CN112057114A - 一种咽拭子标本取样机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种咽拭子标本取样机器人，包括工控机、控制箱、主手机器人、工作平台、从手蛇形臂和末端执行机构；工作平台包括复合滑块、垂直方向移动导轨、水平方向移动导轨；末端执行机构包括***机、微型光导设备、微型激光瞄准器、微型伸缩杆和咽拭子。本发明能够实现口腔环境下咽拭子标本取样作业，采用遥操作方案，降低了作业过程中操作人员被感染的几率；采用咽拭子开关装置，保护并提高标本的有效性；采用主从控制机构，提高操作的简便性与舒适性；从手机器人采用生物兼容性材料，提高作业过程的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种咽拭子标本取样机器人。
背景技术
新型冠状病毒肺炎作为一种新型传染性疾病，目前正在世界范围内快速传播，给包括我国在内的许多国家造成了重大的社会经济损失。在此情形下，对新型冠状病毒的诊断治疗显得尤为重要，由于当前确诊的主要标准为新型冠状病毒核酸阳性，而核酸检测的标本主要有上/下呼吸道标本、血液/血清标本、肛拭子等，其中以咽拭子取样最为普遍，可操作性强。但取样过程医护人员直面病患口腔，大大增加了被感染的几率；同时由于经验不足出现的非标准操作与害怕被传染形成的心理负担等因素也会造成取样结果的假阴性，降低检测准确性。因此，提出一种高效，准确，安全的咽拭子标本采集新方法是迫切的需求。
随着信息技术的发展，机器人代替人工完成危险工作已经成为一种趋势。传统的机器人机械臂自由度较少、转向死板、操作繁琐，往往无法胜任精密作业的要求；而面向医疗的主从机器人多属于同构刚性机器人，不能兼顾主手操作舒适性与从手专用性的要求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种咽拭子标本采样机器人，取代纯人工操作，可以高效、精准、安全的实现咽拭子标本采集。
实现发明目的的技术解决方案为：一种咽拭子标本取样机器人，包括工控机、控制箱、主手机器人、工作平台、从手蛇形臂和末端执行机构；所述工作平台上设置正交导轨，从手蛇形臂基座置于正交导轨上实现垂直与水平方向移动，所述末端执行机构位于从手蛇形臂末端；所述工控机依据主手机器人末端位置姿态的变化生成控制信号，通过控制箱驱动电机，控制从手蛇形臂末端位置姿态进行随动变化，进而控制末端执行机构实现咽拭子标本采集。
进一步的，所述末端执行机构包括***机、微型光导设备、微型激光瞄准器、咽拭子和微型伸缩杆；***机用于采集图像，微型光导设备用于为***机提供光亮，激光瞄准器用于指示当前从手蛇形臂末端轴向中心点方位；所述微型伸缩杆提供三种距离档位，分别用于三种工作模式，短档为咽拭子待定状态；中档为咽拭子工作状态，进行标本采集；长档为咽拭子装卸状态，用于取样完成后的装卸。
进一步的，所述工控机提供人机交互界面，实时显示***机所摄图像与从手蛇形臂末端位姿变化速率，实现主从手机器人的位姿信息变化交互与控制命令的下达。
进一步的，所述人机交互界面包括激光瞄准器开关、咽拭子距离档位选择、工作平台垂直/水平位移选择和急停开关按钮，分别用于开关激光瞄准器、选择咽拭子距离档位、选择工作平台垂直/水平位移以及机器人急停。
进一步的，所述从手蛇形臂封装材料为生物兼容性材料。
进一步的，所述从手蛇形臂包括驱动模块和关节转向模块，驱动模块内嵌微型无刷直流电机，用于驱动关节转向模块实现上下左右正交方向的运动。
进一步的，所述工作平台上设有垂直导轨和水平导轨，两个导轨之间通过复合滑块固定，从手蛇形臂基座置于水平导轨前端，通过步进电机驱动复合滑块，实现其垂直与水平方向的移动；工作平台底部设有滑轮，通过锁死装置固定滑轮。
进一步的，所述复合滑块包括锁紧装置，用于每次移动后固定位置。
进一步的，所述控制箱包括NI控制器、驱动器、电源模块、通信模块、数字I/O模块与模拟输出模块，用于实现机器人的实时控制与数据处理；所述电源模块提供12V直流电源；NI控制器通过通信模块接收工控机传来的控制信号结合电机反馈的速度信号，通过比例积分微分算法计算转化为模拟电压信号，传给驱动器并控制对应电机运动。
