CN115444460A - 口鼻咽拭子一体化采样机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了口鼻咽拭子一体化采样机器人，涉及咽拭子采样技术领域，包括机器人壳体，所述机器人壳体内设有转盘，所述转盘的顶部设有伸缩模块，所述伸缩模块上设有用于夹持拭子棉签的夹持模块，所述机器人壳体内围绕所述转盘依次设有拭子排、采样模块、消杀模块、剪切模块、收集模块和废料桶，所述机器人壳体内还设有用于将所述拭子棉签安装于所述夹持模块上的装载单元。本发明采集全程自动化，通过伸缩模块驱动夹持模块转动一圈即可完成一次采集工作，夹持模块在采集时可以保护采集人不会受伤，消杀模块可以在转移拭子棉签时进行消杀，具有结构简单体积小、操作简单和运行安全可靠等优点。
Description
技术领域
本发明涉及咽拭子采样技术领域，尤其是涉及口鼻咽拭子一体化采样机器人。
背景技术
进行口鼻咽拭子采集已成为新冠病毒肺炎检测的主要手段，在采样时医护人员必须近距离的接触患者，从人的口腔或鼻腔中提取检测样品，使得医护人员暴露在被病毒感染的风险之下，医护工作者与被检测者都有被交叉感染的风险，由于机器人技术的快速发展，利用机器人进行口鼻咽拭子的检测也得到了广泛应用。
公开号为CN114886476A的中国发明专利公开了咽拭子自动采集机器人，能够实现核酸样本的自动采集，保证采集样本的有效和安全性，提高采集样本的工作效率，减低医护人员的劳动强度和感染风险，同时成本低、占地面积小，各功能组件模块化，控制简单智能，拆装维修方便，便于运输及生产。
但是以上专利依然存在一些缺陷：1、现有采样机器人的机械结构复杂且体积较大，不方便运输和安装；2、现有采样机器人的自动化程度较低，部分过程还需要人工介入，特别是拭子转移过程无保护，无法实现安全连续采样；3、现有采样机器人采样精度较低，不能精确识别采集部位且容易造成被采集人受伤。
发明内容
本发明的目的在于提供口鼻咽拭子一体化采样机器人，以解决现有采样机器人的机械结构复杂且体积较大，自动化程度较低部分过程还需要人工介入，特别是拭子转移过程无保护，同时采样精度较低不能精确识别采集部位且容易造成被采集人受伤的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供口鼻咽拭子一体化采样机器人，包括机器人壳体，所述机器人壳体内设有转盘，所述转盘的顶部设有伸缩模块，所述伸缩模块上设有用于夹持拭子棉签的夹持模块，所述机器人壳体内围绕所述转盘依次设有用于存放所述拭子棉签的拭子排、用于供所述夹持模块上夹持的拭子棉签伸出的采集窗口、用于对采集完毕的拭子棉签进行消杀的消杀模块、用于对采集完毕的拭子棉签的采样棉签头进行剪断的剪切模块、用于收集采样棉签头的收集模块和用于存放所述拭子棉签的剩余废料的废料桶，所述机器人壳体内还设有用于将所述拭子棉签安装于所述夹持模块上的装载单元，所述采集窗口处设有用于配合所述夹持模块进行采集的采样模块。
优选的，所述采样模块包括窗口框体和头托，所述头托上设有重力感应单元，所述窗口框体上设有语音提示单元。
优选的，所述采样模块还包括咬口器和鼻托，所述窗口框体内侧设有卡槽，所述咬口器和所述鼻托上均设有插接于所述卡槽内的卡块。
优选的，所述消杀模块包括消杀通道，所述消杀通道内设有消毒液喷头、风机和紫外线灯带。
优选的，所述夹持模块包括采集夹爪、弹簧片、微动开关和开关支架，所述微动开关设于所述开关支架上，所述采集夹爪设于所述微动开关上，所述采集夹爪上设有用于夹持所述拭子棉签的夹持槽，所述弹簧片设于所述采集夹爪上，所述弹簧片在自身弹力作用下延伸至所述夹持槽内。
优选的，所述夹持模块还包括直线轴承、轴承架和法兰，所述轴承架设于所述法兰上，所述直线轴承设于所述轴承架上，所述开关支架设于所述直线轴承上。
优选的，所述夹持模块还包括图像采集单元、力传感器、第一舵机和底部支架，所述底部支架设于所述伸缩模块上所述第一舵机设于所述底部支架上，所述法兰设于所述第一舵机输出端，所述力传感器设于所述法兰上。
