基于人行为动态监测的病房表面消毒机械臂开发

20251128

卫生和社会工作

在技术成熟度方面，该成果已成功完成核心功能模块的集成与验证，处于原型系统优化与中试准备阶段。具体而言： 1.感知与决策模块：基于多视角深度摄像头和轻量级YOLOv8模型的表面触摸行为实时识别算法已开发完成，并通过了真实病房视频数据的测试，证明了其识别与定位的可行性。基于触摸行为（以及已知感染者情况下的病原体传播模型）的动态风险评估算法已构建完毕，并在模拟系统中稳定运行，能够有效生成消毒优先级队列。 2.执行模块：消毒执行单元——即集成UVC-LED消毒末端的六轴协作机械臂——已实现硬件联通与控制集成（基于ROS2系统）。移动底盘具备了基于SLAM的自主导航能力。当前，技术整合的焦点在于完成“移动底盘与搭载机械臂的消毒单元”之间的最终物理与控制系统链接，这是从固定点位演示向全自主移动作业转化的关键一步，技术路径清晰，攻关目标明确。 在工艺与性能指标方面，系统核心组件已具备明确的、可量化的参数，为产品定型与标准化生产奠定了坚实基础： 1.机械臂性能：采用FR5六轴协作机械臂，重复定位精度达±0.05 mm，有效负载5kg，工作半径922mm，能够满足对病房内多数表面进行精准位姿调整的要求。 2.UVC消毒末端性能：自主设计的消毒末端是技术亮点之一。其采用16颗UVC-LED灯珠阵列，峰值波长270nm，在距离表面50mm处可提供高达11.5 mW/cm??的辐照度，且辐照不均匀度控制在5%以下。这一关键指标确保了消毒剂量的有效性和均匀性，同时，结合聚四氟乙烯遮光板的设计，有效减少了紫外线环境泄露，提升了操作安全性。消毒过程的实时剂量监测与闭环反馈控制机制也已实现，确保了消毒效果的可靠性。 3.系统整体干预性能：基于高真实度的病原体传播蒙特卡洛模拟评估，系统性能得到了量化验证。在“每次触摸后即消毒”的高效模式下，对易感患者和陪护的暴露风险降低率可达85%至94%；即使在触发阈值设置为57次（平均每42.5分钟消毒一次）的较低频率下，其降低易感者暴露风险的效果（20.4%）也已超越传统人工每日一次清洁的效果（13.8%），充分证明了其“按需消毒”模式的高效性与优越性。 该科技成果的转化所处阶段可界定为“工程样机开发与验证”的后期，正积极迈向“中试及小批量试制”的过渡期。当前已不仅停留在理论和算法层面，而是拥有了集成的物理系统、经过验证的核心性能指标以及基于真实场景的干预效率数据。下一步的转化工作将聚焦于解决系统最后一公里的集成问题，提升整机系统的工程鲁棒性与稳定性，并在此基础上开展标准化产品设计、成本控制以及符合医疗环境要求的合规性测试，为最终的商业化推广和临床应用铺平道路。

1.资金需求：为实现产品的最终集成、测试、迭代与批量生产，需要合作方投入工程化开发与中试资金。这笔资金将主要用于：a.完成系统最后一公里的集成，即解决移动底盘与机械臂消毒单元之间的刚性连接、供电与通信一体化设计；b.进行关键零部件的耐久性、可靠性与安全性测试，特别是UVC-LED灯珠的寿命测试与机械臂长期运行的稳定性测试；c.支持小批量试产，以优化生产工艺、降成本；d.覆盖产品所需的医疗设备或机器人相关法规认证费用，如电磁兼容、安全标准检测等。初步预估，此阶段的资金需求在数百万元级别，具体可根据股权合作、授权许可或共同成立项目公司等不同合作模式协商确定。 2.场地与设备需求：合作方需提供符合产品组装、测试与中试要求的物理空间与配套设施。具体包括：a.一个用于机器人整机组装与调试的洁净车间或实验室，面积不小于100平方米，具备必要的起重、安防与静电防护条件；b.一个能够模拟真实医院病房环境的测试场地，用于复现复杂的导航路径、表面触摸场景和最终的消毒效果验证，该场地应能布置病床、床头柜等典型病房家具；c.必要的测试与检测设备，如紫外辐照计用于定期校准UVC输出强度，高精度三维测量仪器用于验证机械臂定位精度，以及用于环境温湿度、电磁干扰测试的专业设备。 3.人员与团队需求：合作方最好能配备或联合招募一个跨领域的工程与产品化团队，与我们的研发团队进行无缝对接。核心需求人员包括：a.高级机械工程师，负责机器人结构优化、轻量化设计及面向量产的可制造性设计；b.嵌入式系统与硬件工程师，负责将当前基于ROS2的研究型控制系统进行裁剪、固化与可靠性提升；c.软件工程师，负责开发面向医院用户的简洁上层管理界面（如任务调度、消毒记录查询），并优化感知算法的计算效率以适应嵌入式平台；d.测试与质量工程师，负责制定严格的测试标准，执行产品的可靠性、安全性与消毒效能验证；e.熟悉医疗器械或机器人行业法规的注册专员，负责推动产品的合规认证。 4. 产业资源与协作需求:除了直接的资金和场地支持，我们高度期待合作方能带来宝贵的产业资源与市场渠道。a.在供应链方面，合作方若具备精密电子、机械臂或紫外光源等相关领域的优质供应商资源，将极大助力于降低成本与保障供应链的稳定可靠。b.在市场与应用方面，最理想的合作方是医院感染控制设备制造商、专业服务机器人公司或大型医疗器械企业。其拥有的医院客户资源、成熟的市场推广体系以及对临床需求的深刻理解，能直接指导产品的最终定型与市场定位，并协助开展首批产品的临床应用与示范。通过这种深度的产研结合，我们有望快速将这项先进技术转化为解决院感控制核心痛点的标杆性产品。

