CN114869346A - 一种拭子采样装置及机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种拭子采样装置及包括该拭子采样装置的机械手，该拭子采样装置包括夹持装置、定位装置和驱动所述定位装置多自由度运动的驱动装置；所述夹持装置用于夹持所述拭子；所述定位装置包括定位部，所述夹持装置沿所述定位部的轴向滑动设置；所述定位部与所述夹持装置相对的端面上设有压力传感器，所述压力传感器用于测量所述夹持装置的压力；所述夹持装置与所述定位部相对的端面上设有缓冲装置，所述缓冲装置用于缓冲所述夹持装置对所述压力传感器的冲击；所述驱动装置包括用于驱动所述定位部沿第一方向运动的第一驱动机构，所述第一方向为所述定位部的轴向，所述第一驱动机构用于基于所述压力传感器的数据调节第一运动距离。

Description

一种拭子采样装置及机械手

技术领域

本发明涉及采样装置技术领域，尤其涉及一种拭子采样装置及机械手。

背景技术

用拭子采集对应组织，并将采集到的组织用于细菌培养或病毒分离等，是检查某些疾病经常使用的诊断方法，例如慢性咽炎，念珠菌性咽喉炎、白喉、化脓性扁桃体炎和急性咽喉炎等疾病的诊断。目前，拭子采集组织均通过人工操作，采集效率低；并且对部分有传染性的疾病，如新冠，为避免交叉感染，需采样人员穿戴防护装备对受试者进行采样，一方面，咽喉部位是病毒相对集中区域，在受试者张口呼吸的过程中，容易产生大量飞沫或者气溶胶，由于采样人员与受试者近距离接触，仍易引起交叉传染；另一方面，对传染性高的疾病，为减小疫情扩延速度，受试者数量庞大，且检测频次高，使得采样人员需要长时间穿戴防护装备进行采样作业，工作强度过大；再者，采样人员采样水平存在着差异，加上持续工作疲惫，很容易影响采样质量，造成“假阴性”的结果，延误患者治疗。

发明内容

为了解决现有技术中因人工采样拭子导致采样效率低的技术问题，本发明提供了一种拭子采样装置及机械手。

根据本发明的一个方面，提供了一种拭子采样装置，包括夹持装置、定位装置和驱动所述定位装置多自由度运动的驱动装置；

所述夹持装置用于夹持所述拭子；

所述定位装置包括定位部，所述夹持装置沿所述定位部的轴向滑动设置；

所述定位部与所述夹持装置相对的端面上设有压力传感器，所述压力传感器用于测量所述夹持装置的压力；

所述夹持装置与所述定位部相对的端面上设有缓冲装置，所述缓冲装置用于缓冲所述夹持装置对所述压力传感器的冲击；

所述驱动装置包括用于驱动所述定位部沿第一方向运动的第一驱动机构，所述第一方向为所述定位部的轴向，所述第一驱动机构用于基于所述压力传感器的数据调节第一运动距离。

根据本发明的至少一个实施方式，所述驱动装置还包括用于驱动所述第一驱动机构沿第二方向运动的第二驱动机构，所述第二方向与所述第一方向垂直；

所述第一驱动机构的至少部分固定设在所述第二驱动机构上。

根据本发明的至少一个实施方式，所述驱动装置还包括用于驱动所述定位部旋转的第三驱动机构，所述第三驱动机构固定设在所述第一驱动机构上，所述定位部固定设在所述第三驱动机构的输出轴上。

根据本发明的至少一个实施方式，所述第一驱动机构为直线驱动机构，所述直线驱动机构包括齿轮齿条机构，所述齿条固定设在所述第二驱动机构上，所述齿轮座滑动设在所述第二驱动机构的导向座上，所述第三驱动机构与所述齿轮座固定连接。

根据本发明的至少一个实施方式，所述拭子采样装置还包括控制器，所述第一驱动机构和所述压力传感器均与所述控制器通信连接，所述控制器用于根据所述压力传感器的数据与所述第一驱动机构的位置信息比对后调节所述第一运动距离。

根据本发明的至少一个实施方式，所述夹持装置包括夹持部和导向部，所述夹持部夹持所述拭子的端部，所述导向部设在所述夹持部背离所述定位装置的一侧，所述导向部具有供所述拭子穿过的通孔，所述通孔为锥形孔，所述通孔在所述导向部背离所述夹持部的端面上的开口为第一开口，所述通孔在所述导向部靠近所述夹持部的端面上的开口为第二开口，所述第一开口的面积大于所述第二开口的面积。

根据本发明的至少一个实施方式，所述拭子采样装置还包括监控相机，所述监控相机与所述控制器通信连接，所述监控相机用于所述拭子采集过程中采集目标的图像信息，所述控制器用于分析识别目标的采集区域，根据所述图像信息控制所述驱动装置运动，所述监控相机还用于记录样本采集的过程。

