CN105127997A - 药剂师智能机器人系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种药剂师智能机器人包括躯干（100）、两个机械臂（200）以及控制系统（300），所述每个机械臂（200）均为至少六轴结构，该机器人还包括连接所述控制系统（300）的立体视觉系统（600），包括设置于躯干头部的第一摄像机（610）以及设置于至少一个抓取夹具（260）上的第二摄像机（620）。本发明采用上述的技术方案，可以使得这种高智能机器人完成配药的工作，由于这种机器人的高智能和准确性，这种机器人可以应用在医院危险场合作业或者是配制要求比较高的药品，避免人为操作可能带来的误差。另外，还可以联网组成机器人系统，完成整个配药过程。

Description

药剂师智能机器人系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别涉及可在医疗领域中应用的智能机器人。

背景技术

传统的化疗药物采用人工配置，在流程跟踪上不够健全，也无法量化，普通的生物安全柜并不能完全消除药品在人工配置过程中存在的安全隐患、对医务人员带来一定伤害。人工作业时，无论是普通药剂，还是辐射性、污染、细胞毒性的化疗药物，人工配置的方法、时间、精确度都有不确定性，会受药剂师或配药调剂人员的主观因素影响，药剂师机器人可以做到一致性、兼容性、高效及高精度。人工作业时，分液调剂过程中出现问题，问题的跟踪、定位等环节会出现不明晰的状况，比较难于解决。现有技术中机器人大多应用在工业领域，特别是应用在流水作业的生产线上，这种机器人的功能比较简单，适应执行大批量简单作业的任务，而对于具有不确定性的单剂配药作业任务来讲，这种机器人基本无法胜任，而且，上述机器人基本都是固定模式运作，在需要人机合作才能完成的任务时，这些机器人很少能够与操作者进行协同配合，适应性比较差。

发明内容

本发明提供一种药剂师智能机器人，在原有机器人的基础上添加可以适应各种作业的可更换机械手，根据配药作业的要求设计控制系统，高度模拟人工配药的程序和动作，解决现有机器人不能完成复杂作业以及人机配合作业的技术问题。

本发明为解决上述技术问题而设计的这种药剂师智能机器人包括躯干、设置于该躯干两侧的两个机械臂以及控制上述躯干和机械臂动作的控制系统，所述每个机械臂均为至少六轴结构，具体包括由连接躯干的根部开始依次连接的摆动臂、旋转臂、腕部以及可拆卸更换的抓取夹具，还包括驱动关节部，该驱动关节部具体包括躯干与根部之间设置的第一旋转关节、根部与摆动臂之间设置的第一摆动关节、摆动臂与旋转臂之间设置的第二摆动关节以及旋转臂与抓取夹具之间设置的第二旋转关节，所述旋转臂包括臂杆部以及腕部，所述臂杆部连接摆动臂，所述腕部连接所述抓取夹具，所述臂杆部为两段式结构，所述驱动关节部还包括设置于臂杆部与腕部之间的第三摆动关节以及两段臂杆部之间设置的第三旋转关节，所述躯干包括上躯干、下躯干以及两者之间设置的第四旋转关节，该机器人还包括连接所述控制系统的立体视觉系统，该立体视觉系统包括设置于躯干头部的第一摄像机以及设置于至少一个抓取夹具上的第二摄像机。

该智能机器人还包括设置于所述抓取夹具上并连接所述控制系统的力传感器和人体感应器，还包括连接所述控制系统的人机交互单元，该人机交互单元包括并联的离线编程模块、在线示教模块、语音控制模块以及手势控制模块，还包括连接所述控制系统的网络通讯系统。

