CN109157227B - 采血输液机器人及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种采血输液机器人及控制方法，其结构包括：手臂固定架、手臂放置台、双目摄像头、旋转台、三轴移动机构、针头固定架、超声波探头和针头；所述手臂固定架设置在手臂放置台的一端上，所述双目摄像头设置在所述手臂固定架的顶部；所述三轴移动机构在水平方向可移动地设置在所述手臂放置台上；所述旋转台设置在三轴移动机构上，所述针头固定架设置在所述旋转台上，所述超声波探头和所述针头分别设置在固定架上；所述超声波探头朝向手臂放置台，且与手臂放置台垂直设置；所述针头朝向所述手臂固定架，且与水平面成预设第一倾斜角倾斜设置。本发明通过上述结构及方法，能够实现用户自助采血，解决了现有的通过人工采血效率低下的问题。

Description

采血输液机器人及控制方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种采血输液机器人及控制方法。
背景技术
根据《2014年中国卫生和计划生育统计年鉴》，2012年、2013年我国医疗卫生机构接待健康检查人数分别为36702.68万人次、38832.57万人次。
我国历年参加健康检查的人数持续增长，2013年较2009年增长了68.89%，但2013年参加健康检查人数尚且仅占全国总人口数的28.54%。随着人们对健康的日益重视，未来健康检查的人数会越来越多。健康体检中血液项目目前国内外尚无采血设备出现，基本靠护士进行人工采血。
人工采血普遍具有效率低、成本高、依赖护士经验、肥胖人群不易采血等特点；采血机器人可以很好的改善并解决上述问题，可实现自助式采血，提高效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供了一种能够自助采血的采血输液机器人及控制方法，提高了采血效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种采血输液机器人，包括：手臂固定架、手臂放置台、双目摄像头、旋转台、三轴移动机构、针头固定架、超声波探头和针头；
所述手臂固定架设置在手臂放置台的一端上，所述双目摄像头设置在所述手臂固定架的顶部；
所述三轴移动机构在水平方向可移动地设置在所述手臂放置台上；所述旋转台设置在三轴移动机构上，所述针头固定架设置在所述旋转台上，所述超声波探头和所述针头分别设置在固定架上；所述超声波探头朝向手臂放置台，且与手臂放置台垂直设置；所述针头朝向所述手臂固定架，且与水平面成预设第一倾斜角倾斜设置。
本发明还提供了一种应用于采血输液机器人的控制方法，包括以下步骤；
当接收到采血指令时，通过采血输液机器人的主控器控制移动针头；
实时判断双目摄像头能否采集到针头的图像信息，若能，则停止移动针头；
控制旋转台绕竖直方向旋转；
通过双目摄像头采集针头的第一图像信息，通过双目摄像头采集血管的第二图像信息；
根据第一图像信息，计算针头在水平面的第一投影信息；
根据第二图像信息，计算血管在水平面的第二投影信息；
根据第一投影信息和第二投影信息，判断针头在水平面的投影与血管在水平面的投影是否平行；
若是，则停止旋转旋转台；
通过所述双目摄像头采集血管的图像信息，计算得到血管当前所在的第一坐标；
通过所述超声波探头探测得到血管深度；
根据所述第一坐标、血管深度和当前针头所在的位置，计算得到针头的移动信息；
根据所述移动信息，控制针头移动。
本发明的有效效果为：
