CN111820920A - 一种静脉采血数据处理方法、装置及智能采血机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了静脉采血数据处理方法、装置及智能采血机器人，方法包括获取静脉血管红外图像，进行处理并提取出血管轮廓图像；进行骨架提取得以获得多个血管半径，并将最大半径的一个点确定为第一采血穿刺点；基于获取到的第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据，以最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程，并根据轮廓曲线方程计算得到第一采血穿刺点的皮肤切线方向；获取皮下血管深度超声波图像，结合皮肤切线方向、对皮下血管深度超声波图像提取出的血管上下壁轮廓图像，获得采血针的穿刺深度。本发明实施例提供的静脉采血数据处理方法，能够提高采血点的识别准确性，采血扎针的有效性，提升采血机器人的采血成功率。

Description

一种静脉采血数据处理方法、装置及智能采血机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其是涉及一种静脉采血数据处理方法、装置及智能采血机器人。

背景技术

目前国内的医疗环境大多实现了自动化，唯独采血环节还采用护士人工采血的方法。我国千人占有护士数量排名世界倒数第六，护士紧缺已经成为各大医院的常态。尤其是在传染疫情暴发时，护士等医护人员是感染率最高的一个群体。护士在采用现有人工静脉采血的方式进行采血时，存在工作量大、工序复杂、血管不好找等问题，不仅给护士的工作带来诸多不便，还增加了患者的痛苦。并且在采血过程中，医护人员与患者之间避免不了接触与暴露，存在病菌感染的风险，带来了卫生安全隐患的问题。虽然有研发团队在设计专门用于替代护士给患者打针采血的机器人，以将护士从高频、高难、高危的工作中解放出来，但是现有的医用采血机器人，仍需继续攻克采血点识别定位等技术难题，存在采血成功率不高的缺点。

发明内容

本发明提供一种静脉采血数据处理方法、装置及智能采血机器人，以提高采血点的识别准确性，采血扎针的有效性，提升采血机器人的采血成功率。

为了解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供了一种静脉采血数据处理方法，包括以下步骤：

获取静脉血管所处身体部位的静脉血管红外图像，对所述静脉血管红外图像进行处理并提取出血管轮廓图像；

对所述血管轮廓图像进行骨架提取得以获得多个血管半径，并将基于最大半径筛选出多个所述血管半径中的一个所述血管半径所在静脉血管的点确定为第一采血穿刺点；

基于获取到的所述第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据，以最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程，并根据所述轮廓曲线方程计算得到所述第一采血穿刺点的皮肤切线方向；

获取所述第一采血穿刺点所处静脉血管的皮下血管深度超声波图像，结合所述皮肤切线方向、对所述皮下血管深度超声波图像提取出的血管上下壁轮廓图像，获得采血针的穿刺深度。

在本发明的其中一种实施例中，所述对所述血管轮廓图像进行骨架提取得以获得多个血管半径，并将基于最大半径筛选出多个所述血管半径中的一个所述血管半径所在静脉血管的点确定为第一采血穿刺点，具体为：

对所述血管轮廓图像进行骨架提取以得到含有血管中心线、血管两侧轮廓的图像；

计算所述血管中心线与所述血管两侧轮廓之间的距离，获得多个血管半径；

基于最大半径筛选出多个所述血管半径中的一个所述血管半径所在静脉血管的点确定为第一采血穿刺点，得到所述第一采血穿刺点在所述血管轮廓图像上的二维坐标。

在本发明的其中一种实施例中，所述基于获取到的所述第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据，以最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程，并根据所述轮廓曲线方程计算得到所述第一采血穿刺点的皮肤切线方向，具体为：

获取激光测距传感器在扫描血管皮肤区域形貌高度后获取的所述第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据；

基于所述多组皮肤高度激光扫描数据，按照二次多项式的最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程：

f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²，

其中，f(x)为血管处皮肤形貌高度的轮廓曲线方程，x为血管处皮肤上点的坐标，a₀...a₂为多项式系数；

获得所述轮廓曲线方程与实际点残差平方和最小的表达式：

其中，E为残差平方和，要求E为最小，x_i、y_i为血管处皮肤上点的坐标，N为点集总数；

根据所述第一采血穿刺点的坐标求导所述轮廓曲线方程，得到所述第一采血穿刺点的轮廓切线斜率和皮肤角度，其中，k＝f′(x_p)，α＝arctan(k)，k为血管处皮肤轮廓切线斜率，x_p为第一采血穿刺点的坐标，α为第一采血穿刺点附近皮肤的角度。

在本发明的其中一种实施例中，所述获取所述第一采血穿刺点所处静脉血管的皮下血管深度超声波图像，结合所述皮肤切线方向、对所述皮下血管深度超声波图像提取出的血管上下壁轮廓图像，获得采血针的穿刺深度，具体为：

对通过超声波探头采集到的所述第一采血穿刺点所处静脉血管的皮下血管深度超声波图像，提取出上述皮下血管深度超声波图像的血管上壁轮廓线深度h₁、血管下壁轮廓线深度h₂；

