CN111839539A - 一种采血机器人 - Google Patents

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CN111839539A CN202010507331.XA CN202010507331A CN111839539A CN 111839539 A CN111839539 A CN 111839539A CN 202010507331 A CN202010507331 A CN 202010507331A CN 111839539 A CN111839539 A CN 111839539A
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王绍凯
李想
李昌其
杨胜富
顾海巍
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Harbin Institute Of Technology Robot (zhongshan) Unmanned Equipment And Artificial Intelligence Research Institute
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Abstract

本发明涉及机器人技术领域，公开了一种采血机器人，包括工作台、对称设置在工作台上的支撑柱、采血针、旋转台、第一旋转架、控制系统、与所述控制系统电连接的三轴运动机构、超声探头、工业相机和激光测距仪，所述工作台上位于两个所述支撑柱之间设有手臂放置槽，所述三轴运动结构可移动地连接在两个所述支撑柱上，所述工业相机及所述旋转台均设置在所述三轴运动机构上，所述第一旋转架转动连接在所述旋转台上，所述采血针角度可调节地滑动连接于所述第一旋转架的一端，所述超声探头及所述激光测距仪设置在所述第一旋转架的另一端，所述超声探头的两侧分别设有一个红外相机，两个所述红外相机均与所述控制系统电连接。

Description

一种采血机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种采血机器人。
背景技术
目前，国内的医疗环境大多实现了自动化，但采血仍采用护士人工采血的方式。人工静脉采血的方式采血时，存在工作量大、工序复杂、血管不好找影响采血成功率等问题，不仅给医护人员的工作带来诸多不便，还增加了患者的痛苦。同时，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。这进一步影响了采血效率。另外，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，带来了医护职业安全隐患的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种采血机器人，提高采血成功率，提高采血效率，避免医护人员感染。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种采血机器人，包括工作台、对称设置在工作台上的支撑柱、采血针、旋转台、第一旋转架、控制系统、与所述控制系统电连接的三轴运动机构、超声探头、工业相机和激光测距仪，所述工作台上位于两个所述支撑柱之间设有手臂放置槽，所述三轴运动结构可移动地连接在两个所述支撑柱上，所述工业相机及所述旋转台均设置在所述三轴运动机构上，所述第一旋转架转动连接在所述旋转台上，所述采血针角度可调节地滑动连接于所述第一旋转架的一端，所述超声探头及所述激光测距仪设置在所述第一旋转架的另一端，所述超声探头的两侧分别设有一个红外相机，两个所述红外相机均与所述控制系统电连接。
