CN111673757B - 咽拭子采集机器人系统 - Google Patents

Abstract

一种咽拭子采集机器人采样系统，所述咽拭子采集机器人系统包括：执行端(1)、机械臂(2)、显示设备(3)、人机交互设备(4)和工作站(5)，其中，所述执行端(1)与所述工作站(5)信号连接；所述机械臂(2)与所述工作站(5)信号连接；所述显示设备(3)与所述工作站(5)信号连接；所述人机交互设备(4)与所述工作站(5)信号连接。

Description

咽拭子采集机器人系统

技术领域

本发明属于医疗器械领域。具体涉及一种咽拭子采集机器人系统及其操作方法。

背景技术

新型冠状病毒传染性强，飞沫、接触以及气溶胶均可成为新型冠状肺炎的传播途径。因此，及时、准确地诊断该病并隔离病人对于控制其暴发流行至关重要。咽拭子的新型冠状病毒核酸检测是新型冠状肺炎最重要的确诊标准。根据《新型冠状病毒感肺炎诊疗方案（试行第七版）》，新冠肺炎确诊、疑似病例排除和患者住院治疗及康复出院，均需多次采集样本以进行核酸检测。

咽拭子样本采集一般由医务人员手持拭子（消毒长棉签）完成。采样时，患者摘除口罩，张口暴露咽喉，医务人员将拭子深入患者口腔，以灵敏而轻柔的动作擦拭患者两侧腭弓和咽、扁桃体上的分泌物。这种样本采集方式，在新型冠状病毒爆发时期存在三个重要缺陷，一是样本质量受操作人员个体影响较大，不同医务人员业务水平差异和操作规范与否可能影响拭子的质量，导致假阳性结果；二是采样时医务人员位于患者前方，容易受到患者唾液污染；三是操作过程中患者容易因不适而咳嗽，可能产生携带病毒的气溶胶，增加交叉感染的风险。

通过机器人采集样本是解决上述问题的一种方案。

发明内容

为避免医患人员交叉感染，提高生物样品收集的标准化并确保样品质量，本发明的发明人开发出一种智能机器人远程、可视化采集咽拭子以诊断新型冠状病毒肺炎。

为了改善现有技术的不足，本发明旨在提供一种咽拭子采集机器人系统。本发明提供如下技术方案：

本发明的实施例提供一种咽拭子采集机器人系统，所述咽拭子采集机器人系统包括：执行端、机械臂、显示设备、人机交互设备和工作站，其中，所述执行端与所述工作站信号连接；所述机械臂与所述工作站信号连接；所述显示设备与所述工作站信号连接；所述人机交互设备与所述工作站信号连接。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述执行端配置为：所述执行端根据所述工作站发送的样本采集控制指令，按照预设路径探入预设采样位置，并对患者的鼻咽、咽喉部的预设采集路径进行采样操作；采样操作完成以后，所述执行端将获取的采样图像信息发送至所述工作站。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述机械臂为六自由度串联机械臂，所述机械臂与所述工作站信号连接，与所述执行端机械固定连接，所述机械臂配置为：所述机械臂根据从所述工作站接收的控制信号，带动所述执行端绕所述执行端中心轴线旋转，使所述执行端夹持的棉签在口、鼻腔旋转，棉签与样本充分接触，完成样本采集工作。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述显示设备与所述工作站信号连接，所述显示设备配置为：所述显示设备根据所述工作站发送的显示数据向用户展示图像；

优选的，所述显示设备为液晶显示屏或者投影设备，医生在操作咽拭子采集机器人系统进行样本采集时，咽拭子采集机器人执行端的图像采集装置会拍摄患者的口腔，获取口腔图像，然后传输给所述工作站，由所述工作站将从所述图像采集装置获取的图像信息转换为所述显示设备可识别的显示数据，从而将患者口腔图像展示给采集样本的医生。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述人机交互设备与所述工作站信号连接，医生通过所述人机交互设备配置的输入设备输入样本采集指令，所述人机交互设备将此采集指令传输至所述工作站；其中所述人机交互设备获取用户控制所述执行端空间运动的操作，由所述人机交互设备控制所述机械臂，带动所述执行端，进而带动棉签完成；而所述执行端的往复运动由所述执行端主体驱动完成；

