CAAI副理事长孙富春教授团队发表自主采集咽拭子机器人研究成果

针对新冠疫情中咽拭子采集的高传染性，以及各大医院检验科采样室日常呼吸道病毒检测过程中的交叉感染风险，CAAI副理事长、清华大学计算机科学与技术系孙富春教授带领团队研制了咽拭子采集机器人系统，避免医护人员在新冠肺炎病毒样本及其他呼吸道病毒采样过程中感染。论文成果Autonomous Oropharyngeal-Swab Robot System for COVID-19 Pandemic发表在IEEE Trans. Automation Science and Engineering。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9901486

系统将人工咽拭子采集过程中的被采集者信息识别、咽拭子采集、密封等过程实现全自动化。该系统在采样过程中能够进行采样力检测反馈，咽部组织接触力感知能力，在人的口腔内通过深度图像进行口腔内部咽部采样区域进行精细定位，能根据采样位置变化而自行调整，并且能控制合适的采样力度，实现咽拭子的精准柔顺采集。

系统流程分为四个部分：拭子装载、受试者交互、标本取样、标本储存。如下图所示。在拭子装载阶段，加载臂将从托盘中抓取拭子并将其装载到采样机器人上。在主体交互阶段，机器人会检测主体的姿势并相应发出声音指令；待受试者正确坐好且采样区域暴露良好后，系统将进入标本采样阶段，这需要机器人实时获取准确的精细采样位置。获取采样位置后，样本采集机器人将引导 OP-swab 到达呼吸道病毒所在的咽后壁。同时，引入力/位置混合控制方法，确保受试者的安全和舒适。在样本采集机器人的每个关节的实际运动之后，采样位置被逐层细化。待采样过程完成后，在标本储存阶段，装载臂将标本储存在培养基托盘中，可直接送入实验室进行进一步的核酸检测。

进入口腔部分为咽拭子采集前端，附有视觉模块对口腔内部进行图像采集。通过末端机构的力触觉信息及咽部的图像信息，通过视觉和触觉的融合对操作过程进行精细感知，以保证咽拭子采集部位的准确、动作的精确及操作的安全。

咽拭子采集前端最重要部分为主动接触力控制器，起到控制棉签接触咽部黏膜组织的压力作用。动力控制器包括控制板、压力传感器、直线滑轨、照明灯，咽拭子可沿直线滑轨平顺移动，压力传感器位于直线滑轨一侧，一侧通过弹簧连接咽拭子棉签，一侧与直线伺服的动力输出端连接，可以检测咽拭子所受的反向压力，从而得到咽拭子触及咽部柔软组织时的压力值。部分力量序列如下图所示，根据先前研究，当采集力量高于0.6N时，会使得采样对象感到不适；而当力量高于1N时，会有产生损伤的风险。数据表明，系统的大部分采样力低于0.6N，处于舒适范围内，当诱发反射在极端情况下，系统检测到力量达到设定阈值后会在20ms内做出反应，从而保证采样的舒适性与安全性。

口腔内采样动作规划。咽拭子擦拭区域为口腔内部软腭附近位置的弧形区域，目标位置以及目标区域固定，咽拭子采集前端的运动包括以下2个运动：（1）咽拭子及力控部分向口腔内深入的运动，称为进给运动，由三轴平台完成；（2）采集区擦拭的运动，称为圆弧曲线运动，由三轴平台配合负责摆动的伺服电机完成采样。

除系统自带的过力保护功能外，还设有双向急停开关键，能让被采集者在感觉不适时、医护人员发现异常时迅速安全地暂停系统，使得机器人更具人性化。医护人员可以在远离被采集者的观察台前观察，这样既保护了医护人员，又保障了整个自动化采样过程的安全可靠性。该系统同时具有友好的语音操作提示，全程指引被采集者做出准确的操作步骤。经过测试，所开发的机器人系统的采样有效性可以达到核酸筛查的要求，并支持单检与混检多种模式，且患者采样的舒适性显著高于人工采样舒适性。

整个系统可以全自动完成信息采集、交互指引、样本采集、封装等过程，可有效缓解医护压力，为大规模核酸采样提供了有效的解决方案。目前机器人已经成功在多个医院及社区开展了示范应用，并在2022年日内瓦国际发明展中获得银奖。

F. Sun, J. Ma, T. Liu, H. Liu and B. Fang, "Autonomous Oropharyngeal-Swab Robot System for COVID-19 Pandemic," in IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2022, doi: 10.1109/TASE.2022.3207194.（Corresponding author: fangbin@tsinghua.edu.cn）

本文由CAAI认知系统与信息处理专委会供稿