CN109498914A - 一种基于3d视觉引导的自动静脉注射系统及其注射方法 - Google Patents
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Abstract
本发明有关于一种基于3D视觉引导的自动静脉注射系统包括工业控制器、3D传感器、机械臂、注射针、液体流动感应器、注射口、注药管以及转换装置，其中：所述注射口一端与滞留针连接，另一端与注射针衔接；所述的注射口与注射针衔接的封口处封盖有易穿透且有弹性的封膜；所述液体流动感应器固定在机械臂末端，且该液体流动感应器上端与药管连接；下端与注射针连接；所述注药管与转换装置连接，该装换装置有多个注药口；所述传感器装在机械臂末关节端；所述3D传感器、机械臂、注射针以及液体流动感应器均与工业控制器连接；所述机械臂具有预设的移动路径。
Description
技术领域
本发明涉及医疗机器人技术领域，具体是涉及一种由机器人操作的基于3D视觉引导的自动静脉注射系统及其注射方法。
背景技术
在医学领域中，机器人的使用大大提高了医疗的效果，在医疗中占据着重要的位置。一般而言，大多数的手术机器人都需要医生的远程操控进行手术，在手术机器人辅助下的外科手术的常见场景中，医生在远离病人的位置操作机器人的主端，按照主从操作的控制模式，以此来控制从端机器人的外科器械在手术部位的运动。
在现有技术中，机器人可以辅助医生进行手术操作，但还无法完全解脱医生的工作，其中，对于大量的注射类的操作，还需要医生人为操作，无法减轻医生的工作量。因此需要一种机器人，在注射药物方面，可以完全代替医生进行注射。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于3D视觉引导的自动静脉注射系统，使其通过机器人的3D视觉定位到患者身体上的注射口，利用特制的注射装置将药物自动注射到患者体内，。实现机器人可以代替医生实行注射药物的工作，减轻医生的工作量，也可避免辐射及感染环境的辐射与感染。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种基于3D视觉引导的自动静脉注射系统，包括工业控制器1、3D传感器2、机械臂3、注射针4、液体流动感应器5、注射口6、注药管8、固定支架9以及转换装置10，其中：所述注射口6一端与滞留针连接，另一端与注射针4衔接；所述的注射口6与注射针4衔接的封口处封盖有易穿透且有弹性的封膜；所述液体流动感应器5固定在机械臂3末端，且该液体流动感应器5上端与药管8连接；下端与注射针4连接；所述注药管8与转换装置10连接，该装换装置10有多个注药口；所述3D传感器2装在机械臂3末关节端；所述3D传感器2、机械臂3、注射针4以及液体流动感应器5均与工业控制器1连接；所述机械臂3具有预设的移动路径；所述固定支架9可拆卸固定在病床的横栏上，且其上设有用于夹持注射口6的夹持件。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的基于3D视觉引导的自动静脉注射系统，其中所述3D传感器2为由相机和激光线组成的双目立体扫描传感器。
前述的基于3D视觉引导的自动静脉注射系统，其中所述机械臂3的固定底座上在机械臂活动的范围内设置有用于注射针插入的消毒管7。
前述的基于3D视觉引导的自动静脉注射系统，其中所述注射针4内具有控制液体单向流出的阀门，该阀门的开关状态由工业控制器1的视觉系统控制。
前述的基于3D视觉引导的自动静脉注射系统，其中所述注药管8上有调节液体流速的开关和液体槽。
前述的基于3D视觉引导的自动静脉注射系统，其中所述的转换装置10包括5个液体流动感应器和一个液体储存盒,其中每个液体流动感应器入口均与一个药瓶连接,出口均与液体储存盒连接,该液体储存盒底部设有与注药管8连接的输送管；工业控制器接收所述5个液体流动感应器的感应信息，并控制5个液体流动感应器的阀门开关状态。
前述的基于3D视觉引导的自动静脉注射系统，其中所述的所述固定支架包括通过螺栓连接的上下两个半圆形卡接部件和固定在上卡接部件上用于夹持注射口的夹持部件，其中上下两个夹持部件卡在病床的横栏上。