优选的，所述输入设备包括鼠标、键盘、声控装置；

优选的，所述用户控制所述执行端空间运动的操作包括执行端的位置调整、旋转等动作；

优选的，所述工作站配置为：所述工作站将从所述执行端的所述图像采集装置获取的鼻咽、咽喉部图像信息，生成显示数据，发送至所述显示设备；根据从所述人机交互设备获取的操作指令，发送至所述执行端。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述执行端包括：夹持装置、图像采集装置、夹爪支架、执行端主体、安装座。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述夹持装置包括左、右夹爪、螺栓、平行闭合气爪和排气节流阀，其中，所述左、右夹爪采用弹性材料制造而成，用于咽拭子棉签的夹持固定；所述左、右夹爪由螺栓固定在平行闭合气爪上，排气节流阀连接压缩管与平行闭合气爪，控制气爪张合速度；例如，利用一个节流阀控制平行闭合气爪张开和关闭，控制气爪张合速度。

优选的，所述弹性材料包括金属材料。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述图像采集装置配置为拍摄口腔内部环境，利用无线功能与所述工作站连接；

优选的，所述夹爪支架将所述夹持装置和所述图像采集装置固定在所述执行端主体上；所述夹爪支架一端与所述平行闭合气爪连接，另一端与所述执行端主体连接，完成前后运动的传递。

根据本发明的一种实施方式，例如，所述执行端主体是一个封闭的腔体，是所述执行端的联动装置，所述执行端主体包括伺服电机，所述伺服电机启动后带动所述夹持装置做轴向进退动作，以便所述夹持装置夹持的棉棒探入预设采样范围，完成样本采集工作；

优选的，所述伺服电机由电机支架固定于所述执行端主体腔内；

优选的，所述伺服电机的输出轴与丝杠通过微型联轴器连接，以传递动力，同时所述微型联轴器降低所述伺服电机与所述丝杠的对中要求；其中，设置丝杠支座，所述丝杠支座为所述丝杠的固定端，固定丝杠径向运动和轴向运动；设置锁紧螺母，用于锁紧所述丝杠，避免其轴向滑动；设置丝杠支架，所述丝杠支架为丝杠的活动端，与深沟球轴承结合，固定所述丝杠径向运动；所述丝杠支架和所述丝杠支座分别由前轴承座和后轴承座固定于所述执行端主体腔内；

优选的，所述丝杠与丝杠螺栓组合，将所述丝杠的旋转运动转换为直线运动，丝杠螺母座将所述丝杠螺栓的直线运动动力传递给所述夹爪支架，同时承担所述夹爪支架的部分重力；

优选的，为防止所述丝杠螺母座发生旋转动作引起传动失效，在所述执行端主体内侧壁上安装导向条，做到径向固定轴向运动；

优选的，所述丝杠是滚珠丝杆，所述丝杠螺栓是滚珠丝杆螺栓。

优选的，设置止动螺栓用于咽拭子棉签限位附件的安装，设置挡光片，当所述挡光片运动到极限位置后，其一端遮挡光电开关，所述光电开关反馈脉冲信号，完成限位动作；

优选的，所述安装座包括快换头、快换锁紧圈、中空螺纹快换座，所述安装座将所述执行端固定安装于所述机械臂。

本发明的实施例提供一种如前所述的咽拭子采集机器人系统操作方法，所述方法包括：

医生通过人机交互设备配置的输入设备输入样本采集指令，所述人机交互设备将此采集指令传输至工作站；

所述执行端根据所述工作站发送的样本采集控制指令，按照预设路径探入预设采样位置，并对患者的鼻咽、咽喉部的预设采集路径进行采样操作；

所述采样操作包括：启动伺服电机，所述伺服电机的输出轴带动微型联轴器转动，所述微型联轴器带动滚珠丝杠转动，所述滚珠丝杠上的螺栓和母座推动夹爪支架沿导向条进行直线往复运动，从而推动夹持装置的棉棒进行轴向进出运动；