本发明提高了一种采血输液机器人及控制方法，用户在自助采血时，将手通过手臂固定架放置在手臂放置台上，让护士绑上止血带后，使血管膨胀，便于双目摄像头采集清晰的血管图像信息，以及便于超声波探测得到血管的深度；通过设置在手臂固定架顶部的双目摄像头采集的图像信息，能够计算得到血管当前所在的位置，以及根据血管的深度和针头当前所在的位置，确定针头移动信息，从而控制针头移动，使针头插进血管内，同时针头通过采血管，将血传输至采样管中，从而实现用户自助采血。本发明通过上述结构及方法，能够实现用户自助采血，解决了现有的通过人工采血效率低下的问题。
附图说明
图1为本发明实施例的一视角下的一种采血输液机器人的结构示意图；
图2为本发明实施例的另一视角下的一种采血输液机器人的结构示意图；
图3为本发明实施例的相机坐标系与世界坐标系的示意图；
图4为本发明实施例的双目摄像头中左、右摄像头的光轴及成像平面的示意图；
图5为本发明实施例的手臂及血管的示意图；
标号说明：
1、手臂固定架；2、手臂放置台；3、双目摄像头；4、旋转台；
5、三轴移动机构；6、针头固定架；7、超声波探头；8、针头；
9、触控显示屏；10、第一支撑柱；11、第二支撑柱；12、连接柱；
13、第一滑块；14、第一导轨；15、第二移动支架；16、第三移动支架；
17、本体；18、第一连接块；19、第二连接块；20、第三连接块；
21、第四连接块。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明的关键构思为：通过将手臂固定架设置在手臂放置台的一端上，双目摄像头设置在手臂固定架的顶部；三轴移动机构在水平方向可移动地设置在所述手臂放置台上；针头和超声波探头设置在固定架上，而固定架通过旋转台设置在三轴移动机构上。
请参照图1至图2，本发明提供了一种采血输液机器人，包括：手臂固定架、手臂放置台、双目摄像头、旋转台、三轴移动机构、针头固定架、超声波探头和针头；
所述手臂固定架设置在手臂放置台的一端上，所述双目摄像头设置在所述手臂固定架的顶部；
所述三轴移动机构在水平方向可移动地设置在所述手臂放置台上；所述旋转台设置在三轴移动机构上，所述针头固定架设置在所述旋转台上，所述超声波探头和所述针头分别设置在固定架上；所述超声波探头朝向手臂放置台，且与手臂放置台垂直设置；所述针头朝向所述手臂固定架，且与水平面成预设第一倾斜角倾斜设置。本发明提高了一种采血输液机器人，用户在自助采血时，将手通过手臂固定架放置在手臂放置台上，让护士绑上止血带后，使血管膨胀，便于双目摄像头采集清晰的血管图像信息，以及便于超声波探测得到血管的深度；通过设置在手臂固定架顶部的双目摄像头采集的图像信息，能够计算得到血管当前所在的位置，以及根据血管的深度和针头当前所在的位置，确定针头移动信息，从而控制针头移动，使针头插进血管内，同时针头通过采血管，将血传输至采样管中，从而实现用户自助采血。本发明通过上述结构，能够实现用户自助采血，解决了现有的通过人工采血效率低下的问题。
进一步的，所述的一种采血输液机器人，还包括设置在所述手臂放置台的一端的侧面上的触控显示屏。
从上述描述可知，触控显示屏作为人机交互窗口，可实现直观显示近红外图像及超声图像，同时医护人员能够直观的看到血管定位及穿刺的整个过程；并且可以通过触控显示屏显示一些放松心情的动画，以缓解患者的紧张情绪。
进一步的，所述手臂放置台的第一侧面和第二侧面上均设有滑槽，所述滑槽沿水平方向设置，所述滑槽上设有第一导轨；所述第一侧面和第二侧面均垂直于所述手臂放置台的一端的侧面；
所述三轴移动机构包括第一移动支架、第二移动支架和第三移动支架；
所述第一移动支架包括第一支撑柱、第二支撑柱和连接柱；所述连接柱的一端与第一支撑柱的顶部垂直连接，所述连接柱的另一端与第二支撑柱的顶部垂直连接；
所述第一支撑柱和第二支撑柱的底部均设有第一滑块，所述第一滑块与所述第一导轨配合连接；
所述第一支撑柱和第二支撑柱相对的侧面上分别设有第二导轨，所述第二导轨沿竖直方向设置；所述第二移动支架的两端分别设有第二滑块，所述第二导轨与第二滑块配合连接；