本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种基于3D视觉引导的自动静脉注射系统的注射方法，包括以下步骤：一、在病人留置针上安装注射口，将固定支架卡在病床边缘的挡架上，再将注射口朝上夹在固定支架上；二、设定机械臂的运行路径；三、将药瓶与转换装置上的注药口连接，用遥控器或者手按开始按钮控制装换装置开始流药液；用工业控制器开启机械臂，工业控制器控制机械臂通过预设路径移动到设定的扫描区域，然后视觉系统控制注射针的阀门打开3秒后关闭，同时视觉系统控制3D传感器对注射口进行激光扫描，将采集扫描到的注射口的数据信息传送至视觉系统，与视觉系统保留的注射口数据进行对比分析，精确计算出注射口的位置坐标，引导机械臂上注射针与注射口进行衔接；四、视觉系统控制注射针的阀门打开，药物缓慢注入人体内，同时感应器通过感应药物的流动判断药物是否注射结束，当注射结束时，液体流动感应器发送信号给视觉系统，视觉系统分析信号之后引导机械臂按照设定运动轨迹返回原位置状态，将注射针插入消毒管内，注射口通过具有易穿透且有弹性的封膜进行封口。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明基于3D视觉引导的自动静脉注射系统可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：
在功能上，本发明同时具备定位功能和注射功能，其中定位功能：视觉系统的定位功能是由传感器的相机和激光线配合扫描视野范围内的注射口，扫描的数据传送到系统中形成3D点云图像，筛选出注射口装置的点云图像留作数据模板，之后工作中扫描的数据图像将与数据模板做对比分析，符合模板要求的将引导机械臂运行注射操作，否则将重新进行扫描。注射功能：在机器人的控制器中，可以将机器人臂运行的轨迹编写程序来设定。注射的药物由注药管注入到注射针内，注射针具有控制液体单向流出的阀门，防止药物注入后流出针外。阀门的开关由视觉系统设定控制，液体流动感应器也由视觉系统控制，视觉系统设定机械臂第一次停止运动时控制阀门的开启关闭3秒，排出注射针内的空气，此时液体流动感应器不工作，机械臂第二次停止运动时，系统控制阀门打开，液体流动感应器开始工作，注射结束，感应器发送信号，系统控制阀门关闭，同时引导机械臂返回原状态。
本发明通过传感器的激光扫描注射口，采集注射口的扫描数据传送至视觉系统，通过分析计算，确定注射口的精准位置，发送指令至机械臂进行注射针与注射口衔接，将药物注射到人体内。
本发明的基于3D视觉引导的自动静脉注射系统是精准定位，全自动给患者注射药物，无需人员参与操作，并且适应任何环境，尤其是在有辐射感染的环境下，注射药物时本发明可以避免医生进入辐射感染的环境，同时也减轻了医务人员的工作量，提高了工作的效率。
附图说明
图1为本发明基于3D视觉引导的自动静脉注射系统的系统组成图；
图2为本发明基于3D视觉引导的自动静脉注射系统3D传感器的结构示意图；
图3为本发明基于3D视觉引导的自动静脉注射系统的机器臂结构示意图；
图4为本发明基于3D视觉引导的自动静脉注射系统注射针结构示意图；
图5为本发明基于3D视觉引导的自动静脉注射系统转换装置结构示意图；
图6本发明基于3D视觉引导的自动静脉注射系统固定支架结构示意图；
图7为本发明基于3D视觉引导的自动静脉注射系统工作流程图。
【主要元件符号说明】
1：工业控制器
2：3D传感器
3：机械臂:
4：注射针
5：液体流动感应器
6：注射口
7：消毒管
8：注药管
9：固定支架
91：上卡接部件
92：下卡接部件
93：:夹持部件
94：床边横栏
10：转换装置
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的全基于3D视觉引导的自动静脉注射系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
请参阅图1-4，其为本发明基于3D视觉引导的自动静脉注射系统的各部分结构示意图，该基于3D视觉引导的自动静脉注射系统包括：工业控制器1、3D传感器2、机械臂3、注射针4、液体流动感应器5、注射口6、消毒管7、注药管8、固定支架9以及转换装置10。其中：所述注射口6一端连接滞留针，一端与注射针4衔接，注射口6处由易穿透且有弹性的封膜封闭封口。所述液体流动感应器5固定在机械臂3末端，且该液体流动感应器5上端与药管8连接，下端与注射针4连接。所述3D传感器2装在机械臂3末关节端，所述机械臂3固定在底座上；所述固定支架9可拆卸固定在病床的横栏上，且其上设有用于夹持注射口6的夹持件。所述注药管8与转换装置10连接，该装换装置10有多个注药口。所述3D传感器2、机械臂3、注射针4、液体流动感应器5均与工业控制器1连接。
