手术器械智能摆渡机器人及其控制方法与流程

1.本发明涉及智能机器人技术领域，尤其涉及一种手术器械智能摆渡机器人及其控制方法。


背景技术：

2.目前在手术前后，器械护士需将手术器械分类排放，清点器械，术中严格无菌操作，保持手术区和器械的清洁整齐干燥，能准确迅速的传递手术所需器械和物品，传递尖锐器械时注意安全防止误伤，术病人安全离开手术室后，及时准确处理手术间已用过的物品，并且对手术间进行紫外线空气消毒。如果该手术为感染手术，应视感染性质对术中所用物品器械和手术间进行相应的处理，术后器械与器械室人员清点交接，锐利及精细器械物品应单独放置并且单独交班，以免刺伤碰撞损坏。
3.器械护士还要对各个器械熟稔于心，一般小型手术的器械有二三十件，大中型手术所需要的器械达近上百件。器械护士必须对这些器械所摆放的位置非常清楚，医生需要时以快速传递上去。一个好的器械护士就相当于主刀医生得力的“左右手”，医生只需要一伸手，就知道传递什么样的器械。器械护士不仅要有丰富的专业知识和熟练的操作技能，还要有高度的责任心，敏锐的观察能力和良好的沟通能力及亲和力，并且能够及时准确的处理好突发的应急情况。这些对器械护士都是一种考验，尤其是手术时间很长的手术，劳动强度大。
4.在手术操作期间，手术器械会在例如外科医生与器械护士之间传递，手术器械会被手到手地传递。手到手地传递手术器械的缺点包括外科医生和/或手术助手可能受伤，这是因为手术器械通常是锋利的，并且外科医生和手术助手的注意力会集中在接受手术的患者身上，而不是集中在他们自己的个人保护以防受伤害上。锋利的器械不仅会导致医疗专业人员受伤的风险，而且例如在器械在手术过程中被血液污染的情况下还导致传播血液传染疾病的风险。
5.随着计算机和微电子技术以及医学科学的迅猛发展，各种用途的医用机器 人正在医学领域中得到越来越广泛的应用。目前，医疗机器人的研究主要集中 在外科手术机器人、康复机器人、护理机器人和微型机器人等几个方面，但目前用于协助器械护士的机器人较少，新型手术的器械护士辅助机器人，能在一定程度上弥补器械护士数量的不足，代替器械护士传递手术器械的工作，减轻器械护士的工作强度；把器械护士从注意力高度集中的传递手术器械的状态中解放出来，提高手术的成功率和减轻患者的负担；减少器械护士在手术中感染高传染性疾病的风险，更好的辅助医护人员。


技术实现要素：

6.技术目的：本发明提供了一种手术器械智能摆渡机器人及其控制方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有器械护士劳动强度大、存在安全隐患的问题。
7.技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。
8.本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种手术器械智能摆渡机器人，包括机器人、末端执行器、收纳盘、控制器、语音识别模块，机器人的末端关节上设有能够取放手术器械的末端执行器，机器人的行程范围内沿圆周设有收纳盘，收纳盘内设有多个开口向上的收纳格，语音识别模块与控制器连接，控制器分别与末端执行器和机器人连接。
9.下面是对本发明的技术方案之一的进一步优化或/和改进：上述收纳盘可包括至少两个沿圆周方向依次可拆卸的安装在一起的弧形收纳盒，每个弧形收纳盒均成扇环形，每个收纳格均呈上大下小的锥台形。
10.上述机器人可包括第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节、第六关节、大臂和小臂，第一关节上设有第二关节，第二关节与第三关节之间设有大臂，第三关节与第四关节之间设有小臂，第四关节上设有第五关节，第五关节上设有第六关节，第六关节上设有末端执行器，第一关节的圆心与收纳盘的圆心重合，控制器分别与第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节、第六关节连接。
11.上述还可包括继电器，继电器包括线圈和常开开关，末端执行器为电磁铁，第六关节的关节前端设有开口向前的安装孔，安装孔内设有能在其内转动的电磁铁，电磁铁前端位于第六关节前方，常开开关与电磁铁连接，控制器与线圈连接。
