CN111436954A - 一种非接触式血样采集装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非接触式血样采集装置，包括：支撑板，其水平设置；支撑架，其竖直设置在支撑板上，且能够沿支撑板轴向运动；水平导轨，其水平垂直设置在支撑架上，且能够沿支撑架轴向运动；连接架，其可滑动设置在水平导轨上；采血架，其可旋转设置在连接架上；穿刺臂，其可旋转设置在远离水平导轨的采血架一端；穿刺动力机构，其固定设置在穿刺臂上；采血针夹持装置，其固定设置在穿刺动力机构的输出端，用于夹持采血针；辅助臂，其可旋转设置在靠近水平导轨的采血架一端；第一辅助动力机构，其固定设置在辅助臂上；第二辅助动力机构，其固定设置在第一辅助动力机构上，且输出端设置有贴敷部。本发明提供一种非接触式血样采集装置的控制方法。

Description

一种非接触式血样采集装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及医用器械领域，尤其涉及一种非接触式血样采集装置及其控制方法。

背景技术

浅表静脉穿刺是临床非常常见的操作，目前基本由医务人员手动完成，一次穿刺成功率与医务人员的经验有很大关系，也导致一次穿刺成功率参差不齐。不仅降低了医疗效率，增加患者痛苦，严重者甚至影响医患关系和谐。虽然可以借助静脉显像设备，在一定程度上提高静脉穿刺成功率，但人工穿刺的不确定性依然无法避免。并且人工穿刺时不可避免会有人人接触，更高概率因接触传播导致传染病爆发，危害医务人员。

中国发明专利201410473142.X公开了一种无需人工穿刺的全自动智能化采血方法及设备，首先对被采样点进行超声波数字化识别定位，其次按照定位数据，通过4轴(或者4轴以上)全自动定位机械结构将穿刺针头准确插入被采样者体内准确位置。再次通过真空系统将血液或者组织样本吸入试管，完成采样过程，但并未公开四轴定位机械结构的具体细节，无法保证穿刺深度的精准控制，不能保证穿刺成功率。

中国发明专利202010063352.7公开一种自动静脉穿刺机及其控制方法，通过对穿刺臂的水平方向，高度方向和穿刺臂的转角调节，且穿刺臂与连接架的角度也可调，实现采血针的进针的五维调节。但是该装置仅是通过线性关系控制采血针的横纵位置、旋转角度和进针深度，不可避免会产生一定的误差，影响穿刺成功率。

并且上述设备也仅是理论上实现或者半自动化设备而已，关于采血针的更换、穿刺前的消毒和穿刺处后的止血敷贴粘贴均需手工操作，仍然会有人人接触或者间接人人接触的可能。为了更为有效的减少人人接触或者间接人人接触，非接触式血样采集装置已逐渐成为人们研究的热点问题。

发明内容

本发明的一个目的是设计开发了一种非接触式血样采集装置，既能对穿刺臂的水平轴向、径向以及竖直方向进行调节，还能控制穿刺臂水平方向和竖直方向的旋转，实现采血针包括进针深度的多维调节，调节精度高，提高了穿刺成功率。