选择血管的上壁轮廓线与下壁轮廓线之间的中间位置作为血管腔中心线位置，以供控制系统根据所述血管腔中心线位置控制末端执行装置的运动深度为：

结合所述皮肤切线方向的皮肤切线角度、所述末端执行装置的运动深度，获得采血针的穿刺深度：

其中，h₁为血管上壁轮廓线深度，h₂为血管下壁轮廓线深度，h₃为末端执行装置的运动深度，为皮肤切线方向的皮肤切线角度。

第二方面，本发明还提供一种静脉采血数据处理装置，包括上位机，所述上位机用于：

获取静脉血管所处身体部位的静脉血管红外图像，对所述静脉血管红外图像进行处理并提取出血管轮廓图像；

对所述血管轮廓图像进行骨架提取得以获得多个血管半径，并将基于最大半径筛选出多个所述血管半径中的一个所述血管半径所在静脉血管的点确定为第一采血穿刺点；

基于获取到的所述第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据，以最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程，并根据所述轮廓曲线方程计算得到所述第一采血穿刺点的皮肤切线方向；

获取所述第一采血穿刺点所处静脉血管的皮下血管深度超声波图像，结合所述皮肤切线方向、对所述皮下血管深度超声波图像提取出的血管上下壁轮廓图像，获得采血针的穿刺深度。

在本发明的其中一种实施例中，所述上位机还用于：

所述对所述血管轮廓图像进行骨架提取得以获得多个血管半径，并将基于最大半径筛选出多个所述血管半径中的一个所述血管半径所在静脉血管的点确定为第一采血穿刺点，具体为：

对所述血管轮廓图像进行骨架提取以得到含有血管中心线、血管两侧轮廓的图像；

计算所述血管中心线与所述血管两侧轮廓之间的距离，获得多个血管半径；

基于最大半径筛选出多个所述血管半径中的一个所述血管半径所在静脉血管的点确定为第一采血穿刺点，得到所述第一采血穿刺点在所述血管轮廓图像上的二维坐标。

在本发明的其中一种实施例中，所述上位机还用于：

所述基于获取到的所述第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据，以最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程，并根据所述轮廓曲线方程计算得到所述第一采血穿刺点的皮肤切线方向，具体为：

获取激光测距传感器在扫描血管皮肤区域形貌高度后获取的所述第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据；

基于所述多组皮肤高度激光扫描数据，按照二次多项式的最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程：

f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²，

其中，f(x)为血管处皮肤形貌高度的轮廓曲线方程，x为血管处皮肤上点的坐标，a₀...a₂为多项式系数；

获得所述轮廓曲线方程与实际点残差平方和最小的表达式：

其中，E为残差平方和，要求E为最小，x_i、y_i为血管处皮肤上点的坐标，N为点集总数；

根据所述第一采血穿刺点的坐标求导所述轮廓曲线方程，得到所述第一采血穿刺点的轮廓切线斜率和皮肤角度，其中，k＝f′(x_p)，α＝arctan(k)，k为血管处皮肤轮廓切线斜率，x_p为第一采血穿刺点的坐标，α为第一采血穿刺点附近皮肤的角度。

在本发明的其中一种实施例中，所述上位机还用于：

所述获取所述第一采血穿刺点所处静脉血管的皮下血管深度超声波图像，结合所述皮肤切线方向、对所述皮下血管深度超声波图像提取出的血管上下壁轮廓图像，获得采血针的穿刺深度，具体为：

对通过超声波探头采集到的所述第一采血穿刺点所处静脉血管的皮下血管深度超声波图像，提取出上述皮下血管深度超声波图像的血管上壁轮廓线深度h₁、血管下壁轮廓线深度h₂；

选择血管的上壁轮廓线与下壁轮廓线之间的中间位置作为血管腔中心线位置，以供控制系统根据所述血管腔中心线位置控制末端执行装置的运动深度为：

结合所述皮肤切线方向的皮肤切线角度、所述末端执行装置的运动深度，获得采血针的穿刺深度：

其中，h₁为血管上壁轮廓线深度，h₂为血管下壁轮廓线深度，h₃为末端执行装置的运动深度，为皮肤切线方向的皮肤切线角度。

第三方面，本发明还提供一种智能采血机器人，包括：

控制装置、数据采集装置、采血执行装置以及如上述的静脉采血数据处理装置；

所述数据采集装置，包括红外相机、激光测距传感器、超声波探头，用于将采集到的静脉血管红外图像、多组皮肤高度激光扫描数据、皮下血管深度超声波图像发送至所述静脉采血数据处理装置；

所述静脉采血数据处理装置，用于将所述第一采血穿刺点、所述第一采血穿刺点的皮肤切线方向、所述采血针的穿刺深度发送至所述控制系统；

所述控制装置，用于根据所述第一采血穿刺点、所述第一采血穿刺点的皮肤切线方向、所述采血针的穿刺深度生成控制指令，并将所述控制指令发送至所述采血执行装置；

所以采血执行装置，用于根据所述控制指令驱动静脉采血针。

在本发明的其中一种实施例中，所述控制装置还用于：

根据所述第一采血穿刺点控制所述末端执行装置移动，以使所述末端执行装置位于所述第一采血穿刺点对应的静脉血管位置；

根据所述第一采血穿刺点的皮肤切线方向的皮肤切线斜率控制所述多轴运动系统运动，以使所述多轴运动系统带动静脉穿刺装置旋转，使所述静脉穿刺装置与所述第一采血穿刺点所在静脉血管方向保持一致；

