[论文解读] Tele-Operated Oropharyngeal Swab (TOOS) RobotEnabled by TSS Soft Hand for Safe and EffectiveCOVID-19 OP Sampling

Wei Chen, Jianshu Zhou+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2021

Soft Robotics and Applications参考文献 33被引用 4

一句话总结

本文提出了一种由新型TSS柔性手驱动的遥操作口咽拭子（TOOS）机器人，该柔性手结合了柔性腕部与夹持器，可在受限的口腔空间内实现安全、灵巧且类人化的拭子操作。通过混合虚拟导引控制与实时视觉反馈，系统实现了30秒内的采样时间，成功率和安全性均较高，为降低新冠检测过程中医护人员的感染风险提供了有前景的解决方案。

ABSTRACT

The COVID-19 pandemic has imposed serious challenges in multiple perspectives of human life. To diagnose COVID-19, oropharyngeal swab (OP SWAB) sampling is generally applied for viral nucleic acid (VNA) specimen collection. However, manual sampling exposes medical staff to a high risk of infection. Robotic sampling is promising to mitigate this risk to the minimum level, but traditional robot suffers from safety, cost, and control complexity issues for wide-scale deployment. In this work, we present soft robotic technology is promising to achieve robotic OP swab sampling with excellent swab manipulability in a confined oral space and works as dexterous as existing manual approach. This is enabled by a novel Tstone soft (TSS) hand, consisting of a soft wrist and a soft gripper, designed from human sampling observation and bio-inspiration. TSS hand is in a compact size, exerts larger workspace, and achieves comparable dexterity compared to human hand. The soft wrist is capable of agile omnidirectional bending with adjustable stiffness. The terminal soft gripper is effective for disposable swab pinch and replacement. The OP sampling force is easy to be maintained in a safe and comfortable range (throat sampling comfortable region) under a hybrid motion and stiffness virtual fixture-based controller. A dedicated 3 DOFs RCM platform is used for TSS hand global positioning. Design, modeling, and control of the TSS hand are discussed in detail with dedicated experimental validations. A sampling test based on human tele-operation is processed on the oral cavity model with excellent success rate. The proposed TOOS robot demonstrates a highly promising solution for tele-operated, safe, cost-effective, and quick deployable COVID-19 OP swab sampling.

研究动机与目标

• 为解决医护人员在新冠口咽拭子采样过程中面临高感染风险的问题。
• 克服刚性机器人在受限空间采样过程中安全性、灵巧性和用户舒适度方面的局限性。
• 开发一种柔性机器人手（TSS手），可复制人类手腕与手部的灵巧性，用于一次性拭子的操作。
• 通过力控与虚拟导引实现遥操作，确保采样过程安全、精确且可重复。
• 通过在真人模拟模型上进行人机协同遥操作，验证系统的安全性、灵巧性与操作效率。

提出的方法

• 一个3-DOF的远程中心运动（RCM）平台为TSS手提供全局定位，确保精确的插入与拔出。
• TSS柔性手集成了气动可调刚度的柔性腕部，实现全向弯曲，以及用于夹持与释放拭子的柔性夹持器。
• 混合运动与刚度虚拟导引控制器在遥操作过程中将采样力维持在安全舒适的范围内（10–60 g）。
• 来自口内摄像头的实时视觉反馈指导操作员控制，确保拭子的精确定位。
• 系统采用遥操作界面，配备语音通信，并在拔出后由人工协助完成拭子收集。
• 实验验证包括精度测试、刚度调节以及在人类口腔模型上的安全性评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 柔性机器人手是否能在受限的口咽空间内实现灵巧、类人化的单次性拭子操作？
• RQ2 配备虚拟导引控制的遥操作系统是否能确保口咽拭子采样过程中采样力的安全且一致？
• RQ3 与人工采样相比，该系统的性能在速度、准确性和用户舒适度方面如何？
• RQ4 TSS手的可调刚度是否能同时实现安全的组织接触与有效的拭子施力？
• RQ5 将柔性机器人技术与现有一次性拭子集成，是否具备在临床环境中实现快速、可扩展且安全部署的可行性？

主要发现

• TOOS机器人在真人模拟模型上的人机协同遥操作试验中，完整采样周期约为30秒，成功率高达100%。
• TSS柔性手展现出与人类手部相当的灵巧性与工作空间，可在受限空间内有效实现拭子的插入、旋转与提取。
• 混合虚拟导引控制器成功将采样力维持在安全舒适的范围内（10–60 g），确保组织安全。
• 所有三位操作员——无论是否有拭子操作经验——均在数分钟内达到熟练操作水平，表明学习曲线低且易用性高。
• 受试者在操作过程中未报告任何不适，证实了系统在安全性和柔性交互方面的优异表现。
• 该系统可实现安全、低成本且快速部署的机器人采样，使用标准一次性拭子，具备未来开展体内试验及人工智能增强控制的潜力。