优选的，所述机器人壳体内设有微型电机，所述转盘设于所述微型电机输出端。
优选的，所述收集模块包括旋盖爪、旋转电机和样本排，所述样本排内设有拭子管，所述旋盖爪、所述旋转电机和所述样本排均设于所述机器人壳体内侧。
优选的，所述剪切模块包括第二舵机、剪切连杆和裁剪刀片，所述第二舵机设于所述机器人壳体内侧，所述剪切连杆设于所述第二舵机的舵盘位置，所述裁剪刀片设于所述剪切连杆末端。
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
其一，本发明的口鼻咽拭子一体化采样机器人，采集全程自动化，通过伸缩模块驱动夹持模块在拭子排、采样模块、消杀模块和收集模块之间转动一圈即可完成一次采集工作，夹持模块在采集时可以保护采集人不会受伤，消杀模块可以在转移拭子棉签时进行消杀，具有结构简单体积小、集成度高、操作简单、运行安全可靠、安装方便和维护成本低等优点。
其二，本发明的口鼻咽拭子一体化采样机器人，全流程无需医生操作干预，在采样时将下巴放在头托上，在采集过程中，若下巴未压紧头托，语音提示单元会给出语音提示待采样人员摆正姿态保持头部稳定，以便于对待采样人员快速且准确的采集。
其三，本发明的口鼻咽拭子一体化采样机器人，在进行口拭子采集时将咬口器固定到窗口框体上，在进行鼻拭子采集时，仅需要将咬口器替换为鼻托即可，安装过程简单方便快捷，真正实现了口鼻咽拭子一体化。
其四，本发明的口鼻咽拭子一体化采样机器人，采样人员进行采样时，通过第一舵机可以驱动拭子棉签进行旋转运动，增大对咽后壁的采样面积，同时通过力传感器可以实时反馈拭子棉签的末端受力，避免采集力度过大或过小，保证采集过程的安全性及有效性。
其五，本发明的口鼻咽拭子一体化采样机器人，采样完毕的拭子棉签会在消杀通道内部转移，消杀通道内部通过风机形成负压环境，来防止采样后的拭子棉签在消杀通道内部转移时病毒向外部扩散，同时待拭子棉签在消杀通道内部转移后，通过消毒液喷头向消杀通道内部喷洒雾化消毒液和紫外线灯带对消杀通道常亮消杀，确保消杀通道内部的生物安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图中：
图1为本发明口鼻咽拭子一体化采样机器人的结构示意图；
图2为本发明口鼻咽拭子一体化采样机器人的采样流程示意图；
图3为本发明咬口器与窗口框体的连接结构示意图；
图4为本发明鼻托与窗口框体的连接结构示意图；
图5为本发明夹持模块的立体结构示意图；
图6为本发明收集模块和剪切模块的连接结构示意图。
图中：
100、机器人壳体；200、拭子排；300、采样模块；400、消杀模块；500、夹持模块；600、转盘；700、收集模块；800、剪切模块；
301、窗口框体；302、头托；303、卡块；304、咬口器；305、鼻托；
501、拭子棉签；502、采集夹爪；503、弹簧片；504、微动开关；505、开关支架；506、直线轴承；507、轴承架；508、力传感器；509、法兰；510、第一舵机；511、底部支架；
601、伸缩模块；
701、旋盖爪；702、拭子管；703、旋转电机；
801、第二舵机；802、剪切连杆；803、裁剪刀片。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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。
请参阅图1至图6，本发明提供口鼻咽拭子一体化采样机器人，包括机器人壳体100，机器人壳体100内设有转盘600，转盘600的顶部设有伸缩模块601，伸缩模块601上设有用于夹持拭子棉签501的夹持模块500，机器人壳体100内围绕转盘600依次设有用于存放拭子棉签501的拭子排200、用于供夹持模块500上夹持的拭子棉签501伸出的采集窗口、用于对采集完毕的拭子棉签501进行消杀的消杀模块400、用于对采集完毕的拭子棉签501的采样棉签头进行剪断的剪切模块800、用于收集采样棉签头的收集模块700和用于存放拭子棉签501的剩余废料的废料桶，机器人壳体100内还设有用于将拭子棉签501安装于夹持模块500上的装载单元，采集窗口处设有用于配合夹持模块500进行采集的采样模块300。