优选地，所述三轴运动机构包括滑动连接于所述支撑柱上的X轴运动机构、与所述X轴运动机构滑动连接的Y轴运动机构和与所述Y轴运动机构滑动连接的Z轴运动机构，所述旋转台固定连接在所述Z轴运动机构的下方。
优选地，所述第一旋转架连接所述采血针的一端通过减速电机连接有第二旋转架，所述第二旋转架的另一端连接驱动装置，所述驱动装置上连接有滑块，所述滑块连接所述采血针。
优选地，所述采血针包括采血组件和夹持装置；所述采血组件滑动设置在所述夹持装置内；所述采血组件包括穿刺针、持针座和橡胶管，所述穿刺针与橡胶管连通，所述持针座固定在橡胶管的外圆；所述持针座呈矩形。
优选地，所述滑块上设有安装板，所述安装板上设有手指夹爪，所述夹持装置可拆卸地安装在所述手指夹爪上。
优选地，所述超声探头的上端套设有探头固定夹，所述探头固定夹与所述第一旋转架之间连接有XY微调台，所述超声探头的底部设有压力传感器。
优选地，所述探头固定夹包括相对设置的第一夹持件和第二夹持件，所述超声探头设置在所述第一夹持件与所述第二夹持件围合而成的空腔内，所述第一夹持件上设置有第一顶丝孔，所述第二夹持件上设置有第二顶丝孔，所述第一顶丝孔和所述第二顶丝孔内均安装有可调节所述超声探头位置的螺钉。
优选地，所述工业相机的前端设有光源，所述光源的出光口与所述工业相机的镜头同轴设置。
优选地，包括箱体，所述工作台支撑于所述箱体上，所述控制系统设置在所述箱体的内部，所述箱体的底部设有可伸缩调节的支撑脚。
优选地，所述工作台上设有握把和开关盒，所述握把对应所述手臂放置槽设置，所述开关盒与所述控制系统电连接。
本发明实施例一种采血机器人与现有技术相比，其有益效果在于：采用本发明提供的采血机器人进行采血，先将被采血人的手臂放入手臂固定槽内，工业相机对采血针进行拍照并标注采血针针尖的具体位置，控制系统根据针尖的具体位置信息作为扎针结构的初始点，同时三轴运动机构将双目红外相机移动至手臂上方进行拍照并识别最佳采血点，同时控制系统分析计算采血点所在的血管方向角度信息，并控制旋转台转动一定角度使采血针与采血点所在的静脉血管方向基本保持一致，然后激光测距仪扫描多个皮肤穿刺点附近的距离并计算出皮肤切线的角度信息，并将该角度信息数据传送给控制系统调整静脉采血针每次采血时与皮肤表面成一个适当角度，接着三轴运动机构控制超声探头靠近手臂皮肤，超声探头将测量得到的静脉血管中心深度信息传送给控制系统，控制系统，并控制采血针运动至静脉血管中心点实施扎针采血，从而完成自动静脉血管识别、最佳采血点自动识别、扎针姿态自动调整的智能静脉扎针采血动作。不仅提高了采血成功率，也提高了采血效率，避免了医护人员感染。本发明结构简单，使用效果好，易于推广使用。
附图说明
图1为本发明的采血机器人的轴侧图。
图2为本发明的采血机器人的主视图。
图3为本发明的采血机器人的局部视图。
图4为图3的轴测图。
图5为本发明的采血机器人的采血针的结构示意图。
图6为本发明的采血机器人的探针固定夹的结构示意图
其中：1-工作台，2-支撑柱，3-采血针，4-旋转台，5-第一旋转架，6-超声探头，7-工业相机，8-激光测距仪，9-手臂放置槽，10-红外相机，11-X轴机构，12-导轨，13-导向滑块，14-Y轴机构，15-Z轴机构，16-连接板，17-夹持装置，18-穿刺针，19-持针座，20-橡胶管，21-穿刺导管，22-滑槽，23-卡口，24-减速电机，25-第二旋转架，26-驱动装置，27-滑块，28-安装板，29-手指夹爪，30-XY微调台，31-第一夹持件，32-第二夹持件，33-光源，34-箱体，35-支撑脚，36-握把，37-开关盒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，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发明中的具体含义。
