭子樣棒自動(dòng)存儲(chǔ)系統(tǒng)的通信。

圖2 咽拭子采樣機(jī)器人系統(tǒng)的通信方式

2 咽拭子采樣機(jī)器人的功能子系統(tǒng)

咽拭子采樣機(jī)器人的各個(gè)功能子系統(tǒng)是完成核酸檢測(cè)過(guò)程不可或缺的組成部分。

2.1 任務(wù)機(jī)械臂子系統(tǒng)

任務(wù)機(jī)械臂子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)中最為核心的子系統(tǒng)，需要參與到整個(gè)采樣過(guò)程中，主要實(shí)現(xiàn)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(wù)。

任務(wù)機(jī)械臂子系統(tǒng)包括UR機(jī)械臂、末端夾持器和視覺(jué)相機(jī)等。UR機(jī)械臂具有6個(gè)自由度，末端額定負(fù)載為5 kg，最大臂展為850 mm，可以滿(mǎn)足機(jī)器人在咽拭子采樣過(guò)程中操作任務(wù)的工作空間需求。末端夾持器選用增廣智能的電動(dòng)模組，并針對(duì)咽拭子的管子專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了夾持機(jī)構(gòu)。視覺(jué)相機(jī)選用紅外雙目視覺(jué)相機(jī)，用于人體口腔的定位。六維力/力矩傳感器用于監(jiān)視機(jī)械臂末端夾持的咽拭子與口腔內(nèi)壁采樣過(guò)程中的接觸力，當(dāng)接觸力超過(guò)一定閾值后，機(jī)械臂進(jìn)入柔順控制模式，自動(dòng)調(diào)節(jié)咽拭子與口腔內(nèi)壁的接觸力，讓接觸力始終保持在閾值范圍內(nèi)，從而不會(huì)對(duì)人體口腔造成傷害。

2.2 下巴托自動(dòng)升降平臺(tái)

下巴托自動(dòng)升降平臺(tái)子系統(tǒng)可以根據(jù)被采集者坐定高度自動(dòng)調(diào)整下巴托升降平臺(tái)。下巴托升降平臺(tái)上固定了人體頭部模型，人體模型在口腔里固定了1個(gè)口含器(咬嘴)，用于機(jī)械臂末端的視覺(jué)相機(jī)的口腔定位。

2.3 咽拭子存儲(chǔ)系統(tǒng)

咽拭子存儲(chǔ)子系統(tǒng)能對(duì)一次性采樣咽拭子采樣管進(jìn)行批量存儲(chǔ)，并且具有咽拭子采樣管頂出和夾緊功能，通過(guò)機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)咽拭子的自動(dòng)取出操作。

2.4 采樣后咽拭子保存系統(tǒng)

采樣后咽拭子保存子系統(tǒng)主要用于核酸檢測(cè)機(jī)器人采樣后的咽拭子封存和存儲(chǔ)。

2.5 信息交互子系統(tǒng)

信息交互子系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)篩查人員的互動(dòng)式實(shí)名登記(人臉+ID)、流行病情況自主詢(xún)問(wèn)與建議、引導(dǎo)取樣全過(guò)程、耗品廢棄物與樣品保存情況顯示與提醒，以及測(cè)溫過(guò)程引導(dǎo)等工作。

3 咽拭子采樣機(jī)器人的工作流程

核酸檢測(cè)機(jī)器人的咽拭子采樣的整個(gè)實(shí)現(xiàn)流程如下：

a.采樣人登記(人臉或者ID)，并與采樣管編碼對(duì)應(yīng)。

b.機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)相機(jī)全程跟隨正對(duì)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(diào)整到合適高度位置，并佩戴好口含器。

d.被采集者準(zhǔn)備好后，按動(dòng)采集按鈕，機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)觀察被采集人是否正確含入一次性專(zhuān)用口含器，并處在機(jī)械臂可達(dá)工作空間內(nèi)，如高度不合適可以提示被采集者通過(guò)椅子之類(lèi)升高或降低。

e.機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到達(dá)咽拭子樣棒存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)位置，取出一次性咽拭子。

f.機(jī)器人抓取咽拭子后定位到口腔部位，打開(kāi)觀察光束，進(jìn)行取樣部位初步定位。

g.機(jī)械手在初步定位下持咽拭子無(wú)接觸穿過(guò)口腔前部，將咽拭子側(cè)方貼近取樣部位(兩側(cè)咽扁桃體、咽后壁)并較快旋轉(zhuǎn)2周，離開(kāi)復(fù)位后再貼近旋轉(zhuǎn)2周，往返在每個(gè)部位執(zhí)行3次(旋轉(zhuǎn)幾周、是否能旋轉(zhuǎn)、用多大力接觸后旋轉(zhuǎn)或擦拭，需根據(jù)六維力/力矩傳感器測(cè)量的接觸力和采樣實(shí)驗(yàn)效果來(lái)綜合確定)。

h.實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)械臂末端咽拭子采樣的接觸力信號(hào)，當(dāng)接觸力超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，通過(guò)六維力矩傳感器實(shí)現(xiàn)柔順控制，保證接觸力不會(huì)超過(guò)閾值，即不會(huì)對(duì)被采樣者造成傷害。

i.通過(guò)機(jī)械臂末端的視覺(jué)相機(jī)定位口腔，并在動(dòng)態(tài)過(guò)程中居中取出咽拭子。

j.取出后，機(jī)械臂通過(guò)視覺(jué)相機(jī)定位，將咽拭子插回咽拭子保存系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)擰緊采樣管，完成采樣操作。

k.系統(tǒng)語(yǔ)音提示被采樣人采樣完畢，并顯示采集編號(hào)和發(fā)送信息至其手機(jī)。

4 咽拭子采樣機(jī)器人系統(tǒng)采樣實(shí)驗(yàn)

