淺談一種自動咽拭子采樣機(jī)

佘奇航，蔣天杰

（鹽城工學(xué)院機(jī)械優(yōu)集學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

1 前言

急性呼吸道傳染病是由病毒、細(xì)菌、支原體等病原體從呼吸道感染侵入、傳播而引起的急性呼吸系統(tǒng)疾病。近年來，我國經(jīng)歷了SARS、新冠等呼吸道病毒的肆虐，對人們的生活和健康造成了嚴(yán)重危害。在病毒第一時間爆發(fā)時，人們往往沒有特效藥去治愈被感染的患者，所以在第一時間的預(yù)防往往更加重要。在剛剛過去的新冠疫情中，預(yù)防新冠傳播的最好方式是做咽拭子核酸，一般為醫(yī)護(hù)人員幫助采集，如圖1所示。

圖1 核酸人工采集

目前，在很多地區(qū)，所設(shè)立的采樣點往往在戶外，在嚴(yán)酷的夏天，醫(yī)護(hù)人員全程身穿白色防護(hù)服進(jìn)行高強(qiáng)度的咽拭子采樣工作，容易出現(xiàn)中暑等情況。因此，很多地區(qū)開始采用核 酸采樣小屋。這雖然使醫(yī)護(hù)人員在工作時不再受到天氣的影響，但因為人工采樣時間有限，會導(dǎo)致大量居民在一時間段集中聚集采樣，在這個過程中，依舊存在這感染的可能。并且給居民進(jìn)行采樣的醫(yī)護(hù)人員在面對長時間的采樣工作時依舊有被感染的風(fēng)險。針對以上問題，本文提出了一種集全面消毒，咽拭子采樣，咽拭子打包保存于一體的自動咽拭子采樣裝置，旨在有效解決咽拭子采樣的醫(yī)護(hù)人員不足及交叉感染等問題，并實現(xiàn)采樣速度的有效提升。

2 方案設(shè)計與工作原理

具體設(shè)計方案和工作原理如下所述。

自動咽拭子采樣機(jī)如圖2、3 所示，包括消毒系統(tǒng)、自動升降裝置、棉簽分離輸送裝置、采樣收集系統(tǒng)。消毒系統(tǒng)通過霧化酒精和紫外線進(jìn)行采樣空間的雙重消毒。自動升降裝置可以適應(yīng)不同身高的人群。棉簽分離裝置則可精準(zhǔn)供給單根棉簽到采樣收集系統(tǒng)中。采樣收集系統(tǒng)由采樣機(jī)械手、棉簽運輸裝置、剪刀裝置、試管掃碼開蓋裝置、試管運輸裝置和自動上料裝置組成。

圖2 自動咽拭子采樣機(jī)外觀圖

圖3 自動咽拭子采樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.1 消毒系統(tǒng)

消毒系統(tǒng)包括酒精霧化噴頭，燈光帶組成。在采樣人員進(jìn)入采樣密封空間后，通過酒精霧化噴頭噴灑酒精，實現(xiàn)對咽拭子采樣人員和采樣密封空間的消毒。該設(shè)備內(nèi)部設(shè)有白熾燈和紫外線燈兩種光源，當(dāng)有人進(jìn)入采樣密封空間時，白熾燈提供照明功能；而當(dāng)設(shè)備較長時間沒有人進(jìn)入時，紫外線燈開始工作，全面消毒采樣密封空間。

2.2 自動升降裝置

自動升降裝置采用剪叉機(jī)構(gòu)，由上踏板、短插銷、連桿、下踏板、長插銷、液壓內(nèi)桿和液壓外桿組成。利用液壓力使液壓外桿內(nèi)的液壓油進(jìn)入液壓外桿，從而使液壓內(nèi)桿伸出，上踏板上升。該自動升降裝置最大升高可達(dá)到360mm，能夠有效適應(yīng)不同身高人群的需求。其外觀如圖4 所示。

圖4 自動升降裝置外觀圖

2.3 棉簽分離輸送裝置

棉簽分離運輸裝置的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。該裝置由棉簽存放盒、分離滾筒和棉簽輸送帶組成。棉簽進(jìn)入棉簽存放盒后，逐一滑入分離滾筒中滾子的凹槽中，并通過滾子的旋轉(zhuǎn)將棉簽傳送到棉簽輸送帶上的相應(yīng)凹槽中固定。最后，棉簽通過輸送帶被送至指定區(qū)域。

圖5 棉簽分離運輸裝置結(jié)構(gòu)圖

2.4 采樣收集系統(tǒng)

采樣收集系統(tǒng)由采樣機(jī)械手、棉簽運輸裝置、剪刀裝置、試管掃碼開蓋裝置、試管運輸裝置和自動上料裝置6 個組成部分構(gòu)成。采樣機(jī)械手主要負(fù)責(zé)對患者咽拭子樣本進(jìn)行采樣操作；棉簽運輸裝置用于運輸沾有樣本的棉簽至剪刀裝置；剪刀裝置則負(fù)責(zé)分離棉簽的頭部和桿部，以完成樣本的準(zhǔn)確分離；試管掃碼開蓋裝置則用于匹配相應(yīng)信息；而試管運輸裝置則負(fù)責(zé)試管的運輸工作；最后，自動上料裝置用于堆疊咽拭子樣本，完成碼放工作。整個工作流程如圖6 所示。

