一种轻便式拭子采样一体机结构设计.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：杨云琪（2003），男，武汉商学院机器人工程专业，学生，湖北十堰人，在读本科，主要研究方向为机器人智能控制。-27-一种轻便式拭子采样一体机结构设计 杨云琪 王梦琦 周喆頔 李董昊 邱子枫 武汉商学院机电工程学院，湖北 武汉 430056 摘要：摘要：这篇论文介绍了一种轻便式拭子采样一体机的结构设计，旨在解决拭子采样工作中的一系列难题，提高采样效率和卫生安全性。该一体机的结构包括拭子分离一体机、显示屏及操作台、信息录入器和喷洒式消毒台，它们共同协作以简化拭子采样过程。本文详细分析了这些组成部分的设计原理和工作流程，包括拭子分离原理、人机交互设计以及基于 OCR 的身份证识别系统等。该一体机的设计创新在于提供了更便捷、高效、安全的拭子采样方法，特别是在医护人员的协助和信息录入方面有显著的改进。这一技术有望在医疗行业中提供更多的便利和安全性。关键词：关键词：拭子采样；医疗设备；人机交互；结构设计 中图分类号：中图分类号：TG305 0 引言 当前，拭子采样检测是医院工作的常规项目之一，拭子的种类也有很多，如病毒采样拭子、宫颈采样拭子、咽喉采样拭子、鼻腔采样拭子、口腔采样拭子等。拭子采样一直是医院及采样点工作一大难点，其源于工作量大，流程复杂，采样面管理难，采样工作人员身体状况难以保证等。且在拭子采样操作过程中，医护人员需要与患者近距离接触，患者咳嗽、用力呼吸等都会产生大量飞沫或气溶胶，会极大增加医护人员在采样过程中交叉感染风险。因此，出现以辅助采样工作人员，降低采样人员数量以及采样人员直接接触病人时间为目的的机器成为当前形势之下的必然趋势。1 轻便式拭子采样一体机的结构分析 1.1 轻便式拭子采样一体机的总体结构设计 如图 1、2 所示，这就是我们此次涉及的轻便式拭子采样一体机，其结构主要分为拭子分离一体机、显示屏及操作台、信息录入器和喷洒式消毒台。其结构主体为拭子分离一体机，进行拭子与外包装袋的分离并送至拭子采样工作人员的工作。显示屏及操作台进行个人部分信息展示、试管信息录入以及突发性事件处理等工作。信息录入器进行录入即将进行拭子采样人员信息并上传的工作。喷洒式消毒台进行对拭子采样工作人员手部消毒并使拭子分离一体机电机启动运转的工作。1.2 详细结构设计 1.2.1 拭子分离一体机的结构设计 图 1 一体机的详细结构图 图 2 Solidworks 中的三维模型 如图 3 所示，拭子分离一体机由拭子储存仓、切中国科技期刊数据库 工业 A-28-割闸刀、拭子料仓，N20 电机，输送带和拭子包装袋分离片组成。拭子料仓的设计长宽符合市面大多数拭子包装袋，约为长 200mm 以上，宽 40mm 以上。医务人员将未切割的成排带包装拭子以缠绕的形式放在上方拭子储存仓，按下喷洒式消毒台处按钮，启动喷洒式消毒台的同时，拭子分离一体机的电机会带动拭子储存仓内的转轴以及下方输送带，每个拭子在进入拭子料仓时经过切割闸刀分离并落到输送带上开始向出料口输送，即将送至出料口时，出料口前约2cm 处刀片会切去拭子前部分拭子包装袋，而后会有压片压住拭子两侧，然后后方推出拭子送至采样工作人员手中，随后拭子包装袋会弹出落入下方垃圾桶完成一次拭子的剥离及处理，整个过程会控制在10秒以内。图 3 拭子分离一体机的三维模型 1.2.2 显示屏及操作台的结构设计 如图 4 所示，显示屏部分是 led 单色电子显示屏，这保证了高强度发光，阳光折射下，可将屏幕表面内容高清呈现在可视范围内，不给工作人员造成困扰，同时它可以显示数据的数字编码或将数字编码转换成具有可读性的信息。上方为条形码扫描模块，用于扫描试管上条形码。操作台部分采用物理按键的设计，上方按键为开关机键，下方左九个圆形按键代表 1-9数字按键以及 a-z 字母九键按键，右边三个键从上至下为紧急报警按键、数字 0 按键和紧急联系人按键。这些按键用于在显示器部分扫描试管条形码后对单试管采样数量进行设定，并配备紧急按键用于处理突发事件。图 4 显示屏及操作台的三维模型 1.2.3 信息录入器的结构设计 如图 5 所示，信息录入器是用于收集即将进行采样人员的信息，同时将信息上传至医疗信息网以及轻便式拭子采样机的显示屏上。