所述第二移动支架具有空腔，所述空腔的侧壁设有第三导轨；所述第三导轨沿水平方向设置，所述第三导轨垂直于所述第一导轨设置；
所述第三移动支架上设有第三滑块，所述第三滑块与第三导轨配合连接；所述第三移动支架的底部设有所述旋转台，所述旋转台的旋转轴竖直方向设置。
从上述描述可知，通过上述结构，能够实现针头在三个方向（x、y、z方向）的移动，从而实现精确控制针头插入血管的过程。
进一步的，所述第一导轨、第二导轨和第三导轨均为滚珠丝杆导轨；所述滚珠丝杆导轨包括驱动与之配合连接的滑块移动的步进电机。
从上述描述可知，通过步进电机，可精确实现第一滑块、第二滑块和第三滑块的精确移动控制。
进一步的，所述的一种采血输液机器人，还包括主控器和锂电池；
所述锂电池分别与主控器和步进电机连接，所述主控器分别与步进电机和触控显示屏连接；所述锂电池和主控器均设置在第一支撑柱或第二支撑柱。
从上述描述可知，通过触控显示屏与主控器连接，可实现用户利用触控显示屏对采血输液机器人进行控制的目的；上述的主控器与外置电源连接，所述的锂电池为可充电锂电池，通过内置备用电池，以防穿刺过程中断电对人体造成伤害的风险
进一步的，所述手臂固定架以预设的第三倾斜角倾斜设置；所述手臂固定架具有拱形的通孔。
从上述描述可知，通过上述结构，当用户将手穿过拱形的通孔后，手臂固定架能够防止手沿Y轴方向移动，以防止针头扎错位置。
进一步的，所述针头固定架包括本体、第一连接块、第二连接块、第三连接块和第四连接块；
所述本体设置在旋转台上；所述第一连接块一端与所述本体连接，所述第一连接块另一端设有沿竖直方向的通孔，所述超声波探头设置在所述通孔上；所述第二连接块一端与所述本体倾斜设置，所述第二连接块的另一端设有凹槽；所述第三连接块的一端垂直设置在凹槽的底部，所述第三连接块的另一端位于所述凹槽外部；所述第四连接块的一端与所述第三连接块的另一端垂直连接，所述针头垂直设置在所述第四连接块的另一端。
从上述描述可知，通过上述结构，便于针头插入血管；并且通过设置第二连接块与本体的倾斜程度，设计针头的倾斜方向。
进一步的，所述双目摄像头朝向手臂放置台设置，且与手臂放置台成预设第二倾斜角倾斜设置。
进一步的，还包括摄像头固定架；
所述摄像头固定架设置在手臂固定架的顶部，所述双目摄像头设置在所述摄像头固定架；所述双目摄像头为红外双目摄像头。
从上述描述可知，通过上述结构，使双目摄像头能够清晰拍摄得到血管图像。
本发明还提供了一种应用于一种采血输液机器人的控制方法，包括以下步骤；
当接收到采血指令时，通过采血输液机器人的主控器控制移动针头；
实时判断双目摄像头能否采集到针头的图像信息，若能，则停止移动针头；
控制旋转台绕竖直方向旋转；
通过双目摄像头采集针头的第一图像信息，通过双目摄像头采集血管的第二图像信息；
根据第一图像信息，计算针头在水平面的第一投影信息；
根据第二图像信息，计算血管在水平面的第二投影信息；
根据第一投影信息和第二投影信息，判断针头在水平面的投影与血管在水平面的投影是否平行；
若是，则停止旋转旋转台；
通过所述双目摄像头采集血管的图像信息，计算得到血管当前所在的第一坐标；
通过所述超声波探头探测得到血管深度；
根据所述第一坐标、血管深度和当前针头所在的位置，计算得到针头的移动信息；
根据所述移动信息，控制针头移动。
本发明提高了一种采血输液机器人的控制方法，用户在自助采血时，将手通过手臂固定架放置在手臂放置台上，让护士绑上止血带后，使血管膨胀，便于双目摄像头采集清晰的血管图像信息，以及便于超声波探测得到血管的深度；通过设置在手臂固定架顶部的双目摄像头采集的图像信息，能够计算得到血管当前所在的位置，以及根据血管的深度和针头当前所在的位置，确定针头移动信息，从而控制针头移动，使针头插进血管内，同时针头通过采血管，将血传输至采样管中，从而实现用户自助采血。本发明通过上述方法，能够实现用户自助采血，解决了现有的通过人工采血效率低下的问题。
