CN114711829A - 人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器及采样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器及采样方法，采样器包括：移动平台；旋转伸缩臂及旋转伸缩驱动装置，设于移动平台上；机器视觉定位装置，设于旋转伸缩臂的前端并连接旋转伸缩驱动装置；咽拭子抓取装置，设于旋转伸缩臂的前末端；消毒装置，设于旋转伸缩臂的前端；条码自动打印装置，设于旋转伸缩臂上；主机控制台，包括轨迹规划控制器。本发明通过机器视觉定位与轨迹规划路径相结合实现人脸、咽部、咽拭子、试管等对象目标的精准定位与样本获取，几乎可以完全解除医护人员的感染风险，充分解放医护人员双手，使其将主要精力放在病人的精准救治上，维护医护人员的身心健康，大大降低医疗资源的消耗。

Description

人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器及采样方法
技术领域
本发明属于人工智能机器人技术领域，具体涉及一种人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器及采样方法。
背景技术
新冠病毒检测方法主要包括核酸检测(荧光定量RTPCR)和抗体检测，其中核酸检测为用以确诊新冠肺炎最主要的检测手段，其通过直接对采集标本中的病毒核酸进行检测，具有特异性强、敏感度相对较高的优点。核酸检测采样主要通过口腔咽拭子采样检测实现。每次疫情爆发时都需要出动大量的医护人员去采集核酸，对于医护人员来说，不仅存在较大的感染风险，外加日夜颠倒不分昼夜的工作强度，给医护人员的身体和心理都带来了极大的压力，与此同时也造成了医疗资源的极大消耗。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器及采样方法，以解决现有技术中的不足。
为了达到上述目的，本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一方面，提供一种人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器，其特征在于，包括：
移动平台；
旋转伸缩臂及旋转伸缩驱动装置，设于所述移动平台上；
机器视觉定位装置，设于所述旋转伸缩臂的前端；
咽拭子抓取装置，设于所述旋转伸缩臂的前末端；
消毒装置，设于所述旋转伸缩臂的前端，向所述咽拭子抓取装置喷洒消毒液；
条码自动打印装置，设于所述旋转伸缩臂上；以及，
主机控制台，包括轨迹规划控制器，设于所述移动平台上，分别电性连接所述旋转伸缩驱动装置、所述机器视觉定位装置、所述咽拭子抓取装置、所述消毒装置和所述条码自动打印装置。
如所述人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器，所述机器视觉定位装置包括第一摄像头和第二摄像头，配合高亮度、大平面光源。
如所述人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器，还包括音频输出装置和人机交互显示装置，所述音频输出装置、所述人机交互显示装置分别电性连接所述主机控制台。
如所述人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器，还包括头部固定装置，所述头部固定装置设于所述移动平台的前侧，所述头部固定装置包括板体，所述板体上设有扫码装置及人脸扫描识别装置，所述板体的顶部设有与人脸下巴外形相适的弧形架，所述板体的底部设有高度伸缩调节杆。
如所述人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器，所述旋转伸缩驱动装置包括旋转驱动装置和伸缩驱动装置，所述旋转驱动装置包括相互连接的旋转球轴和驱动电机，所述伸缩驱动装置为电动伸缩杆或液压伸缩杆。
如所述人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器，所述消毒装置包括消毒液储藏室、水泵、延伸软管、伸缩软管和消毒孔道，消毒液从所述消毒液储藏室通过所述水泵、所述延伸软管和所述伸缩软管导入所述消毒孔道，所述消毒孔道在孔道壁上设置多个朝向所述咽拭子抓取装置的小孔。