根据所述第一采血穿刺点的皮肤切线方向的皮肤切线角度控制减速电机通过多连杆机构带动静脉穿刺装置，以使所述静脉采血针摆动与皮肤成用于实施静脉穿刺动作的预设角度；

根据所述采血针的穿刺深度控制穿刺针的刺入深度。

综上，本发明实施例提供一种静脉采血数据处理方法、装置及智能采血机器人，其一个实施例具有如下有益效果：

静脉采血数据处理方法获取静脉血管所处身体部位的静脉血管红外图像，对所述静脉血管红外图像进行处理并提取出血管轮廓图像；对所述血管轮廓图像进行骨架提取得以获得多个血管半径，并将基于最大半径筛选出多个所述血管半径中的一个所述血管半径所在静脉血管的点确定为第一采血穿刺点；基于获取到的所述第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据，以最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程，并根据所述轮廓曲线方程计算得到所述第一采血穿刺点的皮肤切线方向；获取所述第一采血穿刺点所处静脉血管的皮下血管深度超声波图像，结合所述皮肤切线方向、对所述皮下血管深度超声波图像提取出的血管上下壁轮廓图像，获得采血针的穿刺深度。通过对静脉血管红外图像进行处理获得最优位置的第一采血穿刺点，以此获得该点的皮肤切线方向、采血针的穿刺深度，能够结合近红外成像技术、超声波多普勒成像、多轴运动系统、机器视觉算法识别、控制系统与相关执行机构，来自动分析并找到最佳的静脉血管采血点并自动完成静脉穿刺功能。本发明实施例通过这种数据处理方法，能够提高采血点的识别准确性，以皮肤切线方向、采血针的穿刺深度确保采血扎针的有效性，有利于提升采血机器人的采血成功率。

附图说明

图1是本发明实施例中的静脉采血数据处理方法的流程步骤图；

图2是本发明实施例中的多连杆式采血机器人末端执行装置的主视图；

图3是本发明实施例中的多连杆式采血机器人末端执行装置的立体图；

图4是本发明实施例中的多连杆式采血机器人末端执行装置的多连杆机构部分的主视图；

图5是本发明实施例中的多连杆式采血机器人末端执行装置的多连杆机构部分的侧面三维图；

图6是本发明实施例中的多连杆式采血机器人末端执行装置的电磁夹爪抓针的三维图；

其中，说明书附图中的附图标记如下：

1－第一中心线、2－超声探头、3－超声探头固定夹、4－减速电机、5－激光测距传感器、6－固定板、7－直线运动单元、8－第二中心线、9－多连杆机构、10－针头夹紧机构、11－静脉采血针、12－电磁夹爪、13－红外相机、911－驱动连杆、912－固定连杆、913－1号连杆、914－2号连杆、915－3号连杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本发明第一实施例：

请参见图1，本发明实施例提供了一种静脉采血数据处理方法，包括以下步骤：

S1，获取静脉血管所处身体部位的静脉血管红外图像，对静脉血管红外图像进行处理并提取出血管轮廓图像；

S2，对血管轮廓图像进行骨架提取得以获得多个血管半径，并将基于最大半径筛选出多个血管半径中的一个血管半径所在静脉血管的点确定为第一采血穿刺点；

在本发明的其中一种实施例中，步骤S2，对血管轮廓图像进行骨架提取得以获得多个血管半径，并将基于最大半径筛选出多个血管半径中的一个血管半径所在静脉血管的点确定为第一采血穿刺点，具体为：

对血管轮廓图像进行骨架提取以得到含有血管中心线、血管两侧轮廓的图像；

计算血管中心线与血管两侧轮廓之间的距离，获得多个血管半径；

基于最大半径筛选出多个血管半径中的一个血管半径所在静脉血管的点确定为第一采血穿刺点，得到第一采血穿刺点在血管轮廓图像上的二维坐标。

S3，基于获取到的第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据，以最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程，并根据轮廓曲线方程计算得到第一采血穿刺点的皮肤切线方向；

在本发明的其中一种实施例中，步骤S3，基于获取到的第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据，以最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程，并根据轮廓曲线方程计算得到第一采血穿刺点的皮肤切线方向，具体为：

获取激光测距传感器在扫描血管皮肤区域形貌高度后获取的第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据；

基于多组皮肤高度激光扫描数据，按照二次多项式的最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程：

f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²，

其中，f(x)为血管处皮肤形貌高度的轮廓曲线方程，x为血管处皮肤上点的坐标，a₀...a₂为多项式系数；

获得轮廓曲线方程与实际点残差平方和最小的表达式：

其中，E为残差平方和，要求E为最小，x_i、y_i为血管处皮肤上点的坐标，N为点集总数；

根据第一采血穿刺点的坐标求导轮廓曲线方程，得到第一采血穿刺点的轮廓切线斜率和皮肤角度，其中，k＝f′(x_p)，α＝arctan(k)，k为血管处皮肤轮廓切线斜率，x_p为第一采血穿刺点的坐标，α为第一采血穿刺点附近皮肤的角度。

S4，获取第一采血穿刺点所处静脉血管的皮下血管深度超声波图像，结合皮肤切线方向、对皮下血管深度超声波图像提取出的血管上下壁轮廓图像，获得采血针的穿刺深度。

在本发明的其中一种实施例中，步骤S4，获取第一采血穿刺点所处静脉血管的皮下血管深度超声波图像，结合皮肤切线方向、对皮下血管深度超声波图像提取出的血管上下壁轮廓图像，获得采血针的穿刺深度，具体为：