请参照图1至图2，本发明的实施例一为：
本发明提供了一种采血输液机器人，包括：手臂固定架1、手臂放置台2、双目摄像头3、旋转台4、三轴移动机构5、针头固定架6、超声波探头7、针头8、触控显示屏9、主控器、锂电池和摄像头固定架；
所述手臂固定架1设置在手臂放置台2的一端上，所述手臂固定架1以预设的第三倾斜角倾斜设置，所述第三倾斜角的取值范围为45°~60°；所述手臂固定架1具有拱形的通孔；所述摄像头固定架设置在手臂固定架1的顶部，所述双目摄像头3设置在所述摄像头固定架；所述双目摄像头3为红外双目摄像头3；所述双目摄像头3朝向手臂放置台2设置，且与手臂放置台2成预设第二倾斜角倾斜设置，所述第二倾斜角的取值范围为135°~120°；
所述手臂放置台2的第一侧面和第二侧面上均设有滑槽，所述滑槽沿水平方向设置，所述滑槽上设有第一导轨14；所述第一侧面和第二侧面均垂直于所述手臂放置台2的一端的侧面；
所述三轴移动机构5包括第一移动支架、第二移动支架15和第三移动支架16；
所述第一移动支架包括第一支撑柱10、第二支撑柱11和连接柱12；所述连接柱12的一端与第一支撑柱10的顶部垂直连接，所述连接柱12的另一端与第二支撑柱11的顶部垂直连接；
所述第一支撑柱10和第二支撑柱11的底部均设有第一滑块13，所述第一滑块13与所述第一导轨14配合连接；
所述第一支撑柱10和第二支撑柱11相对的侧面上分别设有第二导轨，所述第二导轨沿竖直方向设置；所述第二移动支架15的两端分别设有第二滑块，所述第二导轨与第二滑块配合连接；
所述第二移动支架15具有空腔，所述空腔的侧壁设有第三导轨；所述第三导轨沿水平方向设置，所述第三导轨垂直于所述第一导轨14设置；
所述第三移动支架16上设有第三滑块，所述第三滑块与第三导轨配合连接；所述第三移动支架的底部设有所述旋转台4，所述旋转台4的旋转轴竖直方向设置；
所述针头固定架6包括本体17、第一连接块18、第二连接块19、第三连接块20和第四连接块21；
所述本体17设置在旋转台4上；所述第一连接块18一端与所述本体17连接，所述第一连接块18另一端设有沿竖直方向的通孔，所述超声波探头7设置在所述通孔上；所述第二连接块19一端与所述本体17倾斜设置，所述第二连接块19的另一端设有凹槽；所述第三连接块20的一端垂直设置在凹槽的底部，所述第三连接块20的另一端位于所述凹槽外部；所述第四连接块21的一端与所述第三连接块20的另一端垂直连接，所述针头8垂直设置在所述第四连接块21的另一端；
所述超声波探头7和所述针头8分别设置在固定架上；所述超声波探头7朝向手臂放置台2，且与手臂放置台2垂直设置；所述针头8朝向所述手臂固定架1，且与水平面成预设第一倾斜角倾斜设置，所述第一倾斜角的取值范围为15°~30°；
所述触控显示屏9设置在所述手臂放置台2的一端的侧面上；所述第一导轨14、第二导轨和第三导轨均为滚珠丝杆导轨；所述滚珠丝杆导轨包括驱动与之配合连接的滑块移动的步进电机；
所述锂电池分别与主控器和步进电机连接，所述主控器分别与步进电机和触控显示屏9连接；所述锂电池和主控器均设置在第一支撑柱10或第二支撑柱11。
本发明的实施例二为：
本发明提供了一种应用于一种采血输液机器人的控制方法，包括以下步骤；
当接收到采血指令时，通过采血输液机器人的主控器控制移动针头；
实时判断双目摄像头能否采集到针头的图像信息，若能，则停止移动针头；
控制旋转台绕竖直方向旋转；
通过双目摄像头采集针头的第一图像信息，通过双目摄像头采集血管的第二图像信息；
根据第一图像信息，计算针头在水平面的第一投影信息；
根据第二图像信息，计算血管在水平面的第二投影信息；
