CN112604094A - 一种自识别静脉穿刺机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自识别静脉穿刺机器人系统，包括穿刺机器人、引导机器人、血液止流器、调姿握柄、针尖矫正盒、底板、臂托。所述的穿刺机器人由转台机器人和穿刺末端组成并设置于所述底板一侧，所述底板另一侧设置的引导机器人由影像模块和两坐标机器人组成，所述调姿握柄设置于穿刺机器人与引导机器人之间，所述臂托平行设置于调姿握柄后方，所述血液止流器平行设置于臂托后方，所述针尖矫正盒设置于穿刺机器人一侧并固定于底板上。本发明能够自动完成静脉穿刺，相比于人工静脉穿刺具有更佳的准确性、科学性和安全性，并能够保护医护人员免受在给病毒携带者、传染病患者、核药待注射者进行静脉穿刺时所受到的生命健康威胁和伤害。

Description

一种自识别静脉穿刺机器人系统

技术领域

本发明涉及医疗机器人技术领域，特别是涉及一种自识别静脉穿刺机器人系统。

背景技术

静脉穿刺是一种常用的医疗方法，可将血液、药液、营养液等液体物质直接注射到静脉中，起到快速起效的作用。当前，该项工作基本依靠医护人员手动完成，然而在某些困难的条件下静脉穿刺变得异常困难，例如在偏远、资源有限、灾难现场等特殊环境中，医护人员常被要求在混乱的现场执行静脉穿刺任务，这增加了穿刺难度，影响静脉穿刺成功率。另一方面医护人员在给病毒携带者、传染病患者、放射性药物待注射者进行静脉穿刺时，不可避免地会受到辐射伤害或被传染风险，这危害了医护人员的生命健康，所以应用自动化智能装备代替医护人员完成静脉穿刺的需求十分迫切。

据统计首次静脉穿刺的失败率为20％，而在儿科、老年人、慢性病和外伤患者中，直径小于1毫米、过渡弯曲或塌陷的血管很常见，这也增加了静脉穿刺的难度，通常需要两次或更多次的穿刺尝试，引发皮肤、神经、血管损伤等并发症的概率大大增加。同时静脉穿刺是医护人员在一天工作中执行次数较多的工作任务，这项工作的成功率较为依赖于工作经验，工作经验较少相比于工作经验丰富的医护人员首次穿刺成功率更低，会出现针头未刺入静脉、针头未完全刺入静脉以及针头刺穿静脉并从对侧刺出，造成局部皮肤隆起、患者疼痛等问题，同时这项工作也加大了医护人员的工作负担。所以开发一款不依赖于工作经验且能够快速、精准地找到适合刺穿血管位置的静脉穿刺机器人代替医护人员完成静脉穿刺意义重大。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种自识别静脉穿刺机器人系统

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种自识别静脉穿刺机器人系统，其特征在于，包括穿刺机器人、引导机器人、血液止流器、调姿握柄、针尖矫正盒、底板、臂托。所述的穿刺机器人由转台机器人和穿刺末端组成并设置于所述底板一侧，所述底板另一侧设置的引导机器人由影像模块和两坐标机器人组成，所述调姿握柄设置于穿刺机器人与引导机器人之间，所述臂托平行设置于调姿握柄后方，所述血液止流器平行设置于臂托后方，所述针尖矫正盒设置于穿刺机器人一侧并固定于底板上。

所述穿刺机器人包括转台机器人和穿刺末端。所述转台机器人包括升降柱、一臂、二臂、三臂，所述升降柱与一臂、一臂与二臂、二臂与三臂通过盘式电机彼此串联，所述三臂远端固定设置有旋转电机。所述旋转电机活动端与穿刺末端通过螺栓连接固定。所述穿刺末端由固定板、调角板、进针板组成，所述的固定板的一端与调角板的一端通过铰链连接并铰接调角推杆，所述调角板下方设置有进针推杆并通过固定座固定，所述进针推杆活动端顶部通过螺纹连接有拉压传感器，所述拉压传感器另一端与所述进针板通过螺纹连接，所述进针板上表面通过螺栓固定有滑块并与固定器下表面通过螺栓固定的滑轨可滑动地连接，所述的进针板下表面通过螺栓固定有夹针座和固定旋钮，另一端设置有止血棉粘贴座。