信息录入器由外置玻璃罩和内部的激光灯及数字转换器组成，即将进行采样人员出示二维码信息之后，信息录入器通过光线发射，然后反射接受获取信号，随后通过模数转换器（ADC）转码,之后通过数字信号处理器（DSP）从 ADC 读取数据，并处理数据，然后将其送到显示器上进行显示。信息录入器还包括了一个身份证感应区，通过基于 OCR 技术的识别系统，以进一步完善信息采集和验证流程。当即将进行采样的人员出示身份证并放在身份证感应区上，信息录入器的 OCR 感应区能够自动扫描和识别身份证上的文字和数字信息，如姓名、身份证号码、出生日期等。这个识别过程能够确保采集到的信息的准确性和一致性，同时也有助于快速验证被采样人员的身份，提高整个采样过程的安全性和可追溯性。信息录入器是本次设计机械结构与物联网技术相融合的重要一环。图 5 信息录入器的三维模型 1.2.4 喷洒式消毒台的结构设计 如图 6 所示，喷洒式消毒台分为喷洒装置、消毒液储罐、废液仓、控制系统、外壳和电源六个部分。中国科技期刊数据库 工业 A-29-上方的消毒液储罐可直接灌入酒精，也可放入酒精瓶倒置卡入酒精导入口。按下后方红色按钮后启动电源，通过控制系统酒精从喷洒装置喷洒而出，随后落入下方废液仓中。在采样任务完成后，可通过移出废液仓对废液进行处理。图 6 喷洒式消毒台的三维模型 2 轻便式拭子采样一体机的工作流程 轻便式拭子采样一体机的整个工作流程如下：第一阶段：试管信息采集准备阶段（如果需要）（1）拭子采样工作人员将试管放在显示屏及操作台上方的摄像头位置。（2）试管信息条形码被摄像头录入系统。第二阶段：设置拭子采样信息阶段（如果需要）（1）在操作台下方，设置该试管需要进行拭子采样的人数，并将此信息保存用于后续试管信息录入。（2）试管信息上传至信息网。第三阶段：个人信息录入（如果需要）（1）录入器上的摄像头录入即将进行拭子采样的个人或待采样信息或通过身份证感应区识别身份证数字信息。（2）信息上传至信息网以及轻便式拭子采样一体机显示屏上。第四阶段：准备拭子采样工作（1）拭子采样工作人员按下喷洒式消毒台上的按钮，进行喷洒式手部消毒。（2）拭子储存仓转轴开始转动，拭子进入拭子分离一体机并最终剥离输送至出料口。第五阶段：拭子检测工作：（1）拭子采样工作人员接过拭子并进行拭子检测工作。（2）拭子信息同步显示在辅助型拭子采样机的显示屏上，供工作人员查看。第六阶段：垃圾处理 拭子外包装袋弹出并落入出料口下方的垃圾桶。第七阶段：完成采样工作 一次完整的拭子采样工作完成 3 原理结构分析 3.1 拭子分离一体机的原理结构分析 图 7 拭子分离一体机工作流程图 刚出厂的拭子一般采用可撕裂式连接，即包装袋通常会以可撕裂式的连接方法连接若干拭子，他们可以采用撕裂的方式来单个使用。在我们的机器中，我们将若干连接在一起的带包装袋的拭子缠绕在拭子储存仓中，以便进行后续工作。在传送带上，切割后的单个带包装袋的拭子即将到达出料口前约 2cm 处。经切割后的单个带包装袋的拭子在传送带上即将到达出料口前约 2cm 处，一个刀片被精确控制，切除拭子包装袋的前面一小部分，从而在包装袋上形成一个口。紧接着，专门设计的压片被用来夹住拭子包装袋的两侧，确保不损害拭子本身，而只压住包装袋。与此同时，位于设备后方的推片被激活，向前推送拭子，使拭子从出料口伸出。采样工中国科技期刊数据库 工业 A-30-作人员可以轻松访问已经剥离好的拭子，以进行进一步的处理或分析。这一流程旨在提高效率和准确性，确保拭子在采样过程中保持卫生和完整性。整个操作流程图见图 7。3.2 人机交互的原理结构分析 3.2.1 物理按键的设计原理分析 在医疗设备的设计过程中，需要充分考虑到医护人员的心理因素，帮助医护人员快速、精准的提高工作效率，减少工作失误。医疗设备良好的安全性和稳定性将会帮助医护人员，保证工作的效率及安全性。在面对复杂的医疗设备时，交互界面的可操作性发挥着极为重要的作用，操作界面的层级分布将直接影响着医护人员在第一时间做出的反应，物理按键将在视觉上更为直观的反应在操作界面中，如图 8 所示，这将保证医护人员更为高效的完成操作步骤。对于医疗设备来讲，安全性的要求要高于一般的工业产品，对紧急情况的处理和防止误操作等安全问题就显得很重要。所以在设计紧急处理的按钮时，我们将其设计在右侧最上方和最下方两个特殊的方形按键，以便于安全情况下防止误操和紧急情况下的安全处理。图 8 物理按键示意图 3.2.2 显示屏的设计原理分析 设备中的显示屏部分将表面染成白色这种柔和的色彩，周围及操作台部分采用环状、圆形等友好因素，来减少对医护人员和患者感官的刺激。