由上述药剂师智能机器人构成的机器人系统至少包括两个机器人，相互之间通过所述网络通讯系统进行通讯联络并协同工作。

这种药剂师智能机器人的控制方法包括以下步骤：A.根据配药或取药作业的需要，更换合适的抓取夹具，如果所述配药作业为配制液态药物，所述的抓取夹具分别为一只机械手为包括夹持和往复直线运动机构的机械手，手持配液器进行药物抽取和注入的操作，而另外一只机械手为夹持夹具，夹持药瓶供配液器进行抽取或注入，同时，该夹持药瓶的机械手在配制完成后，完成对药瓶进行翻转和摇晃混合的动作；如果所述配药作业为配制固态药物，所述的抓取夹具分别为可铲取固态药物的机械手，通过定量铲取固态药物进行混合和配制；B.启动机器人，操作者选择人机协作模式或自动运行模式；C.机器人通过立体视觉系统判断被抓取物的材质、位姿，选择合适的抓取方向和位置，按人为控制模式或自动控制模式完成相应的作业，立体视觉系统在配制液态药物时观察液态的液位状态，确定配比量是否合适，通过控制系统帮助机械手准确配制药物。

本发明采用上述的技术方案，可以使得这种高智能机器人完成配药的工作，由于这种机器人的高智能和准确性，这种机器人可以应用在医院危险场合作业或者是配制要求比较高的药品，避免人为操作可能带来的误差。另外，还可以联网组成机器人系统，完成整个配药过程。本发明药剂师机器人，是集运动控制、机器视觉、多传感反馈等前沿技术为一体的高科技医疗服务机器人。该机器人可以有效的代替人工，依据统一的标准和规范、按照核对过的药剂处方，自动进行视觉拍照、图像处理、干粉稀释摇匀、安瓿瓶自动开瓶、智能定量抽吸配液，系统自动进行静脉药物的配置。

附图说明

图1是本发明药剂师智能机器人的立体示意图。图2是本发明药剂师智能机器人的构成示意图。图3本发明抓取夹具的立体示意图。图4是本发明机器人系统的立体示意图。图5是本发明机器人系统网络控制示意图图6是本发明机器人控制系统的控制流程图。图7是本发明机器人作业过程的控制框图之一。图8是本发明机器人作业过程的控制框图之二。图9-图14是本发明配制液态药物过程中机器人各种姿态示意图。

具体实施方式

结合上述附图说明本发明的具体实施例。

由图1、图2和图6中可知，本发明的药剂师智能机器人包括躯干100、设置于该躯干100两侧的两个机械臂200以及控制上述躯干和机械臂动作的控制系统300，所述每个机械臂200均为至少六轴结构，采用高精度交流伺服电机、高精度绝对码盘编码器作为反馈，进行闭环伺服控制；具体包括由连接躯干100的根部210开始依次连接的摆动臂220、旋转臂240、腕部250以及可拆卸更换的抓取夹具260，还包括驱动关节部270，该驱动关节部270具体包括躯干100与根部210之间设置的第一旋转关节271、根部210与摆动臂220之间设置的第一摆动关节272、摆动臂220与旋转臂240之间设置的第二摆动关节273以及旋转臂240与抓取夹具260之间设置的第二旋转关节274，所述旋转臂240包括臂杆部241以及腕部242，所述臂杆部241连接摆动臂220，所述腕部242连接所述抓取夹具260，所述臂杆部241为两段式结构，所述驱动关节部270还包括设置于臂杆部241与腕部242之间的第三摆动关节275以及两段臂杆部241之间设置的第三旋转关节276，该机器人还包括连接所述控制系统300的立体视觉系统600，该立体视觉系统600包括设置于躯干头部的第一摄像机610以及设置于至少一个抓取夹具260上的第二摄像机620。本发明的药剂师机器人专门针对医院配药工作设计的，药剂师配药的过程比较复杂，需要完成液体药物的抽取、混合等复杂动作，因此，要求机器人的手臂一定要具有灵活性，而普通工业机器人根本无法完成此类工作，本发明的机器人手臂至少为四轴结构，该四轴结构的机械手臂可以完成翻转以及晃动的动作，例如：医院在配制液态药品时，一般都是采用配液器抽取药物，然后注射到溶剂药品中，通过晃动的动作进行混合，本发明的机器人为完全模拟人工配药的工艺和方法，以保证达到配制的要求。本发明的立体视觉系统除完成目标的定位和位姿检测之外，还负责对抽取量的监测，保证药品配比的准确性。立体视觉系统600在配制液态药物时观察液态的液位状态，确定配比量是否合适，通过控制系统帮助机械手准确配制药物。机器人头部、机械臂手部装有两套CCD视觉成像系统。功能说明：两套视觉系统不但可以按给定角度和位置组合成双目立体视觉、对物品（例如：药瓶等等）的位姿（位置和姿态）和外形尺寸（长宽高以及各方向偏角）同时进行获取，即同时获得物品在坐标系中的位置、物品大小、物品偏角的信息。其中第二摄像机620安装于“左手爪”上，通过视频采集处理，实现对各类大小形状不一的药剂瓶的定位，导引机器人左机械手臂抓取作业；用头部相机对物品进行精确的光学外观检测、夹持对象的状态检测（如药瓶内药液的高度等等）以及字符串OCR图形识别分析等，第一摄像机610与第二摄像机620的配合使用，模仿人工调剂作业，实现分液、调剂、智能抽吸等复杂任务的协作。本机器人第一摄像机610在调剂、分液作业过程中，随时拍照记录关键任务环节，自动形成图文报表进行存储，做到任务的结果与过程都可以历史追溯。

