一種智能化自動咽拭子核酸采集儀的設(shè)計(jì)與有限元分析

曹美婷，李 冬，何 超，姜灃哲，徐牧晗，張宇航，徐光輝，張乘翥，崔有正，徐 成*

（齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

引言

自動核酸采集儀可以主要完成人體口腔位置初定位、取咽拭子、口腔咽拭子核酸采樣和取放咽拭子等功能[1]。比人工檢測效率更高，極大的節(jié)省了醫(yī)院的人力物力，而且為醫(yī)務(wù)人員節(jié)約了大量時(shí)間。

經(jīng)團(tuán)隊(duì)調(diào)研，市場上并未有大量上市智能化核酸采集儀，因此團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種智能化自動核酸采集的儀器，基于上述前提，本項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一種智能化自動核酸采集儀，實(shí)現(xiàn)在實(shí)際檢測應(yīng)用中快速、精準(zhǔn)的進(jìn)行一系列核酸采集工作。項(xiàng)目組以此項(xiàng)創(chuàng)新計(jì)劃作為精準(zhǔn)創(chuàng)新目標(biāo)，力求聯(lián)合校企資源共建，服務(wù)于醫(yī)療檢測方向，該項(xiàng)目具有重要的實(shí)踐意義與價(jià)值。

1 設(shè)計(jì)理念概述

此次設(shè)計(jì)的是一種全自動咽拭子核酸采集儀，我們的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在“智能化”這一設(shè)計(jì)理念上，儀器可通過機(jī)械臂的配合運(yùn)轉(zhuǎn)完成試管的打開、封存與運(yùn)送等一系列操作；同時(shí)利用體溫檢測、身份識別、自動消毒、語音播報(bào)等輔助功能提高儀器的工作效率。該設(shè)計(jì)有效提高了核酸檢測咽拭子采集效率，可大力推廣。

2 系統(tǒng)組成及工作流程設(shè)計(jì)

一種智能化自動咽拭子核酸采集儀的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖1，圖2，工作流程見圖3，該儀器的主要結(jié)構(gòu)有箱體、試樣夾持臂、試劑保存箱、紅外測溫儀、語音播報(bào)器、身份證感應(yīng)區(qū)、自動消毒區(qū)、座椅。利用仿生機(jī)械臂夾持棉簽以及試管，完成咽拭子采集、試劑的封存、輸送、保存等工作。配備身份證感應(yīng)區(qū)，用基于OCR技術(shù)的識別系統(tǒng),對身份證圖像一系列預(yù)處理之后,采用統(tǒng)計(jì)模式識別的方法,完成證件識別[2]?？煽焖僮R別身份，錄入信息。外加紅外圖形實(shí)時(shí)監(jiān)測被檢測人員體溫情況，基于藍(lán)牙技術(shù)的體溫監(jiān)測系統(tǒng)外觀尺寸小巧，在產(chǎn)品有限空間設(shè)計(jì)下，要求PCB 電路尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊[3]。如有異常，基于AT89S52 單片機(jī)的溫度語音播報(bào)系統(tǒng)[4]發(fā)出警報(bào)。避免被檢測人員接觸感染。當(dāng)開始進(jìn)行核酸檢測時(shí)，通過兩個(gè)機(jī)械手臂的搭配配合，進(jìn)行對接小機(jī)械臂（夾棉簽）前段，旋轉(zhuǎn)和移動實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)行核酸檢測，與人類手臂主動核酸檢測相比更加方便耐用、更加便捷，可以大幅減少了人力的使用。

圖1 一種智能化自動咽拭子核酸采集儀結(jié)構(gòu)圖

圖2 一種智能化自動咽拭子核酸采集儀結(jié)構(gòu)圖

圖3 一種智能化自動咽拭子核酸采集儀工作流程

3 主要零件有限元分析

3.1 材質(zhì)屬性

見表1。

表1 模型參考表

3.2 負(fù)載和夾具

見表2～表3。

表2 夾具參考表

表3 載荷參考

3.3 網(wǎng)格劃分

見表4～表5，圖4。

圖4 網(wǎng)格劃分分圖

表4 網(wǎng)格信息

表5 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)

3.4 結(jié)果

根據(jù)等效應(yīng)力分布云圖顯示可知，當(dāng)機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)時(shí)，根部位等效應(yīng)力最大，其數(shù)值為2.755e-02 N/mm2(MPa)，小于45 鋼的許用應(yīng)力88.25 MPa，滿足設(shè)計(jì)條件，見圖5。

圖5 等效應(yīng)力分布云圖

通過總變形分布云圖顯示，當(dāng)機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)時(shí)，頂部總變形量最大，其仿真數(shù)值為1.445e-04 mm，變形數(shù)值較小，對機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)時(shí)影響不大；滿足機(jī)械臂的強(qiáng)度和剛度需求，見圖6。

圖6 總變形分布云圖

4 設(shè)計(jì)創(chuàng)新分析

我們設(shè)計(jì)的核酸檢測儀是一款多功能全自動的核酸采樣儀器，該儀器主要由金屬箱體和機(jī)械臂及紅外線距離檢測極光束組成。構(gòu)建了一個(gè)基于單目視覺的工業(yè)機(jī)器人工件自動識別和智能抓取系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)定位和機(jī)器臂控制兩大基本功能, 最終控制機(jī)器臂完成目標(biāo)工件的抓取[5]。

我們設(shè)計(jì)的這一款智能化自動咽拭子核酸采集儀，與人工檢測相比省去了大量人力消耗。智能化自動咽拭子核酸采集儀只需要通電以后就是一體化機(jī)器，檢測者只需要排好隊(duì)按照使用方法進(jìn)行操作便可以完成核酸檢測，非常簡單快捷。而且有了紅外線距離檢測裝備，和機(jī)械手臂進(jìn)行電腦的控制，更加準(zhǔn)確掌控了口腔與棉簽的位置。不會因?yàn)槲恢镁嚯x的不同而導(dǎo)致核酸檢測標(biāo)準(zhǔn)不一樣從而影響結(jié)果。而且核酸采集儀是自動盒裝試樣，只需要人工取走即可，無論是單采還是混采都可以勝任。受環(huán)境影響更小，更加的方便適用，可廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)論

（1） 本裝置為智能化自動咽拭子核酸采集儀，是一款安全高效的、可代替醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行核酸采集工作的智能設(shè)備，解放人力，保護(hù)醫(yī)護(hù)人員。

（2） 本發(fā)明提供了一種智能化自動咽拭子核酸采集儀，利用仿生機(jī)械臂夾持棉簽以及試管，完成咽拭子采集、試劑的封存、輸送、保存等工作。配備身份證感應(yīng)區(qū)，可快速識別身份，錄入信息。外加紅外圖形實(shí)時(shí)監(jiān)測被檢測人員體溫情況，如有異常，發(fā)出警報(bào)。避免被檢測人員接觸感染。

綜上所述，研發(fā)一款智能化自動咽拭子核酸采集儀既可以很好的提升核酸檢測速度，也可以避免醫(yī)護(hù)人員有感染危險(xiǎn)，同時(shí)還具備實(shí)用性強(qiáng)以及提高安全性等特點(diǎn)，具有廣闊的市場前景和巨大的現(xiàn)實(shí)意義。