对通过超声波探头采集到的第一采血穿刺点所处静脉血管的皮下血管深度超声波图像，提取出上述皮下血管深度超声波图像的血管上壁轮廓线深度h₁、血管下壁轮廓线深度h₂；

选择血管的上壁轮廓线与下壁轮廓线之间的中间位置作为血管腔中心线位置，以供控制系统根据血管腔中心线位置控制末端执行装置的运动深度为：

结合皮肤切线方向的皮肤切线角度、末端执行装置的运动深度，获得采血针的穿刺深度：

其中，h₁为血管上壁轮廓线深度，h₂为血管下壁轮廓线深度，h₃为末端执行装置的运动深度，为皮肤切线方向的皮肤切线角度。

本发明实施例通过对静脉血管红外图像进行处理获得最优位置的第一采血穿刺点，以此获得该点的皮肤切线方向、采血针的穿刺深度，能够结合近红外成像技术、超声波多普勒成像、多轴运动系统、机器视觉算法识别、控制系统与相关执行机构，来自动分析并找到最佳的静脉血管采血点并自动完成静脉穿刺功能。本发明实施例通过这种数据处理方法，能够提高采血点的识别准确性，以皮肤切线方向、采血针的穿刺深度确保采血扎针的有效性，有利于提升采血机器人的采血成功率。

本发明第二实施例：

本发明第二实施例提供一种静脉采血数据处理装置，包括上位机，上位机用于：

获取静脉血管所处身体部位的静脉血管红外图像，对静脉血管红外图像进行处理并提取出血管轮廓图像；

对血管轮廓图像进行骨架提取得以获得多个血管半径，并将基于最大半径筛选出多个血管半径中的一个血管半径所在静脉血管的点确定为第一采血穿刺点；

基于获取到的第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据，以最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程，并根据轮廓曲线方程计算得到第一采血穿刺点的皮肤切线方向；

获取第一采血穿刺点所处静脉血管的皮下血管深度超声波图像，结合皮肤切线方向、对皮下血管深度超声波图像提取出的血管上下壁轮廓图像，获得采血针的穿刺深度。

在本发明的其中一种实施例中，上位机还用于：

对血管轮廓图像进行骨架提取得以获得多个血管半径，并将基于最大半径筛选出多个血管半径中的一个血管半径所在静脉血管的点确定为第一采血穿刺点，具体为：

对血管轮廓图像进行骨架提取以得到含有血管中心线、血管两侧轮廓的图像；

计算血管中心线与血管两侧轮廓之间的距离，获得多个血管半径；

基于最大半径筛选出多个血管半径中的一个血管半径所在静脉血管的点确定为第一采血穿刺点，得到第一采血穿刺点在血管轮廓图像上的二维坐标。

在本发明的其中一种实施例中，上位机还用于：

基于获取到的第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据，以最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程，并根据轮廓曲线方程计算得到第一采血穿刺点的皮肤切线方向，具体为：

获取激光测距传感器在扫描血管皮肤区域形貌高度后获取的第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据；

基于多组皮肤高度激光扫描数据，按照二次多项式的最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程：

f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²，

其中，f(x)为血管处皮肤形貌高度的轮廓曲线方程，x为血管处皮肤上点的坐标，a₀...a₂为多项式系数；

获得轮廓曲线方程与实际点残差平方和最小的表达式：

其中，E为残差平方和，要求E为最小，x_i、y_i为血管处皮肤上点的坐标，N为点集总数；

根据第一采血穿刺点的坐标求导轮廓曲线方程，得到第一采血穿刺点的轮廓切线斜率和皮肤角度，其中，k＝f′(x_p)，α＝arctan(k)，k为血管处皮肤轮廓切线斜率，x_p为第一采血穿刺点的坐标，α为第一采血穿刺点附近皮肤的角度。

在本发明的其中一种实施例中，上位机还用于：

获取第一采血穿刺点所处静脉血管的皮下血管深度超声波图像，结合皮肤切线方向、对皮下血管深度超声波图像提取出的血管上下壁轮廓图像，获得采血针的穿刺深度，具体为：

对通过超声波探头采集到的第一采血穿刺点所处静脉血管的皮下血管深度超声波图像，提取出上述皮下血管深度超声波图像的血管上壁轮廓线深度h₁、血管下壁轮廓线深度h₂；

选择血管的上壁轮廓线与下壁轮廓线之间的中间位置作为血管腔中心线位置，以供控制系统根据血管腔中心线位置控制末端执行装置的运动深度为：

结合皮肤切线方向的皮肤切线角度、末端执行装置的运动深度，获得采血针的穿刺深度：

其中，h₁为血管上壁轮廓线深度，h₂为血管下壁轮廓线深度，h₃为末端执行装置的运动深度，为皮肤切线方向的皮肤切线角度。

本发明第三实施例：

请参见图2至图6，本发明第三实施例提供一种智能采血机器人，包括：

控制装置、数据采集装置、采血执行装置以及如上的静脉采血数据处理装置，静脉采血数据处理装置主要包括上位机；

数据采集装置，包括红外相机、激光测距传感器、超声波探头，用于将采集到的静脉血管红外图像、多组皮肤高度激光扫描数据、皮下血管深度超声波图像发送至静脉采血数据处理装置；

静脉采血数据处理装置，用于将第一采血穿刺点、第一采血穿刺点的皮肤切线方向、采血针的穿刺深度发送至控制系统；

控制装置，用于根据第一采血穿刺点、第一采血穿刺点的皮肤切线方向、采血针的穿刺深度生成控制指令，并将控制指令发送至采血执行装置；

所以采血执行装置，用于根据控制指令驱动静脉采血针。

在本发明的其中一种实施例中，控制装置还用于：

根据第一采血穿刺点控制末端执行装置移动，以使末端执行装置位于第一采血穿刺点对应的静脉血管位置；

根据第一采血穿刺点的皮肤切线方向的皮肤切线斜率控制多轴运动系统运动，以使多轴运动系统带动静脉穿刺装置旋转，使静脉穿刺装置与第一采血穿刺点所在静脉血管方向保持一致；

