一种智能化自动咽拭子核酸采集仪的设计与有限元分析

2022-11-03曹美婷姜沣哲徐牧晗张宇航徐光辉张乘翥崔有正

科学技术创新 2022年32期

曹美婷，李冬，何超，姜沣哲，徐牧晗，张宇航，徐光辉，张乘翥，崔有正，徐成*

（齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161006）

引言

自动核酸采集仪可以主要完成人体口腔位置初定位、取咽拭子、口腔咽拭子核酸采样和取放咽拭子等功能[1]。比人工检测效率更高，极大的节省了医院的人力物力，而且为医务人员节约了大量时间。

经团队调研，市场上并未有大量上市智能化核酸采集仪，因此团队研发出一种智能化自动核酸采集的仪器，基于上述前提，本项目研究的主要内容是设计一种智能化自动核酸采集仪，实现在实际检测应用中快速、精准的进行一系列核酸采集工作。项目组以此项创新计划作为精准创新目标，力求联合校企资源共建，服务于医疗检测方向，该项目具有重要的实践意义与价值。

1 设计理念概述

此次设计的是一种全自动咽拭子核酸采集仪，我们的设计主要体现在“智能化”这一设计理念上，仪器可通过机械臂的配合运转完成试管的打开、封存与运送等一系列操作；同时利用体温检测、身份识别、自动消毒、语音播报等辅助功能提高仪器的工作效率。该设计有效提高了核酸检测咽拭子采集效率，可大力推广。

2 系统组成及工作流程设计

一种智能化自动咽拭子核酸采集仪的设计结构见图1，图2，工作流程见图3，该仪器的主要结构有箱体、试样夹持臂、试剂保存箱、红外测温仪、语音播报器、身份证感应区、自动消毒区、座椅。利用仿生机械臂夹持棉签以及试管，完成咽拭子采集、试剂的封存、输送、保存等工作。配备身份证感应区，用基于OCR技术的识别系统,对身份证图像一系列预处理之后,采用统计模式识别的方法,完成证件识别[2]。可快速识别身份，录入信息。外加红外图形实时监测被检测人员体温情况，基于蓝牙技术的体温监测系统外观尺寸小巧，在产品有限空间设计下，要求PCB 电路尺寸小，结构紧凑[3]。如有异常，基于AT89S52 单片机的温度语音播报系统[4]发出警报。避免被检测人员接触感染。当开始进行核酸检测时，通过两个机械手臂的搭配配合，进行对接小机械臂（夹棉签）前段，旋转和移动实现自动进行核酸检测，与人类手臂主动核酸检测相比更加方便耐用、更加便捷，可以大幅减少了人力的使用。

图1 一种智能化自动咽拭子核酸采集仪结构图

图2 一种智能化自动咽拭子核酸采集仪结构图

图3 一种智能化自动咽拭子核酸采集仪工作流程

3 主要零件有限元分析

3.1 材质属性

见表1。

表1 模型参考表

3.2 负载和夹具

见表2～表3。

表2 夹具参考表

表3 载荷参考

3.3 网格划分

见表4～表5，图4。

图4 网格划分分图

表4 网格信息

表5 网格节点

3.4 结果

根据等效应力分布云图显示可知，当机械臂旋转时，根部位等效应力最大，其数值为2.755e-02 N/mm2(MPa)，小于45 钢的许用应力88.25 MPa，满足设计条件，见图5。

图5 等效应力分布云图

通过总变形分布云图显示，当机械臂旋转时，顶部总变形量最大，其仿真数值为1.445e-04 mm，变形数值较小，对机械臂旋转时影响不大；满足机械臂的强度和刚度需求，见图6。

图6 总变形分布云图

4 设计创新分析

我们设计的核酸检测仪是一款多功能全自动的核酸采样仪器，该仪器主要由金属箱体和机械臂及红外线距离检测极光束组成。构建了一个基于单目视觉的工业机器人工件自动识别和智能抓取系统，实现了目标定位和机器臂控制两大基本功能, 最终控制机器臂完成目标工件的抓取[5]。

我们设计的这一款智能化自动咽拭子核酸采集仪，与人工检测相比省去了大量人力消耗。智能化自动咽拭子核酸采集仪只需要通电以后就是一体化机器，检测者只需要排好队按照使用方法进行操作便可以完成核酸检测，非常简单快捷。而且有了红外线距离检测装备，和机械手臂进行电脑的控制，更加准确掌控了口腔与棉签的位置。不会因为位置距离的不同而导致核酸检测标准不一样从而影响结果。而且核酸采集仪是自动盒装试样，只需要人工取走即可，无论是单采还是混采都可以胜任。受环境影响更小，更加的方便适用，可广泛应用。