根据本发明的至少一个实施方式，所述拭子采样装置还包括设在背离所述夹持装置一侧的手持结构。

根据本发明的至少一个实施方式，所述拭子采集装置还包括防护壳，所述防护壳在所述夹持装置的前端还设置有密封防护装置，所述密封防护装置具有供所述拭子转动和摆动的开口。

本发明的另一目的在于提供一种机器手，包括机械臂和上述的拭子采样装置，所述拭子采样装置还设有快换接头，所述拭子采样装置通过所述快换接头固定在所述机械臂上。

本发明的有益效果是：使用时，夹持装置夹持拭子，驱动装置驱动定位部及夹持装置向受试者移动，拭子接触受试者组织后，定位部继续移动，至压力传感器给出停止移动信号，实现自动采样，采样效率高；其次，第一驱动机构通过压力传感器采集的夹持装置的压力数据调节拭子的运动距离，确保在不伤害受试者的情况下准确采样；并且，第一驱动机构配合缓冲装置，确保拭子以较小的初始力与受试者接触，避免受试者损伤和冲击压力传感器。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本发明的实施方式的机械手的示意图。

图2是根据本发明的实施方式的拭子采样装置的示意图。

图3是根据本发明的实施方式的拭子采样装置的内部结构示意图。

图4是图2所示的拭子采样装置手动采样时的示意图。

附图标记：101-机械臂；102-采集装置；103-咽拭子；201-防护壳；202-监控相机；203-密封防护装置；301-快换接头；302-定位部；303-夹持部；304-导向部；305-缓冲装置；306-压力传感器；307-第三驱动机构；308-第一驱动机构；309-第二驱动机构；310-控制器；401-手持装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

根据本发明的第一实施方式，提供了一种拭子采样装置，包括夹持装置、定位装置和驱动定位装置多自由度运动的驱动装置；夹持装置用于夹持拭子；定位装置包括定位部302，夹持装置沿定位部302的轴向滑动设置；定位部302与夹持装置相对的端面上设有压力传感器306，压力传感器306用于测量夹持装置的压力；夹持装置与定位部302相对的端面上设有缓冲装置305，缓冲装置305用于缓冲夹持装置对压力传感器306的冲击；驱动装置包括用于驱动定位部302沿第一方向运动的第一驱动机构308，第一方向为定位部302的轴向，第一驱动机构308用于基于压力传感器306的数据调节第一运动距离。

夹持装置可通过现有滑动结构滑动设于定位部，例如，可在定位部上安装直线滚动导轨，将夹持装置固定在直线滚动导轨的滑块即可；再例如，可在定位部朝向夹持装置的端面沿轴向开设滑槽，压力传感器固定于滑槽的槽底，夹持装置与滑槽滑动配合。缓冲装置设于压力传感器与夹持装置之间。

夹持装置可为夹爪气缸等现有技术，也可为现有的其他夹持机构，例如弹压块结构，具体地，夹持装置可包括夹持块，夹持块开设夹持槽，夹持槽的相对两侧壁中的至少一个设置弹性块，从而通过弹性块施加夹紧力夹住拭子的杆部。

在本实施方式中，夹持装置包括夹持部303和导向部304，夹持部303夹持拭子的端部，导向部304设在夹持部303背离定位装置的一侧，导向部304具有供拭子穿过的通孔，通孔为锥形孔，通孔在导向部304背离夹持部303的端面上的开口为第一开口，通孔在导向部304靠近夹持部303的端面上的开口为第二开口，第一开口的面积大于第二开口的面积。在一个具体的实施方式中，如图3所示，夹持部303为块状体一，导向部304为块状体二，块状体一与块状体二相连，块状体一可开设与拭子端部适配的孔，孔的侧壁可设置弹片，从而通过弹片的弹性力将拭子端部夹紧；块状体二可开设所述锥形孔，锥形孔的第二开口可略大于或等于块状体一的孔的直径，从而将拭子端部导向至块状体一的孔中。

压力传感器306可固定于定位部302，也可固定于夹持装置，为便于布线方便，可将压力传感器306固定于定位部302。第一驱动机构308驱动夹持装置及被夹持装置夹持的拭子移动中口中时，夹持装置遇到阻力后，向定位部302移动，从而使压力传感器306获取到压力信号，从而作为拭子接触到咽喉部组织的信号。

缓冲装置305可为现有技术中的弹簧、橡胶垫等弹性缓冲部件。在本实施方式中，缓冲装置305为圆柱螺旋压缩弹簧，定位部302朝向夹持装置的端面开设滑槽，压力传感器306固定于滑槽的槽底，夹持装置与滑槽滑动配合，圆柱螺旋压缩弹簧的两端分别抵至压力传感器306和夹持装置。缓冲装置305用于缓冲夹持装置压缩时对压力传感器306的冲击，并能减小拭子与受试者的接触力，避免对人体的损伤。

