淺談一種自動(dòng)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(lái)，我國(guó)經(jīng)歷了SARS、新冠等呼吸道病毒的肆虐，對(duì)人們的生活和健康造成了嚴(yán)重危害。在病毒第一時(shí)間爆發(fā)時(shí)，人們往往沒(méi)有特效藥去治愈被感染的患者，所以在第一時(shí)間的預(yù)防往往更加重要。在剛剛過(guò)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(diǎn)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(kāi)始采用核 酸采樣小屋。這雖然使醫(yī)護(hù)人員在工作時(shí)不再受到天氣的影響，但因?yàn)槿斯げ蓸訒r(shí)間有限，會(huì)導(dǎo)致大量居民在一時(shí)間段集中聚集采樣，在這個(gè)過(guò)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(duì)長(zhǎng)時(shí)間的采樣工作時(shí)依舊有被感染的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)以上問(wèn)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(dòng)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(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)采樣速度的有效提升。

2 方案設(shè)計(jì)與工作原理

具體設(shè)計(jì)方案和工作原理如下所述。

自動(dòng)咽拭子采樣機(jī)如圖2、3 所示，包括消毒系統(tǒng)、自動(dòng)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(guò)霧化酒精和紫外線進(jìn)行采樣空間的雙重消毒。自動(dòng)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(yùn)輸裝置、剪刀裝置、試管掃碼開(kāi)蓋裝置、試管運(yùn)輸裝置和自動(dòng)上料裝置組成。

圖2 自動(dòng)咽拭子采樣機(jī)外觀圖

圖3 自動(dòng)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(guò)酒精霧化噴頭噴灑酒精，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，白熾燈提供照明功能；而當(dāng)設(shè)備較長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有人進(jìn)入時(shí)，紫外線燈開(kāi)始工作，全面消毒采樣密封空間。

2.2 自動(dòng)升降裝置

自動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)升降裝置外觀圖

2.3 棉簽分離輸送裝置

棉簽分離運(yùn)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(guò)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(guò)輸送帶被送至指定區(qū)域。

圖5 棉簽分離運(yùn)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(yùn)輸裝置、剪刀裝置、試管掃碼開(kāi)蓋裝置、試管運(yùn)輸裝置和自動(dòng)上料裝置6 個(gè)組成部分構(gòu)成。采樣機(jī)械手主要負(fù)責(zé)對(duì)患者咽拭子樣本進(jìn)行采樣操作；棉簽運(yùn)輸裝置用于運(yùn)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(kāi)蓋裝置則用于匹配相應(yīng)信息；而試管運(yùn)輸裝置則負(fù)責(zé)試管的運(yùn)輸工作；最后，自動(dòng)上料裝置用于堆疊咽拭子樣本，完成碼放工作。整個(gè)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(guò)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。滑塊機(jī)構(gòu)使整個(gè)采樣運(yùn)動(dòng)外殼能夠前后運(yùn)動(dòng)，從而完成采樣過(guò)程。棉簽固定裝置通過(guò)觀察電鉆頭部的鉆頭固定部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。摩擦旋轉(zhuǎn)器的順逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)和橡膠之間的高摩擦力可實(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)無(wú)痛采樣。

圖7 采樣機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

（2）自動(dòng)上料裝置。自動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)咽拭子檢測(cè)樣本裝載盒的自動(dòng)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(guò)卡扣將檢測(cè)樣本裝載盒固定在上料區(qū)。當(dāng)托盤與檢測(cè)樣本裝載盒底部接觸時(shí)，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(cè)樣本裝載盒固定住。隨著托盤的持續(xù)下降，裝載盒會(huì)掉入履帶上的裝載盒固定器中，由履帶上的卡扣向右方運(yùn)送到工作區(qū)，然后由機(jī)械臂完成對(duì)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(yùn)動(dòng)，將裝載盒送至自動(dòng)堆疊區(qū)。在這一過(guò)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(shí)，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(guò)以上步驟，完成了自動(dòng)上料、工作和堆疊的操作過(guò)程。

圖8 自動(dòng)上料堆料裝置結(jié)構(gòu)圖

圖9 自動(dòng)升降裝置有限元分析圖

3 有限元分析

經(jīng)過(guò)SolidWorks 軟件中進(jìn)行三維建模后，為了驗(yàn)證自動(dòng)升降裝置的可靠性，采用有限元分析方法對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度核算。據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研得知，人體對(duì)地面的平均壓力約為700N。該自動(dòng)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(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元分析。經(jīng)過(guò)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)試管的夾取，通過(guò)相關(guān)公式計(jì)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(dòng)咽拭子采樣機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）全方位消毒。不僅對(duì)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(dòng)便捷。當(dāng)有突發(fā)情況發(fā)生時(shí)，可以快速移動(dòng)，減少人力物力損失。（4）升降平臺(tái)。在核酸檢測(cè)口裝載有升降平臺(tái)，可以完美契合各類人群，提高采樣準(zhǔn)確性。（5）性價(jià)比高。對(duì)比于目前市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品，核酸采樣機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，價(jià)格也更加便宜，適合大規(guī)模投入生產(chǎn)。

6 設(shè)計(jì)總結(jié)

本設(shè)計(jì)集消毒、采樣、收集、打包于一體，功能完善。自動(dòng)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(wèn)題，能有效應(yīng)對(duì)未來(lái)類似新冠病毒這類急性傳染病的爆發(fā)。該機(jī)械設(shè)計(jì)合理，切實(shí)符合特殊時(shí)期的國(guó)情，具有一定的市場(chǎng)潛力。