根据第一投影信息和第二投影信息，判断针头在水平面的投影与血管在水平面的投影是否平行；
若是，则停止旋转旋转台；
通过所述双目摄像头采集血管的图像信息，计算得到血管当前所在的第一坐标；
通过所述超声波探头探测得到血管深度；
根据所述第一坐标、血管深度和当前针头所在的位置，计算得到针头的移动信息；
根据所述移动信息，控制针头移动。
在具体的实施过程中，计算血管当前所在的第一坐标(x,y,z)，通过以下方法实现：
请参照图3至图5，本发明的实施例三为：
1、病人手臂放置于手臂固定架内，机器会自动缩紧止血带至合适松紧度，手臂与台面紧贴，并保持不动；
2、双目红外摄像机会迅速寻找最佳穿刺位置，并确定针头在世界坐标系下的坐标(x,y,z)：
如图3所示，O为相机的光心，Zc为相机的光轴，光轴与图像平面的交点为O1。坐标系O-xyz为相机坐标系，O-xyz为世界坐标系，O~O1之间的距离为相机的焦距f：
物体的三维坐标可以通过双目立体视觉技术来确定,如下图是双目立体视觉原理图，OL和OR是左右相机的光心，它们的光轴和各自的成像平面如图所示。假设两相机的内部和外部参数完全相同，焦距为f，光心之间的距离（基线）为B，两台相机在同一平面上，他们的投影中心的Y坐标相等。同一时刻空间点P(x,y,z)在两相机上成像点分别为Pleft和Pright。
由三角几何关系有：
其中Xleft为左相机坐标系下的横坐标，Xright为右相机坐标系下的横坐标，原点分别为各自光轴与像平面的交点。而f和B是常值，Ｙ表示左右相机的纵坐标，且两个坐标系下纵坐标相等；x，y，z则是在左相机坐标系下讨论，原点为ＯＬ。有了以上基础，就可以理解公式了。另外视差Ｄ的理解也非常重要，Ｄ就是Xleft-Xright，那么由上式可得：
3、血管在XOY平面的方向的确定：针头固定架匀速旋转，双目摄像头拍摄针在血管平面的投影（投影是指垂直映射，并非影子），通过血管中心线提取算法获取血管中心线的斜率为k1,针在血管平面的投影所成的直线的斜率为k2,由数学公式：tanθ=(k1-k2)/(1+k1*k2)，通过该算法判断是否与血管中心线重合，当θ=0°时，针头固定架停止旋转，即控制旋转台停止旋转。
4、超声波探头因为固定在针头固定架上，所以在与皮肤接触之前，超声探头的运动与针头的运动一致；第二移动支架15向下运动直到超声波探头与皮肤表面接触发给中央处理器以反馈信号，通过超声波探头测出血管中心的深度d，因此血管的实际坐标便是(x,y,z’）,其中：z=z+d；从而根据针头当前所在的第一坐标和血管的实现坐标，分别控制伺服运动系统的步进电，便可以将针头移动到指定坐标。
5、采血结束时，医护人员按下结束按钮，机器自动将针头拔出，采血流程结束。
综上所述，本发明提高了一种采血输液机器人及控制方法，用户在自助采血时，将手通过手臂固定架放置在手臂放置台上，让护士绑上止血带后，使血管膨胀，便于双目摄像头采集清晰的血管图像信息，以及便于超声波探测得到血管的深度；通过设置在手臂固定架顶部的双目摄像头采集的图像信息，能够计算得到血管当前所在的位置，以及根据血管的深度和针头当前所在的位置，确定针头移动信息，从而控制针头移动，使针头插进血管内，同时针头通过采血管，将血传输至采样管中，从而实现用户自助采血。本发明通过上述结构及方法，能够实现用户自助采血，解决了现有的通过人工采血效率低下的问题。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种采血输液机器人，其特征在于，包括：手臂固定架、手臂放置台、双目摄像头、旋转台、三轴移动机构、针头固定架、超声波探头和针头；
所述手臂固定架设置在手臂放置台的一端上，所述双目摄像头设置在所述手臂固定架的顶部；