所述引导机器人包含影像模块和两坐标机器人，所述的两坐标机器人由水平及垂直方向的两个不同行程的单自由度机器人组合组成，所述单自由度机器人由动力电机、丝杠、导向滑轨、丝母组成。所述水平单自由度机器人一定高度地设置于底板之上，所述水平单自由度机器人下方设置有承重导轨和承重滑块，所述承重滑块与所述水平单自由度丝母下表面通过下转接板连接固定，所述水平单自由度机器人丝母上方设置有上转接板，所述上转接板通过螺栓连接固定垂直单自由度机器人，所述上转接板和垂直单自由度机器人通过加强筋板加固，所述垂直单自由度机器人丝母上固定有影像模块。

所述影像模块包括T型架、红外相机、超声探头、相机架、探头架、塞打螺栓、拉簧。所述探头架包含上架和下架，上架和下架通过螺栓连接固定并中间夹紧超声探头，所述T型架设置有双滑槽，所述双滑槽包含上滑槽和下滑槽，所述塞打螺栓分别穿过上下滑槽与所述下架背侧设置的两个螺纹孔连接固定并可滑动地设置于上下滑槽内，与上滑槽配合的塞打螺栓顶部设置有沟槽，所述拉簧于左右两侧分别拉紧沟槽与T型架，所述相机架通过螺栓与T型架连接置于超声探头两侧，所述红外相机固定于相机架末端。

所述的血液止流器包含支架、气囊、气泵。所述支架内部设置有环形槽，所述气囊设置于环形槽内，所述支架一侧设置有进气孔与排气孔接通气囊与气泵。

所述调姿握柄包含握柄、握力传感器、滑动支撑柱以及调姿推杆。所述握力传感器布置于握柄表面，所述握柄两侧分别与滑动支撑柱铰接，所述调姿推杆分别与滑动支撑柱及底架铰接。

所述针尖矫正盒包括遮光盒、工业相机和条形光源，所述工业相机固定于底板上、所述遮光盒与底板连接固定并盖住工业相机，所述条形光源对称设置于遮光盒内部。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

首先，本发明能够自动完成静脉穿刺，可以对手背及前臂的静脉分布、静脉深度及静脉直径情况进行探测，自动找到适合穿刺的静脉位置，由于不同患者的表皮和皮下组织厚度以及皮肤弹性各不相同，本发明能够针对不同患者的个体情况调整穿刺角度和穿刺速度，并反馈穿刺情况，增加静脉穿刺成功率，最大限度地减少了穿刺失败问题的发生。其次，本发明的机器人系统相互配合，能够实时监测穿刺状态确保针头完全刺入静脉，并能够针对如穿刺过程手臂移动等危险状况进行实时调整以确保安全。最后，本发明相比于人工静脉穿刺具有更佳的准确性、科学性以及安全性，降低了医护人员的工作负担，避免了由于工作经验不足、血管直径过小、过渡弯曲或塌陷等问题所带来的穿刺困难，也从一定程度上保护了从事危险工作医护人员的生命健康。

附图说明

图1所示为自识别静脉穿刺机器人系统整体示意图；

图2所示为穿刺机器人及穿刺末端侧视图；

图3所示为进针板下表面示意图；

图4所示为引导机器人及调姿机构示意图；

图5所示为T型架示意图；

图6所示为血液止流器示意图；

图7所示为针尖矫正盒示意图；

图8所示为探头架示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2、图4、图6所示，本发明的一种自识别静脉穿刺机器人系统，其特征在于，包括穿刺机器人1、引导机器人2、血液止流器3、调姿握柄4、针尖矫正盒5、底板6、臂托7。所述的穿刺机器人由转台机器人11和穿刺末端12组成并设置于所述底板一侧，所述底板另一侧设置的引导机器人由影像模块21和两坐标机器人22组成，所述调姿握柄设置于穿刺机器人与引导机器人之间，所述臂托平行设置于调姿握柄后方，所述血液止流器平行设置于臂托后方，所述针尖矫正盒设置于穿刺机器人一侧并固定于底板上。本发明为在小体积内高度集成的机器人协作系统，患者将前臂伸入所述血液止流器的入口并抓住调姿握柄，在气泵33的作用下完成止血和前臂固定并使静脉充分暴露，随后在引导机器人的探测效果下将手背及前臂的静脉分布、静脉深度及静脉直径情况进行探测，自动找到适合穿刺的静脉位置，穿刺机器人根据此位置信息并在引导机器人的引导下完成静脉穿刺、静脉注射或静脉抽血、拔针及粘贴止血棉等工作。由于该系统血液止流器入口孔径可调、调姿握柄角度和高度可调、穿刺机器人具有高自由度，所以本发明能够完成不同年龄、不同性别、不同体重或臂长患者的静脉穿刺工作，适应性广、兼容性强。同时本发明采用多机器人协作的方法完成静脉穿刺工作，可以做到快速、精准、安全地完成穿刺任务，适合我国医院及临床应用，从而减轻医护人员的工作负担。