进一步的，所述工控机设有工控机鼠标和工控机键盘，用于控制末端执行机构和工作台，通过主手机器人控制从手蛇形臂末端的运动；
工控机通过拾取主手机器人关节角度变化，经过正向运动学计算得出位姿变化，经主从运动学映射得出从手蛇形臂末端位姿变化并进行逆运动学计算得出从手蛇形臂关节角度变化，将角度变化量传入NI控制器，通过PID算法转化为模拟电压输出至驱动器驱动微型直流电机，实现从手蛇形臂末端的随动变化。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1)本发明采用遥操作，降低了操作人员被感染的几率；2)采用蛇形臂结构，可以实现多个自由度变化，变形能力强；3)采用基于异构机器人的主从控制，主手操作舒适性强，便于培训，上手快；4)由于工作对象是人体，采用生物兼容性材料，提高了标本取样过程的舒适性，并附带超速锁死功能，手蛇形臂末端位姿变化速率过高时，软件***实现急停，保障安全。
附图说明
图1为本发明咽拭子标本取样机器人总体结构示意图。
图2为本发明工作台结构示意图。
图3为本发明末端执行机构结构示意图。
图4为本发明中控制***组成框图。
图5为本发明工控机与主手机器人示意图。
图6为本发明控制方法流程图。
具体实施方式
依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明咽拭子标本取样机器人的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
结合图1，本发明提出一种咽拭子取样机器人，包括工控机1-1、控制箱1-2、主手机器人1-3、工作平台1-4、从手蛇形臂1-5、末端执行机构1-6。末端执行机构1-6位于从手蛇形臂1-5末端，从手蛇形臂1-5通过基座固定于工作平台1-4上，三者均由控制箱1-2进行电气驱动，工控机1-1通过接口接收主手机器人1-3的传输信号并与控制箱1-2进行信息交互，完成数据处理和计算。
结合图2，所述工作平台1-4上设有垂直导轨2-1和水平导轨2-2，两个滑轨之间通过复合滑块2-3固定，从手蛇形臂基座2-4置于水平导轨2-2得前端，通过步进电机驱动复合滑块2-3，实现其垂直与水平方向的移动，通过锁死装置固定滑轮2-5，以防工作台的移动对取样作业的精确性产生影响。
电机驱动传动装置工作方式为：在垂直方向，垂直导轨2-1静止，复合滑块2-3移动；在水平方向，复合滑块2-3静止，水平导轨2-2移动。
所述从手蛇形臂1-5包括驱动模块与关节转向模块，驱动模块内嵌微型无刷直流电机，可以驱动关节转向模块实现上下左右正交方向的运动。所述从手蛇形臂封装材料为生物兼容性材料。
结合图3，所述末端执行机构1-6位于从手蛇形臂1-5末端，包括***机3-1、微型光导设备3-2、微型激光瞄准器3-3、咽拭子3-4、微型伸缩杆3-5。***机3-1用于为操作人员提供视觉反馈；微型光导设备3-2用于为***机3-1提供光亮，使反馈的拍摄图像更为清晰；激光瞄准器3-3用于指示当前从手蛇形臂末端轴向中心点方位；微型伸缩杆3-5提供三种距离档位，分别用于三种工作模式，短档用于咽拭子3-4待定状态，避免蛇形臂移动时咽拭子3-4对非采集部位的误碰；中档用于咽拭子3-4工作状态，进行标本采集；长档用于咽拭子3-4装卸状态，用于取样完成后的装卸。
咽拭子位于微型伸缩杆前端凹槽处，凹槽内壁为弹性结构，通过摩擦固定；咽拭子待定状态时，整***于末端执行机构内部；咽拭子拆卸状态时，棉签部分伸出末端执行机构，操作人员抓取棉签部分将其拔出。
结合图4，所述控制箱1-2包括NI控制器、直流电机/步进电机驱动器、电源模块、通信模块、数字I/O模块与模拟输出模块。用于实现机器人的实时控制与数据处理。电源模块提供12V直流电源；NI控制器通过通信模块接收工控机传来的控制信号结合电机反馈的速度信号，通过比例积分微分(PID)算法计算转化为模拟电压信号，传给驱动器并控制对应电机运动。
结合图5，所述工控机1-1提供人机交互界面5-1，上位机软件基于Windows操作***开发，结合视频传输、网络通讯、计算机控制等技术，实现信息采集、传输、控制、管理和储存。所述人机交互界面5-1反映的信息有：***机画面、从手蛇形臂末端位姿变化速率、激光瞄准器开关、咽拭子距离档位选择、工作台垂直/水平位移选择和急停开关按钮。操作人员可以通过工控机鼠标5-2和工控机键盘5-3发送命令以控制末端执行机构和工作台，通过所述主手机器人1-3控制从手蛇形臂末端的运动。