12.上述还可包括轴承，电磁铁外侧套装有轴承。
13.上述还可包括定位盒和压力传感器，机器人的行程范围内设有定位盒，定位盒包括盒体和放置板，盒体呈前低后高且开口向上的梯形，盒体前侧板和盒体后侧板之间设有呈左低右高状倾斜的放置板，放置板呈前低后高状倾斜，放置板上设有压力传感器，压力传感器与控制器连接。
14.上述还可包括底板，机器人固定安装在底板上，弧形收纳盒位于底板上侧，对应每个弧形收纳盒位置的底板上均设有定位柱，对应每个定位柱位置的弧形收纳盒上均设有开口向下的定位孔，定位柱位于定位孔内，每两个相邻的弧形收纳盒之间通过燕尾形凸块和燕尾槽可拆卸的安装在一起。
15.上述还可包括摄像头，第六关节外侧设有能够捕捉手部位置的摄像头，摄像头与控制器连接。
16.本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种手术器械智能摆渡机器人的控制方法，根据手术类型，在客户端选择或录入所对应的收纳格的手术器械名称，通过发出语音确定所需器械，语音识别模块分析识别器械名称后传输至控制器，控制器根据器械所在位置，控制机器人末端到达指定收纳格位置，接着控制继电器使电磁铁得电吸取指定器械，医生伸手拿取器械时，摄像头通过立体的视觉感知周围环境，将医生手部位置实时提供给控制器，将三维坐标转换到机器人坐标系下，并传输至控制器，控制器控制机器人使其末端移动至医生手部位置，医生拿取器械后，机械臂收回，待器械使用完成放回定位盒后，压力传感器受到压力后将信号传输至控制器，控制器控制机器人末端到达定位盒，再控制继电器使电磁铁吸取定位盒内的器械，并将其带回其对应的收纳格处，控制器控制继电器使电磁铁失电，器械沿着收纳格壁落入收纳盒内。
17.上述摄像头通过立体的视觉感知周围环境，将医生手部位置实时提供给控制器，具体过程为：医生手部戴有手术手套，根据手术手套跟周围环境有明显的区别，摄像头利用
颜色识别定位手部所在的区域范围，将这个范围作为图像的感兴趣区域（roi）,然后对这个区域进行图像处理，提取轮廓，确定中心位置即医生手部位置，当医生伸出手去接收器械，摄像头19识别出医生手部位置，将医生手部实时的坐标位置传输至控制器，控制器进而控制机器人使其末端移动至医生手部位置。
18.有益效果：本发明结构合理而紧凑，使用方便，其通过设置机器人和语音识别模块，通过语音识别获取所需器械，通过控制器控制机器人取放手术器械，实现手术器械的准确快速传递，可具有安全、省力、简便和高效的特点。
附图说明
19.附图1为本发明最佳实施例的主视结构示意图。
20.附图2为附图1的俯视结构示意图。
21.附图3为附图1的立体结构示意图。
22.附图4为附图1中第六关节和电磁铁的俯视局部剖视结构示意图。
23.附图5为附图1中定位盒的放大立体结构示意图。
24.附图6为附图1中收纳盘的俯视放大结构示意图。
25.附图7为附图6的立体结构示意图。
26.附图8为本发明的电路框图。
27.附图中的编码分别为：1为弧形收纳盒，2为第一关节，3为第二关节，4为第三关节，5为第四关节，6为第五关节，7为第六关节，8为大臂，9为小臂，10为电磁铁，11为轴承，12为盒体，13为放置板，14为压力传感器，15为燕尾形凸块，16为燕尾槽，17为底板，18为收纳格，19为摄像头。
具体实施方式
28.本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
29.在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。
30.下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：实施例1：如附图1、2、3、4、5、6、7、8所示，该手术器械智能摆渡机器人包括机器人、末端执行器、收纳盘、控制器、语音识别模块，机器人的末端关节上设有能够取放手术器械的末端执行器，机器人的行程范围内沿圆周设有收纳盘，收纳盘内设有多个开口向上的收纳格18，语音识别模块与控制器连接，控制器分别与末端执行器和机器人连接。