在一个实施方式中，驱动装置还可包括用于驱动第一驱动机构308沿第二方向运动的第二驱动机构309，第二方向与第一方向垂直；第一驱动机构308的至少部分固定设在第二驱动机构309上。在这里需要解释的是，第一方向是指图2或图3中拭子的轴线方向，为水平方向，第二方向是指垂直轴线方向的水平方向。通过设置第二驱动机构309，配合第一驱动机构308，从而模拟采样人员往复剐蹭的手部动作，提高采样成功率。在此基础上，驱动装置还可包括用于驱动定位部302旋转的第三驱动机构307，第三驱动机构307固定设在第一驱动机构308上，定位部302固定设在第三驱动机构307的输出轴上；通过第三驱动机构307增加拭子的转动自由度，当拭子与受试者接触后，拭子转动增大了拭子与受试者采样位置的接触面积，极大地提高了采样成功率，弥补了采样人员腕部难以转动采样的不足。

第一驱动机构308和第二驱动机构309均可为伺服电动缸或伺服电机丝杠结构，第三驱动机构307可为伺服电机，可将第三驱动机构307的电机座固定在第一驱动机构308的活塞杆上，第三驱动机构307的输出轴与定位部固定连接。

在本实施方式中，第一驱动机构308为直线驱动机构，直线驱动机构包括齿轮齿条机构，齿条固定设在第二驱动机构309上，齿轮座滑动设在第二驱动机构309的导向座上，第三驱动机构307与齿轮座固定连接。显而易见的是，第二驱动机构309也可采用上述直线驱动机构。

在其他实施方式中，第一驱动机构308、第二驱动机构309均可为直线电机、伺服电动缸、电动滑台、滑台气缸等，具体地，可将第一驱动机构308的缸体固定在第二驱动机构309的活塞杆或滑台上；将第三驱动机构307固定在第一驱动机构的活塞杆或滑台上。

在一个实施方式中，拭子采样装置还可包括控制器310，第一驱动机构308和压力传感器306均与控制器310通信连接，控制器310用于根据压力传感器306的数据与第一驱动机构308的位置信息比对后调节第一运动距离。

在一个实施方式中，拭子采样装置还可包括监控相机202，监控相机202与控制器310通信连接，监控相机202用于拭子采集过程中采集目标的图像信息，控制器310用于分析识别目标的采集区域，根据图像信息控制驱动装置运动，监控相机202还用于记录样本采集的过程。通过监控相机202和压力传感器306辨识采集的有效区域和确认样本采集的有效性，弥补采样人员采样客观性评价不足，提高单次采样的成功率；其次，监控相机和压力传感器在采集时能够实时将采集信息上传给后台管理系统进行监控，可有效避免自我检测不规范及作弊行为，大大降低样本采集点的压力。

应用本拭子采样装置采样的具体过程为：

控制器310控制第一驱动机构308驱动第三驱动机构309、定位部302和夹持装置向受试者移动，待夹持装置夹持的拭子与受试者采样部位接触后，定位部302和第三驱动机构309继续移动，压缩缓冲装置305，待夹持装置与压力传感器306接触后，压力传感器306开始测试拭子与采样部位接触力的大小，同时将接触力大小数据反馈给控制器310，控制器310将采集到的压力数据与第一驱动机构308的位置信息进行比对，然后通过PID控制对第一驱动机构308进行调节控制，进而通过第一驱动机构308的运动带动拭子的进退，调节拭子与采样部位的压力值，并控制第一驱动机构308停止动作；并且，控制器310可将采集到的压力值、第一驱动机构308位置信息通过485通信或其他通信方式发送至上位机，进行数据读取和存储，实现对第一驱动机构308实时状态的获取；然后，控制器310控制第二驱动机构307和第三驱动机构309动作，在采样部位剐蹭，实现样本的采集。即通过第一驱动机构308提供拭子进给自由度，通过第二驱动机构309提供拭子剐蹭自由度，再通过第三驱动机构307提供拭子旋转自由度，模拟采样人员的手部及腕部完成采样时小范围较为精细的动作，完成采样工作。

在一个实施方式中，拭子采样装置还可包括设在背离夹持装置一侧的手持结构，从而便于采样者操作。手持结构可为把手等现有结构。如图4所示，采样者或受试者可通过手持结构握住拭子采样装置，然后通过手将拭子采集装置移动到口部，启动后，即可完成采样工作。