本发明的另一个目的是设计开发了一种非接触式血样采集装置的控制方法，提供了采血针的多维调节方法，实现了穿刺过程的精准控制，并能够精调进针深度，提高了穿刺成功率。

本发明还对采血针的竖直旋转角度和进针深度进行误差补偿，进一步提高了穿刺过程的精度。

本发明提供的技术方案为：

一种非接触式血样采集装置，包括：

支撑板，其为矩形板状结构，且水平设置；

支撑架，其竖直设置在所述支撑板上，且能够沿所述支撑板轴向运动；

水平导轨，其水平垂直设置在所述支撑架上，且能够沿所述支撑架轴向运动；

连接架，其可滑动设置在所述水平导轨上；

采血架，其可旋转设置在所述连接架上；

穿刺臂，其可旋转设置在远离所述水平导轨的所述采血架一端；

穿刺动力机构，其固定设置在所述穿刺臂上；

采血针夹持装置，其固定设置在所述穿刺动力机构的输出端，用于夹持采血针；

辅助臂，其可旋转设置在靠近所述水平导轨的所述采血架一端；

第一辅助动力机构，其固定设置在所述辅助臂上，且输出端设置有超声探测部；

第二辅助动力机构，其固定设置在所述第一辅助动力机构上，且输出端设置有贴敷部。

优选的是，还包括：

第一上料装置，其设置在所述支撑板一侧，用于连续输送采血针；

第二上料装置，其与所述第一上料装置位于所述支撑板同侧，用于连续输送敷贴；

一对滑轨，其平行间隔设置在所述支撑板上，且所述滑轨沿所述支撑板轴向设置；

滑板，其可滑动设置在所述滑轨上；

其中，所述支撑架竖直设置在所述滑板上；

竖直导轨，其轴向固定设置在所述支撑架上；

导向轨道，其平行所述竖直导轨固定设置在所述支撑架上；

其中，所述水平导轨可滑动设置在所述竖直导轨和所述导向轨道上。

优选的是，所述采血针夹持装置包括：

第一夹持部，其固定设置在所述穿刺动力机构的输出端；

第二夹持部，其可滑动设置在所述穿刺动力机构的输出端；

夹持动力机构，其输出端与所述第二夹持部连接，用于驱动所述第二夹持部靠近或者远离所述第一夹持部运动。

优选的是，所述滑轨、水平导轨和竖直导轨为单轴机器人，所述采血架通过第一旋转电机可旋转设置在所述连接架上；所述穿刺臂通过第二旋转电机可旋转设置在远离所述水平导轨的所述采血架一端；所述辅助臂通过第三旋转电机可旋转设置在靠近所述水平导轨的所述采血架一端；所述穿刺动力机构和所述第一辅助动力机构为伺服电机；所述第二辅助动力机构和所述夹持动力机构为气缸。

优选的是，还包括：

远红外检测装置，其固定设置在所述采血架上，用于确定静脉穿刺位置和穿刺处血管的粗细；

控制器，其与所述远红外检测装置、单轴机器人、第一旋转电机、第二旋转电机、第三旋转电机、伺服电机和气缸电连接，用于接收所述远红外检测装置的检测数据，并控制所述单轴机器人、第二旋转电机、第二旋转电机、第三旋转电机、伺服电机和气缸工作。

一种非接触式血样采集装置的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：建立笛卡尔三维坐标系；

其中，所述笛卡尔坐标系的坐标原点为支撑板上任意一点；所述支撑板所在平面为xy平面，且支撑板轴向为x轴，径向方向为y轴，支撑架轴向为z轴；

步骤2：确定患者静脉穿刺点坐标(x′，y′，z′)，以患者静脉穿刺点为圆心，r为半径获得圆形封闭曲线，获取患者穿刺手臂轴线与所述圆形封闭曲线的交点坐标(x^1′，y^1′，z^1′)和(x^2′，y^2′，z^2′)，确定第一旋转电机的旋转角度θ₁为：