采样操作完成以后，所述执行端将获取的采样图像信息发送至工作站；

所述显示设备根据所述工作站发送的显示数据向用户展示图像。

附图说明

图1是本发明实施例1中的咽拭子采集机器人系统的结构示意图；

图2是本发明实施例2中的咽拭子采集机器人系统中的执行端的结构示意图；

图3是本发明实施例2中的咽拭子采集机器人系统中的执行端内部结构示意图；

图4是本发明实施例2中的咽拭子采集机器人系统中的执行端主体内部结构俯视示意图；

图5是本发明实施例2中的咽拭子采集机器人系统中的执行端仰视结构示意图。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明的咽拭子采集机器人系统做更进一步的说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

实施例1

图1为本发明实施例1提供的咽拭子采集机器人系统的结构示意图，本实施例1可适用于医务人员实施鼻咽拭子采集的情况。如图1所示，咽拭子采集机器人系统包括：执行端1、机械臂2、显示设备3、人机交互设备4和工作站5。

执行端1与工作站5信号连接，执行端1根据工作站5发送的样本采集控制指令，按照预设路径探入预设采样位置，并对患者的鼻咽、咽喉部的预设采集路径进行采样操作；采样操作完成以后，执行端1将获取的采样图像信息发送至工作站5。

机械臂2例如可以是六自由度串联机械臂。机械臂2与工作站5信号连接，与执行端1机械固定连接，用于根据从工作站5接收的控制信号，带动执行端绕执行端中心轴线旋转，使执行端夹持的棉签在口、鼻腔旋转，棉签与样本充分接触，完成样本采集工作。

显示设备3与工作站5信号连接，显示设备3根据工作站5发送的显示数据向用户展示图像；其中，显示设备3例如可以为液晶显示屏，显示设备3例如也可以为投影设备，医生在操作咽拭子采集机器人系统进行样本采集时，咽拭子采集机器人执行端1的图像采集装置12（例如，微型无线相机）会拍摄患者的口腔，获取口腔图像，然后传输给工作站5，由工作站5将从图像采集装置12获取的图像信息转换为显示设备3可识别的显示数据，从而将患者口腔图像展示给采集样本的医生。

人机交互设备4与工作站5信号连接，医生通过人机交互设备4配置的输入设备，例如鼠标、键盘、声控装置等，输入样本采集指令，人机交互设备将此采集指令传输至工作站5；其中人机交互设备4获取用户控制执行端1空间运动的操作，比如执行端的位置调整、旋转等动作由人机交互设备4控制机械臂，带动执行端1，进而带动棉签完成。而执行端1的往复运动由执行端主体14驱动完成。

工作站5，从执行端1的图像采集装置12获取的鼻咽、咽喉部图像信息，生成显示数据，发送至显示设备3；根据从人机交互设备4获取的操作指令，发送至执行端1。

其中，工作站5为该咽拭子采集机器人系统的核心控制设备，一般为具备数据处理功能的计算机设备，医生从人机交互设备4输入针对该患者的鼻咽、咽喉部实施采样时的样本采集路径和样本采集范围，工作站5根据设定好的采样切除路径和采样切除范围，向执行端1发送采样控制指令，执行端1中配置的采集装置按照预设路径探入预设采样位置，并对患者的鼻咽、咽喉部的预设采集范围进行采样操作，并且，执行端1中配置图像采集装置（例如微型无线相机），以便获取采样图像及鼻咽、咽喉部及临近相关组织的信息发送至工作站5。工作站5接收到采样图像信息后，转换为对应的显示数据，通过显示设备3向医生展示采样图像鼻咽、咽喉部组织本身及临近组织情况，以便实施采样的医生可以获知采样的执行情况。

可选的，工作站5与执行端1例如可通过无线方式连接，如此设置使得医生可以在工作站5一端设定采样方案，监控采样实施过程，而工作站5与执行端1在位置摆放上更加灵活，例如执行端1可以摆放于远离工作站5的位置，这样医生不必面对患者进行采样，降低了接触性感染和气溶胶感染的风险。