在一个实施方式中，拭子采集装置102还可包括防护壳201，防护壳201在夹持装置的前端还设置有密封防护装置203，密封防护装置203具有供拭子转动和摆动的开口。具体地，如图3所示，防护壳201的前半部分为管状体，定位部302及夹持装置均设于管状体内，密封防护装置203可为胶盖，胶盖扣在管状体的前端，胶盖对应锥形孔开设有长条孔，供拭子进入锥形孔内。胶盖可由聚氨酯等弹性材料制成。

本发明还提供了一种机器手，包括机械臂101和前述任一项的拭子采样装置，拭子采样装置还设有快换接头301，拭子采样装置通过快换接头301固定在机械臂101上。从而实现自动化采样，有效降低采样人员的工作强度，实现采样人员与受试者之间的物理隔离，降低感染的风险。通过设置快换接头301，在拭子采集装置出现故障时，可快速更换另一拭子采集装置，节约时间，提高采集的效率。快换接头301可采用现有技术，例如ATI公司的快换接头。机械臂101用于模拟采样人员的手臂完成采样时大范围运动，例如拾取拭子、将拭子放入样本试管等动作，拭子采集装置用于模拟采样人员的手部及腕部完成采样时小范围较为精细的动作，例如压舌、蘸取样本等动作，减少了受试者面对机械臂101大范围运动进行采样时的心理恐惧，同时提高了采样时使用的安全性；

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，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至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种拭子采样装置，其特征在于，包括夹持装置、定位装置和驱动所述定位装置多自由度运动的驱动装置；

所述夹持装置用于夹持所述拭子；

所述定位装置包括定位部，所述夹持装置沿所述定位部的轴向滑动设置；

所述定位部与所述夹持装置相对的端面上设有压力传感器，所述压力传感器用于测量所述夹持装置的压力；

所述夹持装置与所述定位部相对的端面上设有缓冲装置，所述缓冲装置用于缓冲所述夹持装置对所述压力传感器的冲击；

所述驱动装置包括用于驱动所述定位部沿第一方向运动的第一驱动机构，所述第一方向为所述定位部的轴向，所述第一驱动机构用于基于所述压力传感器的数据调节第一运动距离。

2.如权利要求1所述的拭子采样装置，其特征在于，所述驱动装置还包括用于驱动所述第一驱动机构沿第二方向运动的第二驱动机构，所述第二方向与所述第一方向垂直；

所述第一驱动机构的至少部分固定设在所述第二驱动机构上。

3.如权利要求2所述的拭子采样装置，其特征在于，所述驱动装置还包括用于驱动所述定位部旋转的第三驱动机构，所述第三驱动机构固定设在所述第一驱动机构上，所述定位部固定设在所述第三驱动机构的输出轴上。

4.如权利要求3所述的拭子采样装置，其特征在于，所述第一驱动机构为直线驱动机构，所述直线驱动机构包括齿轮齿条机构，所述齿条固定设在所述第二驱动机构上，所述齿轮座滑动设在所述第二驱动机构的导向座上，所述第三驱动机构与所述齿轮座固定连接。

5.如权利要求1所述的拭子采样装置，其特征在于，所述拭子采样装置还包括控制器，所述第一驱动机构和所述压力传感器均与所述控制器通信连接，所述控制器用于根据所述压力传感器的数据与所述第一驱动机构的位置信息比对后调节所述第一运动距离。

6.如权利要求1所述的拭子采样装置，其特征在于，所述夹持装置包括夹持部和导向部，所述夹持部夹持所述拭子的端部，所述导向部设在所述夹持部背离所述定位装置的一侧，所述导向部具有供所述拭子穿过的通孔，所述通孔为锥形孔，所述通孔在所述导向部背离所述夹持部的端面上的开口为第一开口，所述通孔在所述导向部靠近所述夹持部的端面上的开口为第二开口，所述第一开口的面积大于所述第二开口的面积。

7.如权利要求5所述的拭子采样装置，其特征在于，所述拭子采样装置还包括监控相机，所述监控相机与所述控制器通信连接，所述监控相机用于所述拭子采集过程中采集目标的图像信息，所述控制器用于分析识别目标的采集区域，根据所述图像信息控制所述驱动装置运动，所述监控相机还用于记录样本采集的过程。

8.如权利要求1所述的拭子采样装置，其特征在于，所述拭子采样装置还包括设在背离所述夹持装置一侧的手持结构。

9.如权利要求1所述的拭子采样装置，其特征在于，所述拭子采集装置还包括防护壳，所述防护壳在所述夹持装置的前端还设置有密封防护装置，所述密封防护装置具有供所述拭子转动和摆动的开口。

10.一种机器手，其特征在于，包括机械臂和权利要求1至9任一项所述的拭子采样装置，所述拭子采样装置还设有快换接头，所述拭子采样装置通过所述快换接头固定在所述机械臂上。

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