進(jìn)口冷鏈產(chǎn)品核酸采樣機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭世杰

（福州物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室有限公司，福建 福州 350000）

0 引 言

我國(guó)是貿(mào)易進(jìn)出口大國(guó)，我國(guó)每年進(jìn)口冷鏈產(chǎn)品數(shù)量巨大，在國(guó)內(nèi)外新冠病毒肆虐的環(huán)境下，對(duì)進(jìn)口冷鏈產(chǎn)品的核酸檢測(cè)工作尤為重要且工作量巨大。在我國(guó)進(jìn)口冷鏈產(chǎn)品核酸檢測(cè)采樣操作過(guò)程中，為了提高效率，不僅需要大量的檢疫人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工作，同時(shí)檢疫人員一旦進(jìn)入工作區(qū)域就需要連續(xù)工作數(shù)日，當(dāng)離開(kāi)工作區(qū)域時(shí)又需要按規(guī)定進(jìn)行相應(yīng)的隔離觀察。檢驗(yàn)人員在高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境下連續(xù)工作，不僅面臨感染風(fēng)險(xiǎn)，而且人力投入和隔離也消耗了巨大的成本費(fèi)用[1-4]。為了降低檢疫人員的感染風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用成本，提高進(jìn)口冷鏈產(chǎn)品檢疫工作效率，采用機(jī)器人替代檢疫人員進(jìn)行核酸采樣工作，具有重要意義[5-8]。

目前，國(guó)內(nèi)外機(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)品用于新冠疫情的防控，集中應(yīng)用于消毒、配送、人體采樣和遠(yuǎn)程會(huì)診等方面[9-11]。本文設(shè)計(jì)了一款針對(duì)進(jìn)口冷鏈產(chǎn)品的核酸采樣機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了冷鏈產(chǎn)品核酸采樣的自動(dòng)化。

1 進(jìn)口冷鏈產(chǎn)品核酸采樣機(jī)器人系統(tǒng)組成

1.1 核酸采樣機(jī)器人系統(tǒng)組成

進(jìn)口冷鏈產(chǎn)品的核酸采樣工作是一套標(biāo)準(zhǔn)化流程，包含了對(duì)冷鏈產(chǎn)品外包裝、內(nèi)包裝以及內(nèi)容的采樣，通過(guò)結(jié)合視覺(jué)引導(dǎo)、力控反饋功能的協(xié)作機(jī)器人可有效地提升效率、節(jié)約成本。

核酸采樣機(jī)器人系統(tǒng)采用中央控制計(jì)算機(jī)集中控制的方案，系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)主要由中控機(jī)、協(xié)作機(jī)器人、六維力矩傳感器、深度相機(jī)、噴殺消毒系統(tǒng)和試管包裝機(jī)等六個(gè)功能子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 核酸采樣機(jī)人系統(tǒng)組成

1.2 核酸采樣機(jī)器人系統(tǒng)通信方式

中央控制計(jì)算機(jī)與其他各功能子系統(tǒng)之間的通信方式如圖2所示。中控機(jī)通過(guò)TCP/IP協(xié)議與協(xié)作機(jī)器人控制器進(jìn)行通信；六維力矩傳感器安裝在機(jī)械臂末端，通過(guò)Ethercat協(xié)議與協(xié)作機(jī)器人控制器之間進(jìn)行通信；深度相機(jī)通過(guò)USB接口與中控機(jī)相連；噴殺消毒系統(tǒng)和試管包裝機(jī)均由協(xié)作機(jī)器人控制器擴(kuò)展出的I/O接口以開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制。

圖2 核酸采樣機(jī)器人通信方式

2 核酸采樣機(jī)器人功能子系統(tǒng)

核酸采樣機(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 協(xié)作機(jī)器人

機(jī)械臂及夾手是完成整個(gè)核酸采樣動(dòng)作的最主要設(shè)備，本系統(tǒng)選用的是新松GCR10-1300型號(hào)協(xié)作機(jī)器人，該機(jī)械臂具有6個(gè)自由度，末端額定負(fù)載為10 kg，機(jī)械臂最大工作半徑為1 300 mm，可滿足機(jī)器人在核酸采樣過(guò)程中操作任務(wù)的距離要求。