圖6 采樣收集系統(tǒng)工作流程圖

以下為采樣收集系統(tǒng)關(guān)鍵零部件介紹。

（1）采樣機(jī)械手。采樣機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖7 所示。該機(jī)械手通過底座和外殼連接在一起，方便拆卸和更換維修?？v向旋轉(zhuǎn)柱可控制機(jī)械手左右旋轉(zhuǎn)，以完成棉簽的拿取和更換?；瑝K機(jī)構(gòu)使整個采樣運動外殼能夠前后運動，從而完成采樣過程。棉簽固定裝置通過觀察電鉆頭部的鉆頭固定部分進(jìn)行設(shè)計。摩擦旋轉(zhuǎn)器的順逆時針旋轉(zhuǎn)和橡膠之間的高摩擦力可實現(xiàn)棉簽固定器的放松和收緊。偏心輪結(jié)構(gòu)連接棉簽固定器，模仿人手采樣的動作。該機(jī)械手配備數(shù)字成像攝像頭，可以精準(zhǔn)定位采樣者的咽喉部位，實現(xiàn)精準(zhǔn)無痛采樣。

圖7 采樣機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

（2）自動上料裝置。自動上料堆料裝置由上料區(qū)、工作區(qū)和成品堆料區(qū)組成，用于實現(xiàn)對咽拭子檢測樣本裝載盒的自動上料。如圖8 所示，該裝置的上料部分具有卡扣機(jī)制，可以通過卡扣將檢測樣本裝載盒固定在上料區(qū)。當(dāng)托盤與檢測樣本裝載盒底部接觸時，卡扣釋放，使得裝載盒可以隨著托盤下降而下降。當(dāng)裝載盒下降到一定高度后，卡扣復(fù)位，將堆疊在上方的檢測樣本裝載盒固定住。隨著托盤的持續(xù)下降，裝載盒會掉入履帶上的裝載盒固定器中，由履帶上的卡扣向右方運送到工作區(qū)，然后由機(jī)械臂完成對試管的取用和放回。當(dāng)裝載盒裝滿咽拭子樣本后，履帶繼續(xù)向右運動，將裝載盒送至自動堆疊區(qū)。在這一過程中，托盤將滿載咽拭子樣本的裝載盒推起，使其脫離履帶上的卡扣。當(dāng)托盤即將裝載盒放置在堆疊區(qū)的卡扣上方時，堆疊區(qū)的卡扣收緊，將裝載盒固定在該區(qū)域，避免其下落。通過以上步驟，完成了自動上料、工作和堆疊的操作過程。

圖8 自動上料堆料裝置結(jié)構(gòu)圖

圖9 自動升降裝置有限元分析圖

3 有限元分析

經(jīng)過SolidWorks 軟件中進(jìn)行三維建模后，為了驗證自動升降裝置的可靠性，采用有限元分析方法對其進(jìn)行了強(qiáng)度核算。據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研得知，人體對地面的平均壓力約為700N。該自動升降裝置的整體結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料制造，并將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)進(jìn)行有限元分析。經(jīng)過分析得到的結(jié)果表明，該裝置的整體強(qiáng)度符合要求。

4 自動咽拭子采樣機(jī)技術(shù)參數(shù)

4.1 關(guān)于裝置的重要參數(shù)

自動咽拭子采樣機(jī)的質(zhì)量和尺寸及其重要參數(shù)如表1 所示。

表1 自動咽拭子采樣機(jī)重要參數(shù)

4.2 試管夾取氣缸的重要參數(shù)

在采樣收集系統(tǒng)中多次涉及對試管的夾取，通過相關(guān)公式計算，選用手指氣缸MHZ2-25D，現(xiàn)將其技術(shù)參數(shù)列表，如表2 所示。

表2 手指氣缸MHZ2-25D 技術(shù)參數(shù)表

5 自動咽拭子采樣機(jī)的創(chuàng)新點

（1）全方位消毒。不僅對使用的采樣機(jī)械臂消毒，在入口處進(jìn)行霧化消毒，保證了安全性。（2）穩(wěn)定性高。減少機(jī)械臂的使用，使機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性增加。（3）靈活性高。加裝有滑輪組，移動便捷。當(dāng)有突發(fā)情況發(fā)生時，可以快速移動，減少人力物力損失。（4）升降平臺。在核酸檢測口裝載有升降平臺，可以完美契合各類人群，提高采樣準(zhǔn)確性。（5）性價比高。對比于目前市場上的同類產(chǎn)品，核酸采樣機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加簡單，價格也更加便宜，適合大規(guī)模投入生產(chǎn)。

6 設(shè)計總結(jié)

本設(shè)計集消毒、采樣、收集、打包于一體，功能完善。自動咽拭子采樣機(jī)能高效采樣咽拭子樣本，能有效地解決目前人工采樣效率低下、人員不足、交叉感染的問題，能有效應(yīng)對未來類似新冠病毒這類急性傳染病的爆發(fā)。該機(jī)械設(shè)計合理，切實符合特殊時期的國情，具有一定的市場潛力。