其中，θ₁＞0时，所述第一旋转电机顺时针旋转，θ₁≤0时，所述第一旋转电机逆时针旋转；

步骤3：确定采血针的针尖坐标(x₁，y₁，z₁)；

调整采血针的轴向位置，使支撑架沿支撑板轴向运动，且轴向运动距离L_x为：

L_x＝x′-x₁+ξ；

式中，ξ为标准水平间距，当L_x＞0时，沿坐标系的x轴正向滑动，L_x＜0时，沿坐标系的x轴负向滑动；

调整采血针的径向位置，使连接架沿水平导轨轴向运动，且轴向运动距离L_y为：

L_y＝y′-y₁；

式中，当L_y＞0时，沿坐标系的y轴正向滑动，L_y＜0时，沿坐标系的y轴负向滑动；

调整采血针的纵向位置，使水平导轨沿竖直导轨轴向运动，且轴向运动距离L_z为：

L_z＝z′-z₁+ζ；

式中，ζ为标准竖直间距，当L_z＞0时，沿坐标系的z轴正向滑动，L_z＜0时，沿坐标系的z轴负向滑动；

步骤4：调整第二旋转电机和第三旋转电机的旋转角度，控制伺服电机驱动采血针进针采血；

其中，所述第二旋转电机和第三旋转电机的旋转角度一致。

优选的是，在所述步骤4中，所述第二旋转电机和第三旋转电机的旋转角度满足：

式中，θ₂为第二旋转电机的旋转角度，θ₃为第三电机的旋转角度，R为采血针的针尖与第二旋转电机轴心所在水平面的距离。

优选的是，所述步骤4中，所述采血针的进针深度满足：

式中，L_n为采血针的进针深度，L为采血针的针头长度。

优选的是，还包括基于BP神经网络对第二旋转电机的旋转角度和采血针的进针深度进行误差补偿：

输入标准水平间距和标准竖直间距，以及确定的第二旋转电机的旋转角度和采血针的进针深度，通过远红外检测装置检测穿刺处血管的直径；

依次将标准水平间距和标准竖直间距，以及确定的第二旋转电机的旋转角度和采血针的进针深度、穿刺处血管的直径进行规格化：

其中，x_j为输入层向量中的参数，X_j分别为测量参数，j＝1，2，3，4，5；X_jmax和X_jmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值；

确定三层BP神经网络的输入层神经元向量x＝{x₁，x₂，x₃，x₄，x₅}；其中，x₁为标准水平间距系数，x₂为标准竖直间距系数，x₃为旋转角度系数，x₄为进针深度系数，x₅为血管直径系数；

所述输入层向量映射到中间层，且中间层向量y＝{y₁，y₂，…，y_m}；m为中间层节点个数；

得到输出层神经元向量o＝{o₁，o₂}；其中，o₁为旋转角度误差补偿系数，_o2为进针深度误差补偿系数，使

θ_c＝o₁θ_c，max，

L_nc＝o₂L_ncmax，

其中，θ_c为旋转角度误差补偿值，θ_c，max为最大旋转角度误差补偿值，L_nc为进针深度误差补偿值，L_ncmax为最大进针深度误差补偿值。

优选的是，确定补偿后的第二旋转电机的旋转角度

和采血针的进针深度

为：

本发明所述的有益效果：

(1)本发明设计开发的非接触式血样采集装置，既能对穿刺臂的水平轴向、径向以及竖直方向进行调节，还能控制穿刺臂水平方向和竖直方向的旋转，实现采血针包括进针深度的多维调节，调节精度高，提高了穿刺成功率。

(2)本发明设计开发的非接触式血样采集装置的控制方法，提供了采血针的多维调节方法，实现了穿刺过程的精准控制，并能够精调进针深度，提高了穿刺成功率。并且，本发明还对采血针的竖直旋转角度和进针深度进行误差补偿，进一步提高了穿刺过程的精度。

(3)本发明实现了血样采集整个过程的全自动，包括采血针的更换、穿刺前的消毒和穿刺处后的止血敷贴粘贴等，同时也保证了切实无接触，除了不与医务人员接触外，使用者也不能直接或者间接接触，很大程度上避免了因接触传播导致的传染病爆发。

附图说明

图1为本发明所述非接触式血样采集装置的结构示意图。

图2为本发明所述非接触式血样采集装置的穿刺处的整体结构示意图。

图3为本发明所述非接触式血样采集装置的穿刺处的整体结构示意图。

图4为本发明所述支撑板和支撑架的结构示意图。

图5为本发明所述采血架的结构示意图。

图6为本发明所述连接架处的结构示意图。

图7为本发明所述穿刺臂的结构示意图。

图8为本发明所述辅助臂的结构示意图。

附图标记说明

100.支撑板；110.支撑架；111.滑轨；112.滑板；120.水平导轨；121.竖直导轨；122.导向轨道；130.连接架；140.采血架；141.第一旋转电机；150.穿刺臂；151.穿刺动力机构；152.采血针夹持装置；1521.第一夹持部；1522.第二夹持部；1523.夹持动力机构；153.第二旋转电机；160.辅助臂；161.第一辅助动力机构；162.超声探测部；163.第二辅助动力机构；164.贴敷部；165.第三旋转电机；170.第一上料装置；180.第二上料装置；190.远红外检测装置；200.采血针。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再次阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。