如图1-4所示，本发明实施例优选实施例的一种采血机器人，包括工作台1、对称设置在工作台1上的支撑柱2、采血针3、旋转台4、第一旋转架5、控制系统、与所述控制系统电连接的三轴运动机构、超声探头6、工业相机7和激光测距仪8，所述工作台1上位于两个所述支撑柱2之间设有手臂放置槽9，所述三轴运动结构可移动地连接在两个所述支撑柱2上，所述工业相机7及所述旋转台4均设置在所述三轴运动机构上，所述第一旋转架5转动连接在所述旋转台4上，所述采血针3角度可调节地滑动连接于所述第一旋转架5的一端，所述超声探头6及所述激光测距仪8设置在所述第一旋转架5的另一端，所述超声探头6的两侧分别设有一个红外相机10，两个所述红外相机10均与所述控制系统电连接，从而形成双目红外成像。
通过采用本发明提供的采血机器人进行采血，先将被采血人的手臂放入手臂固定槽9内，工业相机7对采血针3进行拍照并标注采血针针尖的具体位置，控制系统根据针尖的具体位置信息作为扎针结构的初始点，同时三轴运动机构将双目红外相机10移动至手臂上方进行拍照并识别最佳采血点，同时控制系统分析计算采血点所在的血管方向角度信息，并控制旋转台4转动一定角度使采血针3与采血点所在的静脉血管方向基本保持一致，然后激光测距仪8扫描多个皮肤穿刺点附近的距离并计算出皮肤切线的角度信息，并将该角度信息数据传送给控制系统调整静脉采血针3每次采血时与皮肤表面成一个适当角度，接着三轴运动机构控制超声探头6靠近手臂皮肤，超声探头6将测量得到的静脉血管中心深度信息传送给控制系统，控制系统控制采血针3运动至静脉血管中心点实施扎针采血，从而完成自动静脉血管识别、最佳采血点自动识别、扎针姿态自动调整的智能静脉扎针采血动作。不仅提高了采血成功率，也提高了采血效率，避免了医护人员感染。本发明结构简单，使用效果好，易于推广使用。
本实施例中，所述三轴运动机构包括滑动连接于所述支撑柱2上的X轴运动机构11、与所述X轴运动机构11滑动连接的Y轴运动机构14和与所述Y轴运动机构14滑动连接的Z轴运动机构15，所述旋转台4固定连接在所述Z轴运动机构15的下方。具体地，所述X轴运动机构11包括设置在任意一个所述支撑柱2上的X轴向主体，所述X轴向主体的内部设有转动连接的X轴向滑块及X轴向丝杆，所述X轴向主体的一端设有用于驱动所述X轴向丝杆转动的X轴向电机，所述Y轴运动机构的一端连接所述X轴向滑块，另一端滑动设置于另一个所述支撑柱上。当需要驱动所述采血针进行X轴方向移动时，所述X轴向电机转动，带动所述X轴向丝杆转动，所述X轴向滑块在所述X轴向丝杆的作用下沿所述X轴向丝杆的轴向移动，从而带动所述Y轴运动机构沿X轴运动，实现所述采血针3的X轴向移动。同时，为提高X轴向的移动精度，即保证所述Y轴运动机构14的移动精度，所述支撑柱2分别记为第一支撑柱和第二支撑柱，所述X轴运动机构11设置在所述第一支撑柱上，所述第二支撑柱上设有导轨12，所述导轨12上滑接有导向滑块13，所述Y轴运动机构连接所述导向滑块13，从而保证了所述Y轴运动机构沿X轴的移动精度。由于Z轴移动机构15及所述采血针3随Y轴运动机构14一起作X轴方向的移动，从而提高了所述采血针3的X轴向移动精度。