如所述人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器，所述咽拭子抓取装置包括伸缩抓环以及伸缩控制装置，所述伸缩控制装置包括电动丝杠，所述电动丝杠分别固定于所述伸缩抓环的相对两侧。
如所述人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器，所述主机控制台采用ROS 嵌入式操作系统。
另一方面，提供一种人工智能口腔咽拭子核酸自动采样方法，基于如上述人工智能口腔咽拭子核酸自动采样设备实现，包括如下步骤：
a、人脸识别和/或二维码扫码进行身份验证，打印采样人信息；
b、机器视觉定位结合轨迹规划路径抓取咽拭子；
c、机器视觉定位结合轨迹规划路径采样咽拭子并将咽拭子放入试管；
d、对抓取部位喷洒消毒液。
如所述人工智能口腔咽拭子核酸自动采样方法，轨迹规划路径包括碰撞检测步骤和路径规划步骤，所述碰撞检测步骤根据旋转伸缩臂当前位姿状态检测旋转伸缩臂的末端与外部目标体之间的最小距离，小于安全阈值即认为发生碰撞，检测算法包括AABB、OOBB；路径规划步骤根据设定的旋转伸缩臂起始位姿和目标位姿在虚实融合的仿真环境中寻找一条无干涉的移动路径，基于采样的随机路图法或人工势场法实现，得到的移动路径是旋转伸缩臂关节空间的角度序列。
本发明技术方案的有益效果是：
通过机器视觉定位与轨迹规划路径相结合实现人脸、咽部、咽拭子、试管等对象目标的精准定位与样本获取，几乎可以完全解除医护人员的感染风险，充分解放医护人员双手，使其将主要精力放在病人的精准救治上，维护医护人员的身心健康，大大降低医疗资源的消耗。
附图说明
为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
图1为本发明较佳实施例整体结构示意图；
图2为本发明较佳实施例咽拭子抓取装置结构示意图；
图3为本发明较佳实施例头部固定装置结构示意图；
图中：1、移动平台；2、条码自动打印装置；3、主机控制台；4、带刹车功能万向轮；5、机械臂一；6、机械臂二；7、旋转球轴；8、电动液压伸缩杆；9、第一摄像头；10、第二摄像头；11、伸缩抓环；12、电动丝杆；13、消毒液储藏室；14、水泵；15、延伸软管；16、伸缩软管；17、消毒孔道；18、储墨装置；19、音频输出装置；20、人机交互显示装置； 21、板体；22、扫码装置；23、人脸扫描识别装置；24、弧形架；25、高度伸缩调节杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
参看图1所示，本发明人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器包括移动平台1、旋转伸缩臂及旋转伸缩驱动装置、机器视觉定位装置、咽拭子抓取装置、消毒装置、条码自动打印装置2和主机控制台3。
移动平台1可以是任何形态的底部设有带刹车功能万向轮4的移动车体，比如板车。
旋转伸缩臂及旋转伸缩驱动装置设于移动平台1上，进一步地，旋转伸缩臂包括依次连接的机械臂一5和机械臂二6。旋转伸缩驱动装置包括旋转驱动装置和伸缩驱动装置，旋转驱动装置包括相互连接的旋转球轴7 和驱动电机，机械臂二5通过旋转球轴7旋转连接于移动平台1上。
伸缩驱动装置为电动伸缩杆或液压伸缩杆，优选为电动液压伸缩杆8。正如本领域技术人员所熟悉的，电动液压伸缩杆8以电信号为驱动信号。
机器视觉定位装置设于旋转伸缩臂的前端，即机械臂一5的前端。较佳实施例中，机器视觉定位装置包括第一摄像头9和第二摄像头10，配合高亮度、大平面光源。机器视觉定位装置主要通过采集视觉图像进行目标对象定位，目标对象包括试管、咽拭子、人脸、咽部等。轨迹规划控制器获取机器视觉定位装置传递来的视觉图像定位信息后给出优选轨迹规划路径。双摄像头的工作原理：预先将双侧扁桃体窝及咽后壁信息预存至服务器、管理终端的存储介质内以及移动平台1的存储介质内，将拍摄逻辑、拍摄方式预存至主机控制台2内，核酸检测核对好被采样人信息后，第一摄像头9根据拍摄逻辑自动巡航扫描指定区域是否存在人脸、咽拭子、试管等，存在人脸后输出指令(把头靠近把嘴张开等)，同时设有第二摄像头10的机械臂开始自动巡航识别咽拭子并自动获取咽拭子，然后第一摄像头9自动巡航指定区域是否存在人脸，找到双侧扁桃体窝及咽后壁信息采样，最后第二摄像头10自动巡航把样本放入试管。