如图1-8所示，本发明提供一种非接触式血样采集装置，包括：支撑板100，其为矩形板状结构，且水平设置。在支撑板100上竖直设置有支撑架110，其能够沿支撑板100轴向(x轴方向)运动。在支撑架110上水平垂直设置有水平导轨120，能够沿支撑架110轴向运动，即支撑板100竖直方向(z轴方向)运动。在水平导轨120上轴向可滑动设置有连接架130，连接架130能够沿水平导轨120轴向运动，即沿支撑板100径向(y轴方向)运动。在连接架130上可旋转设置有采血架140。在远离水平导轨120的采血架140一端可旋转设置有穿刺臂150，在穿刺臂150上固定设置有传递动力机构151，在穿刺动力机构151的输出端固定设置有采血针夹持装置152(用于夹持采血针200)，用于驱动采血针夹持装置152沿穿刺动力机构151轴向运动，进而驱动采血针进针采血。在靠近水平导轨120的采血架140一端可旋转设置有辅助臂160，在辅助臂160上固定设置有第一辅助动力机构161，其输出端设置有超声探测部162，用于探测采血针200的进针深度。在第一辅助动力机构161上固定设置有第二辅助动力机构163，其输出端设置有贴敷部164，用于采血完成后，在穿刺处贴上敷贴，避免流血和伤口感染。

作为本发明的另一实施例，在支撑板100上设置有一对滑轨111，其平行间隔设置在支撑板100上，且滑轨111沿支撑板100轴向设置。在滑轨111上设置有滑板112，其可滑动设置在滑轨111上，支撑架110竖直固定设置在滑板112上，本实施例中，滑轨111为单轴机器人，进而能够驱动滑板112运动，进而带动支撑架110沿支撑板100轴向运动。

作为本发明的另一实施例，在支撑架110上轴向固定设置有竖直导轨121，其同样为单轴机器人，水平导轨120可滑动设置在竖直导轨121上，水平导轨120同样为单轴机器人。为了进一步提高水平导轨120沿竖直导轨121轴向运动的稳定性，在支撑架110上，平行竖直导轨121固定设置有导向轨道122，水平导轨120通过滑块可滑动设置在导向轨道122上，在水平导轨120沿竖直导轨121轴向运动时，避免水平导轨120发生晃动，提高了水平导轨120的运动稳定性。

作为本发明的另一实施例，所述采血针夹持装置152包括第一夹持部1521，其固定设置在穿刺动力机构151的输出端。在穿刺动力机构151的输出端还可滑动设置有第二夹持部1522，其与第一夹持部1521相对设置，与第二夹持部1522连接设置有夹持动力机构1523，优选为气缸，用于驱动第二夹持部1522靠近或者远离第一夹持部1521运动，实现对采血针200的夹持和放下。

作为本发明的另一实施例，所述的采血架140通过第一旋转电机141可旋转设置在连接架130上；所述的穿刺臂150通过第二旋转电机153可旋转设置在远离水平导轨120的采血架140一端；所述的辅助臂160通过第三旋转电机165可旋转设置在靠近水平导轨120的采血架140一端；所述的穿刺动力机构151和第一辅助动力机构161为伺服电机；所述的第二辅助动力机构163和夹持动力机构1523为气缸。

作为本发明的另一实施例，还包括：第一上料装置170，其设置在支撑板100一侧，用于连续输送采血针，具体通过输送带和辊筒实现采血针的连续输送。与第一上料装置170位于支撑板100同侧还设置有第二上料装置180，其同样通过输送带和辊筒来连续输送敷贴。而通过辊筒和输送带以及动力机构实现物料输送的装置均有现有常见装置，其结构在此不作赘述。