本实施例中，所述Y轴运动机构14包括滑动连接所述X轴运动该机构的Y轴向主体，具体地，所述Y轴向主体的一端连接所述X轴向滑块，另一端连接所述导向滑块13，所述Y轴向主体的内部设有转动连接的Y轴向滑块及Y轴向丝杆，所述Y轴向主体的一端设有用于驱动所述Y轴向丝杆转动的Y轴向电机，所述Y轴向滑块上设有用于连接所述Z轴运动机构的连接板16。当需要实现所述采血针3实现Y轴方向的移动时，所述Y轴向电机启动，带动所述Y轴向丝杆驱动所述Y轴向滑块移动，使得所述连接板实现了Y轴方向的移动，由于所述Z轴运动机构15连接所述连接板16，在所述连接板16沿Y轴移动时即实现了所述采血针3在Y轴方向上的移动。
所述Z轴运动机构15包括滑动连接所述Y轴运动机构14的Z轴向主体，所述Z轴向主体的内部设有转动连接的Z轴向滑块及Z轴向丝杆，所述Z轴向主体的上端设有用于驱动所述Z轴向丝杆转动的Z轴向电机，所述Z轴向主体的下端连接所述转动台，所述Z轴向滑块连接所述连接板16。当需要实现所述采血针3进行Z向移动时，所述Z轴向电机启动，带动所述Z轴向丝杆转动，由于所述Z轴向滑块连接所述连接板16，不能实现Z轴方向的移动，所以所述Z轴向主体沿所述Z轴向丝杆移动，所述转台通过转台固定架连接所述Z轴向主体，从而带动所述转动台4移动，实现了所述采血针3的移动。
本实施例中，所述第一旋转架5连接所述采血针3的一端通过减速电机24连接有第二旋转架25，所述减速电机24与所述控制系统电连接，所述第二旋转架25的另一端连接驱动装置26，所述驱动装置26上连接有滑块27，所述滑块27连接所述采血针3。当需要调节所述采血针3的角度时，所述减速电机24启动，带动所述第二旋转架25转动，从而实现了所述采血针3的角度调节。同时，为保证角度调节精度，所述旋转台4的轴线与所述减速电机24输出轴的轴线相交，所述采血针3的底部移动轮廓线经过所述旋转台4的轴线与所述减速电机24输出轴的轴线的交点。为了保证所述双目视觉定位的智能采血机器人的静脉采血过程中的准确性，本发明所设计的所述采血针3旋转轴心在穿刺皮肤点附近，距离最终静脉采血点距离为20±5mm。当需要调整所述采血针3的行程时，启动所述驱动装置26，所述驱动装置26可以采用齿轮齿条机构、链条机构、电动推杆、直线电机或同步带传动等，所述驱动装置26带动所述滑块27移动，从而实现所述采血针3的移动。较佳地，所述滑块27的行程为75±10mm。
请参阅附图5，本实施例中，所述采血针3包括采血组件和夹持装置17；所述采血组件滑动设置在所述夹持装置17内；所述采血组件包括穿刺针18、持针座19和橡胶管20，所述穿刺针18与橡胶管20连通，所述持针座19固定在橡胶管20的外圆；所述持针座19呈矩形。通过对现有采血针基础上进行改进，将倾斜式持针座19改为矩形式，有效提高持针座19与夹持装置17的夹持精度，大幅提高机器人抓取采血针3的定位精度，有效避免静脉采血针撞针和血管破裂，为智能采血机器人实施提供基础保障。同时，为方便安装或更换所述采血针3，所述滑块27上设有安装板28，所述安装板28上设有手指夹爪29，所述手指夹爪29可以采用气动式，电动式，电磁吸合等形式进行开合，且其开合工作行程为4毫米，所述夹持装置17可拆卸地安装在所述手指夹爪上。
所述持针座19的两个侧面均与橡胶管20轴线垂直，且持针座19固定在橡胶管20外圆的最高点，所述持针座19水平面与橡胶管20的轴线平行。机器人抓手定位主要靠持针座19的两个侧面，保证这两个侧面与橡胶管20轴线垂直，即可保证穿刺针18的定位精度。
所述橡胶管20一端与穿刺针18连通，另一端导通连接有穿刺导管21，橡胶管20的轴线与穿刺针18的轴线、穿刺导管21的轴线共线。
所述穿刺针18的针头削尖为斜面，穿刺针18的针头斜面与持针座19水平面呈夹角，穿刺针18的针头斜面与持针座19水平面的夹角为10°～15°，穿刺时，穿刺针18与人体皮肤呈一定夹角，所以穿刺针18的针头斜面与持针座19水平面的夹角更有利于穿刺。
所述穿刺针18上可拆卸套接有保护套，用于防止穿刺针18长时间备用过程中的污染。