31.根据需求，控制器、语音识别模块和机器人均采用现有公知技术，例如，控制器型号：stm32f103c8，语音识别模块：asr-m09c，机器人型号：jaka zu7，可编译，兼容性高。
32.根据需求，可将控制器与客户端连接，便于在客户端对应的软件中直观录入手术器械的摆放位置，设置机器人行动轨迹，由于不同的手术所需手术器械不同大小不同，可定制机器人移动轨迹，使用时选择即可。
33.根据实际手术器械大小，设置收纳格18的大小和数量。
34.在使用时，手术器械和收纳盘消毒后，将手术器械放入对应位置的收纳盘内，并将手术器械放置的位置信息保存到控制模块中；手术时，说出器械的名字，语音识别模块将识别的信息传输至控制模块，控制模块判断器械所在位置，进行定位，然后操控机器人移动至器械所在位置的收纳格18处，操作末端执行器拿取器械，末端执行器拿到器械后机器人移动至拿取指定位置（方便医生拿取器械的位置，根据实际需求设定），器械用完后可放在放置指定位置，机器人到放置指定位置拿取器械并放回收纳格18。本发明沿机器人圆周设置的收纳盘，手术器械放置的对应的收纳格18内，可根据手术器械放置的收纳格18角度对手术器械进行定位，这样设置机器人拿取的路径短，能够快速定位和拿取，反应迅速。本发明体积小，能够减少与作业人员的干涉，且灵活度和准确度高，代替器械护士传递手术器械的工作，减轻器械护士的工作强度；把器械护士从注意力高度集中的传递手术器械的状态中解放出来。
35.可根据实际需要，对上述手术器械智能摆渡机器人作进一步优化或/和改进：如附图1、2、3、6、7所示，收纳盘包括至少两个沿圆周方向依次可拆卸的安装在一起的弧形收纳盒1，每个弧形收纳盒1均成扇环形，每个收纳格18均呈上大下小的锥台形。
36.在使用时，通过将收纳盘分为多个弧形可拆卸的收纳盒，可方便拆卸、组装，便于清洗消毒，并且可替换性强。收纳格18呈梯形，当末端执行器到达收纳格18上方放开手术器械时，手术器械则沿着收纳格18侧壁滑落，避免手术器械卡住并且减小碰撞；收纳盘沿圆周设置，可根据不同收纳格的角度进行定位。
37.在实际应用中，医生可以根据手术需要，确定手术中需要使用的所有手术器械，手术器械放置在收纳格18中后并按照顺序摆放在收纳盘上，并将手术器械放置的位置信息，如将收纳格18角度信息保存到控制模块中，手术时，说出器械的名字，语音识别模块将识别的信息传输至控制模块，控制模块根据保存的手术器械位置信息判断中手术器械的位置。
38.如附图1、2、3、4、5、6、7、8所示，机器人包括第一关节2、第二关节3、第三关节4、第四关节5、第五关节6、第六关节7、大臂8和小臂9，第一关节2上设有第二关节3，第二关节3与第三关节4之间设有大臂8，第三关节4与第四关节5之间设有小臂9，第四关节5上设有第五关节6，第五关节6上设有第六关节7，第六关节7上设有末端执行器，第一关节2的圆心与收纳盘的圆心重合，控制器分别与第一关节2、第二关节3、第三关节4、第四关节5、第五关节6、第六关节7连接。
39.在使用时，第一关节2、第五关节6、第六关节7的动作范围为
±
360
°
，第二关节3、第四关节5的动作范围介于-85
°
至265
°
之间，第三关节4的动作范围为
±
175
°
，通过设置6个关节的机器人，末端执行器可旋转至各种角度，具有更大的灵活度。第一关节2与收纳盘重合，可使末端执行器到每个收纳格18的运动轨迹最短，便于机器人快速反应。
40.如附图1、2、3、4、5、6、7、8所示，还包括继电器，继电器包括线圈和常开开关，末端执行器为电磁铁10，第六关节7的关节前端设有开口向前的安装孔，安装孔内设有能在其内转动的电磁铁10，电磁铁10前端位于第六关节7前方，常开开关与电磁铁10连接，控制器与线圈连接。
41.在使用时，控制器控制线圈得电，常开开关闭合，电磁铁10得电，由电磁铁10吸取手术器械，到达拿取指定位置，医生将手术器械拿走，当医生用完手术器械放置在放置指定位置时，机器人通过旋转关节移动大臂8小臂9，使电磁铁10到放置指定位置后，控制器控制
线圈得电，电磁铁10得电吸取手术器械，由于手术器械不规则，在重力作用下具有使电磁铁10旋转的作用力，从而使手术器械重的一端向下，轻的一端向上，放置手术器械时，电磁铁10保持前后向，控制器控制线圈失电，常开开关断开，电磁铁10失电，器械保持竖直状态滑入收纳格18内。