作为本发明的另一实施例，还包括远红外检测装置190，其固定设置在采血架140上，用于确定静脉穿刺位置和穿刺处血管的粗细。控制器，其与远红外检测装置、单轴机器人、第一旋转电机、第二旋转电机、第三旋转电机、伺服电机和气缸电连接，用于接收远红外检测装置的检测数据，并控制单轴机器人、第二旋转电机、第二旋转电机、第三旋转电机、伺服电机和气缸工作。

本发明设计开发的非接触式血样采集装置，既能对穿刺臂的水平轴向、径向以及竖直方向进行调节，还能控制穿刺臂水平方向和竖直方向的旋转，实现采血针包括进针深度的多维调节，调节精度高，提高了穿刺成功率。实现了血样采集整个过程的全自动，同时也保证了切实无接触，很大程度上避免了因接触传播导致的传染病爆发。

本发明还提供一种非接触式血样采集装置的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：建立笛卡尔三维坐标系；

其中，所述的笛卡尔坐标系的坐标原点为支撑板上任意一点；所述的支撑板所在平面为xy平面，且支撑板轴向为x轴，径向方向为y轴，支撑架轴向为z轴。

步骤2：确定患者静脉穿刺点坐标(x′，y′，z′)，以患者静脉穿刺点为圆心，r为半径获得圆形封闭曲线，获取患者穿刺手臂轴线与圆形封闭曲线的交点坐标(x^1′，y^1′，z^1′)和(x^2′，y^2′，z^2′)，确定第一旋转电机的旋转角度θ₁为：

其中，θ₁＞0时，第一旋转电机顺时针旋转，θ₁≤0时，第一旋转电机逆时针旋转；

使得采血针的针尖始终和患者穿刺手臂轴线位于同一竖直平面内，避免采血针针头和穿刺处血管出现角度倾斜，提高穿刺成功率。

步骤3：确定采血针的针尖坐标(x₁，y₁，z₁)；

调整采血针的轴向位置，使支撑架沿支撑板轴向运动，且轴向运动距离L_x为：

L_x＝x′-x₁+ξ；

式中，ξ为标准水平间距，当L_x＞0时，沿坐标系的x轴正向滑动，L_x＜0时，沿坐标系的x轴负向滑动；

调整采血针的径向位置，使连接架沿水平导轨轴向运动，且轴向运动距离L_y为：

L_y＝y-y₁；

式中，当L_y＞0时，沿坐标系的y轴正向滑动，L_y＜0时，沿坐标系的y轴负向滑动；

调整采血针的纵向位置，使水平导轨沿竖直导轨轴向运动，且轴向运动距离L_z为：

L_z＝z′-z₁+ζ；

式中，ζ为标准竖直间距，当L_z＞0时，沿坐标系的z轴正向滑动，L_z＜0时，沿坐标系的z轴负向滑动；

步骤4：调整第二旋转电机和第三旋转电机的旋转角度，控制伺服电机驱动采血针进针采血；

其中，所述第二旋转电机和第三旋转电机的旋转角度一致。

所述第二旋转电机和第三旋转电机的旋转角度满足：

式中，θ₂为第二旋转电机的旋转角度，θ₃为第三电机的旋转角度，R为采血针的针尖与第二旋转电机轴心所在水平面的距离。

所述的采血针的进针深度满足：

式中，L_n为采血针的进针深度，L为采血针的针头长度。

步骤5：基于BP神经网络对第二旋转电机的旋转角度和采血针的进针深度进行误差补偿，具体包括：

步骤5.1、建立BP神经网络模型；

本发明采用的BP神经网络体系结构由三层组成，第一层为输入层，共n个节点，对应了表示n个输入信号，这些信号参数由数据预处理模块给出。第二层为中间层，共m个节点，由网络的训练过程以自适应的方式确定。第三层为输出层，共p个节点，由系统实际需要输出的响应确定。