进一步地，如图2、图3所示，本发明的穿刺机器人具有更高的自由度，能够在0-90°的范围内以任意角度以及任意进针方向进行穿刺，所述穿刺机器人包括转台机器人和穿刺末端。旋台机器人用以调整穿刺末端空间位姿，穿刺末端用以执行穿刺任务。所述转台机器人11包括升降柱111、一臂112、二臂113、三臂114，所述升降柱与一臂、一臂与二臂、二臂与三臂通过盘式电机115彼此串联，所述三臂远端固定设置有旋转电机116。运用旋台机器人运行速度快、动作简单、定位精准的特点可以快速将穿刺末端定位于确定好的穿刺位置。所述旋转电机活动端与穿刺末端通过螺栓连接固定。所述穿刺末端12由固定板121、调角板122、进针板123组成，所述的固定板的一端与调角板的一端通过铰链连接并铰接调角推杆124，在调角推杆的作用下可针对不同皮下组织厚度调整进针角度完成穿刺。所述调角板下方设置有进针推杆125并通过固定座126固定，所述进针推杆活动端顶部通过螺纹连接有拉压传感器127，所述拉压传感器另一端与所述进针板通过螺纹连接，所述进针板上表面通过螺栓固定有滑块128并与固定器下表面通过螺栓固定的滑轨129可滑动地连接。所述的进针板下表面通过螺栓固定有夹针座1231和固定旋钮1232，另一端设置有止血棉粘贴座1233。首先，将针头卡入夹针座中，旋转固定旋钮将针头固定。其次，在进针推杆的作用下带动针头进行轴向运动以完成穿刺动作，穿刺推杆仅完成穿刺动作，调角推杆及旋台机器人用来完成位姿的调整，穿刺动作相对独立最大限度地减弱了多电机串联所带来的误差，并且设置的拉压传感器能够反馈穿刺过程针头受力情况，避免并及时制止针头未刺入静脉、针头未完全刺入静脉以及针头刺穿静脉并从对侧刺出的情况发生。最后，在穿刺完成并拔针后，旋转电机迅速旋转180°将粘有止血棉1234的止血棉粘贴座1233对准穿刺口，升降柱下降，实行按压将止血棉粘于穿刺口处完成止血。

如图4和图5所示，所述引导机器人可以完成静脉分布、静脉深度及静脉直径情况进行探测，其包含影像模块和两坐标机器人22，所述的两坐标机器人由水平及垂直方向的两个不同行程的单自由度机器人组合组成，所述的两个单自由度机器人由动力电机、丝杠221、导向滑轨222、丝母组成，所述导向滑轨能够加强单自由度机器人抵抗弯曲的能力。所述水平单自由度机器人一定高度地设置于底板之上，所述水平单自由度机器人下方设置有承重导轨223和承重滑块224，所述承重滑块与所述水平单自由度机器人丝母225下表面通过下转接板226连接固定，由于水平单自由度机器人行程较长易发生垂直方向上的弯曲变形，故设置的承重滑轨和承重滑块能够很好地分担重量抵抗变形。所述水平单自由度机器人丝母上方设置有上转接板227，所述上转接板通过螺栓连接固定垂直单自由度机器人，所述上转接板和垂直单自由度机器人通过加强筋板228加固，所述垂直单自由度机器人丝母229上固定有影像模块，所述两坐标机器人能够很好地保证影像模块与前臂之间的运动，以确保对整个前臂静脉各项信息的探测。