结合图6，操作人员通过工控机上位机、工控机鼠标5-2、工控机键盘5-3将工作台1-4与从手机器人1-5移动到合适位置，进而操纵主手机器人1-3末端位姿，工控机1-1通过拾取主手机器人1-3关节角度变化，经过正向运动学计算得出位姿变化，经主从运动学映射得出从手蛇形臂1-5末端位姿变化并进行逆运动学计算得出从手蛇形臂1-5关节角度变化，将角度变化量传入NI控制器，通过PID算法转化为模拟电压输出至驱动器驱动微型直流电机，从而实现从手蛇形臂末端的随动变化。工控机1-1通过比较主从机器人的位置误差，进行模糊比例微分计算，提高控制精度。通过人机交互界面5-1上显示的***机反馈的图像，控制从手蛇形臂1-5末端到达合适位置，打开咽拭子，进行取样操作，取样完成后关闭咽拭子，控制从手蛇形臂1-5退到合适位置，将伸缩杆调至拆卸档，由副操作员取出咽拭子封存送检，为下一次取样做准备。
Claims (10)
1.一种咽拭子标本取样机器人，其特征在于，包括工控机、控制箱、主手机器人、工作平台、从手蛇形臂和末端执行机构；所述工作平台上设置正交导轨，从手蛇形臂基座置于正交导轨上实现垂直与水平方向移动，所述末端执行机构位于从手蛇形臂末端；所述工控机依据主手机器人末端位置姿态的变化生成控制信号，通过控制箱驱动电机，控制从手蛇形臂末端位置姿态进行随动变化，进而控制末端执行机构实现咽拭子标本采集。
2.如权利要求1所述的咽拭子标本取样机器人，其特征在于，所述末端执行机构包括***机、微型光导设备、微型激光瞄准器、咽拭子和微型伸缩杆；***机用于采集图像，微型光导设备用于为***机提供光亮，激光瞄准器用于指示当前从手蛇形臂末端轴向中心点方位；所述微型伸缩杆提供三种距离档位，分别用于三种工作模式，短档为咽拭子待定状态；中档为咽拭子工作状态，进行标本采集；长档为咽拭子装卸状态，用于取样完成后的装卸。
3.如权利要求2所述的咽拭子标本取样机器人，其特征在于，所述工控机提供人机交互界面，实时显示***机所摄图像与从手蛇形臂末端位姿变化速率，实现主从手机器人的位姿信息变化交互与控制命令的下达。
4.如权利要求3所述的咽拭子标本取样机器人，其特征在于，所述人机交互界面包括激光瞄准器开关、咽拭子距离档位选择、工作平台垂直/水平位移选择和急停开关按钮。
5.如权利要求1所述的咽拭子标本取样机器人，其特征在于，所述从手蛇形臂封装材料为生物兼容性材料。
6.如权利要求1或5所述的咽拭子标本取样机器人，其特征在于，所述从手蛇形臂包括驱动模块和关节转向模块，驱动模块内嵌微型无刷直流电机，用于驱动关节转向模块实现上下左右正交方向的运动。
7.如权利要求1所述的咽拭子标本取样机器人，其特征在于，所述工作平台上设有垂直导轨和水平导轨，两个导轨之间通过复合滑块固定，从手蛇形臂基座置于水平导轨前端，通过步进电机驱动复合滑块，实现其垂直与水平方向的移动；工作平台底部设有滑轮，通过锁死装置固定。
8.如权利要求7所述的咽拭子标本取样机器人，其特征在于，所述复合滑块包括锁紧装置，用于每次移动后固定位置。
9.如权利要求1所述的咽拭子标本取样机器人，其特征在于，所述控制箱包括NI控制器、驱动器、电源模块、通信模块、数字I/O模块与模拟输出模块，用于实现机器人的实时控制与数据处理；所述电源模块提供12V直流电源；NI控制器通过通信模块接收工控机传来的控制信号结合电机反馈的速度信号，通过比例积分微分算法计算转化为模拟电压信号，传给驱动器并控制对应电机运动。
10.如权利要求9所述的咽拭子标本取样机器人，其特征在于，所述工控机设有工控机鼠标和工控机键盘，用于控制末端执行机构和工作台，通过主手机器人控制从手蛇形臂末端的运动；
工控机通过拾取主手机器人关节角度变化，经过正向运动学计算得出位姿变化，经主从运动学映射得出从手蛇形臂末端位姿变化并进行逆运动学计算得出从手蛇形臂关节角度变化，将角度变化量传入NI控制器，通过PID算法转化为模拟电压输出至驱动器驱动微型直流电机，实现从手蛇形臂末端的随动变化。
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