该网络的数学模型为：

输入层向量：x＝(x₁，x₂，…，x_n)^T

中间层向量：y＝(y₁，y₂，…，y_m)^T

输出层向量：z＝(z₁，z₂，…，z_p)^T

本发明中，输入层节点数为n＝5，输出层节点数为p＝2。隐藏层节点数m由下式估算得出：

按照采样周期，输入的5个参数为：x₁为标准水平间距系数，x₂为标准竖直间距系数，x₃为旋转角度系数，x₄为进针深度系数，x₅为血管直径系数；

由于传感器获取的数据属于不同的物理量，其量纲各不相同。因此，在数据输入神经网络之前，需要将数据规格化为0-1之间的数。

具体而言，对于标准水平间距ξ，进行规格化后，得到标准水平间距系数x₁：

其中，ξ_min和ξ_max分别为标准水平间距中的最小值和最大值。

同样的，对标准竖直间距ζ，进行规格化后，得到标准竖直间距系数x₂：

其中，ζ_min和ζ_max分别为标准竖直间距中的最小值和最大值。

对于步骤4确定的第二旋转电机的旋转角度θ₂，进行规格化后，得到旋转角度系数x₃：

其中，θ_2min和θ_2max分别为步骤4确定的第二旋转电机的旋转角度中的最小值和最大值。

对于步骤4确定的采血针的进针深度L_n，进行规格化后，得到进针深度系数x₄：

其中，L_nmin和L_nmax为步骤4确定的采血针的进针深度L_n中的最小值和最大值。

对于穿刺处血管的直径D，进行规格化后，得到血管直径系数x₅：

其中，D_min和D_max分别为穿刺处血管的直径中的最小值和最大值。

输出信号的2个参数分别表示为：o₁为旋转角度误差补偿系数，o₂为进针深度误差补偿系数；

旋转角度误差补偿系数o₁表示为旋转角度误差补偿值与最大旋转角度误差补偿值之比，即

θ_c＝o₁θ_c，max，

式中，θ_c为旋转角度误差补偿值，θ_c，max为最大旋转角度误差补偿值

进针深度误差补偿系数o₂表示为进针深度误差补偿值与最大进针深度误差补偿之比，即

L_nc＝o₂L_ncmax，

式中，L_nc为进针深度误差补偿值，L_ncmax为最大进针深度误差补偿值。

步骤5.2：进行BP神经网络的训练。

建立好BP神经网络节点模型后，即可进行BP神经网络的训练。根据产品的经验数据获取训练的样本，并给定输入节点i和隐含层节点j之间的连接权值w_ij，中间层节点j和输出层节点k之间的连接权值w_jk，中间层节点j的阈值θ_j，输出层节点k的阈值w_ij、w_jk、θ_j、θ_k均为-1到1之间的随机数。

在训练过程中，不断修正w_ij和w_jk的值，直至系统误差小于等于期望误差时，完成神经网络的训练过程。

如表1所示，给定了一组训练样本以及训练过程中各节点的值。

表1训练过程各节点值

步骤5.3、输入和采集数据运行参数输入神经网络得到补偿系数；

训练好的人工神经网络固化在芯片之中，使硬件电路具备预测和智能决策功能，从而形成智能硬件。智能硬件加电启动后，非接触式血样采集装置工作。

输入标准水平间距和标准竖直间距，以及确定的第二旋转电机的旋转角度和采血针的进针深度，通过远红外检测装置检测穿刺处血管的直径；依次将标准水平间距和标准竖直间距，以及确定的第二旋转电机的旋转角度和采血针的进针深度、穿刺处血管的直径进行规格化得到输入层神经元向量x＝{x₁，x₂，x₃，x₄，x₅}，通过BP神经网络的运算得到输出层神经元向量o＝{o₁，o₂}，然后获得旋转角度误差补偿值和进针深度误差补偿值分别为：

