CN111438697B - 用于核酸检测采样的软体操作头、刚性基座及设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于核酸检测采样技术领域，提供了一种用于核酸检测采样的软体操作头、刚性基座及设备。本发明基于软体材料内部空腔充放气和/或抽气会产生形变的原理，获得具有气腔构造的软体操作头，用于安装咽拭子并控制咽拭子进行采样，从而使医务人员在采样过程中无需亲自手持咽拭子进行操作，该软体操作头可以配合刚性基座及机械臂使用，从而获得一种能够让医务工作者进行远距离采样操作的设备，避免医务工作者近距离接触患者，降低感染风险，并且基于磁吸附连接原理可自动完成一次性软体操作头的更换，安全有效、成本低廉。

Description

用于核酸检测采样的软体操作头、刚性基座及设备

技术领域

本发明属于核酸检测采样技术领域，涉及一种用于核酸检测采样的软体操作头、刚性基座及设备，更具体地，涉及一种用于核酸检测的自动化采样设备末端操作头，特别是一种能够集成在机械臂末端的可实现全自动化安全采样的操作头，能够用于远程操作。

背景技术

核酸检测作为新型冠状病毒确诊的重要依据之一，需由身穿防护服的医护人员亲自手持咽拭子自患者咽喉部刮擦下细胞样本与组织粘液，并保存至试管培养液中，才能进一步的送检得出结论。

在人工采样的过程中，虽做了严密的防护，但由于长期、近距离的暴露在高密度的病毒中，仍有不少医护工作者不幸感染，这使得寻求一种无需人工的全自动化采样设备成为了抗击新冠病毒过程中的迫切需求之一。

因此，亟需一种能够进行远程操作的核酸采样设备，以使医务工作者在远离感染源的环境下进行远程操作采样。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于核酸检测采样的软体操作头、刚性基座及设备，其目的在于，基于软体材料内部空腔充放气和/或抽气会产生形变的原理，获得具有气腔构造的软体操作头，用于安装咽拭子并控制咽拭子进行采样，从而使医务人员在采样过程中无需亲自手持咽拭子进行操作，该软体操作头可以配合刚性基座及机械臂使用，从而获得一种能够让医务工作者进行远距离采样操作的设备，避免医务工作者近距离接触患者，降低感染风险，并且基于磁吸附连接原理可自动完成一次性软体操作头的更换，安全有效、成本低廉。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于核酸检测自动化采样的软体操作头，包括：软体执行部和铁芯；

所述软体执行部包括咽拭子安装面、基座对接面、咽拭子安装部、空腔和气孔；

所述咽拭子安装部设于所述咽拭子安装面所在侧；

多个相互隔断的所述空腔位于所述软体执行部内部，且分散布置于所述咽拭子安装部周围；每个所述空腔分别通过一个所述气孔直通外界；

所述铁芯设于所述基座对接面所在侧，用于将所述软体执行部与待连接的基座进行磁吸附连接；

使用状态下，在所述咽拭子安装部上安装咽拭子，通过各所述气孔向对应的所述空腔放入和/或抽取预定量的气体，改变各个所述空腔的形状，从而改变所述咽拭子安装部的姿态，进而带动所述咽拭子按照预设轨迹完成自动采样。

进一步地，所述软体执行部为扁圆柱形，多个形状大小相同的所述空腔在所述软体执行部内部沿圆周方向均匀分布，且两两通过薄壁隔断；所述空腔是横截面为扇形、纵截面为梯形的环段状空腔，每个所述空腔的窄端各有一个直通外界的所述气孔。

进一步地，包括对位部，所述对位部设于所述基座对接面上，用于与待连接的基座进行连接时，与待连接的基座上相匹配的导引部配合进行导引和对位；

或者，所述铁芯突出于所述基座对接面表面，优选地，所述铁芯表面覆盖柔性材料。

进一步地，所述铁芯为环状铁芯，数量与所述气孔的数量相等，每个所述气孔对应穿过一个所述所述铁芯的中心孔；

或者，所述铁芯上开设有与所述气孔数量相等的第一通孔，每个所述气孔对应穿过一个所述第一通孔。

进一步地，所述基座对接面为软体材料，所述铁芯埋设于所述基座对接面的表面下，以在所述软体执行部与待连接的基座进行磁吸附连接时，通过所述铁芯和所述待连接的基座挤压两者之间的软体材料实现自动气封。

为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种用于核酸检测自动化采样的刚性基座，用于安装如前任意一项所述的软体操作头，包括：基座本体、电磁铁和软管；