在采样时，通过采样模块300使待采样人员保持头部稳定，然后通过转盘600驱动伸缩模块601上的夹持模块500转动至拭子排200处，并通过装载单元将拭子棉签501安装在夹持模块500上，随后转盘600再驱动伸缩模块601上的夹持模块500带动拭子棉签501转动至采样模块300处向外延伸对待采样人员进行采样，随后转盘600再驱动伸缩模块601上的夹持模块500带动采样完毕的拭子棉签501向内收缩至原位置，随后转盘600再驱动伸缩模块601上的夹持模块500带动采样完毕的拭子棉签501转动经过消杀模块400消杀后移动至收集模块700处，最后通过剪切模块800将拭子棉签501的采样棉签头剪下收集于收集模块700内，同时将拭子棉签501的剩余废料存放于废料桶内完成采样工作，本发明在采样时自动取出拭子棉签501进行采集，并在采集后自动将拭子棉签501的采样棉签头剪断并收集，具有操作简单、方便和快捷等优点，同时机器人壳体100本身结构简单体积小，便于快速部署在室内和户外，以便于快速进入工作状态。
需要补充的是，由于机器人壳体100本身结构简单体积小，所以耗电量低，机器人壳体100内部可配备电池单元，以便于在无法连接电路的情况下长时间稳定地工作。
如图3和图4所示，采样模块300包括窗口框体301和头托302，头托302上设有重力感应单元，窗口框体301上设有语音提示单元，当待采样人员在采样时，将下巴放在头托302上，在采集过程中，若下巴未压紧头托302，语音提示单元会给出语音提示待采样人员摆正姿态保持头部稳定，以便于对待采样人员快速且准确的采集。
进一步的，采样模块300还包括咬口器304和鼻托305，窗口框体301内侧设有卡槽，咬口器304和鼻托305上均设有插接于卡槽内的卡块303，以便于待采样人员根据所需要进行的咽拭子检测或鼻拭子检测项目，来领取咬口器304或鼻托305并安装到窗口框体301上，对喉咙壁或鼻腔壁对使用者进行口鼻咽拭子样本采集。
如图1所示，消杀模块400包括消杀通道，消杀通道内设有消毒液喷头、风机和紫外线灯带，通过风机使消杀通道内部形成负压环境，来防止采样后的拭子棉签501在消杀通道内部转移时病毒向外部扩散，同时待拭子棉签501在消杀通道内部转移后，通过消毒液喷头向消杀通道内部喷洒雾化消毒液和紫外线灯带对消杀通道常亮消杀，确保消杀通道内部的生物安全性。
如图5所示，夹持模块500包括采集夹爪502、弹簧片503、微动开关504、开关支架505、直线轴承506、轴承架507、法兰509、图像采集单元、力传感器508、第一舵机510和底部支架511，微动开关504设于开关支架505上，采集夹爪502设于微动开关504上，采集夹爪502上设有用于夹持拭子棉签501的夹持槽，弹簧片503设于采集夹爪502上，弹簧片503在自身弹力作用下延伸至夹持槽内，轴承架507设于法兰509上，直线轴承506设于轴承架507上，开关支架505设于直线轴承506上，底部支架511设于伸缩模块601上第一舵机510设于底部支架511上，法兰509设于第一舵机510输出端，力传感器508设于法兰509上。
伸缩模块601驱动夹持模块500转动至拭子排200处时，通过装载单元将拭子棉签501安装在夹持模块500上，当拭子棉签501安装在夹持模块500的夹持槽内后，会挤压弹簧片503使其形变，以便于通过弹簧片503回复形变的作用力固定拭子棉签501，防止固定拭子棉签501在采集过程中脱落，当拭子棉签501在夹持槽内到达限位后，即可触发微动开关504，以保证拭子棉签501安装成功。