θ_c＝o₁θ_c，max，

L_nc＝o₂L_ncmax。

步骤6：确定补偿后的第二旋转电机的旋转角度

和采血针的进针深度

为：

需要说明的是，静脉穿刺中将静脉穿刺成功的数据存储至芯片中，以更新训练样本，并对神经网络进行再一次的训练，即时时更新训练样本和神经网络模型，进一步提高穿刺成功率。

本发明设计开发的非接触式血样采集装置的控制方法，提供了采血针的多维调节方法，实现了穿刺过程的精准控制，并能够精调进针深度，提高了穿刺成功率。并且，本发明还对采血针的竖直旋转角度和进针深度进行误差补偿，进一步提高了穿刺过程的精度。实现了血样采集整个过程的全自动，包括采血针的更换、穿刺前的消毒和穿刺处后的止血敷贴粘贴等，同时也保证了切实无接触，除了不与医务人员接触外，使用者也不能直接或者间接接触，很大程度上避免了因接触传播导致的传染病爆发。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种非接触式血样采集装置，其特征在于，包括：

支撑板，其为矩形板状结构，且水平设置；

支撑架，其竖直设置在所述支撑板上，且能够沿所述支撑板轴向运动；

水平导轨，其水平垂直设置在所述支撑架上，且能够沿所述支撑架轴向运动；

连接架，其可滑动设置在所述水平导轨上；

采血架，其可旋转设置在所述连接架上；

穿刺臂，其可旋转设置在远离所述水平导轨的所述采血架一端；

穿刺动力机构，其固定设置在所述穿刺臂上；

采血针夹持装置，其固定设置在所述穿刺动力机构的输出端，用于夹持采血针；

辅助臂，其可旋转设置在靠近所述水平导轨的所述采血架一端；

第一辅助动力机构，其固定设置在所述辅助臂上，且输出端设置有超声探测部；

第二辅助动力机构，其固定设置在所述第一辅助动力机构上，且输出端设置有贴敷部。

2.如权利要求1所述的非接触式血样采集装置，其特征在于，还包括：

第一上料装置，其设置在所述支撑板一侧，用于连续输送采血针；

第二上料装置，其与所述第一上料装置位于所述支撑板同侧，用于连续输送敷贴；

一对滑轨，其平行间隔设置在所述支撑板上，且所述滑轨沿所述支撑板轴向设置；

滑板，其可滑动设置在所述滑轨上；

其中，所述支撑架竖直设置在所述滑板上；

竖直导轨，其轴向固定设置在所述支撑架上；

导向轨道，其平行所述竖直导轨固定设置在所述支撑架上；

其中，所述水平导轨可滑动设置在所述竖直导轨和所述导向轨道上。

3.如权利要求2所述的非接触式血样采集装置，其特征在于，所述采血针夹持装置包括：

第一夹持部，其固定设置在所述穿刺动力机构的输出端；

第二夹持部，其可滑动设置在所述穿刺动力机构的输出端；

夹持动力机构，其输出端与所述第二夹持部连接，用于驱动所述第二夹持部靠近或者远离所述第一夹持部运动。

4.如权利要求3所述的非接触式血样采集装置，其特征在于，所述滑轨、水平导轨和竖直导轨为单轴机器人，所述采血架通过第一旋转电机可旋转设置在所述连接架上；所述穿刺臂通过第二旋转电机可旋转设置在远离所述水平导轨的所述采血架一端；所述辅助臂通过第三旋转电机可旋转设置在靠近所述水平导轨的所述采血架一端；所述穿刺动力机构和所述第一辅助动力机构为伺服电机；所述第二辅助动力机构和所述夹持动力机构为气缸。

5.如权利要求4所述的非接触式血样采集装置，其特征在于，还包括：

远红外检测装置，其固定设置在所述采血架上，用于确定静脉穿刺位置和穿刺处血管的粗细；

控制器，其与所述远红外检测装置、单轴机器人、第一旋转电机、第二旋转电机、第三旋转电机、伺服电机和气缸电连接，用于接收所述远红外检测装置的检测数据，并控制所述单轴机器人、第二旋转电机、第二旋转电机、第三旋转电机、伺服电机和气缸工作。