可国（境）内外转让

在社会效益方面，该系统将为医疗机构提供一种革命性的感染控制工具。其核心价值在于能够精准阻断病原体通过物体表面的接触传播链。模拟结果显示，在高频使用下，该系统可降低易感患者与陪护人员高达90%以上的暴露风险，这将直接转化为医院内交叉感染发生率的显著下降，尤其能为免疫力低下的儿科、ICU患者提供更高级别的保护。系统实现了无化学残留、非接触式的消毒，避免了传统消毒方式可能带来的二次污染与耐药性问题，更加环保安全。同时，该系统能有效缓解医疗系统的人力压力，通过7x24小时自主运行，将医护人员从繁重、固定频率的日常清洁工作中解放出来，使其能更专注于核心的诊疗与护理服务，并能弥补因手部卫生依从性不足或人工消毒频率有限所带来的感控漏洞，提升整体医疗质量与安全水平。此外，基于真实接触行为数据的精准消毒模式，也为医院感染管理部门制定科学、高效的消毒规范提供了量化依据，推动感控工作从“经验化”向“精准化、智能化”升级。在经济效益方面，该系统的市场前景广阔，商业价值明确。直接经济效益来源于智能消毒机器人及其服务的销售。目标市场明确，初期可聚焦于对感染控制要求最高的医院场景（如ICU、隔离病房、手术室等候区等），后续可逐步拓展至养老院、机场、学校等公共场所，市场规模巨大。相较于传统人工消毒，该系统虽然前期投入较高，但具备显著的长期成本优势。它能通过“按需消毒”避免消毒用品的过度消耗，并通过替代或减少专职消毒人员，持续降低医疗机构的人力成本。更重要的是，其间接经济效益尤为突出。通过有效预防医院内感染，能够直接避免因医院感染爆发导致的巨额医疗开支、患者额外住院天数以及由此引发的医疗纠纷赔偿。研究表明，单次医院感染事件的平均处理成本极为高昂。因此，投资该机器人系统可被视为一项高效的“预防性支出”，其投资回报率将通过大幅降低后续的医疗成本和运营风险得以体现，为医疗机构创造长期、可持续的经济价值。综合来看，本成果的成功转化，有望打造一个社会福祉与市场收益并重的标杆项目，具有极强的推广价值和深远的社会影响力。

北京市自然科学基金本科生“启研”计划

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本科技成果提出并构建了一套集实时感知、智能决策与精准执行为一体的智慧表面消毒系统。该成果来源于对医院环境中接触传播路径的系统性研究，旨在通过机器人技术实现高风险表面的精准识别与高效消毒，阻断病原体在环境表面的传播链条。技术原理上，系统采用多视角深度摄像头与轻量化YOLOv8模型实时识别人员触摸行为，结合表面触摸行为数据与病原体传播模型，动态评估表面传播风险，生成消毒优先级队列。消毒执行环节由搭载自主设计UVC-LED消毒末端的六轴协作机械臂完成，通过实时路径规划与位姿调整，确保UVC辐照均匀覆盖目标表面，并结合紫外线传感器实现闭环剂量控制，保障消毒效果。关键性指标方面，系统UVC消毒末端在距表面50 mm处可实现11.5 mW/cm??的辐照度，不均匀度低于5%，具备高均匀性与低环境泄露特性。在干预效率上，系统在高频运行状态下可降低易感患者与陪护90%以上的暴露风险；即使在较低频率下（平均每42.5分钟消毒一次），其干预效率（20.4%）仍优于美国CDC推荐的日常清洁频率（13.8%）。此外，系统还具备对不同表面类型（床表面、公共表面）的灵活消毒策略，适应多种感染控制场景。应用前景广阔，该系统适用于医院儿科病房、ICU、隔离病房等高感染风险区域，可实现7×24小时不间断、按需消毒，有效弥补人工清洁频率不足、手卫生依从性低等院感控制短板。未来还可扩展至机场、学校、养老院等公共场所，为后疫情时代的公共健康环境建设提供智能化、精准化的技术支撑，具有显著的社会效益与推广价值。