伸缩模块601驱动夹持模块500转动至窗口框体301处时，通过图像采集单元对待采样人员进行图像采集，依靠智能人脸识别算法，对采集到的视频图像进行识别，为准确识别拭子棉签501采集的喉咙壁或鼻腔壁位置，本发明设计了基于空间模板的定位算法，其通过对人脸关键点检测，提取二维图像中68个人脸关键点坐标与对应的世界坐标系关键点三维坐标进行匹配，通过PnP算法与图像采集单元给定的内参数解算出相机的外部参数，再通过解算出的[R|T]获得嘴部或鼻部外轮廓在相机坐标系下的三维坐标值，以便于形成针对喉咙壁或鼻腔壁的包络，并完成对喉咙壁或鼻腔壁的定位，同时根据解算出的头部位姿信息及时给出调整建议。
伸缩模块601驱动夹持模块500带动拭子棉签501向外延伸对待采样人员进行采样时，通过第一舵机510可以驱动拭子棉签501进行旋转运动，增大对咽后壁的采样面积，同时通过力传感器508可以实时反馈拭子棉签501的末端受力，避免采集力度过大或过小，保证采集过程的安全性及有效性。
进一步的，机器人壳体100内设有微型电机，转盘600设于微型电机输出端，通过微型电机驱动转盘600和伸缩模块601转动，通过伸缩模块601驱动夹持模块500向外延伸或向内收缩至原位置。
如图6所示，收集模块700包括旋盖爪701、旋转电机703和样本排，样本排内设有拭子管702，旋盖爪701、旋转电机703和样本排均设于机器人壳体100内侧，采样后的拭子棉签501运动到收集模块700处时，旋盖爪701将样本排内的拭子管702取出安装在旋转电机703上，再旋转拔下拭子管702的管盖，然后旋转电机703旋转，调整拭子管702的角度，使拭子棉签501进入拭子管702的内部，结合图6，剪切模块800包括第二舵机801、剪切连杆802和裁剪刀片803，第二舵机801设于机器人壳体100内侧，剪切连杆802设于第二舵机801的舵盘位置，裁剪刀片803设于剪切连杆802末端，此时第二舵机801通过剪切连杆802带动裁剪刀片803将拭子棉签501剪断，使得拭子棉签501的采样棉签头落入拭子管702内部，最后通过旋转电机703反向旋转，使拭子管702保持竖直之后，再通过旋盖爪701将拭子管702的管盖安装回位，同时将拭子棉签501剩余的部分收集于废料桶内，完成采集工作。
如图2所示，采集流程：
步骤1：采样人员根据所需要进行的咽拭子检测或鼻拭子检测项目，领取咬口器304或鼻托305并安装到窗口框体301上，然后将下巴放在头托302上开始采集。
步骤2：伸缩模块601驱动夹持模块500转动至拭子排200处，然后通过装载单元将拭子棉签501安装在夹持模块500上。
步骤3：伸缩模块601驱动夹持模块500转动至窗口框体301处，通过图像采集单元对待采样人员进行图像采集，依靠智能人脸识别算法，对采集到的视频图像进行识别，识别完毕后伸缩模块601驱动夹持模块500带动拭子棉签501向外延伸对待采样人员进行采样，采样完毕后伸缩模块601再驱动夹持模块500带动采样完毕的拭子棉签501向内收缩至原位置。
步骤4：采样完毕的拭子棉签501会在消杀通道内部转移，消杀通道内部通过风机形成负压环境，来防止采样后的拭子棉签501在消杀通道内部转移时病毒向外部扩散，同时待拭子棉签501在消杀通道内部转移后，通过消毒液喷头向消杀通道内部喷洒雾化消毒液和紫外线灯带对消杀通道常亮消杀，确保消杀通道内部的生物安全性。
步骤5：采样后的拭子棉签501运动到收集模块700处时，旋盖爪701将样本排内的拭子管702取出安装在旋转电机703上，再旋转拔下拭子管702的管盖，然后旋转电机703旋转，调整拭子管702的角度，使拭子棉签501进入拭子管702的内部，此时第二舵机801通过剪切连杆802带动裁剪刀片803将拭子棉签501剪断，使得拭子棉签501的采样棉签头落入拭子管702内部，最后通过旋转电机703反向旋转，使拭子管702保持竖直之后，再通过旋盖爪701将拭子管702的管盖安装回位。