所述基座本体具有操作头安装面，所述电磁铁设于所述操作头安装面上，且数量和位置与所述软体操作头上所述铁芯的数量与位置相对应，用于配合所述铁芯进行磁吸附连接；

所述软管的数量及其出气口的位置与所述软体操作头上所述气孔的数量和位置相对应，以在所述软体操作头安装至所述操作头安装面时，与所述气孔一一对应匹配连接。

进一步地，包括导引部，所述导引部设于所述操作头安装面上，用于与在所述刚性基座与所述软体操作头连接时，与所述软体操作头上的所述对位部配合进行自动导引和对位；

或者，所述电磁铁凹进所述操作头安装面内，且凹陷形状与所述铁芯的突出形状相匹配，以在所述软体操作头安装至所述操作头安装面时，自动吸附突出于所述基座对接面表面的所述铁芯，并在进行磁吸附连接的同时，自动进行磁吸附对位导引；而在完成磁吸附后，所述电磁铁与所述铁芯共同挤压二者之间的柔性材料实现气封。

进一步地，所述电磁铁为环状电磁铁，数量与所述软管的数量相等；每个所述软管的出气端对应穿过一个所述电磁铁的中心孔，以在所述刚性基座与所述软体操作头连接时，与各自对应的所述气孔对接；

或者，所述电磁铁上开设有与所述软管的数量相等的第二通孔，每个所述软管的出气端对应穿过一个所述第二通孔，以在所述刚性基座与所述软体操作头连接时，与各自对应的所述气孔对接。

进一步地，所述电磁铁朝向所述软体操作头的端面高于所述操作头安装面，用以在吸合所述铁芯时挤压二者间的软体材料实现自动气封。

为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种用于核酸检测自动化采样的设备，包括如前任意一项所述的软体操作头，以及如前任意一项所述的刚性基座；优选地，还包括用于安装所述软体操作头和所述刚性基座的机械臂或机械臂平台。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明所设计的用于核酸检测的自动化采样设备末端操作头通过引入软体机器人技术，使得一方面软体操作头可以灵活的操控咽拭子在患者口腔内实现摆动与旋转等动作完成采样，且过程中借助软体机器人的顺应性优势将咽拭子与患者咽部的接触力控制在安全范围内；另一方面由于气动软体机器人的独特驱动原理以及低廉的制造成本，可将软体操作头设计为一次性的易消耗品，直接与咽拭子集成为一体，相同病人多次采样以及不同病人交替采样过程中均对软体操作头进行自动更换，从而将交叉感染的风险降到最低。

2、软体操作头运用了软体机器人成本低廉以及顺应性的优势，因为采用电磁吸附原理，故可以实现软体操作头自动化更换，也正因此，软体操作头能够进行一次性设计，从而能够全面考虑患者与医生的安全，坚决阻断不同患者间潜在的传播风险，且由于咽部是人体中较敏感的部位，故自动采样设备需在灵活操控咽拭子完成采样的同时，将接触力严格控制在一定范围内，而气动控制驱动柔性材料变形的方案具有易于控制接触力且接触柔和的优点，从而能够保证安全、快捷的完成预定工作。

3、本发明适用于各种不同类型的机械臂以及机械臂平台，例如UR机械臂或者与UR机械臂相似的其他六自由度或多自由度机械臂平台，需要采样时，患者脸部需固定，将机械臂移动至患者口腔附近定住，由软体操作头来实现进一步的采样工作即可，易于推广使用。

4、本发明的设备主体由刚性基座、软体操作头以及UR机械臂三部分组成，其中刚性基座通过电磁吸附原理借助软体操作头中内置的环形铁芯实现对软体操作头的吸附与自动更换，软体操作头采用气动原理，通过对内置空腔选择性的抽真空，借助软体操作头的本体形变带动咽拭子运动。其具有可灵活操纵咽拭子在患者口腔内运动、可一次性自动更换、成本低廉、安全性好等优点，充分发挥了软体机器人低成本、顺应性好等优势。

附图说明

图1是本发明的整体集成示意图；

图2是本发明实施例1软体操作头的剖视图；

图3是图2中软体操作头的正视图；

图4是图2中软体操作头的后视图；

图5是本发明实施例1刚性基座的立体视图1；

图6是图5中刚性基座的剖视图；

图7是图5中刚性基座拆除下盖后的后视图；

图8是图5中刚性基座的立体视图2；

图9是本发明实施例1的驱动系统原理图；

图10是本发明实施例2的软体操作头剖视图；

图11是本发明实施例2的软体操作头与刚性基座连接图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-软体操作头，2-刚性基座，3-UR机械臂，101-咽拭子，102-软体执行部，103-环形铁芯，104-咽拭子安装部，105-空腔，106-气孔，107-对位部，201-上盖，202-电磁铁，203-螺钉，204-短软管，205-长软管，206-直角接头，207-下盖，208-导引部。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