所述3D传感器2包括相机和激光线，安置在机械臂3末关节臂上。该3D传感器2在扫描区域内通过激光线扫描注射口装置，采集注射口的三维数据信息，将采集到的数据传送到工业控制器1分析计算，并且由工业控制器1控制激光线的扫描。
所述工业控制器1包含视觉系统，连接到3D传感器、机械臂、液体流动感应器与注射针装置。该视觉系统用于配置传感器的数值采集阈，将传感器采集的扫描数据与系统保留的样本数据进行快速的对比分析计算，得到目标的精确坐标，将定位坐标传送于机械臂3，引导机械臂3根据定位坐标寻找注射口6，视觉系统通过机械臂3运行停止信号和液体流动感应器5发送的信号控制注射针4进行注射动作。本发明实施例中，所述工业控制器的型号为AIIS-3410。
所述视觉系统计算的坐标是注射针4到达的位置，在系统中设定注射针4到达注射口6的位置，注射口6为圆形口，设定到达的位置为圆心，视觉系统计算3D传感器2扫描的注射口6的数据，在识别注射口时计算注射口的圆心坐标，得到注射口的具体位置。
所述机械臂3有6个自由度，机械臂底座固定，该机械臂的底座上在机械臂活动的范围内放置口朝向合适的消毒管7，设定机械臂停放的位姿是把注射针插入消毒管内7。机械臂3的末端安装注射针4和液体流动感应器5，该机械臂3与工业控制器1通过网线连接。所述3D传感器2安装在机械臂3的末节臂上，可以灵活的扫描。使用机器人的控制器设定机械臂的运行路径，在机械臂获得视觉系统传送的定位坐标时开始按照设定的运行路径运行，找到注射口将注射针插入注射口内，注射结束后按照原路径返回原位置状态。本发明机械臂的控制器可以为fanuc控制器,型号为FANUCSYSTEM R-30iB Mate,或者为ABB、UR、FANUC、KUKA、DENSO、EPSON、ESTUN、GREE、ZICEN、安川、川崎、那智、史陶比尔等。
所述注射针4安装在机械臂末端，注射针的法兰处连接液体流动感应器5，液体流动感应器连接注药管8，所述注药管8上有调节液体流速的开关和液体槽，该注药管8连接转换装置10。所述注射针内具有控制液体单向流出的阀门，阀门的开关状态由视觉系统控制，在机械臂运行到扫描区域停止时，视觉系统控制注射针的阀门打开3秒后关闭，用于将注射针4内的空气排出且只有极少量液体流出针，此时视觉系统控制3D传感器的激光线开始扫描识别定位注射口6，引导机械臂3运行将注射针4插入注射口6，机械臂3停止运动时发送停止信号给视觉系统，视觉系统控制注射针4的阀门打开开始注射药液，同时控制液体流动感应器5开始感应药液的流动状态，当药液注射结束，液体流动感应器5感应不到药物流动时将发送注射结束信号给视觉系统，视觉系统接收到信号后关闭注射针4的阀门，同时指引机械臂按原路径返回原位置状态。
在本发明实施例中,所述转换装置10连接在注药管8上，有5个连接药瓶的口，即该转换装置10包括5个液体流动感应器和一个液体储存盒,其中每个液体流动感应器入口均与一个药瓶连接,出口均与液体储存盒连接,该液体储存盒底部设有与注药管8连接的输送管。本发明转换装置10与工业控制器1连接，所述工业控制器1接收5个液体流动感应器的感应信息，并控制5个液体流动感应器的阀门开关状态。初始状态全部关闭，转换装置10上有开始按钮，按下开始按钮，第一个液体流动感应器的阀门打开，液体流出，当液体流动感应器感应不到有液体流动时，将信号发送给工业控制器，工业控制器打开第二个液体流动感应器阀门，依次类推，按下装置上的关闭按钮，5个液体流动感应器的阀门全部关闭。避免了多个药瓶换药的麻烦。
所述注射口装置是与注射针嵌入吻合的装置，形状类似留置针一端接头的大号版。在本发明实施例中，所述固定支架包括通过螺栓连接的上下两个半圆形卡接部件和固定在上卡接部件91上的夹持部件93，其中上下两个夹持部件卡在病床的横栏94上。所述注射口可以通过夹持部件夹在固定支架上，也可以拿掉，注射口装置的一端连接留置针，另一端与注射针衔接，注射口的封口处有易穿透且有弹性的封膜，防止拔出注射针后注射口无法封闭。