在考虑到设备的使用环境情况，我们有室外、半室外以及室内三种使用场景，为了满足三种不同场景的使用，显示屏部分是 LED 单色电子显示屏，其利用发光二极管点阵模块,或像素单元组成的平面式显示屏幕。由于它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点，这保证了高强度发光，阳光折射下，可将屏幕表面内容高清呈现在可视范围内，同时在回到室内和半室内条件下仍可以通过调节屏幕亮度实现适配。显示屏顶部为 NLS-EM3296 扫描模块，NLS-EM3296 是近几年最新推出的条形码扫描模块，利用红外扫描精确快速地读取试管条形码上的信息，通过串口传输给上位机，在完成扫描试管的同时，实现了信息登记与互联网的上传。3.3 基于 OCR 的身份证识别系统 我们对采集的图像进行灰度化，二值化。若图像倾斜还需倾斜矫正，方便对图像的特征处理。之后再对图像字符切分和标准化，然后对汉字和数字分别进行识别匹配，输出结果。流程图如图 9 所示。图 9 OCR 算法流程图 4 设计创新分析 现有条件下医院采取的拭子采样方法通常为 1-2人进行拭子采样工作，我们在对几位医护工作者进行采访的时候了解到。他们在进行工作时最头疼的不是一次次进行采样，而是对拭子的剥离。通过对比我们可以发现，如果我们每个人在采样前主动帮助医护人员将拭子包装拆开，这将会帮助他们节省很多体力，但是这样的话也可能导致检测结果受到一定程度的影响。都由医护人员拆开的话，由于医护人员工作时戴着手套且喷洒了酒精，剥离拭子反而变成了很头疼的问题。同时，有些拭子采样的情况下，需要进行信息录入等工作，而这样的复杂工作之后，卫生安全情况就更加难以保障。而市场上已经存在的一些拭子采样机器人，它们主要依赖机械臂、编程和视觉系统来执行拭子采样任务。然而，存在一些显著的技术和人际交互问题。首先，这些机器人的机械臂操作时间相对较长，且在掰中国科技期刊数据库 工业 A-31-断拭子时可能会出现定位误差，导致拭子未能准确地放置在试剂瓶中。这可能影响采样的准确性和可靠性。另外，根据问卷调查结果，许多受访者表达了不愿意接受机械臂执行拭子采样任务的观点。这种不愿意的情感可能源自对自动化技术的不信任，担忧机器人的操作精度和安全性。此外，人们可能认为拭子采样任务对人的专业技能和判断力至关重要，难以被机器完全替代。因此，在将机器人用于这类任务时，需要解决技术和社会接受度方面的挑战，以提高机器人采样系统的可接受性和可靠性。相较而言，轻便式拭子采样一体机在拭子采样阶段仍采用人工操作，这一选择能够更好地满足大众人群的需求，同时提供更高的操作精确性和效率。此外，轻便式拭子采样一体机的辅助采样特性能够解决一些令人头疼的问题，如拭子剥离工作，同时还能综合考虑信息录入和卫生安全等重要方面，解决了纯人工操作和机械臂式的拭子采样机的大部分弊端。5 结论 本论文介绍了一种轻便式拭子采样一体机的结构设计，旨在解决拭子采样工作中的一系列难题，提高采样效率和卫生安全性。通过详细分析机器的结构设计，包括拭子分离一体机、显示屏及操作台、信息录入器和喷洒式消毒台等部分，以及工作流程，原理结构分析和人机交互设计等内容，旨在提供更便捷、高效、安全的拭子采样过程，尤其是对医护人员的协助以及综合考虑了信息录入和卫生安全等重要因素，具有广阔的应用前景，希望这项技术能够为医疗行业带来更多的便利和安全。参考文献 1王杰元,王春鹏.物理按键在人机交互界面中的应用J.西部皮革,2020(2):25.2曹佳宇,陆汝华,刘宇平,李亚兰.基于 OCR 的身份证识别系统J.信息技术与信息化,2021(1):25 3杨海涛,丰飞,魏鹏,孙占荣.核酸检测的咽拭子采样机器人系统开发J.机械与电子,2021(8):24 4阳进.基于单片机的 LED 显示屏的汉字显示J.中国科技信息,2005(6):15 5翟淑霞.基于单片机的 LED 显示屏的汉字显示J.今日科苑,2006(9):30 6王月磊.医疗设备人机界面可用性设计研究D.南京林业大学,2007.7LED 显示设计与实现-移通-刘清洪-百度文库互联网文档资(http:/wenku.baidu.c)-2012.基金项目：武汉商学院 2023 年大学生创新创业训练计划，项目名称：轻便式拭子采样一体机（项目编号：202311654120）。