一種智能化自動咽拭子核酸采集儀的設計與有限元分析

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 機電工程學院，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，極大的節省了醫院的人力物力，而且為醫務人員節約了大量時間。

經團隊調研，市場上并未有大量上市智能化核酸采集儀，因此團隊研發出一種智能化自動核酸采集的儀器，基于上述前提，本項目研究的主要內容是設計一種智能化自動核酸采集儀，實現在實際檢測應用中快速、精準的進行一系列核酸采集工作。項目組以此項創新計劃作為精準創新目標，力求聯合校企資源共建，服務于醫療檢測方向，該項目具有重要的實踐意義與價值。

1 設計理念概述

此次設計的是一種全自動咽拭子核酸采集儀，我們的設計主要體現在“智能化”這一設計理念上，儀器可通過機械臂的配合運轉完成試管的打開、封存與運送等一系列操作；同時利用體溫檢測、身份識別、自動消毒、語音播報等輔助功能提高儀器的工作效率。該設計有效提高了核酸檢測咽拭子采集效率，可大力推廣。

2 系統組成及工作流程設計

一種智能化自動咽拭子核酸采集儀的設計結構見圖1，圖2，工作流程見圖3，該儀器的主要結構有箱體、試樣夾持臂、試劑保存箱、紅外測溫儀、語音播報器、身份證感應區、自動消毒區、座椅。利用仿生機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。配備身份證感應區，用基于OCR技術的識別系統,對身份證圖像一系列預處理之后,采用統計模式識別的方法,完成證件識別[2]。可快速識別身份，錄入信息。外加紅外圖形實時監測被檢測人員體溫情況，基于藍牙技術的體溫監測系統外觀尺寸小巧，在產品有限空間設計下，要求PCB 電路尺寸小，結構緊湊[3]。如有異常，基于AT89S52 單片機的溫度語音播報系統[4]發出警報。避免被檢測人員接觸感染。當開始進行核酸檢測時，通過兩個機械手臂的搭配配合，進行對接小機械臂（夾棉簽）前段，旋轉和移動實現自動進行核酸檢測，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構圖

圖2 一種智能化自動咽拭子核酸采集儀結構圖

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 材質屬性

見表1。

表1 模型參考表

3.2 負載和夾具

見表2～表3。

表2 夾具參考表

表3 載荷參考

3.3 網格劃分

見表4～表5，圖4。

圖4 網格劃分分圖

表4 網格信息

表5 網格節點

3.4 結果

根據等效應力分布云圖顯示可知，當機械臂旋轉時，根部位等效應力最大，其數值為2.755e-02 N/mm2(MPa)，小于45 鋼的許用應力88.25 MPa，滿足設計條件，見圖5。

圖5 等效應力分布云圖

通過總變形分布云圖顯示，當機械臂旋轉時，頂部總變形量最大，其仿真數值為1.445e-04 mm，變形數值較小，對機械臂旋轉時影響不大；滿足機械臂的強度和剛度需求，見圖6。

圖6 總變形分布云圖

4 設計創新分析

我們設計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械臂及紅外線距離檢測極光束組成。構建了一個基于單目視覺的工業機器人工件自動識別和智能抓取系統，實現了目標定位和機器臂控制兩大基本功能, 最終控制機器臂完成目標工件的抓取[5]。

我們設計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器，檢測者只需要排好隊按照使用方法進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，和機械手臂進行電腦的控制，更加準確掌控了口腔與棉簽的位置。不會因為位置距離的不同而導致核酸檢測標準不一樣從而影響結果。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。受環境影響更小，更加的方便適用，可廣泛應用。

5 結論

（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、可代替醫護人員進行核酸采集工作的智能設備，解放人力，保護醫護人員。

（2） 本發明提供了一種智能化自動咽拭子核酸采集儀，利用仿生機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。配備身份證感應區，可快速識別身份，錄入信息。外加紅外圖形實時監測被檢測人員體溫情況，如有異常，發出警報。避免被檢測人員接觸感染。

綜上所述，研發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，也可以避免醫護人員有感染危險，同時還具備實用性強以及提高安全性等特點，具有廣闊的市場前景和巨大的現實意義。