42.如附图1、2、3、4所示，还包括轴承11，电磁铁10外侧套装有轴承11。在使用时，通过设置轴承11使电磁铁10旋转运动更加稳定。
43.如附图1、2、3、5所示，还包括定位盒和压力传感器14，机器人的行程范围内设有定位盒，定位盒包括盒体12和放置板13，盒体12呈前低后高且开口向上的梯形，盒体12前侧板和盒体12之间设有呈左低右高状倾斜的放置板13，放置板13呈前低后高状倾斜，放置板13上设有压力传感器14，压力传感器14与控制器连接。
44.在使用时，在放置指定位置设置定位盒，医生将用过的手术器械放置在定位盒内，机器人在定位盒内吸取器械并放下，便于保护手术器械，同时避免手术器械误伤其他工作人员；通过设置这样定位盒的形状，医生在定位内任意位置放下手术器械后，手术器械都能滑到左下侧，从而方便末端执行器准确获取手术器械的位置和吸取手术器械表面的位置，能够拿的更平稳，并且盒体12前侧板上端高于放置板13前端，因此可在前端挡住，避免器械从盒体12前端滑落；当医生将用完的手术器械放置在定位盒内后，压力传感器14检测到盒内有手术器械，则传输信号至控制器，控制器下达命令，使机器人从定位盒内拿取手术器械放回收纳盒，更加智能便捷。
45.如附图1、2、3、6、7所示，还包括底板17，机器人固定安装在底板17上，弧形收纳盒1位于底板17上侧，对应每个弧形收纳盒1位置的底板17上均设有定位柱，对应每个定位柱位置的弧形收纳盒1上均设有开口向下的定位孔，定位柱位于定位孔内，每两个相邻的弧形收纳盒1之间通过燕尾形凸块15和燕尾槽16可拆卸的安装在一起。
46.在使用时，通过定位柱和定位孔给弧形收纳盒1定位，避免其发生位置移动导致机器人位置失效的问题。机器人不需要整体大范围移动，在其行程范围内即可实现手术器械拿取，减少干涉，且轻便。
47.在使用时，通过采用燕尾形凸块15和燕尾槽16的形式将弧形收纳盒1安装在一起，便于快速拆卸安装，操作简单。
48.如附图1、2、3还包括摄像头19，第六关节外侧设有能够捕捉手部位置的摄像头19，摄像头19与控制器连接。
49.根据需求，摄像头19采用现有公知技术，例如，双目摄像头，型号：intel
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d435，双目摄像头可以提供复杂的实时景深计算，通过立体的视觉感知周围环境，可以将三维信息实时提供给控制器，将三维坐标转换到机械臂坐标系下，控制机械臂进行传递器械。
50.摄像头配合视觉软件使用，通过控制器的界面进行配置，具备目标识别、视觉定位、管理、手眼标定等功能，可以实现视觉项目快速配置和管理。
51.在使用时，因为手术手套跟周围环境有明显的区别，利用颜色识别定位手部所在的区域范围，将这个范围作为图像的感兴趣区域（roi）,然后对这个区域进行图像处理，提取轮廓，确定中心位置，当医生伸出手去接收器械，摄像头19识别出医生手部的位置，将医生手部此时的坐标位置传输至控制器，机器人就移动到医生手部所在位置，从而可将器械送至医生手部位置，更加快速高效。
52.实施例2：一种手术器械智能摆渡机器人的控制方法，根据手术类型，在客户端选择或录入所对应的收纳格的手术器械名称，通过发出语音确定所需器械，语音识别模块分析识别器械名称后传输至控制器，控制器根据器械所在位置，控制机器人末端到达指定收纳格位置，接着控制继电器使电磁铁得电吸取指定器械，医生伸手拿取器械时，摄像头19通过立体的视觉感知周围环境，将医生手部位置实时提供给控制器，将三维坐标转换到机器人坐标系下，并传输至控制器，控制器控制机器人使其末端移动至医生手部位置，医生拿取器械后，机械臂收回，待器械使用完成放回定位盒后，压力传感器14受到压力后将信号传输至控制器，控制器控制机器人末端到达定位盒，再控制继电器使电磁铁吸取定位盒内的器械，并将其带回其对应的收纳格处，控制器控制继电器使电磁铁失电，器械沿着收纳格壁落入收纳盒内。
53.以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。