6.一种非接触式血样采集装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立笛卡尔三维坐标系；

其中，所述笛卡尔坐标系的坐标原点为支撑板上任意一点；所述支撑板所在平面为xy平面，且支撑板轴向为x轴，径向方向为y轴，支撑架轴向为z轴；

步骤2：确定患者静脉穿刺点坐标(x′,y′,z′)，以患者静脉穿刺点为圆心，r为半径获得圆形封闭曲线，获取患者穿刺手臂轴线与所述圆形封闭曲线的交点坐标(x^1′,y^1′,z^1′)和(x^2′,y^2′,z^2′)，确定第一旋转电机的旋转角度θ₁为：

其中，θ₁>0时，所述第一旋转电机顺时针旋转，θ₁≤0时，所述第一旋转电机逆时针旋转；

步骤3：确定采血针的针尖坐标(x₁,y₁,z₁)；

调整采血针的轴向位置，使支撑架沿支撑板轴向运动，且轴向运动距离L_x为：

L_x＝x′-x₁+ξ；

式中，ξ为标准水平间距，当L_x>0时，沿坐标系的x轴正向滑动，L_x<0时，沿坐标系的x轴负向滑动；

调整采血针的径向位置，使连接架沿水平导轨轴向运动，且轴向运动距离L_y为：

L_y＝y′-y₁；

式中，当L_y>0时，沿坐标系的y轴正向滑动，L_y<0时，沿坐标系的y轴负向滑动；

调整采血针的纵向位置，使水平导轨沿竖直导轨轴向运动，且轴向运动距离L_z为：

L_z＝z′-z₁+ζ；

式中，ζ为标准竖直间距，当L_z>0时，沿坐标系的z轴正向滑动，L_z<0时，沿坐标系的z轴负向滑动；

步骤4：调整第二旋转电机和第三旋转电机的旋转角度，控制伺服电机驱动采血针进针采血；

其中，所述第二旋转电机和第三旋转电机的旋转角度一致。

7.如权利要求6所述的非接触式血样采集装置的控制方法，其特征在于，在所述步骤4中，所述第二旋转电机和第三旋转电机的旋转角度满足：

式中，θ₂为第二旋转电机的旋转角度，θ₃为第三电机的旋转角度，R为采血针的针尖与第二旋转电机轴心所在水平面的距离。

8.如权利要求7所述的非接触式血样采集装置的控制方法，其特征在于，所述步骤4中，所述采血针的进针深度满足：

式中，L_n为采血针的进针深度，L为采血针的针头长度。

9.如权利要求8所述的非接触式血样采集装置的控制方法，其特征在于，还包括基于BP神经网络对第二旋转电机的旋转角度和采血针的进针深度进行误差补偿：

输入标准水平间距和标准竖直间距，以及确定的第二旋转电机的旋转角度和采血针的进针深度，通过远红外检测装置检测穿刺处血管的直径；

依次将标准水平间距和标准竖直间距，以及确定的第二旋转电机的旋转角度和采血针的进针深度、穿刺处血管的直径进行规格化：

其中，x_j为输入层向量中的参数，X_j分别为测量参数，j＝1,2,3,4,5；X_jmax和X_jmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值；

确定三层BP神经网络的输入层神经元向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄,x₅}；其中，x₁为标准水平间距系数，x₂为标准竖直间距系数，x₃为旋转角度系数，x₄为进针深度系数，x₅为血管直径系数；

所述输入层向量映射到中间层，且中间层向量y＝{y₁,y₂,…,y_m}；m为中间层节点个数；

得到输出层神经元向量o＝{o₁,o₂}；其中，o₁为旋转角度误差补偿系数，o₂为进针深度误差补偿系数，使

θ_c＝o₁θ_c,max，

L_nc＝o₂L_ncmax，

其中，θ_c为旋转角度误差补偿值，θ_c,max为最大旋转角度误差补偿值，L_nc为进针深度误差补偿值，L_ncmax为最大进针深度误差补偿值。

10.如权利要求9所述的非接触式血样采集装置的控制方法，其特征在于，确定补偿后的第二旋转电机的旋转角度

和采血针的进针深度

为：

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