根据第一采血穿刺点的皮肤切线方向的皮肤切线角度控制减速电机通过多连杆机构带动静脉穿刺装置，以使静脉采血针摆动与皮肤成用于实施静脉穿刺动作的预设角度；

根据采血针的穿刺深度控制穿刺针的刺入深度。

在其中一种实施例中，智能采血机器人结合近红外成像技术、超声波多普勒成像、多轴运动系统、机器视觉算法识别、控制系统与相关执行机构，来自动分析并找到最佳的静脉血管采血点并自动完成静脉穿刺功能。智能采血机器人包括：超声探头2、超声探头固定夹3、减速电机4、激光测距传感器5、多连杆机构9、静脉穿刺装置、静脉采血针11、红外相机13；超声探头2通过超声探头固定夹3固定；减速电机4通过螺钉固定在超声探头固定夹3的左侧，激光测距传感器5固定在多连杆机构9与超声探头2之间；多连杆机构9固定在超声探头固定夹3左侧，红外相机13固定在超声探头固定夹3的右侧。

智能采血机器人的工作原理具体如下：

多连杆式采血机器人末端执行装置结合多轴运动系统、控制系统、上位机及算法程序一起工作，实施静脉血管的自动识别与自动静脉采血；

上位机接收多连杆式采血机器人末端执行装置的红外相机成像显示手臂的静脉血管信息，并识别与计算出最佳采血点位置信息与其所在静脉血管XY平面的角度信息，激光测距传感器5扫描多个采血点附近皮肤的距离数据并将该数据传送给上位机；

上位机接收激光测距传感器5多组距离数据并计算分析得到采血点附近皮肤的角度信息，除此以外上位机还接收来自超声探头成像系统显示静脉血管信息，利用算法程序识别与计算出超声成像时最佳采血点静脉血管的深度信息，上位机将分析出来的最佳静脉采血点的位置信息、静脉血管角度信息、静脉血管深度信息、采血点附近皮肤的角度信息等参数传给控制系统；

控制系统控制多连杆式采血机器人末端执行装置至手臂上方静脉采血点附近，多轴运动系统使静脉穿刺装置旋转一定角度使其与最佳采血点所在静脉血管方向保持一致，减速电机通过多连杆机构9带动静脉穿刺装置使静脉采血针11摆动与皮肤成一个合适的角度并实施静脉穿刺。

其中，上位机的数据处理过程为：

上位机根据红外相机采集到的血管红外图像，提取图像中的血管轮廓，通过对血管轮廓进行骨架提取得到血管中心线和血管中心线到血管两侧轮廓的距离，即血管半径。

参考医护人员静脉采血选取采血穿刺点原则，选择血管中心线上血管半径最大处作为最优采血穿刺点，得到该点在图像X、Y方向的坐标位置。

根据采血穿刺方向，以该点所在血管中心线上沿采血穿刺方向选取一定点拟合血管中心线曲线方程，求导得到血管中心线在最优采血穿刺点处的切线斜率，即血管中心线方向角度。

上位机根据激光测距传感器测量的多组皮肤高度形貌数据计算分析得到采血点附近皮肤的角度信息。得到角度信息具体方法为：

激光测距传感器扫描血管皮肤区域形貌高度信息，拟合血管处皮肤轮廓曲线方程，曲线方程按照二次多项式的最小二乘法拟合得到，其表达式为：

f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²，

其中f(x)为血管处皮肤形貌高度的拟合曲线方程；x为血管处皮肤上点的坐标；a₀—a₂为多项式系数，按照最小二乘法，要求拟合曲线方程与实际点残差平方和最小，其表达式为：

其中，E为残差平方和，要求E为最小，x_i、y_i为血管处皮肤上点的坐标；N为点集总数。

血管处皮肤轮廓的切线方向根据拟合血管处皮肤轮廓曲线方程在穿刺位置求导得到穿刺点处切线斜率k和角度a，其计算表达式为：

k＝f′(x_p)，α＝arctan(k)，

其中，k为血管处皮肤轮廓切线斜率；x_p为皮肤上待穿刺点的位置；α为采血点附近皮肤的角度。

上位机根据超声探头采集到的皮下血管深度图像，提取图像中的血管上、下壁轮廓线的深度h₁、h₂，选择血管壁上下轮廓线中间位置，即血管腔中心线位置作为末端执行装置运动深度位置，其深度为：

由采血针穿刺角度α可得末端执行装置最终穿刺距离为：

上位机将最佳采血点位置信息、其所在静脉血管XY平面的角度信息、采血点附近皮肤的角度信息、最佳采血点静脉血管的深度信息发送至控制系统；

控制系统根据最佳采血点位置信息控制多连杆式采血机器人末端执行装置移动至手臂上方静脉采血点附近；

控制系统根据静脉血管角度信息控制多轴运动系统使静脉穿刺装置旋转一定角度使其与最佳采血点所在静脉血管方向保持一致；

控制系统根据采血点附近皮肤的角度信息控制减速电机通过多连杆机构带动静脉穿刺装置使静脉采血针摆动与皮肤成一个合适的角度并实施静脉穿刺；

控制系统根据最佳采血点静脉血管的深度信息控制穿刺针的刺入深度。

作为执行机构，具体的，静脉穿刺装置包括直线运动单元7、电磁夹爪12、针头夹紧机构10、针头夹紧机构10的两侧分别固定在电磁夹爪12的两个夹爪上，步进电机11通过直线运动单元7的丝杆带动直线运动单元7上的滑块做直线运动，电磁夹爪12通过螺钉固连在直线运动单元7上的滑块上。