所述夹持装置17上开设有滑槽22，所述穿刺针18和橡胶管20滑动设置在滑槽22内；所述夹持装置17上开设有卡口23，该卡口23与所述持针座19适配，该卡口23为开口，当机器人抓取持针座19后，带动持针座19转动，使得持针座19脱离卡口23，然后再推动持针座19，穿刺针18在夹持装置17的滑槽22内滑动，完成采血的动作；该滑槽22和卡口23起到定位的作用，进一步提高采血精度。采血完毕后，机器人手臂带动持针座缩回，即可抽出穿刺针。
请参阅附图6，本实施例中，所述超声探头6的上端套设有探头固定夹，所述探头固定夹与所述第一旋转架5之间连接有XY微调台30，可以对所述超声探头6的位置进行微调，进一步提高精度。所述XY微调台30可以采用螺杆配合滑块及滑座的形式，滑块连接所述探头固定夹，需要调节时转动螺杆推动滑块沿滑座移动即可。同时，所述超声探头6的底部设有压力传感器，所述压力传感器与所述控制系统电连接。所述压力传感器可以判断所述超声探头6与皮肤接触时的压力，并根据相应的值控制所述超声探头6使其与皮肤接触的压力值小于程序所设定的阈值，从而保护使用人员的安全。
另外，所述探头固定夹包括相对设置的第一夹持件31和第二夹持件32，所述超声探头6设置在所述第一夹持件31与所述第二夹持件32围合而成的空腔内，所述第一夹持件31上设置有第一顶丝孔，所述第二夹持件32上设置有第二顶丝孔，所述第一顶丝孔和所述第二顶丝孔内均安装有可调节所述超声探头6位置的螺钉。当需要微调所述超声探头6的角度时，可以调整相应的螺钉，从而可以在智能采血机器人通过所述超声探头6对静脉血管成像时，获取更加清晰准确的血管图像。具体地，所述探头固定夹上开有弧形孔，从而使得所述超声探头6的位置具有±5°的调整范围。
本实施例中，所述工业相机7的前端设有光源33，所述光源33的出光口与所述工业相机7的镜头同轴设置，从而保证了所述工业相机7的拍照亮度，保证了图像的质量。另外，为了减少采血机器人的内部空间，所述的红外相机10可以采用自带点阵式红外光源的红外相机。
本实施例中，所述采血机器人还包括箱体34，所述工作台1支撑于所述箱体34上，所述控制系统设置在所述箱体34的内部，所述箱体34的底部设有可伸缩调节的支撑脚35，便于调节所述工作台1的平衡。
本实施例中，所述工作台1上设有握把36和开关盒37，所述握把36对应所述手臂放置槽9设置，抽血时手臂放置在所述手臂放置槽之后可以用手握住所述握把39，然后利用橡皮带将手臂上端箍紧使静脉血管更加突出，方便抽血。所述开关盒37与所述控制系统电连接，所述开关盒37上设有启停开关，用于控制采血机器人的启停。
本发明通过在所述超声探头的两侧分别设置一个所述红外相机10，从而形成双目红外成像，双目红外相机对静脉血管区域采集左右两幅血管红外图像并发送到红外静脉血管图像处理单元，红外静脉血管图像处理单元对左右两幅红外血管图像进行分析和处理，对血管红外图像进行去畸变校正、去噪、滤波增强图像血管部分后得到清晰明显的血管轮廓图像，根据双目视觉BM或SGM立体匹配算法对左右两幅血管红外图像进行立体匹配，计算得到左右两幅血管图像的视差图，根据视差图，利用相机焦距和左右红外相机距离，同时通过双目相机几何位置关系计算深度值，利用双目视觉深度计算公式，通过遍历图像可生成深度图；最后，根据相机小孔成像模型，已知深度图和相机内参可计算出二维图像各点三维点坐标，从而生成血管区域皮肤的三维形貌高度图像，并能计算出血管位置处皮肤轮廓的切线斜率。本发明利用所述双目红外相机对手臂静脉血管进行成像与拍摄与利用上位机与特定的算法识别拍摄范围内的最粗血管位置并找到最佳采血点。同时上位机软件分析与计算采血点所在的血管方向角度信息，并将数据传送给控制系统，控制系统控制旋转台18转动一定角度使所述静脉采血针与静脉血管方向保持一致。
