浅谈一种自动咽拭子采样机

佘奇航，蒋天杰

（盐城工学院机械优集学院，江苏 盐城 224051）

1 前言

急性呼吸道传染病是由病毒、细菌、支原体等病原体从呼吸道感染侵入、传播而引起的急性呼吸系统疾病。近年来，我国经历了SARS、新冠等呼吸道病毒的肆虐，对人们的生活和健康造成了严重危害。在病毒第一时间爆发时，人们往往没有特效药去治愈被感染的患者，所以在第一时间的预防往往更加重要。在刚刚过去的新冠疫情中，预防新冠传播的最好方式是做咽拭子核酸，一般为医护人员帮助采集，如图1所示。

图1 核酸人工采集

目前，在很多地区，所设立的采样点往往在户外，在严酷的夏天，医护人员全程身穿白色防护服进行高强度的咽拭子采样工作，容易出现中暑等情况。因此，很多地区开始采用核 酸采样小屋。这虽然使医护人员在工作时不再受到天气的影响，但因为人工采样时间有限，会导致大量居民在一时间段集中聚集采样，在这个过程中，依旧存在这感染的可能。并且给居民进行采样的医护人员在面对长时间的采样工作时依旧有被感染的风险。针对以上问题，本文提出了一种集全面消毒，咽拭子采样，咽拭子打包保存于一体的自动咽拭子采样装置，旨在有效解决咽拭子采样的医护人员不足及交叉感染等问题，并实现采样速度的有效提升。

2 方案设计与工作原理

具体设计方案和工作原理如下所述。

自动咽拭子采样机如图2、3 所示，包括消毒系统、自动升降装置、棉签分离输送装置、采样收集系统。消毒系统通过雾化酒精和紫外线进行采样空间的双重消毒。自动升降装置可以适应不同身高的人群。棉签分离装置则可精准供给单根棉签到采样收集系统中。采样收集系统由采样机械手、棉签运输装置、剪刀装置、试管扫码开盖装置、试管运输装置和自动上料装置组成。

图2 自动咽拭子采样机外观图

图3 自动咽拭子采样机内部结构图

2.1 消毒系统

消毒系统包括酒精雾化喷头，灯光带组成。在采样人员进入采样密封空间后，通过酒精雾化喷头喷洒酒精，实现对咽拭子采样人员和采样密封空间的消毒。该设备内部设有白炽灯和紫外线灯两种光源，当有人进入采样密封空间时，白炽灯提供照明功能；而当设备较长时间没有人进入时，紫外线灯开始工作，全面消毒采样密封空间。

2.2 自动升降装置

自动升降装置采用剪叉机构，由上踏板、短插销、连杆、下踏板、长插销、液压内杆和液压外杆组成。利用液压力使液压外杆内的液压油进入液压外杆，从而使液压内杆伸出，上踏板上升。该自动升降装置最大升高可达到360mm，能够有效适应不同身高人群的需求。其外观如图4 所示。

图4 自动升降装置外观图

2.3 棉签分离输送装置

棉签分离运输装置的结构如图5 所示。该装置由棉签存放盒、分离滚筒和棉签输送带组成。棉签进入棉签存放盒后，逐一滑入分离滚筒中滚子的凹槽中，并通过滚子的旋转将棉签传送到棉签输送带上的相应凹槽中固定。最后，棉签通过输送带被送至指定区域。

图5 棉签分离运输装置结构图

2.4 采样收集系统

采样收集系统由采样机械手、棉签运输装置、剪刀装置、试管扫码开盖装置、试管运输装置和自动上料装置6 个组成部分构成。采样机械手主要负责对患者咽拭子样本进行采样操作；棉签运输装置用于运输沾有样本的棉签至剪刀装置；剪刀装置则负责分离棉签的头部和杆部，以完成样本的准确分离；试管扫码开盖装置则用于匹配相应信息；而试管运输装置则负责试管的运输工作；最后，自动上料装置用于堆叠咽拭子样本，完成码放工作。整个工作流程如图6 所示。