在实施例1的技术方案中，医生在人机交互设备2输入样本采集指令，无需与患者面对面接触即可完成样本采集工作，降低接触性感染和气溶胶感染的风险，并且执行端4按照预设指令采集样本，可以保证生物样品收集的标准化和规范化，确保样品质量，避免人为的操作不当及技术不熟练所导致的假阳性结果。

实施例2

图2为本发明实施例2提供的咽拭子采集机器人执行端1的结构示意图。如图2所示，执行端1包括：夹持装置11、图像采集装置12、夹爪支架13、执行端主体14、安装座15。

夹持装置11包括左、右夹爪111，所述左、右夹爪111采用弹性材料（例如金属材料）制造而成，用于咽拭子棉签的夹持固定；所述左、右夹爪111由螺栓112固定在平行闭合气爪113上，排气节流阀114连接压缩管与平行闭合气爪113，控制气爪张合速度。

图像采集装置12，用于拍摄口腔内部环境，利用无线功能与工作站5连接。

夹爪支架13将夹持装置11和图像采集装置12固定在执行端主体14上；夹爪支架13一端与平行闭合气爪113连接（例如，通过螺钉连接），另一端与执行端主体14连接，完成前后运动的传递。

执行端主体14是一个封闭的腔体，是执行端1的联动装置，伺服电机1401启动后带动夹持装置11做轴向进退动作，以便夹持装置11夹持的棉棒探入预设采样范围，完成样本采集工作。

伺服电机1401由电机支架1402固定于执行端主体14腔内。伺服电机1401的输出轴与丝杠1406通过微型联轴器1403连接，以传递动力，同时微型联轴器1403降低伺服电机1401与丝杠1406的对中要求。其中，丝杠支座1405为丝杠1406固定端，固定丝杠径向运动和轴向运动，锁紧螺母1404用于锁紧丝杠1406，避免其轴向滑动；丝杠支架1410为丝杠1406活动端，与深沟球轴承1409结合，固定丝杠1406径向运动；丝杠支架1410和丝杠支座1405分别由前轴承座1413和后轴承座1415固定于执行端主体14腔内。

丝杠（例如可以是滚珠丝杆）1406与丝杠螺栓（例如可以是滚珠丝杆螺栓）1407组合，将丝杠1406的旋转运动转换为直线运动，丝杠螺母座1408将丝杠螺栓1407的直线运动动力传递给夹爪支架13，同时承担夹爪支架13的部分重力；为防止丝杠螺母座1408发生旋转动作引起传动失效，如图4所示，在执行端主体14内侧壁上安装导向条1411，做到径向固定轴向运动。

止动螺栓16用于咽拭子棉签限位附件的安装，挡光片1417运动到极限位置后其一端遮挡光电开关1415，光电开关1415反馈脉冲信号，完成限位动作。

安装座15包括快换头151、快换锁紧圈152、中空螺纹快换座153，所述安装座15将执行端1固定安装于机械臂2。

本发明提供的咽拭子采集机器人系统执行端1工作原理如下：

工作时，启动伺服电机1401，伺服电机1401的输出轴带动微型联轴器1403转动，微型联轴器1403带动滚珠丝杠1406转动，滚珠丝杠1406上的螺栓1407和母座1408推动夹爪支架13沿导向条1411进行直线往复运动，从而推动夹持装置的棉棒进行轴向进出运动。

本发明的技术方案采用机械臂代替医生手臂，夹持装置代替医生手夹持棉签，在样本采集时通过机械臂调整完成棉签出入口腔的角度变化。用机械代替人工，使样本采集流程标准化、规范化，提高样本质量。

在本实施例的技术方案中，医生只需要在电脑前通过遥控手柄进行样本采集操作，大大降低了劳动强度，无需与患者面对面接触，降低了交叉感染风险；并且用机械臂进行采集定位精度高；用执行端主体的伺服电机控制棉签进出口腔时间快，操作时间减少，患者因异物进入口腔导致咳嗽减少，降低了气溶胶感染风险。

以上，对本发明的实施方式进行了详细说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种咽拭子采集机器人系统，其特征在于，所述咽拭子采集机器人系统包括：执行端（1）、机械臂（2）、显示设备（3）、人机交互设备（4）和工作站（5），其中，所述执行端（1）与所述工作站（5）信号连接；所述机械臂（2）与所述工作站（5）信号连接；所述显示设备（3）与所述工作站（5）信号连接；所述人机交互设备（4）与所述工作站（5）信号连接；