【实施例1】

在图1-图9所示的自动化采样设备末端操作头示意图中，所述软体末端操作头1通过刚性基座2中四组电磁铁202对预埋于软体执行部102中的对应四个环形铁芯103的吸引力紧密贴合于刚性基座2的外表面，并通过软材料受压变形实现四组气路的连通。所述刚性基座2进而通过贯穿其上盖201、下盖207并最终旋入UR机械臂3末端面预留螺孔内的四个螺钉203实现自身与UR机械臂3末端面的固定。

所述软体操作头1包括有咽拭子101、软体执行部102以及环形铁芯103。软体操作头1的外观整体呈扁圆柱型，一端连接有咽拭子101，另一端埋设有四个环形铁芯103。

其中，咽拭子101主体为一端粘附有医用棉絮等采样材料的木质杆状设计，形似棉签，其另一端通过粘接等方式插入并固定在软体执行部102端面中部预留的咽拭子安装部104中。软体执行部102本体由硅橡胶通过失蜡铸造制作而成，外观呈扁圆柱状，内部有沿圆周方向分布的四个截面为梯形的环段状空腔105，空腔105间两两通过薄壁隔断，四个空腔105的窄端各有一个直通外界的气孔106，用来与刚性基座2电磁铁202中部的短软管204在吸合作用下实现气路连接，从而可通过控制四个电磁换向阀的通断方便的控制四个空腔105的真空度，进而使软体执行部102产生形变，驱动咽拭子101做摆动、绕圈等动作。环段状空腔105的截面设置为梯形，且大端朝向咽拭子端面，可以使得软体机器人在抽真空时，梯形腔室可以使宽部变形(缩)大，窄部变形小，从而使咽拭子弯转。可设想连接端(铁芯端)为支点，咽拭子以支点为中心摆动，需保证支点变形小，若不采用梯形设计，有可能咽拭子不会发生弯转，而是往抽真空的一侧平移，亦可能会使操作头脱落(连接面变形较大，无法继续对准)，因此梯形设计的运动准确性和稳定性最佳。

在软体执行部102连接咽拭子101的一侧端面中部预留有用于固定咽拭子101的小深孔即咽拭子安装部104，与刚性基座2贴合的另一侧端面预埋有四个环形铁芯103，环形铁芯103分别与环段状空腔105窄端的气孔106同心，并置于端面以下几毫米处，用以在刚性基座2电磁铁202吸引环形铁芯103的时候可以压缩二者间的软材料实现气孔106与短软管204间的较好气封效果。此外，在软体执行部102与刚性基座2贴合的对应端面中部有一对位部107，优选地，本实施例将所述对位部107设置为圆台形凸起，其大小与刚性基座2上盖201端面中部的圆台形凹坑相匹配，用以在自动更换软体操作头1的过程中实现软体操作头1的辅助定位。优选地，为了进一步提升自动对位导引效果，还可以将对位部107和导引部208表面设置为相互匹配的锥面。

所述刚性基座2包括上盖201、电磁铁202、螺钉203、短软管204、长软管205、直角接头206、下盖207、导引部208。所述刚性基座2整体呈扁圆柱型，一端与UR机械臂3末端面固连，另一端沿圆周方向分布有四组电磁铁202，用于软体操作头1的持续吸附与自动更换。其中，基座本体分为上盖201和下盖207两个部分，上盖201的外圆面即操作头安装面，其中部有一用于定位的导引部208，优选地，本实施例将导引部208设置为圆台形凹坑。