具体的，根据国标GB 18671-2002直径0.7mm静脉采血针针管长度公差为+1.5mm/-2.0mm，为了保证所述采血机器人的准确性，所述采血机器人实施静脉穿刺时对所述静脉采血针的针尖位置进行标定，本发明利用所述工业相机7对所述静脉采血针的针尖进行机器视觉位置识别与标定，当系统对所述静脉采血针的针尖进行标定时，所述第一旋转台带动静脉穿刺装置转动一个固定角度使得所述采血针3位于所述工业相机7的下方进行拍照，利用控制系统的上位机软件算法记录下针尖的所在位置并设置该位置作为所述静脉穿刺装置运动的起始点，因此本发明采用的针尖坐标标定方法减少了由于针管制造公差而引起的误差。
以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种采血机器人，其特征在于：包括工作台、对称设置在工作台上的支撑柱、采血针、旋转台、第一旋转架、控制系统、与所述控制系统电连接的三轴运动机构、超声探头、工业相机和激光测距仪，所述工作台上位于两个所述支撑柱之间设有手臂放置槽，所述三轴运动结构可移动地连接在两个所述支撑柱上，所述工业相机及所述旋转台均设置在所述三轴运动机构上，所述第一旋转架转动连接在所述旋转台上，所述采血针角度可调节地滑动连接于所述第一旋转架的一端，所述超声探头及所述激光测距仪设置在所述第一旋转架的另一端，所述超声探头的两侧分别设有一个红外相机，两个所述红外相机均与所述控制系统电连接。
2.如权利要求1所述的采血机器人，其特征在于：所述三轴运动机构包括滑动连接于所述支撑柱上的X轴运动机构、与所述X轴运动机构滑动连接的Y轴运动机构和与所述Y轴运动机构滑动连接的Z轴运动机构，所述旋转台固定连接在所述Z轴运动机构的下方。
3.如权利要求1所述的采血机器人，其特征在于：所述第一旋转架连接所述采血针的一端通过减速电机连接有第二旋转架，所述第二旋转架的另一端连接驱动装置，所述驱动装置上连接有滑块，所述滑块连接所述采血针。
4.如权利要求3所述的采血机器人，其特征在于：所述采血针包括采血组件和夹持装置；所述采血组件滑动设置在所述夹持装置内；所述采血组件包括穿刺针、持针座和橡胶管，所述穿刺针与橡胶管连通，所述持针座固定在橡胶管的外圆；所述持针座呈矩形。
5.如权利要求4所述的采血机器人，其特征在于：所述滑块上设有安装板，所述安装板上设有手指夹爪，所述夹持装置可拆卸地安装在所述手指夹爪上。
6.如权利要求1-5任一项所述的采血机器人，其特征在于：所述超声探头的上端套设有探头固定夹，所述探头固定夹与所述第一旋转架之间连接有XY微调台，所述超声探头的底部设有压力传感器。
7.如权利要求6所述的采血机器人，其特征在于：所述探头固定夹包括相对设置的第一夹持件和第二夹持件，所述超声探头设置在所述第一夹持件与所述第二夹持件围合而成的空腔内，所述第一夹持件上设置有第一顶丝孔，所述第二夹持件上设置有第二顶丝孔，所述第一顶丝孔和所述第二顶丝孔内均安装有可调节所述超声探头位置的螺钉。
8.如权利要求1-5任一项所述的采血机器人，其特征在于：所述工业相机的前端设有光源，所述光源的出光口与所述工业相机的镜头同轴设置。
9.如权利要求1-5任一项所述的采血机器人，其特征在于：包括箱体，所述工作台支撑于所述箱体上，所述控制系统设置在所述箱体的内部，所述箱体的底部设有可伸缩调节的支撑脚。
10.如权利要求1-5任一项所述的采血机器人，其特征在于：所述工作台上设有握把和开关盒，所述握把对应所述手臂放置槽设置，所述开关盒与所述控制系统电连接。
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