所述执行端（1）包括：夹持装置（11）、图像采集装置（12）、夹爪支架（13）、执行端主体（14）、安装座（15）；

所述夹持装置（11）包括左、右夹爪（111）、螺栓（112）、平行闭合气爪（113）和排气节流阀（114），其中，所述左、右夹爪（111）采用弹性材料制造而成，用于咽拭子棉签的夹持固定；所述左、右夹爪（111）由螺栓（112）固定在平行闭合气爪（113）上，排气节流阀（114）连接压缩管与平行闭合气爪（113），控制气爪张合速度；

所述机械臂（2）为六自由度串联机械臂，所述机械臂（2）与所述工作站（5）信号连接，与所述执行端（1）机械固定连接，所述机械臂（2）配置为：所述机械臂（2）根据从所述工作站（5）接收的控制信号，带动所述执行端（1）绕所述执行端（1）中心轴线旋转，使所述执行端（1）夹持的棉签在口、鼻腔旋转，棉签与样本充分接触，完成样本采集工作；

所述执行端主体（14）是一个封闭的腔体，是所述执行端（1）的联动装置，所述执行端主体（14）包括伺服电机（1401），所述伺服电机（1401）启动后带动所述夹持装置（11）做轴向进退动作，以便所述夹持装置（11）夹持的棉棒探入预设采样范围，完成样本采集工作。

2.根据权利要求1所述的咽拭子采集机器人系统，其特征在于，所述执行端（1）配置为：所述执行端（1）根据所述工作站（5）发送的样本采集控制指令，按照预设路径探入预设采样位置，并对患者的鼻咽、咽喉部的预设采集路径进行采样操作；采样操作完成以后，所述执行端（1）将获取的采样图像信息发送至所述工作站（5）。

3.根据权利要求1或2所述的咽拭子采集机器人系统，其特征在于，所述显示设备（3）与所述工作站（5）信号连接，所述显示设备（3）配置为：所述显示设备（3）根据所述工作站（5）发送的显示数据向用户展示图像。

4.根据权利要求1或2所述的咽拭子采集机器人系统，其特征在于，所述人机交互设备（4）与所述工作站（5）信号连接，医生通过所述人机交互设备（4）配置的输入设备输入样本采集指令，所述人机交互设备（4）将此采集指令传输至所述工作站（5）；其中所述人机交互设备（4）获取用户控制所述执行端（1）空间运动的操作，由所述人机交互设备（4）控制所述机械臂（2），带动所述执行端（1），进而带动棉签完成；而所述执行端（1）的往复运动由所述执行端（1）主体驱动完成。

5.根据权利要求1所述的咽拭子采集机器人系统，其特征在于，所述图像采集装置（12）配置为拍摄口腔内部环境，利用无线功能与所述工作站（5）连接。

6.一种使用如权利要求1-5任一项所述的咽拭子采集机器人系统的操作方法，其特征在于，所述方法包括：

医生通过人机交互设备（4）配置的输入设备输入样本采集指令，所述人机交互设备（4）将此采集指令传输至工作站（5）；

所述执行端（1）根据所述工作站（5）发送的样本采集控制指令，按照预设路径探入预设采样位置，并对患者的鼻咽、咽喉部的预设采集路径进行采样操作；

所述采样操作包括：启动伺服电机（1401），所述伺服电机（1401）的输出轴带动微型联轴器（1403）转动，所述微型联轴器（1403）带动滚珠丝杠（1406）转动，所述滚珠丝杠（1406）上的丝杠螺栓（1407）和丝杠螺母座（1408）推动夹爪支架（13）沿导向条（1411）进行直线往复运动，从而推动夹持装置的棉棒进行轴向进出运动；