由图1中可知，本发明所述躯干100包括上躯干110、下躯干120以及两者之间设置的第四旋转关节277，本发明机器人的腰肢采用可旋转结构，扩大机器人的操作范围，以适应配药工作的需要，同时也节省资源。本发明所述躯干100仿人腰部运动，在0～360°范围内自由旋转，确保双臂机器人空间作业没有死角。通过大容量高精度交流伺服电机进行驱动、高精度减速系统减速后、作精密位置控制，实现左机械臂、右机械臂在立体空间任意位置进行抓取、组装等复杂条件下的拟人作业。

由图3中可知，所述一个机械臂200上的抓取夹具260包括本体261、设置于该本体261上的驱动电机262、连接该驱动电机262的直线升降机构263、固定在该本体上并用于控制所述直线升降机构263升程的光电感应器264、连接该直线升降机构263的升降座265、固定连接该升降座265的塞杆夹爪266以及配液器夹爪267，还包括驱动所述配液器夹爪267夹取动作的第一控制电缸268和控制塞杆夹爪266往复运动的第二控制电缸269，另外一个机械臂上的抓取夹具260为夹持夹具。

由图1、图7和图8中可知，本发明的智能机器人还包括设置于所述抓取夹具260上并连接所述控制系统300的力传感器400和人体感应器500，本方案中力传感器400主要是用于感知夹具的夹取力度和机械臂是否遇到障碍，本发明通过立体视觉系统判断目标的材质，然后控制系统控制夹具选择合适的抓取力度，当抓取力度超过所选择的力度时，停止进一步的夹持动作，例如：对于玻璃器皿的夹取，过大的力度就容易将器皿夹碎，力传感器400的另一个任务就是当遇到障碍物时，向控制系统传送信号，控制系统控制机械臂停止工作，避免造成物体的损伤或自身的伤害。而人体感应器500的任务就是感应周围人体是否接近，自身的操作是否会危及周围人员的安全，当有这样的危险时，控制系统也会控制机械臂停止工作，以保证人员的安全。本发明机器人具有位姿信息“掉电保护”功能。采用绝对编码器位置反馈，数据寄存器对机器人各伺服电机位置反馈进行存储、实现记忆功能。初次使用时做系统标定，以后操作时不必每次都要重复做“系统回零”，系统启动、并伺服使能（SERVOON）之后，系统进入待工作状态。本发明机器人控制系统还设计有“睡眠唤醒”功能。在机器人系统电源开启、并处于“待工作”状态情况下，如果长时间（如超过半小时，可以软件设定、修改参数）没有下达作业指令，机器人自动进入睡眠状态，以节约能源；机器人休眠期间，当作业人员靠近机器人一定距离范围之内（如1.5米以内，可以软件设定、修改参数），机器人自动从睡眠中唤醒、进入“待工作”状态。