步骤6：采集完成后将拭子棉签501剩余的部分收集于废料桶内，完成采集工作，最后将咬口器304和鼻托305放入垃圾桶，手部消毒，离开采集区。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.口鼻咽拭子一体化采样机器人，包括机器人壳体(100)，其特征在于：所述机器人壳体(100)内设有转盘(600)，所述转盘(600)的顶部设有伸缩模块(601)，所述伸缩模块(601)上设有用于夹持拭子棉签(501)的夹持模块(500)，所述机器人壳体(100)内围绕所述转盘(600)依次设有用于存放所述拭子棉签(501)的拭子排(200)、用于供所述夹持模块(500)上夹持的拭子棉签(501)伸出的采集窗口、用于对采集完毕的拭子棉签(501)进行消杀的消杀模块(400)、用于对采集完毕的拭子棉签(501)的采样棉签头进行剪断的剪切模块(800)、用于收集采样棉签头的收集模块(700)和用于存放所述拭子棉签(501)的剩余废料的废料桶，所述机器人壳体(100)内还设有用于将所述拭子棉签(501)安装于所述夹持模块(500)上的装载单元，所述采集窗口处设有用于配合所述夹持模块(500)进行采集的采样模块(300)。
2.根据权利要求1所述的口鼻咽拭子一体化采样机器人，其特征在于：所述采样模块(300)包括窗口框体(301)和头托(302)，所述头托(302)上设有重力感应单元，所述窗口框体(301)上设有语音提示单元。
3.根据权利要求2所述的口鼻咽拭子一体化采样机器人，其特征在于：所述采样模块(300)还包括咬口器(304)和鼻托(305)，所述窗口框体(301)内侧设有卡槽，所述咬口器(304)和所述鼻托(305)上均设有插接于所述卡槽内的卡块(303)。
4.根据权利要求1所述的口鼻咽拭子一体化采样机器人，其特征在于：所述消杀模块(400)包括消杀通道，所述消杀通道内设有消毒液喷头、风机和紫外线灯带。
5.根据权利要求1所述的口鼻咽拭子一体化采样机器人，其特征在于：所述夹持模块(500)包括采集夹爪(502)、弹簧片(503)、微动开关(504)和开关支架(505)，所述微动开关(504)设于所述开关支架(505)上，所述采集夹爪(502)设于所述微动开关(504)上，所述采集夹爪(502)上设有用于夹持所述拭子棉签(501)的夹持槽，所述弹簧片(503)设于所述采集夹爪(502)上，所述弹簧片(503)在自身弹力作用下延伸至所述夹持槽内。
6.根据权利要求5所述的口鼻咽拭子一体化采样机器人，其特征在于：所述夹持模块(500)还包括直线轴承(506)、轴承架(507)和法兰(509)，所述轴承架(507)设于所述法兰(509)上，所述直线轴承(506)设于所述轴承架(507)上，所述开关支架(505)设于所述直线轴承(506)上。
7.根据权利要求6所述的口鼻咽拭子一体化采样机器人，其特征在于：所述夹持模块(500)还包括图像采集单元、力传感器(508)、第一舵机(510)和底部支架(511)，所述底部支架(511)设于所述伸缩模块(601)上所述第一舵机(510)设于所述底部支架(511)上，所述法兰(509)设于所述第一舵机(510)输出端，所述力传感器(508)设于所述法兰(509)上。
8.根据权利要求1所述的口鼻咽拭子一体化采样机器人，其特征在于：所述机器人壳体(100)内设有微型电机，所述转盘(600)设于所述微型电机输出端。
9.根据权利要求1所述的口鼻咽拭子一体化采样机器人，其特征在于：所述收集模块(700)包括旋盖爪(701)、旋转电机(703)和样本排，所述样本排内设有拭子管(702)，所述旋盖爪(701)、所述旋转电机(703)和所述样本排均设于所述机器人壳体(100)内侧。
10.根据权利要求1所述的口鼻咽拭子一体化采样机器人，其特征在于：所述剪切模块(800)包括第二舵机(801)、剪切连杆(802)和裁剪刀片(803)，所述第二舵机(801)设于所述机器人壳体(100)内侧，所述剪切连杆(802)设于所述第二舵机(801)的舵盘位置，所述裁剪刀片(803)设于所述剪切连杆(802)末端。
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