采样操作完成以后，所述执行端（1）将获取的采样图像信息发送至工作站（5）；

所述显示设备（3）根据所述工作站（5）发送的显示数据向用户展示图像。

7.根据权利要求1所述的咽拭子采集机器人系统，其特征在于， 所述弹性材料包括金属材料。

8.根据权利要求3所述的咽拭子采集机器人系统，其特征在于，所述显示设备（3）为液晶显示屏或者投影设备，医生在操作咽拭子采集机器人系统进行样本采集时，咽拭子采集机器人执行端（1）的图像采集装置（12）会拍摄患者的口腔，获取口腔图像，然后传输给所述工作站（5），由所述工作站（5）将从所述图像采集装置（12）获取的图像信息转换为所述显示设备（3）可识别的显示数据，从而将患者口腔图像展示给采集样本的医生。

9.根据权利要求4所述的咽拭子采集机器人系统，其特征在于，所述输入设备包括鼠标、键盘、声控装置。

10.根据权利要求4所述的咽拭子采集机器人系统，其特征在于，所述用户控制所述执行端（1）空间运动的操作包括执行端（1）的位置调整、旋转等动作。

11.根据权利要求4所述的咽拭子采集机器人系统，其特征在于，所述工作站（5）配置为：所述工作站（5）将从所述执行端（1）的所述图像采集装置（12）获取的鼻咽、咽喉部图像信息，生成显示数据，发送至所述显示设备（3）；根据从所述人机交互设备（4）获取的操作指令，发送至所述执行端（1）。

12.根据权利要求5所述的咽拭子采集机器人系统，其特征在于，所述夹爪支架（13）将所述夹持装置（11）和所述图像采集装置（12）固定在所述执行端主体（14）上；所述夹爪支架（13）一端与所述平行闭合气爪（113）连接，另一端与所述执行端主体（14）连接，完成前后运动的传递。

13.根据权利要求1所述的咽拭子采集机器人系统，其特征在于，所述伺服电机（1401）由电机支架（1402）固定于所述执行端主体（14）腔内。

14.根据权利要求1所述的咽拭子采集机器人系统，其特征在于，所述伺服电机（1401）的输出轴与丝杠（1406）通过微型联轴器（1403）连接，以传递动力，同时所述微型联轴器（1403）降低所述伺服电机（1401）与所述丝杠（1406）的对中要求；其中，设置丝杠支座（1405），所述丝杠支座（1405）为所述丝杠（1406）的固定端，固定丝杠径向运动和轴向运动；设置锁紧螺母（1404），用于锁紧所述丝杠（1406），避免其轴向滑动；设置丝杠支架（1410），所述丝杠支架（1410）为丝杠（1406）的活动端，与深沟球轴承（1409）结合，固定所述丝杠（1406）径向运动；所述丝杠支架（1410）和所述丝杠支座（1405）分别由前轴承座（1413）和后轴承座固定于所述执行端主体（14）腔内。

15.根据权利要求1所述的咽拭子采集机器人系统，其特征在于，丝杠（1406）与丝杠螺栓（1407）组合，将所述丝杠（1406）的旋转运动转换为直线运动，丝杠螺母座（1408）将所述丝杠螺栓（1407）的直线运动动力传递给所述夹爪支架（13），同时承担所述夹爪支架（13）的部分重力。

16.根据权利要求1所述的咽拭子采集机器人系统，其特征在于，为防止丝杠螺母座（1408）发生旋转动作引起传动失效，在所述执行端主体（14）内侧壁上安装导向条（1411），做到径向固定轴向运动。

17.根据权利要求1所述的咽拭子采集机器人系统，其特征在于，丝杠（1406）是滚珠丝杆，所述丝杠螺栓（1407）是滚珠丝杆螺栓。

18.根据权利要求1所述的咽拭子采集机器人系统，其特征在于，设置止动螺栓（16）用于咽拭子棉签限位附件的安装，设置挡光片（1417），当所述挡光片（1417）运动到极限位置后，其一端遮挡光电开关（1415），所述光电开关（1415）反馈脉冲信号，完成限位动作。

19.根据权利要求1所述的咽拭子采集机器人系统，其特征在于，所述安装座（15）包括快换头（151）、快换锁紧圈（152）、中空螺纹快换座（153），所述安装座（15）将所述执行端（1）固定安装于所述机械臂（2）。

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