外圆面沿圆周方向分别分布有用于螺钉203固定的四个较小沉头孔，以及用于安装电磁铁202的四个较大圆坑，电磁铁202可通过强力胶粘接或过盈配合等方式固定在上盖201的圆坑中。其中，电磁铁202朝向外部的端面稍高于上盖201外圆面，用以在吸合软体操作头1的环形铁芯103时可以使二者间的软体材料被压缩成U形，从而提高气封效果。电磁铁202为环形设计，中部开有一6mm直径的圆孔，外径6mm内径4mm的四个短软管204分别通过粘接或过盈配合等方式固定在四组电磁铁202的中部圆孔中。短软管204较短，一端与电磁铁202朝向刚性基座2外部的端面平齐，另一端径直伸入刚性基座2内部并与四组直角接头206连接。直角接头206用于将气路旋转90°，解决刚性基座2内部空间受限的问题，其一端与短软管204连接，另一端与长软管205连接，长软管205进而分别将四组气路自下盖207两侧预留的槽型孔中引出刚性基座2，并分别通过四个电磁换向阀与真空泵连接，通过控制四个电磁换向阀的通断电，可以使四组气路在通大气与抽真空两种状态间灵活切换，从而实现软体操作头1的灵活控制。下盖207一端贴着UR机械臂3末端面，另一端贴着上盖201，下盖207上沿圆周方向分布的四个小通孔依次与上盖201上的四个沉头孔以及UR机械臂3末端面上预留的四个螺孔对齐，四个螺钉203分别自上盖201的沉头孔插入，依次穿过上盖201、下盖207并最终拧死在UR机械臂3末端面上的螺孔中，实现刚性基座2的组装与固定。

当对病人进行采样时，刚性基座2的四组电磁铁202通电，对预埋于软体操作头1中的四组环形铁芯103产生稳定吸引力，使得环形铁芯103与电磁铁202间的软材料受挤压产生变形，实现软体执行部102空腔窄端气孔106与刚性基座2上电磁铁202中部套接的短软管204间的气路连接，从而可通过控制四组气路所对应的四个电磁换向阀的通断电，控制软体执行部102的每个空腔在接大气与抽真空两种状态间的切换，进而使软体执行部102产生形变，带动咽拭子101做摆动或画圈等动作。

当完成采样准备更换一次性的软体操作头1时，UR机械臂3先将末端操作头移动至指定废弃筐上方，然后刚性基座2上的电磁铁202断电，软体操作头1失去了吸引力，在重力作用下掉落入废弃筐中，UR机械臂3随即移动末端至新更换的软体操作头1上方，将刚性基座2与新的软体操作头1间距离缩短至指定范围内，并大致对准，此时电磁铁202通电，软体操作头1随即被吸起，在软体执行部102端面中部的圆台形凸起与刚性基座2上盖201端面中部的圆台形凹坑的配合作用下完成位置校准并连接完成。

【实施例2】

本实施例与实施例1的主要区别在于，直接将铁芯103作为对位部，而将电磁铁202作为导引部，具体地：

铁芯103突出于所述基座对接面表面，优选地，考虑到铁芯103的稳固性，可以仍然将铁芯103埋设于基座对接面下，从而在基座对接面表面形成隆起，此时，铁芯103表面覆盖有一层柔性材料，且柔性材料自动形成圆滑的导引面，具有一定的锥度，如图10所示。

所述电磁铁102凹进所述操作头安装面内，且凹陷形状与所述铁芯103的突出形状相匹配，优选地，本实施例直接将电磁铁102制作成环状，中间的孔洞半径大于铁芯103半径，小于铁芯103半径与柔性材料的厚度之和。

如图11所示，在所述软体操作头1安装至所述操作头安装面时，电磁铁102自动吸附突出于所述基座对接面表面的所述铁芯103，并在进行磁吸附连接的同时，自动进行磁吸附对位导引；而在完成磁吸附后，所述电磁铁102与所述铁芯103共同挤压二者之间的柔性材料实现气封。图11中略去了螺栓等连接元件。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种用于核酸检测自动化采样的软体操作头，其特征在于，包括：软体执行部（102）和铁芯（103）；

所述软体执行部（102）包括咽拭子安装面、基座对接面、咽拭子安装部（104）、空腔（105）和气孔（106）；

所述咽拭子安装部（104）设于所述咽拭子安装面所在侧；

多个相互隔断的所述空腔（105）位于所述软体执行部（102）内部，且分散布置于所述咽拭子安装部（104）周围；每个所述空腔（105）分别通过一个所述气孔（106）直通外界；环段状的所述空腔（105），其截面设置为梯形，且大端朝向咽拭子端面；

所述铁芯（103）设于所述基座对接面所在侧，用于将所述软体执行部（102）与待连接的基座进行磁吸附连接；

使用状态下，在所述咽拭子安装部（104）上安装咽拭子（101），通过各所述气孔（106）向对应的所述空腔（105）放入和/或抽取预定量的气体，改变各个所述空腔（105）的形状，从而改变所述咽拭子安装部（104）的姿态，进而带动所述咽拭子（101）按照预设轨迹完成自动采样。