所述三轴移动机构在水平方向可移动地设置在所述手臂放置台上；所述旋转台设置在三轴移动机构上，所述针头固定架设置在所述旋转台上，所述超声波探头和所述针头分别设置在固定架上；所述超声波探头朝向手臂放置台，且与手臂放置台垂直设置；所述针头朝向所述手臂固定架，且与水平面成预设第一倾斜角倾斜设置；
还包括设置在所述手臂放置台的一端的侧面上的触控显示屏；
所述手臂放置台的第一侧面和第二侧面上均设有滑槽，所述滑槽沿水平方向设置，所述滑槽上设有第一导轨；所述第一侧面和第二侧面均垂直于所述手臂放置台的一端的侧面；
所述三轴移动机构包括第一移动支架、第二移动支架和第三移动支架；
所述第一移动支架包括第一支撑柱、第二支撑柱和连接柱；所述连接柱的一端与第一支撑柱的顶部垂直连接，所述连接柱的另一端与第二支撑柱的顶部垂直连接；
所述第一支撑柱和第二支撑柱的底部均设有第一滑块，所述第一滑块与所述第一导轨配合连接；
所述第一支撑柱和第二支撑柱相对的侧面上分别设有第二导轨，所述第二导轨沿竖直方向设置；所述第二移动支架的两端分别设有第二滑块，所述第二导轨与第二滑块配合连接；
所述第二移动支架具有空腔，所述空腔的侧壁设有第三导轨；所述第三导轨沿水平方向设置，所述第三导轨垂直于所述第一导轨设置；
所述第三移动支架上设有第三滑块，所述第三滑块与第三导轨配合连接；所述第三移动支架的底部设有所述旋转台，所述旋转台的旋转轴竖直方向设置；
所述针头固定架包括本体、第一连接块、第二连接块、第三连接块和第四连接块；
所述本体设置在旋转台上；所述第一连接块一端与所述本体连接，所述第一连接块另一端设有沿竖直方向的通孔，所述超声波探头设置在所述通孔上；所述第二连接块一端与所述本体倾斜设置，所述第二连接块的另一端设有凹槽；所述第三连接块的一端垂直设置在凹槽的底部，所述第三连接块的另一端位于所述凹槽外部；所述第四连接块的一端与所述第三连接块的另一端垂直连接，所述针头垂直设置在所述第四连接块的另一端；
所述双目摄像头朝向手臂放置台设置，且与手臂放置台成预设第二倾斜角倾斜设置；
还包括摄像头固定架；
所述摄像头固定架设置在手臂固定架的顶部，所述双目摄像头设置在所述摄像头固定架；所述双目摄像头为红外双目摄像头。
2.根据权利要求1所述的一种采血输液机器人，其特征在于，所述第一导轨、第二导轨和第三导轨均为滚珠丝杆导轨；所述滚珠丝杆导轨包括驱动与之配合连接的滑块移动的步进电机。
3.根据权利要求2所述的一种采血输液机器人，其特征在于，还包括主控器和锂电池；
所述锂电池分别与主控器和步进电机连接，所述主控器分别与步进电机和触控显示屏连接；所述锂电池和主控器均设置在第一支撑柱或第二支撑柱。
4.根据权利要求1所述的一种采血输液机器人，其特征在于，所述手臂固定架以预设的第三倾斜角倾斜设置；所述手臂固定架具有拱形的通孔。
5.一种应用于权利要求1至4任一所述的一种采血输液机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤；
当接收到采血指令时，通过采血输液机器人的主控器控制移动针头；
实时判断双目摄像头能否采集到针头的图像信息，若能，则停止移动针头；
控制旋转台绕竖直方向旋转；
通过双目摄像头采集针头的第一图像信息，通过双目摄像头采集血管的第二图像信息；
根据第一图像信息，计算针头在水平面的第一投影信息；
根据第二图像信息，计算血管在水平面的第二投影信息；
根据第一投影信息和第二投影信息，判断针头在水平面的投影与血管在水平面的投影是否平行；
若是，则停止旋转旋转台；
通过所述双目摄像头采集血管的图像信息，计算得到血管当前所在的第一坐标；
通过所述超声波探头探测得到血管深度；
根据所述第一坐标、血管深度和当前针头所在的位置，计算得到针头的移动信息；
根据所述移动信息，控制针头移动。
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