咽拭子抓取装置设于旋转伸缩臂的前末端，即机械臂一5的前末端。较佳实施例中，参看图2所示，咽拭子抓取装置包括伸缩抓环11以及伸缩控制装置，伸缩控制装置包括电动丝杠12，电动丝杠12分别固定于伸缩抓环11的相对两侧。伸缩抓环11用于抓取咽拭子。一个较佳实施例中，伸缩抓环11采用如图示菱形伸缩结构，在两侧电动丝杠12提供推拉力的作用下，实现伸缩抓取。
消毒装置设于旋转伸缩臂的前端，即机械臂一5的前端，用于向咽拭子抓取装置喷洒消毒液。参看图1所示，较佳实施例中，消毒装置包括消毒液储藏室13、水泵14、延伸软管15、伸缩软管16和消毒孔道17，消毒液从消毒液储藏室13通过水泵14、延伸软管15和伸缩软管16导入消毒孔道17，消毒孔道17在孔道壁上设置多个朝向咽拭子抓取装置的小孔，消毒液通过小孔喷洒拓广了消毒范围。
条码自动打印装置2设于旋转伸缩臂上，即机械臂一5上。把咽拭子放进试管后把被采样人信息打印在试管上，与此相应地，在移动车体上设置储墨装置18，墨水用完后可以及时添加；或者试管上面设置热敏纸，如此不需要储存墨水也可以打印标签。
主机控制台3设于移动平台1上，具体包括轨迹规划控制器，旋转伸缩驱动装置、机器视觉定位装置、咽拭子抓取装置、消毒装置和条码自动打印装置分别电性连接主机控制台3。
较佳实施例中，本核酸自动采样器还包括音频输出装置19和人机交互显示装置20，音频输出装置19、人机交互显示装置20分别电性连接主机控制台3。音频输出装置19主要用于语音提示，语音提示场合包括被采样人到达时语音提示对方进行人脸识别和扫码、咽部定位后语音提示张嘴等等。人机交互显示装置20用于双侧扁桃体窝及咽后壁等信息的预先存入、调用、浏览等，还包括主机控制台3等各个部件的工作状态信息查询、程序设定等，优选为液晶触控屏。
进一步地，本核酸自动采样器还包括头部固定装置，头部固定装置设于移动平台1的前侧，参看图3所示，头部固定装置包括板体21，板体21 上设有扫码装置22及人脸扫描识别装置23，板体21的顶部设有与人脸下巴外形相适的弧形架24，采样时被采样人将下巴抵在弧形架24上，板体 21的底部设有高度伸缩调节杆25，根据被采样人不同身高调节板体21的高度。
主机控制台3采用ROS嵌入式操作系统。ROS(Robot Operating System) 除了提供一个操作系统应有的功能特性之外，还包含了诸如硬件抽象层、底层设备控制、常用函数的实现、进程间的通讯、软件包管理等的功能实现。同时还包含了一套专用程序规范、接口标准和进程间通讯的范式，还有一系列用于可视化、程序调试、数据采集、系统诊断等的实用工具，通过统一软件库和软件包的接口定义，兼容并包许多现有的独立开源软件。
具体工作时，包括如下步骤：
a、人脸识别和/或二维码扫码进行身份验证，打印采样人信息；
b、机器视觉定位结合轨迹规划路径抓取咽拭子；
c、机器视觉定位结合轨迹规划路径采样咽拭子并将咽拭子放入试管。与本核酸自动采样器相配合地，外部设置有试管输送流水线装置，流水线上的感应装置在感应到咽拭子被放入试管且试管上具有打印信息后会自动旋转到下一个试管。
d、对抓取部位喷洒消毒液。
其中，轨迹规划路径包括碰撞检测步骤和路径规划步骤，碰撞检测步骤根据旋转伸缩臂当前位姿状态检测旋转伸缩臂的末端与外部目标体之间的最小距离，小于安全阈值即认为发生碰撞，检测算法包括AABB、OOBB等；路径规划步骤根据设定的旋转伸缩臂起始位姿和目标位姿在虚实融合的仿真环境中寻找一条无干涉的移动路径，基于采样的随机路图法或人工势场法实现，得到的移动路径是旋转伸缩臂关节空间的角度序列。
本发明通过机器视觉定位与轨迹规划路径相结合实现人脸、咽部、咽拭子、试管等对象目标的精准定位与样本获取，几乎可以完全解除医护人员的感染风险，充分解放医护人员双手，使其将主要精力放在病人的精准救治上，维护医护人员的身心健康，大大降低医疗资源的消耗。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器，其特征在于，包括：