2.如权利要求1所述的一种用于核酸检测自动化采样的软体操作头，其特征在于，所述软体执行部（102）为扁圆柱形，多个形状大小相同的所述空腔（105）在所述软体执行部（102）内部沿圆周方向均匀分布，且两两通过薄壁隔断；所述空腔（105）是横截面为扇形、纵截面为梯形的环段状空腔，每个所述空腔（105）的窄端各有一个直通外界的所述气孔（106）。

3.如权利要求1所述的一种用于核酸检测自动化采样的软体操作头，其特征在于，包括对位部（107），所述对位部（107）设于所述基座对接面上，用于与待连接的基座进行连接时，与待连接的基座上相匹配的导引部配合进行导引和对位；

或者，所述铁芯（103）突出于所述基座对接面表面。

4.如权利要求3所述的一种用于核酸检测自动化采样的软体操作头，其特征在于，所述铁芯（103）表面覆盖柔性材料。

5.如权利要求1~4任意一项所述的一种用于核酸检测自动化采样的软体操作头，其特征在于，所述铁芯（103）为环状铁芯，数量与所述气孔（106）的数量相等，每个所述气孔（106）对应穿过一个所述铁芯（103）的中心孔；

或者，所述铁芯（103）上开设有与所述气孔（106）数量相等的第一通孔，每个所述气孔（106）对应穿过一个所述第一通孔。

6.如权利要求5所述的一种用于核酸检测自动化采样的软体操作头，其特征在于，所述基座对接面为软体材料，所述铁芯（103）埋设于所述基座对接面的表面下，以在所述软体执行部（102）与待连接的基座进行磁吸附连接时，通过所述铁芯（103）和所述待连接的基座挤压两者之间的软体材料实现自动气封。

7.一种用于核酸检测自动化采样的刚性基座，用于安装权利要求1~6任意一项所述的软体操作头（1），其特征在于，包括：基座本体、电磁铁（202）和软管；

所述基座本体具有操作头安装面，所述电磁铁（202）设于所述操作头安装面上，且数量和位置与所述软体操作头（1）上所述铁芯（103）的数量与位置相对应，用于配合所述铁芯（103）进行磁吸附连接；

所述软管的数量及其出气口的位置与所述软体操作头（1）上所述气孔（106）的数量和位置相对应，以在所述软体操作头（1）安装至所述操作头安装面时，与所述气孔（106）一一对应匹配连接。

8.如权利要求7所述的一种用于核酸检测自动化采样的刚性基座，其特征在于，包括导引部（208），所述导引部（208）设于所述操作头安装面上，用于在所述刚性基座（2）与所述软体操作头（1）连接时，与所述软体操作头（1）上相匹配的对位部（107）配合进行自动导引和对位；

或者，所述电磁铁（202）凹进所述操作头安装面内，且凹陷形状与所述铁芯（103）的突出形状相匹配，以在所述软体操作头（1）安装至所述操作头安装面时，自动吸附突出于所述基座对接面表面的所述铁芯（103），并在进行磁吸附连接的同时，自动进行磁吸附对位导引；而在完成磁吸附后，所述电磁铁（202）与所述铁芯（103）共同挤压二者之间的柔性材料实现气封。

9.如权利要求7或8所述的一种用于核酸检测自动化采样的刚性基座，其特征在于，所述电磁铁（202）为环状电磁铁，数量与所述软管的数量相等；每个所述软管的出气端对应穿过一个所述电磁铁（202）的中心孔，以在所述刚性基座（2）与所述软体操作头（1）连接时，与各自对应的所述气孔（106）对接；

或者，所述电磁铁（202）上开设有与所述软管的数量相等的第二通孔，每个所述软管的出气端对应穿过一个所述第二通孔，以在所述刚性基座（2）与所述软体操作头（1）连接时，与各自对应的所述气孔（106）对接。

10.如权利要求9所述的一种用于核酸检测自动化采样的刚性基座，其特征在于，所述电磁铁（202）的端面朝向所述软体操作头（1），该端面高于所述操作头安装面，用以在吸合所述铁芯（103）时挤压二者间的软体材料实现自动气封。

11.一种用于核酸检测自动化采样的设备，其特征在于，包括权利要求1~6任意一项所述的软体操作头，以及权利要求7~10任意一项所述的刚性基座。

12.如权利要求11所述的一种用于核酸检测自动化采样的设备，其特征在于，还包括用于安装所述软体操作头（1）和所述刚性基座（2）的机械臂（3）或机械臂平台。

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