機(jī)械臂夾爪采用了末端夾持器，選用增廣智能的電動(dòng)模組，并針對(duì)拭子設(shè)計(jì)了專門的夾持機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 末端夾持器設(shè)計(jì)

2.2 力矩傳感器

力矩傳感器選用了坤維KWR75系列應(yīng)變式六軸力/力矩傳感器，可同時(shí)檢測(cè) 3個(gè)力和3個(gè)力矩，力矩傳感器通過(guò)Ethercat協(xié)議與協(xié)作機(jī)器人控制器進(jìn)行通信。

力矩傳感器用于拭子涂抹過(guò)程中監(jiān)測(cè)夾持拭子與冷凍品的接觸力，通過(guò)設(shè)定合理閾值確保拭子在采樣過(guò)程中與冷凍品始終保持接觸，同時(shí)避免拭子因接觸力過(guò)大意外折斷，導(dǎo)致采樣失敗。

2.3 深度相機(jī)

本系統(tǒng)選用Intel D435深度相機(jī)作為定位相機(jī)，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(diǎn)三維坐標(biāo)。

2.4 消毒液噴殺系統(tǒng)

消毒液噴殺系統(tǒng)由高壓隔膜水泵、儲(chǔ)液桶和噴管組成。高壓隔膜水泵通過(guò)繼電器連接到機(jī)械臂控制柜I/O擴(kuò)展口上，通過(guò)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制。整個(gè)系統(tǒng)分別在試管夾具上方、采樣臺(tái)面兩側(cè)和包裝機(jī)成品出口處分別設(shè)置噴殺口。

2.5 試管包裝機(jī)

系統(tǒng)配備自動(dòng)包裝機(jī)，利用透明塑料膜對(duì)采樣后的試管進(jìn)行熱熔密封包裝，包裝機(jī)由機(jī)械臂控制柜輸出的開(kāi)關(guān)量進(jìn)行包裝控制。

3 核酸采樣機(jī)器人工作流程

核酸采樣機(jī)器人的整個(gè)實(shí)現(xiàn)流程可分為以下7個(gè)步驟：

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

（2）深度相機(jī)將物品定位后的采樣坐標(biāo)點(diǎn)提供給協(xié)作機(jī)器人；

（3）機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到試管、拭子存儲(chǔ)區(qū)對(duì)應(yīng)位置，分別取出試管、拭子并通過(guò)夾具固定后，用拭子蘸取保存液準(zhǔn)備采樣；

（4）機(jī)械臂夾取咽拭子后定位到采樣坐標(biāo)點(diǎn)附近，開(kāi)始力控探尋，當(dāng)拭子接觸到被采樣物品并達(dá)到力控設(shè)定閾值后，沿基坐標(biāo)系Y軸方向做往復(fù)旋轉(zhuǎn)擦拭；

（5）將采樣拭子插入、折斷到試管保存液中，旋轉(zhuǎn)擰緊采樣試管，完成采樣操作；

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

（7）最后工作人員將被采樣物品移出采樣臺(tái)后，可點(diǎn)擊臺(tái)面消殺按鍵，對(duì)采樣臺(tái)面進(jìn)行噴殺消毒，整個(gè)流程結(jié)束。

4 核酸采樣機(jī)器人具體操作過(guò)程

核酸采樣機(jī)器人選用的新松GCR10-1300協(xié)作機(jī)器人，其重復(fù)精度為±0.05 mm，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，不會(huì)造成采樣時(shí)取樣位置偏出物體表面。