由图1、图4和图5中可知，该智能机器人还包括连接所述控制系统300的人机交互单元700，该人机交互单元700包括并联的离线编程模块、在线示教模块、语音控制模块以及手势控制模块。本发明在传统机器人的基础上增加了人机协作系统，人机协作系统用于在需要操作者与机器人配合完成的任务中进行人机交流协同配合，由操作者控制机器人的动作，人机配合完成任务，本发明机器人控制系统软件带有语音声控系统，在该运行模式下，作业人员可以通过语音口令（本机器人系统自带语音指令集，系统运行模式切换至语音指令运行模式后，初次使用者通过简短的人机交互语音训练，即可使用）控制机器人的左机械臂、右机械臂、腰部、以及机器人头部实现上下左右前后等示教运动、并可以随时记录语音示教运行的轨迹，语音控制完毕之后，可以让机器人按照刚才运行轨迹进行重复运动。

本发明还可以组成机器人系统，首先机器人还包括连接所述控制系统300的网络通讯系统800，而机器人系统中至少包括两个机器人，相互之间通过所述网络通讯系统800进行通讯联络并协同工作。

本发明这种药剂师智能机器人的控制方法包括以下步骤：A.根据配药或取药作业的需要，更换合适的抓取夹具；B.启动机器人，操作者选择人机协作模式或自动运行模式；C.机器人通过立体视觉系统600判断被抓取物的材质、位姿，选择合适的抓取方向和位置，按人为控制模式或自动控制模式完成相应的作业。

自动配药机器人把健康护理人员从细胞毒性、辐射等配药环境下“解放”出来，有效减轻有毒药物对医护人员的身心损害。系统软件的智能规划能帮助优化用药、同时让医疗、护理机构把宝贵的人力资源分配至其它任务成为可能，在客观上为运营商降低运营成本。它对患者和医务人员提供安全保护的同时，有效提高了化疗药品配置的精确度，实现了化疗药品配置过程中患者、药物的正确性；该设备也同样适用于普通静脉注射液体的配制。机器人自动分液、配药、调剂提高配药作业“吞吐量”。

由图4、图9至图14中可知，本发明中药剂师机器人的控制方式包括两种，其中一种是配制液态药物，此时机械臂上的抓取夹具分别为第一机械手为包括夹持和往复直线运动机构的机械手，通过药剂师机器人右手（智能液体定量分配系统）、以及左手（可变化夹持力电动手爪执行器）的协作，该药剂师机器人既可以对普通液体、试剂、药液进行智能定量分液、调剂作业，也可以模拟人工进行复杂环境、恶劣环境、以及污染、辐射环境下的定量分液、配药、调剂作业。第一机械手的配液器夹爪267负责夹持配液器的针管部分，而第二控制电缸269控制的塞杆夹爪266则用于抽拉配液器的活塞部分，相互配合手持配液器进行药液的抽取和注入操作，而第二机械手为夹持夹具，夹持药瓶供配液器进行抽取或注入，该第二机械手首先需要按要求将药瓶翻转，使药瓶的瓶盖朝下，当第一机械手抽取药液完成后，将针头插入第二机械手上的药瓶内，将针管中的药液推送到药瓶中，与药瓶中的液态混合，注射完成后，该第二机械手在配制完成后，再次将药瓶进行翻转，并进行摇晃混合的动作，该过程完全模拟医院药剂师的配药过程，从而保证配药质量。智能分液过程中，机器视觉系统会自动核对输入药剂与处方中罗列的数量是否一致、配药过程中系统各环节作业是否异常，发生异常时的警醒及异常处理；处方完成智能分液及配药之后，自动打印条码并粘贴于母液瓶（袋）上，同时系统自动保留当前处方的所有图像、报表、数据等历史信息，便于配药历史查询。第二种方式是配制固态药物，所述的抓取夹具分别为可铲取固态药物的机械手，通过定量铲取固态药物进行混合和配制。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种药剂师智能机器人，包括躯干（100）、设置于该躯干（100）两侧的两个机械臂（200）以及控制上述躯干和机械臂动作的控制系统（300），其特征在于：所述每个机械臂（200）均为至少六轴结构，具体包括由连接躯干（100）的根部（210）开始依次连接的摆动臂（220）、旋转臂（240）、腕部（250）以及可拆卸更换的抓取夹具（260），还包括驱动关节部（270），该驱动关节部（270）具体包括躯干（100）与根部（210）之间设置的第一旋转关节（271）、根部（210）与摆动臂（220）之间设置的第一摆动关节（272）、摆动臂（220）与旋转臂（240）之间设置的第二摆动关节（273）、旋转臂（240）与腕部（242）之间设置的第三摆动关节（275）以及旋转臂（240）与抓取夹具（260）之间设置的第二旋转关节（274），所述旋转臂（240）为两段式结构，所述驱动关节部（270）还包括设置于两段旋转臂（240）之间设置的第三旋转关节（276），该机器人还包括连接所述控制系统（300）的立体视觉系统（600），该立体视觉系统（600）包括设置于躯干头部的第一摄像机（610）以及设置于至少一个抓取夹具（260）上的第二摄像机（620）。