进一步地，如图4、图5、图8所示，所述影像模块21包括T型架211、红外相机212、超声探头213、相机架214、探头架215、塞打螺栓216、拉簧217。所述探头架包含上架2151和下架2152，上架和下架通过螺栓连接固定并中间夹紧超声探头，所述T型架设置有双滑槽，所述双滑槽包含上滑槽2191和下滑槽2192，所述塞打螺栓分别穿过上下滑槽与所述下架背侧设置的两个螺纹孔连接固定并可滑动地设置于上下滑槽内，与上滑槽配合的塞打螺栓顶部设置有沟槽，所述拉簧于左右两侧分别拉紧沟槽与T型架。所述相机架通过螺栓与T型架连接置于超声探头两侧，所述红外相机固定于相机架末端。所述影像模块在两坐标机器人的带动下可以对处于设备内部的前臂静脉信息进行探测，红外相机用以对静脉的分布、弯曲程度及位置信息进行探测，超声探头用以对静脉的深度及直径进行探测。在正常状态下塞打螺栓在拉簧的作用下将探头架拉紧于上下滑槽的底部，当使用超声探头对静脉的深度和直径进行探测时，两坐标机器人在红外相机确定的穿刺点上方下移压紧，由于手臂与超声探头表面均为圆弧形状，上滑槽结构为圆弧T型结构，当超声探头压紧手臂或手背时塞打螺栓上移至上下滑槽顶部，拉簧拉伸，在下滑槽的位移限制及上滑槽的圆弧引导作用下，可使超声探头能够左右摇摆保证轴向直线穿过前臂接触点及前臂弧心，从而确保超声探头在扇形区域内的探测。

优选地，本发明设置有血液止流器3可以完成对血液的止流及释放。如图6所示，血液止流器包含支架31、气囊32、气泵33。所述支架内部设置有环形槽311，所述气囊设置于环形槽内卡紧，所述支架一侧设置有进气孔312与排气孔313接通气囊与气泵。通过对气囊的充气和吸气可以对前臂的血液进行止流和释放，配合完成抽血或注射工作。

本发明设置了能够调整手臂姿态的调姿握柄4，如图4所示，所述调姿握柄包含握柄41、握力传感器42、滑动支撑柱43以及调姿推杆44。所述握力传感器布置于握柄表面用以感知手掌是否握紧握柄，避免危险状况发生。所述握柄两侧分别与滑动支撑柱铰接，所述调姿推杆分别与滑动支撑柱及底架铰接，铰接结构可以同时完成高度调节和角度调节，能够针对不同患者调节最佳的高度及最适宜的角度进行静脉穿刺，避免手臂不平及静脉角度不佳等问题出现。

优选地，本发明为了避免针尖不直导致的穿刺失败设置了针尖矫正盒5，如图7所示，所述针尖矫正盒包括遮光盒51、工业相机52和条形光源53，所述工业相机固定于底板上、所述遮光盒与底板连接固定并盖住工业相机，所述条形光源对称设置于遮光盒内部。由于注射针采用软包装等原因导致针尖歪斜现象常见，故本发明在注射工作开始之前，需将针头伸入针尖矫正盒，检验是否歪斜及针尖偏斜角度，确定针尖位置后再完成静脉穿刺，避免针尖误差所带来的扎歪等危险状况出现。

综上所述，本发明的一种自识别静脉穿刺机器人系统能够很好的自动完成静脉穿刺工作，并提供一种多机器人协作的系统化工作方法。具体步骤如下，首先，患者将消毒后的手臂穿过血液止流器气囊并抓紧调姿握柄，握柄上的握力传感器感知到受力后，气泵开始工作以合适的压力使气囊充满空气膨胀以阻断血液，使静脉充分暴露，并在调姿握柄的作用下调整合适的前臂位姿并保持固定。随后，引导机器人的红外相机开始扫描前臂静脉状态信息，找到合适的静脉穿刺点后，在两自由度机器人的带动下将超声探头对准静脉注射点后下移，在探测到静脉穿刺点处的静脉深度及直径信息后向上移动抬起，并保持实时探测。最后，将针头装入夹针座旋转固定旋钮完成固定，穿刺机器人通过调整位姿将进针板伸入针尖矫正盒，获取针尖信息后，调整至静脉穿刺点上方并选择合适的进针角度，并在进针推杆的作用下完成静脉穿刺，穿刺过程受到影像模块的监视，并实时根据影像信息随动调整穿刺机器人位姿避免危险状况发生，静脉穿刺完成后血液止流器的气囊释放压力疏通血液进行注射或抽血任务，在完成工作后引导机器人迅速归位，穿刺机器人完成拔针动作并迅速旋转将止血棉粘着于穿刺点随后归位，工作任务完成。本发明的结构和系统协同穿刺方法能够更快、更精准地完成静脉穿刺工作，特别是在工作任务繁重、放射性药物注射、老年人及慢性病患者的静脉难辨别难穿刺等应用场景中，具有极高的应用价值和优势。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，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修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种自识别静脉穿刺机器人系统，其特征在于，包括穿刺机器人、引导机器人、血液止流器、调姿握柄、针尖矫正盒、底板、臂托。所述的穿刺机器人由转台机器人和穿刺末端组成并设置于所述底板一侧，所述底板另一侧设置的引导机器人由影像模块和两坐标机器人组成，所述调姿握柄设置于穿刺机器人与引导机器人之间，所述臂托平行设置于调姿握柄后方，所述血液止流器平行设置于臂托后方，所述针尖矫正盒设置于穿刺机器人一侧并固定于底板上。