咽拭子采樣機(jī)器人系統(tǒng)中選用的UR5輕型機(jī)械臂其重復(fù)精度為±0.1 mm，絕對(duì)定位精度在未校準(zhǔn)情況下為2～3 mm，校準(zhǔn)后絕對(duì)定位精度會(huì)優(yōu)于0.5 mm[11]，能夠滿(mǎn)足采樣實(shí)驗(yàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)位置的定位精度要求。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)能夠保證位置精度，不會(huì)產(chǎn)生大的位置偏差，對(duì)人體造成傷害。

機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)速度是根據(jù)各個(gè)子任務(wù)的不同區(qū)間來(lái)分別設(shè)置速度值。在距離人較遠(yuǎn)的自由空間中，為了節(jié)省采樣時(shí)間，速度設(shè)置為最快；在與咽拭子插拔的接觸操作過(guò)程中，速度與自由空間相比是較慢的；在進(jìn)入人體口腔內(nèi)進(jìn)行采樣的過(guò)程中，速度是最慢的，一方面是為了確保不會(huì)對(duì)人體口腔造成傷害，另一方面是為了保證咽拭子采樣的質(zhì)量。

咽拭子本身是非常柔軟的結(jié)構(gòu)，并且機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度是非常緩慢的。此外，機(jī)械臂末端安裝有六維力/力矩傳感器，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)咽拭子與口腔內(nèi)壁的接觸力，并且為接觸力設(shè)定了1個(gè)閾值，該閾值為人體口腔可接受的1個(gè)外力值。當(dāng)接觸力超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，機(jī)械臂由位置控制切換到柔順控制，通過(guò)柔順控制來(lái)調(diào)整機(jī)械臂末端的位置從而調(diào)整咽拭子與口腔內(nèi)壁的接觸力大小，從而保證不會(huì)對(duì)人體口腔造成傷害。

在咽拭子采樣機(jī)器人系統(tǒng)采樣實(shí)驗(yàn)中，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如下：

a.機(jī)械臂末端視覺(jué)相機(jī)定位人體口腔位置。

b.機(jī)械臂從咽拭子存儲(chǔ)系統(tǒng)中取出咽拭子。

c.機(jī)械臂咽拭子的采樣操作。

d.機(jī)械臂將采樣后咽拭子放到咽拭子采樣保存系統(tǒng)。

e.機(jī)械臂回到初始位置。

4.1 機(jī)械臂末端視覺(jué)相機(jī)定位人體口腔位置

咽拭子采樣機(jī)器人系統(tǒng)中選用的相機(jī)為紅外雙目視覺(jué)相機(jī)。該相機(jī)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(guò)對(duì)圖像進(jìn)行處理，可以獲得機(jī)械臂相對(duì)口腔的位姿信息，從而利用該信息視覺(jué)伺服引導(dǎo)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。

圖3 在暗光線情況下的口腔口含器視覺(jué)圖像

圖4 在正常光線情況下的口腔口含器的圖像

4.2 機(jī)械臂取咽拭子操作

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

圖5 機(jī)械臂取咽拭子之前狀態(tài)

圖6 機(jī)械臂末端夾持器鎖緊咽拭子狀態(tài)

圖7 機(jī)械臂取出咽拭子狀態(tài)

4.3 機(jī)械臂咽拭子的采樣操作

在咽拭子采樣實(shí)驗(yàn)中，機(jī)械臂在不同位置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別如圖8、圖9和圖10所示。采樣過(guò)程首先是機(jī)械臂視覺(jué)伺服運(yùn)動(dòng)到人體口腔附近；然后機(jī)械臂視覺(jué)伺服運(yùn)動(dòng)到人體口腔內(nèi)，進(jìn)行采樣操作；最后從人體口腔內(nèi)取出采樣后的咽拭子。

圖8 機(jī)械臂視覺(jué)伺服運(yùn)動(dòng)到人體口腔附近

圖9 機(jī)械臂視覺(jué)伺服運(yùn)動(dòng)到人體口腔內(nèi)

圖10 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)體口腔內(nèi)采樣位置

4.4 機(jī)械臂采樣后咽拭子放回保存系統(tǒng)

機(jī)械臂采樣后需要將咽拭子放到保存系統(tǒng)中，采樣后咽拭子放回過(guò)程分別如圖11和圖12所示。在這一操作過(guò)程中，機(jī)械臂需要完成的最主要任務(wù)是將咽拭子插到試管中。該操作機(jī)械臂的動(dòng)作流程如下：首先機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到試管正上方；然后通過(guò)視覺(jué)和力覺(jué)配合，將咽拭子插到試管中，夾持器釋放咽拭子，該操作任務(wù)完成。

圖11 機(jī)械臂夾持咽拭子在試管正上方的狀態(tài)

圖12 機(jī)械臂將咽拭子插到試管中的狀態(tài)

5 結(jié)束語(yǔ)

咽拭子采樣機(jī)器人主要是針對(duì)口腔內(nèi)核酸檢測(cè)而開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以用于醫(yī)院或者社區(qū)對(duì)被測(cè)試者進(jìn)行自動(dòng)化的核酸采樣。目前，系統(tǒng)還處于樣機(jī)研制階段，還未進(jìn)行人體真實(shí)采樣，無(wú)法給出采樣準(zhǔn)確率的相關(guān)數(shù)據(jù)。后續(xù)系統(tǒng)功能完善后，可以實(shí)現(xiàn)人體口腔的定位、自動(dòng)取咽拭子、自動(dòng)口腔內(nèi)核酸采樣以及采樣后咽拭子保存等整個(gè)采樣過(guò)程。