2.根据权利要求1所述药剂师智能机器人，其特征在于：所述躯干（100）包括上躯干（110）、下躯干（120）以及两者之间设置的第四旋转关节（277）。

3.根据权利要求1或2所述药剂师智能机器人，其特征在于：该智能机器人还包括设置于所述抓取夹具（260）上并连接所述控制系统（300）的力传感器（400）和设置于躯干（100）上的人体感应器（500）。

4.根据权利要求1或2所述药剂师智能机器人，其特征在于：所述一个机械臂（200）上的抓取夹具（260）包括本体（261）、设置于该本体（261）上的驱动电机（262）、连接该驱动电机（262）的直线升降机构（263）、固定在该本体上并用于控制所述直线升降机构（263）升程的光电感应器（264）、连接该直线升降机构（263）的升降座（265）、固定连接该升降座（265）的塞杆夹爪（266）以及配液器夹爪（267），还包括驱动所述配液器夹爪（267）夹取动作的第一控制电缸（268）和控制塞杆夹爪（266）往复运动的第二控制电缸（269），另外一个机械臂上的抓取夹具（260）为夹持夹具。

5.根据权利要求1或2所述药剂师智能机器人，其特征在于：该智能机器人还包括连接所述控制系统（300）的人机交互单元（700），该人机交互单元（700）包括并联的离线编程模块（710）、在线示教模块（720）、语音控制模块（730）以及手势控制模块（740）。

6.根据权利要求1或2所述药剂师智能机器人，其特征在于：该机器人还包括连接所述控制系统（300）的网络通讯系统（800）。

7.一种由权利要求6所述药剂师智能机器人构成的机器人系统，其特征在于：该机器人系统中至少包括两个机器人，相互之间通过所述网络通讯系统（800）进行通讯联络并协同工作。

8.一种如权利要求1至7中任一项所述药剂师智能机器人的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：A.根据配药或取药作业的需要，更换合适的抓取夹具；B.启动机器人，操作者选择人机协作模式或自动运行模式；C.机器人通过立体视觉系统（600）判断被抓取物的材质、位姿，选择合适的抓取方向和位置，按人为控制模式或自动控制模式完成相应的作业。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：步骤A中所述配药作业为配制液态药物，所述的抓取夹具分别为一只机械手为包括夹持和往复直线运动机构的机械手，手持配液器进行药物抽取和注入的操作，而另外一只机械手为夹持夹具，夹持药瓶供配液器进行抽取或注入，同时，该夹持药瓶的机械手在配制完成后，完成对药瓶进行翻转和摇晃混合的动作。

10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：步骤A中所述配药作业为配制固态药物，所述的抓取夹具分别为可铲取固态药物的机械手，通过定量铲取固态药物进行混合和配制。

11.根据权利要求8或9所述的控制方法，其特征在于：步骤C中立体视觉系统（600）在配制液态药物时观察液态的液位状态，确定配比量是否合适，通过控制系统帮助机械手准确配制药物。