2.如权利要求1所述的自识别静脉穿刺机器人系统，其特征在于，所述穿刺机器人包括转台机器人和穿刺末端。所述转台机器人包括升降柱、一臂、二臂、三臂，所述升降柱与一臂、一臂与二臂、二臂与三臂通过盘式电机彼此串联，所述三臂远端固定设置有旋转电机。所述旋转电机活动端与穿刺末端通过螺栓连接固定。所述穿刺末端由固定板、调角板、进针板组成，所述的固定板的一端与调角板的一端通过铰链连接并铰接调角推杆，所述调角板下方设置有进针推杆并通过固定座固定，所述进针推杆活动端顶部通过螺纹连接有拉压传感器，所述拉压传感器另一端与所述进针板通过螺纹连接，所述进针板上表面通过螺栓固定有滑块并与固定器下表面通过螺栓固定的滑轨可滑动地连接，所述的进针板下表面通过螺栓固定有夹针座和固定旋钮，另一端设置有止血棉粘贴座。

3.如权利要求1所述的自识别静脉穿刺机器人系统，其特征在于，所述引导机器人包含影像模块和两坐标机器人，所述的两坐标机器人由水平及垂直方向的两个不同行程的单自由度机器人组合组成，所述单自由度机器人由动力电机、丝杠、导向滑轨、丝母组成。所述水平单自由度机器人一定高度地设置于底板之上，所述水平单自由度机器人下方设置有承重导轨和承重滑块，所述承重滑块与所述水平单自由度丝母下表面通过下转接板连接固定，所述水平单自由度机器人丝母上方设置有上转接板，所述上转接板通过螺栓连接固定垂直单自由度机器人，所述上转接板和垂直单自由度机器人通过加强筋板加固，所述垂直单自由度机器人丝母上固定有影像模块。

4.如权利要求3所述的影像模块，其特征在于，所述影像模块包括T型架、红外相机、超声探头、相机架、探头架、塞打螺栓、拉簧。所述探头架包含上架和下架，上架和下架通过螺栓连接固定并中间夹紧超声探头，所述T型架设置有双滑槽，所述双滑槽包含上滑槽和下滑槽，所述塞打螺栓分别穿过上下滑槽与所述下架背侧设置的两个螺纹孔连接固定并可滑动地设置于上下滑槽内，与上滑槽配合的塞打螺栓顶部设置有沟槽，所述拉簧于左右两侧分别拉紧沟槽与T型架，所述相机架通过螺栓与T型架连接置于超声探头两侧，所述红外相机固定于相机架末端。

5.如权利要求1所述的自识别静脉穿刺机器人系统，其特征在于，所述的血液止流器包含支架、气囊、气泵。所述支架内部设置有环形槽，所述气囊设置于环形槽内，所述支架一侧设置有进气孔与排气孔接通气囊与气泵。

6.如权利要求1所述的自识别静脉穿刺机器人系统，其特征在于，所述调姿握柄包含握柄、握力传感器、滑动支撑柱以及调姿推杆。所述握力传感器布置于握柄表面，所述握柄两侧分别与滑动支撑柱铰接，所述调姿推杆分别与滑动支撑柱及底架铰接。

7.如权利要求1所述的自识别静脉穿刺机器人系统，其特征在于，所述针尖矫正盒包括遮光盒、工业相机和条形光源，所述工业相机固定于底板上、所述遮光盒与底板连接固定并盖住工业相机，所述条形光源对称设置于遮光盒内部。

Images