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摘要
聚合酶連鎖反應(PCR)檢測被廣泛用於確認COVID-19感染，且依規定必須由醫護人員執行，導致醫護人員暴露於高度感染風險中。在本文中，我們設計並實作一款自動化鼻腔採檢機器人，以取代醫護人員執行PCR檢測。此系統整合了配備有力/力矩感測器的六軸工業機器人，以及用於鼻孔偵測與鼻道估測的深度攝影機，透過順應控制實現安全的鼻腔採檢。實驗驗證顯示，視覺系統能有效運作，且順應控制法則可使機器人在採檢過程中將接觸力控制於預定範圍內。因此，本研究提出的機器人可實現安全且自動化的鼻腔採檢作業。
Abstract
The polymerase chain reaction (PCR) test is widely used to confirm COVID-19 infection, and it must be performed by medical workers according to regulations, exposing them to a high risk of infection. In this article, we design and implement an automated nasal swab robot to replace medical workers in performing PCR tests. The proposed robot consists of a depth camera for nostril detection and nasal passage estimation, implementing compliance control for safe nasal swabbing. Experiments verify that the vision system works satisfactorily while the compliance control law allows the robot to regulate the contact force within a prescribed level. Therefore, safe and automated nasal swab is accomplished by the proposed robot.
前言
自2019年COVID-19疫情爆發以來，全球已有超過700萬人死亡。這場災難給我們的一項重要教訓是現代醫療系統的脆弱性，在許多疫情最嚴重的地區，醫療系統因大量確診與疑似病例而崩潰了。因此，在後疫情時代最迫切的任務，就是強化醫療系統，並在下一場大流行來臨前做好準備。最新的機器人技術可以從多方面協助建立更有韌性的醫療系統。例如，聚合酶連鎖反應（PCR）檢測是確認COVID-19病例的主要診斷方法[1][2]。依照規定，PCR檢測必須由醫護人員執行，使其長時間暴露於高度傳染的環境中，大幅提高感染風險。如果能應用機器人來自動或遠端執行PCR檢測，不僅能大幅減輕醫護人員的工作負擔，也能更妥善地保障他們的健康。
因此，自疫情爆發以來，鼻腔採檢機器人受到廣泛關注，各界開發了多款鼻咽/口咽採檢機器人[3]~[7]，但這些機器人大多為遠端操作，仍需人工介入。為提升採檢效率並減輕醫護人員負擔，全自動化的鼻腔採檢機器人有其必要。本文提出一款自動鼻腔採檢機器人系統，整合工業機器人、視覺系統與順應控制演算法，使鼻腔採檢過程安全、高效且全自動。視覺系統包括一個深度攝影機，可用於辨識受試者鼻孔位置與估測鼻道方向。順應控制演算法則根據感測到的接觸力與力矩，調整機器人軌跡與姿態，以限制採檢棒與鼻腔間的接觸力。隨後我們以實驗驗證各系統與整體鼻腔採檢機器人系統的有效性。
系統架構
本文所提出的自動化鼻腔採檢機器人為一台六軸工業機器人（HIWIN RA605），其末端裝有雙指夾爪（Robotiq 2F-85）以夾持採檢棒。機械手臂末端亦配備有深度攝影機（Intel RealSense D435）與六軸力/力矩（F/T）感測器（ATI Axia80 M20）。實驗中使用人體模型（Kyoto Kagaku MW45）作為受檢者，系統如圖1所示。機器人系統進行鼻腔採檢時，首先利用深度攝影機根據受檢者正面影像辨識其鼻孔位置。接著，機器人會拍攝受檢者的側面影像以估測鼻道的方向。之後，再次辨識鼻孔位置以確認受檢者未移動。確認無誤後，機器人將採檢棒沿著鼻道插入至鼻咽部位以進行採檢。在插入過程中應用順應控制，以確保接觸力維持在規定的範圍內，整個流程如圖2所示。
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2025年08月號
(單篇費用：參考材化所定價)