电磁夹爪12的结构形式为其单侧夹爪采用固定，另一侧为活动式夹爪。

多连杆机构9为平行式连杆机构，包括第一中心线1、第二中心线8、驱动连杆911、固定连杆912、1号连杆913、2号连杆914、3号连杆915；减速电机4的输出法兰与驱动连杆911固连，多连杆机构9的固定连杆912固定在超声探头固定夹3上，多连杆机构9中所有连杆之间的连接皆为铰链连接，，第一中心线1为固定连杆912上两端铰链中心连接线，第二中心线8为1号连杆913与3号连杆915的下端铰链中心连接线，第一中心线1与第二中心线8相交，固定板6与1号连杆913与3号连杆915的下端铰链连接。

当减速电机4带动驱动连杆911转动一个角度时，由于多连杆机构9的固定连杆912固定在超声探头固定夹3上，2号连杆914与第二中心线8将会同步转动一个相同的角度。

固定板6固定与多连杆机构9铰链连接，的直线运动单元7固定在固定板6上，的静脉采血针11的底部轮廓线与的第二中心线8重合。当连杆机构9转动时将通过固定板6带动的静脉采血针11转动一个角度，因为连杆上各个铰链的作用，驱动连杆911与2号连杆914将各自围绕其固定连杆912上的铰链旋转，同理，第二中心线8将围绕第一中心线1与第二中心线8的交点旋转，因此静脉采血针11的运动旋转中心在第一中心线1与第二中心线8的交点上。

进一步的，为了保证电磁夹爪12抓针时夹持位置准确性，该电磁式夹爪一侧采用了固定夹爪，另外一侧的夹爪为活动夹爪，夹取工件时以固定夹爪侧为定位来执行抓取动作，进一步提高了抓针时的定位精度。

进一步的，为了保证多连杆式采血机器人末端执行装置的安全性，该装置上利用的激光测距传感器5来测量手臂皮肤至激光测距传感器5的相对距离，通过精准测量标定的方法得到超声探头2的探测面到激光测距传感器5的相对距离，从而可以得到超声探头2的探测面到手臂皮肤的实时距离，这样多连杆式采血机器人末端执行装置在向下运动时，可以根据超声探头2的探测面到手臂皮肤的实时距离来控制其超声探头2的最大向下行程，从而保障了多连杆式采血机器人末端执行装置实时采血动作的安全性。

进一步的，为了保证多连杆式采血机器人末端执行装置的静脉采血针11的扎针角度与最佳采血点皮肤附近切线方向成一个固定角度实施静脉穿刺，采用了激光测距传感器5扫描多个皮肤穿刺点附近的距离数据并利用上位机根据该数据计算出皮肤切线方向的角度信息，上位机将该角度信息数据传送给控制系统，控制系统根据皮肤切线的角度信息控制减速电机带动多连杆机构9旋转一个对应角度，从而使静脉穿刺装置摆动一定角度，带动静脉采血针11与手臂皮肤成一个适当的角度并向前推进一定距离，实施静脉穿刺。

为了保证多连杆式采血机器人末端执行装置的静脉采血针的扎针角度与最佳采血点皮肤附近切线方向成一个固定角度实施静脉穿刺，采用了激光测距传感器扫描血管皮肤区域形貌高度信息，拟合血管处皮肤轮廓曲线方程，曲线方程按照二次多项式的最小二乘法拟合得到，其表达式为：

f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²，

其中f(x)为血管处皮肤形貌高度的拟合曲线方程；x为血管处皮肤上点的坐标；a₀—a₂为多项式系数，按照最小二乘法，要求拟合曲线方程与实际点残差平方和最小，其表达式为：

其中E为残差平方和，要求E为最小，x_i、y_i为血管处皮肤上点的坐标；N为点集总数。的血管处皮肤轮廓的切线方向根据拟合血管处皮肤轮廓曲线方程在穿刺位置求导得到穿刺点处切线斜率k和角度a，其计算表达式为：

k＝f′(x_p)，α＝arctan(k)，

其中k为血管处皮肤轮廓切线斜率；x_p为皮肤上待穿刺点的位置；α为血管处皮肤轮廓倾斜角度。上位机将该角度信息数据传送给控制系统，控制系统根据皮肤切线的角度信息控制减速电机带动多连杆机构旋转一个对应角度，从而使静脉穿刺装置摆动一定角度，带动静脉采血针与手臂皮肤成一个适当的角度并向前推进一定距离，实施静脉穿刺。