图6 采样收集系统工作流程图

以下为采样收集系统关键零部件介绍。

（1）采样机械手。采样机械手的结构如图7 所示。该机械手通过底座和外壳连接在一起，方便拆卸和更换维修。纵向旋转柱可控制机械手左右旋转，以完成棉签的拿取和更换。滑块机构使整个采样运动外壳能够前后运动，从而完成采样过程。棉签固定装置通过观察电钻头部的钻头固定部分进行设计。摩擦旋转器的顺逆时针旋转和橡胶之间的高摩擦力可实现棉签固定器的放松和收紧。偏心轮结构连接棉签固定器，模仿人手采样的动作。该机械手配备数字成像摄像头，可以精准定位采样者的咽喉部位，实现精准无痛采样。

图7 采样机械手结构图

（2）自动上料装置。自动上料堆料装置由上料区、工作区和成品堆料区组成，用于实现对咽拭子检测样本装载盒的自动上料。如图8 所示，该装置的上料部分具有卡扣机制，可以通过卡扣将检测样本装载盒固定在上料区。当托盘与检测样本装载盒底部接触时，卡扣释放，使得装载盒可以随着托盘下降而下降。当装载盒下降到一定高度后，卡扣复位，将堆叠在上方的检测样本装载盒固定住。随着托盘的持续下降，装载盒会掉入履带上的装载盒固定器中，由履带上的卡扣向右方运送到工作区，然后由机械臂完成对试管的取用和放回。当装载盒装满咽拭子样本后，履带继续向右运动，将装载盒送至自动堆叠区。在这一过程中，托盘将满载咽拭子样本的装载盒推起，使其脱离履带上的卡扣。当托盘即将装载盒放置在堆叠区的卡扣上方时，堆叠区的卡扣收紧，将装载盒固定在该区域，避免其下落。通过以上步骤，完成了自动上料、工作和堆叠的操作过程。

图8 自动上料堆料装置结构图

图9 自动升降装置有限元分析图

3 有限元分析

经过SolidWorks 软件中进行三维建模后，为了验证自动升降装置的可靠性，采用有限元分析方法对其进行了强度核算。据文献调研得知，人体对地面的平均压力约为700N。该自动升降装置的整体结构采用铝合金材料制造，并将相关数据输入计算机进行有限元分析。经过分析得到的结果表明，该装置的整体强度符合要求。

4 自动咽拭子采样机技术参数

4.1 关于装置的重要参数

自动咽拭子采样机的质量和尺寸及其重要参数如表1 所示。

表1 自动咽拭子采样机重要参数

4.2 试管夹取气缸的重要参数

在采样收集系统中多次涉及对试管的夹取，通过相关公式计算，选用手指气缸MHZ2-25D，现将其技术参数列表，如表2 所示。

表2 手指气缸MHZ2-25D 技术参数表

5 自动咽拭子采样机的创新点

（1）全方位消毒。不仅对使用的采样机械臂消毒，在入口处进行雾化消毒，保证了安全性。（2）稳定性高。减少机械臂的使用，使机构的稳定性增加。（3）灵活性高。加装有滑轮组，移动便捷。当有突发情况发生时，可以快速移动，减少人力物力损失。（4）升降平台。在核酸检测口装载有升降平台，可以完美契合各类人群，提高采样准确性。（5）性价比高。对比于目前市场上的同类产品，核酸采样机器人结构更加简单，价格也更加便宜，适合大规模投入生产。

6 设计总结

本设计集消毒、采样、收集、打包于一体，功能完善。自动咽拭子采样机能高效采样咽拭子样本，能有效地解决目前人工采样效率低下、人员不足、交叉感染的问题，能有效应对未来类似新冠病毒这类急性传染病的爆发。该机械设计合理，切实符合特殊时期的国情，具有一定的市场潜力。