移动平台；
旋转伸缩臂及旋转伸缩驱动装置，设于所述移动平台上；
机器视觉定位装置，设于所述旋转伸缩臂的前端；
咽拭子抓取装置，设于所述旋转伸缩臂的前末端；
消毒装置，设于所述旋转伸缩臂的前端，向所述咽拭子抓取装置喷洒消毒液；
条码自动打印装置，设于所述旋转伸缩臂上；以及，
主机控制台，包括轨迹规划控制器，设于所述移动平台上，分别电性连接所述旋转伸缩驱动装置、所述机器视觉定位装置、所述咽拭子抓取装置、所述消毒装置和所述条码自动打印装置。
2.如权利要求1所述人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器，其特征在于，所述机器视觉定位装置包括第一摄像头和第二摄像头，配合高亮度、大平面光源。
3.如权利要求2所述人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器，其特征在于，还包括音频输出装置和人机交互显示装置，所述音频输出装置、所述人机交互显示装置分别电性连接所述主机控制台。
4.如权利要求3所述人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器，其特征在于，还包括头部固定装置，所述头部固定装置设于所述移动平台的前侧，所述头部固定装置包括板体，所述板体上设有扫码装置及人脸扫描识别装置，所述板体的顶部设有与人脸下巴外形相适的弧形架，所述板体的底部设有高度伸缩调节杆。
5.如权利要求1所述人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器，其特征在于，所述旋转伸缩驱动装置包括旋转驱动装置和伸缩驱动装置，所述旋转驱动装置包括相互连接的旋转球轴和驱动电机，所述伸缩驱动装置为电动伸缩杆或液压伸缩杆。
6.如权利要求1所述人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器，其特征在于，所述消毒装置包括消毒液储藏室、水泵、延伸软管、伸缩软管和消毒孔道，消毒液从所述消毒液储藏室通过所述水泵、所述延伸软管和所述伸缩软管导入所述消毒孔道，所述消毒孔道在孔道壁上设置多个朝向所述咽拭子抓取装置的小孔。
7.如权利要求1所述人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器，其特征在于，所述咽拭子抓取装置包括伸缩抓环以及伸缩控制装置，所述伸缩控制装置包括电动丝杠，所述电动丝杠分别固定于所述伸缩抓环的相对两侧。
8.如权利要求1所述人工智能口腔咽拭子核酸自动采样器，其特征在于，所述主机控制台采用ROS嵌入式操作系统。
9.一种人工智能口腔咽拭子核酸自动采样方法，其特征在于，基于如权利要求4所述人工智能口腔咽拭子核酸自动采样设备实现，包括如下步骤：
a、人脸识别和/或二维码扫码进行身份验证，打印采样人信息；
b、机器视觉定位结合轨迹规划路径抓取咽拭子；
c、机器视觉定位结合轨迹规划路径采样咽拭子并将咽拭子放入试管；
d、对抓取部位喷洒消毒液。
10.如权利要求9所述人工智能口腔咽拭子核酸自动采样方法，其特征在于，轨迹规划路径包括碰撞检测步骤和路径规划步骤，所述碰撞检测步骤根据旋转伸缩臂当前位姿状态检测旋转伸缩臂的末端与外部目标体之间的最小距离，小于安全阈值即认为发生碰撞，检测算法包括AABB、OOBB；路径规划步骤根据设定的旋转伸缩臂起始位姿和目标位姿在虚实融合的仿真环境中寻找一条无干涉的移动路径，基于采样的随机路图法或人工势场法实现，得到的移动路径是旋转伸缩臂关节空间的角度序列。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114916964A (zh) * 2022-07-14 2022-08-19 河南科技学院 一种咽拭子采样有效性检测方法及自助式咽拭子采样方法
CN114993796A (zh) * 2022-08-01 2022-09-02 易凯医疗建筑设计(深圳)有限公司 基于机械臂的存样方法、装置、电子设备和存储介质

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