作为本发明的优选方案，的电磁夹爪端部安装有弹簧，具有自复位功能。

本发明专门用于智能采血机器人，其整个工作过程和原理是：多连杆式采血机器人末端执行装置结合多轴运动系统、控制系统、上位机及算法程序一起工作，实施静脉血管的自动识别与自动静脉采血，上位机接收多连杆式采血机器人末端执行装置的红外相机成像显示手臂的静脉血管信息，并识别与计算出最佳采血点位置信息与其所在静脉血管XY平面的角度信息，激光测距传感器扫描多个采血点附近皮肤的距离数据并将该数据传送给上位机，上位机接收激光测距传感器多组距离数据并计算分析得到采血点附近皮肤的角度信息，除此以外上位机还接收来自超声探头成像系统显示静脉血管信息，利用算法程序识别与计算出超声成像时最佳采血点静脉血管的深度信息，上位机将分析出来的最佳静脉采血点的位置信息、静脉血管角度信息、静脉血管深度信息、采血点附近皮肤的角度信息等参数传给控制系统，控制系统控制多连杆式采血机器人末端执行装置至手臂上方静脉采血点附近，多轴运动系统使静脉穿刺装置旋转一定角度使其与最佳采血点所在静脉血管方向保持一致，减速电机通过多连杆机构带动静脉穿刺装置使静脉采血针摆动与皮肤成一个合适的角度并实施静脉穿刺。

综上，本发明实施例具有以下优点：

1.本发明所提供的多连杆式采血机器人末端执行装置结构稳定，各部分运动机构原理简单稳定精度高，实现了采血机器人自动静脉识别与静脉穿刺功能；

2.本发明所提供的多连杆式采血机器人末端执行装置通过激光测距传感器来测量手臂皮肤至激光测距传感器的相对距离，控制系统根据手臂皮肤至激光测距传感器的相对距离间接得到超声探头的探测面到手臂皮肤的实时距离，控制其超声探头的最大向下行程，不仅利于精确控制和增加控制效率，而且保护了使用人的安全。

3.本发明所提供的多连杆式采血机器人末端执行装置具有结构紧凑、体积小，方便携带与运输。

4.本发明所提供的电磁夹爪端部安装有弹簧，具有自复位功能。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种静脉采血数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取静脉血管所处身体部位的静脉血管红外图像，对所述静脉血管红外图像进行处理并提取出血管轮廓图像；

对所述血管轮廓图像进行骨架提取得以获得多个血管半径，并将基于最大半径筛选出多个所述血管半径中的一个所述血管半径所在静脉血管的点确定为第一采血穿刺点；

基于获取到的所述第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据，以最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程，并根据所述轮廓曲线方程计算得到所述第一采血穿刺点的皮肤切线方向；

获取所述第一采血穿刺点所处静脉血管的皮下血管深度超声波图像，结合所述皮肤切线方向、对所述皮下血管深度超声波图像提取出的血管上下壁轮廓图像，获得采血针的穿刺深度。

2.如权利要求1所述的静脉采血数据处理方法，其特征在于，所述对所述血管轮廓图像进行骨架提取得以获得多个血管半径，并将基于最大半径筛选出多个所述血管半径中的一个所述血管半径所在静脉血管的点确定为第一采血穿刺点，具体为：

对所述血管轮廓图像进行骨架提取以得到含有血管中心线、血管两侧轮廓的图像；

计算所述血管中心线与所述血管两侧轮廓之间的距离，获得多个血管半径；

基于最大半径筛选出多个所述血管半径中的一个所述血管半径所在静脉血管的点确定为第一采血穿刺点，得到所述第一采血穿刺点在所述血管轮廓图像上的二维坐标。

3.如权利要求1所述的静脉采血数据处理方法，其特征在于，所述基于获取到的所述第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据，以最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程，并根据所述轮廓曲线方程计算得到所述第一采血穿刺点的皮肤切线方向，具体为：

获取激光测距传感器在扫描血管皮肤区域形貌高度后获取的所述第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据；

基于所述多组皮肤高度激光扫描数据，按照二次多项式的最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程：

f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²，

其中，f(x)为血管处皮肤形貌高度的轮廓曲线方程，x为血管处皮肤上点的坐标，a₀...a₂为多项式系数；

获得所述轮廓曲线方程与实际点残差平方和最小的表达式：

其中，E为残差平方和，要求E为最小，x_i、y_i为血管处皮肤上点的坐标，N为点集总数；

根据所述第一采血穿刺点的坐标求导所述轮廓曲线方程，得到所述第一采血穿刺点的轮廓切线斜率和皮肤角度，其中，k＝f′(x_p)，α＝arctan(k)，k为血管处皮肤轮廓切线斜率，x_p为第一采血穿刺点的坐标，α为第一采血穿刺点附近皮肤的角度。

4.如权利要求1或3所述的静脉采血数据处理方法，其特征在于，所述获取所述第一采血穿刺点所处静脉血管的皮下血管深度超声波图像，结合所述皮肤切线方向、对所述皮下血管深度超声波图像提取出的血管上下壁轮廓图像，获得采血针的穿刺深度，具体为：

对通过超声波探头采集到的所述第一采血穿刺点所处静脉血管的皮下血管深度超声波图像，提取出上述皮下血管深度超声波图像的血管上壁轮廓线深度h₁、血管下壁轮廓线深度h₂；

选择血管的上壁轮廓线与下壁轮廓线之间的中间位置作为血管腔中心线位置，以供控制系统根据所述血管腔中心线位置控制末端执行装置的运动深度为：

结合所述皮肤切线方向的皮肤切线角度、所述末端执行装置的运动深度，获得采血针的穿刺深度：

其中，h₁为血管上壁轮廓线深度，h₂为血管下壁轮廓线深度，h₃为末端执行装置的运动深度，为皮肤切线方向的皮肤切线角度。

5.一种静脉采血数据处理装置，其特征在于，包括上位机，所述上位机用于：

获取静脉血管所处身体部位的静脉血管红外图像，对所述静脉血管红外图像进行处理并提取出血管轮廓图像；

对所述血管轮廓图像进行骨架提取得以获得多个血管半径，并将基于最大半径筛选出多个所述血管半径中的一个所述血管半径所在静脉血管的点确定为第一采血穿刺点；

基于获取到的所述第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据，以最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程，并根据所述轮廓曲线方程计算得到所述第一采血穿刺点的皮肤切线方向；