機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)速度是根據(jù)不同動(dòng)作和工作區(qū)域分別設(shè)置的速度值。在一些非關(guān)鍵性動(dòng)作（如夾取或扔掉試管、拭子等）和操作臺(tái)內(nèi)無(wú)人員接近的自由空間中，為了節(jié)省采樣時(shí)間，速度設(shè)置為最快；在拭子插入試管的操作過(guò)程中，速度與自由空間相比是較慢的，因?yàn)樗俣冗^(guò)快或過(guò)慢均會(huì)引起拭子的抖動(dòng)，造成拭子不能被準(zhǔn)確地插入試管中；在力控探尋采樣點(diǎn)的過(guò)程中，速度是最慢的，一方面是因?yàn)槭米颖旧硎欠浅Ｈ彳浀慕Y(jié)構(gòu)，它本身緩沖了一部分接觸力，因此機(jī)械臂感受到力的變化會(huì)相對(duì)滯后；另一方面是為了防止過(guò)快的速度使拭子變形過(guò)大導(dǎo)致折斷和采樣失敗。

4.1 視覺(jué)相機(jī)定位采樣點(diǎn)坐標(biāo)

核酸采樣機(jī)器人系統(tǒng)中選用的定位相機(jī)為雙目立體深度相機(jī)。該相機(jī)最主要功能是獲取采樣點(diǎn)三維坐標(biāo)。其原理是通過(guò)將相機(jī)獲得的彩色圖像流與深度流對(duì)齊，這樣彩色圖像上的每個(gè)像素就會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)深度值，作為z坐標(biāo)，然后通過(guò)相機(jī)內(nèi)參獲得該像素的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)，將獲得的x、y、z作為該像素點(diǎn)的相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。再通過(guò)矩陣轉(zhuǎn)換將相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為協(xié)作機(jī)器人基坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)點(diǎn)。中控機(jī)系統(tǒng)操作界面如圖4所示。

圖4 中控機(jī)系統(tǒng)操作界面

4.2 機(jī)械臂夾取試管及拭子操作

機(jī)械臂在采樣之前需要從試管存儲(chǔ)盤中取出試管及一次性咽拭子，取出過(guò)程利用協(xié)作機(jī)器人碼垛程序來(lái)完成，分別如圖5、圖6和圖7所示。通過(guò)示教器分別給碼垛程序的三個(gè)點(diǎn)位參數(shù)（接近點(diǎn)位、動(dòng)作點(diǎn)位、退出點(diǎn)位）賦坐標(biāo)值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂夾取動(dòng)作。首先機(jī)械臂到達(dá)試管正上方位置（即接近點(diǎn)位）；然后機(jī)械臂向下到達(dá)夾取試管位置（即動(dòng)作點(diǎn)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(jī)械臂到達(dá)接近點(diǎn)位置

圖7 機(jī)械臂到達(dá)退出點(diǎn)位置

4.3 拭子涂抹采樣操作

拭子采樣流程中，機(jī)械臂在不同位置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別如圖8～圖14所示。采樣過(guò)程首先是機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到采樣坐標(biāo)點(diǎn)附近；然后機(jī)械臂向采樣點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行力控探尋，當(dāng)拭子接觸力達(dá)到閾值范圍后機(jī)械臂開(kāi)始沿著基坐標(biāo)系Y軸方向做往復(fù)涂抹動(dòng)作，涂抹長(zhǎng)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(jī)械臂到達(dá)采樣點(diǎn)位置附近

圖10 接觸力達(dá)到閾值開(kāi)始涂抹動(dòng)作

圖11 機(jī)械臂往復(fù)涂抹動(dòng)作

圖12 拭子插入試管并折斷動(dòng)作

圖13 試管夾送至消殺噴口

圖14 試管送入包裝機(jī)入口

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著人們?cè)趨f(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域的不斷探索與研究，越來(lái)越多的協(xié)作機(jī)器人被應(yīng)用到各項(xiàng)工作中。協(xié)作機(jī)器人具有高效性、靈活性、準(zhǔn)確性和耐用性，不僅可以替代人們完成大量重復(fù)性的勞動(dòng)，在結(jié)合了機(jī)器視覺(jué)和力覺(jué)控制的能力后，也能夠?yàn)槿藗兲峁└泳芎椭悄艿纳a(chǎn)力。