本发明基于3D视觉引导的自动静脉注射系统注射时包括以下步骤：一、在病人留置针上安装注射口，将固定支架卡在病床边缘的挡架上，再将注射口朝上夹在固定架上；二、事先设定好机械臂的运行路径，只设置一次，以后不再设置。药瓶插到转换装置上的注药口，用遥控器或者手按开始按钮控制开始流药液，用工业控制器开启机械臂，工业控制器控制机械臂通过预设路径移动到设定的扫描区域，然后视觉系统控制注射针的阀门打开3秒后关闭，同时视觉系统控制3D传感器对注射口进行激光扫描，将采集扫描到的注射口的数据信息传送至视觉系统，与视觉系统保留的注射口数据进行对比分析，精确计算出注射口的位置坐标，引导机械臂上注射针与注射口进行衔接；三、视觉系统控制注射针的阀门打开，药物缓慢注入人体内，如同打点滴，同时感应器通过感应药物的流动判断药物是否注射结束，注射结束，液体流动感应器发送信号给视觉系统，视觉系统分析信号之后引导机械臂按照设定运动轨迹返回原位置状态，将注射针插入消毒管内，注射口通过具有易穿透且有弹性的封膜进行封口。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种基于3D视觉引导的自动静脉注射系统，其特征在于：包括工业控制器(1)、3D传感器(2)、机械臂(3)、注射针(4)、液体流动感应器(5)、注射口(6)、注药管(8)、固定支架(9)以及转换装置(10)，其中：所述注射口(6)一端与滞留针连接，另一端与注射针(4)衔接；
所述的注射口(6)与注射针(4)衔接的封口处封盖有易穿透且有弹性的封膜；
所述液体流动感应器(5)固定在机械臂(3)末端，且该液体流动感应器(5)上端与药管(8)连接；下端与注射针(4)连接；
所述注药管(8)与转换装置(10)连接，该装换装置(10)有多个注药口；
所述3D传感器(2)装在机械臂(3)末关节端；
所述3D传感器(2)、机械臂(3)、注射针(4)以及液体流动感应器(5)均与工业控制器(1)连接；
所述机械臂(3)具有预设的移动路径；
所述固定支架(9)可拆卸连接在病床的横栏上，且其上设有用于夹持注射口(6)的夹持件。
2.根据权利要求1所述的基于3D视觉引导的自动静脉注射系统，其特征在于：其中所述3D传感器(2)为由相机和激光线组成的双目立体扫描传感器。
3.根据权利要求1所述的基于3D视觉引导的自动静脉注射系统，其特征在于：其中所述机械臂(3)的固定底座上在机械臂活动的范围内设置有用于注射针插入的消毒管(7)。
4.根据权利要求1所述的基于3D视觉引导的自动静脉注射系统，其特征在于：其中所述注射针(4)内具有控制液体单向流出的阀门，该阀门的开关状态由工业控制器(1)的视觉系统控制。
5.根据权利要求1所述的基于3D视觉引导的自动静脉注射系统，其特征在于：其中所述注药管(8)上有调节液体流速的开关和液体槽。
6.根据权利要求1所述的基于3D视觉引导的自动静脉注射系统，其特征在于：其中所述的转换装置(10)包括5个液体流动感应器和一个液体储存盒,其中每个液体流动感应器入口均与一个药瓶连接,出口均与液体储存盒连接,该液体储存盒底部设有与注药管(8)连接的输送管；工业控制器(1)接收所述5个液体流动感应器的感应信息，并控制5个液体流动感应器的阀门开关状态。
7.根据权利要求1所述的基于3D视觉引导的自动静脉注射系统，其特征在于：其中所述的所述固定支架包括通过螺栓连接的上下两个半圆形卡接部件和固定在上卡接部件上用于夹持注射口的夹持部件，其中上下两个夹持部件卡在病床的横栏上。
8.一种权利要求1-7任一权利要求所述的基于3D视觉引导的自动静脉注射系统的注射方法，其特征在于包括以下步骤：
一、在病人留置针上安装注射口，将固定支架卡在病床边缘的挡架上，再将注射口朝上夹持在固定支架上；
二、设定机械臂的运行路径；
三、将药瓶与转换装置上的注药口连接，用遥控器或者手按开始按钮控制装换装置开始流药液；用工业控制器开启机械臂，工业控制器控制机械臂通过预设路径移动到设定的扫描区域，然后视觉系统控制注射针的阀门打开3秒后关闭，同时视觉系统控制3D传感器对注射口进行激光扫描，将采集扫描到的注射口的数据信息传送至视觉系统，与视觉系统保留的注射口数据进行对比分析，精确计算出注射口的位置坐标，引导机械臂上注射针与注射口进行衔接；
四、视觉系统控制注射针的阀门打开，药物缓慢注入人体内，同时感应器通过感应药物的流动判断药物是否注射结束，当注射结束时，液体流动感应器发送信号给视觉系统，视觉系统分析信号之后引导机械臂按照设定运动轨迹返回原位置状态，将注射针插入消毒管内，注射口通过具有易穿透且有弹性的封膜进行封口。
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