获取所述第一采血穿刺点所处静脉血管的皮下血管深度超声波图像，结合所述皮肤切线方向、对所述皮下血管深度超声波图像提取出的血管上下壁轮廓图像，获得采血针的穿刺深度。

6.如权利要求5所述的静脉采血数据处理装置，其特征在于，所述上位机还用于：

所述对所述血管轮廓图像进行骨架提取得以获得多个血管半径，并将基于最大半径筛选出多个所述血管半径中的一个所述血管半径所在静脉血管的点确定为第一采血穿刺点，具体为：

对所述血管轮廓图像进行骨架提取以得到含有血管中心线、血管两侧轮廓的图像；

计算所述血管中心线与所述血管两侧轮廓之间的距离，获得多个血管半径；

基于最大半径筛选出多个所述血管半径中的一个所述血管半径所在静脉血管的点确定为第一采血穿刺点，得到所述第一采血穿刺点在所述血管轮廓图像上的二维坐标。

7.如权利要求5所述的静脉采血数据处理装置，其特征在于，所述上位机还用于：

所述基于获取到的所述第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据，以最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程，并根据所述轮廓曲线方程计算得到所述第一采血穿刺点的皮肤切线方向，具体为：

获取激光测距传感器在扫描血管皮肤区域形貌高度后获取的所述第一采血穿刺点所处身体部位的多组皮肤高度激光扫描数据；

基于所述多组皮肤高度激光扫描数据，按照二次多项式的最小二乘法拟合出静脉血管所处皮肤的轮廓曲线方程：

f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²，

其中，f(x)为血管处皮肤形貌高度的轮廓曲线方程，x为血管处皮肤上点的坐标，a₀...a₂为多项式系数；

获得所述轮廓曲线方程与实际点残差平方和最小的表达式：

其中，E为残差平方和，要求E为最小，x_i、y_i为血管处皮肤上点的坐标，N为点集总数；

根据所述第一采血穿刺点的坐标求导所述轮廓曲线方程，得到所述第一采血穿刺点的轮廓切线斜率和皮肤角度，其中，k＝f′(x_p)，α＝arctan(k)，k为血管处皮肤轮廓切线斜率，x_p为第一采血穿刺点的坐标，α为第一采血穿刺点附近皮肤的角度。

8.如权利要求5或7所述的静脉采血数据处理装置，其特征在于，所述上位机还用于：

所述获取所述第一采血穿刺点所处静脉血管的皮下血管深度超声波图像，结合所述皮肤切线方向、对所述皮下血管深度超声波图像提取出的血管上下壁轮廓图像，获得采血针的穿刺深度，具体为：

对通过超声波探头采集到的所述第一采血穿刺点所处静脉血管的皮下血管深度超声波图像，提取出上述皮下血管深度超声波图像的血管上壁轮廓线深度h₁、血管下壁轮廓线深度h₂；

选择血管的上壁轮廓线与下壁轮廓线之间的中间位置作为血管腔中心线位置，以供控制系统根据所述血管腔中心线位置控制末端执行装置的运动深度为：

结合所述皮肤切线方向的皮肤切线角度、所述末端执行装置的运动深度，获得采血针的穿刺深度：

其中，h₁为血管上壁轮廓线深度，h₂为血管下壁轮廓线深度，h₃为末端执行装置的运动深度，为皮肤切线方向的皮肤切线角度。

9.一种智能采血机器人，其特征在于，包括：

控制装置、数据采集装置、采血执行装置以及如权利要求6～8任一项所述的静脉采血数据处理装置；

所述数据采集装置，包括红外相机、激光测距传感器、超声波探头，用于将采集到的静脉血管红外图像、多组皮肤高度激光扫描数据、皮下血管深度超声波图像发送至所述静脉采血数据处理装置；

所述静脉采血数据处理装置，用于将所述第一采血穿刺点、所述第一采血穿刺点的皮肤切线方向、所述采血针的穿刺深度发送至所述控制系统；

所述控制装置，用于根据所述第一采血穿刺点、所述第一采血穿刺点的皮肤切线方向、所述采血针的穿刺深度生成控制指令，并将所述控制指令发送至所述采血执行装置；

所以采血执行装置，用于根据所述控制指令驱动静脉采血针。

10.如权利要求9所述的智能采血机器人，其特征在于，所述控制装置还用于：

根据所述第一采血穿刺点控制所述末端执行装置移动，以使所述末端执行装置位于所述第一采血穿刺点对应的静脉血管位置；

根据所述第一采血穿刺点的皮肤切线方向的皮肤切线斜率控制所述多轴运动系统运动，以使所述多轴运动系统带动静脉穿刺装置旋转，使所述静脉穿刺装置与所述第一采血穿刺点所在静脉血管方向保持一致；

根据所述第一采血穿刺点的皮肤切线方向的皮肤切线角度控制减速电机通过多连杆机构带动静脉穿刺装置，以使所述静脉采血针摆动与皮肤成用于实施静脉穿刺动作的预设角度；

根据所述采血针的穿刺深度控制穿刺针的刺入深度。

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