一种用于医疗检测实验室的复合机器人系统

技术领域

本申请涉及一种用于医疗检测实验室的复合机器人系统，属于生物医疗设备技术领域。

背景技术

目前在生物医疗检测领域，主要检测手段多为人工进行，部分采用集成化大型设备，针对前者，人工进行检测效率低，重复性工作强度大，设备利用率低。对于采用集成化大型设备，整体设备占地较大，设备改造费用高。

基于上述现状，有必要避免现有检测设备的浪费及避免使用大型整体集成化设备带来的采购成本高昂，应当在考虑实验室改造麻烦的基础上更好地提高检测效率，同时实现当前检测设备的最大化利用。

发明内容

本申请要解决的技术问题是检测实验室当前检测实验的重复工艺、效率低、人工劳动强度大、全自动集成设备成本高昂和实验室改造困难等问题，本申请的目的是实现现有产品的有效利用及减少人工成本及负担。

为了解决上述技术问题，本申请的技术方案是提供了.一种用于医疗检测实验室的复合机器人系统，其特征在于，包括外壳框架、移动机构、机械臂、末端执行机构、控制单元、定位导航单元及安全检测单元；

所述外壳框架用于安装移动机构、机械臂、控制单元、定位导航单元及安全检测单元；

所述移动机构设于外壳框架下方，用于将整个机器人系统移动到指定作业位置；通过移动机构使机器人系统能够自由的全向移动和转向，同时能够适应一定的地面环境，并进行有效的简单越障；

所述机械臂设于外壳框架上，所述末端执行机构设于所述机械臂末端，根据控制单元输入的指令，所述机械臂带动末端执行机构完成相应的视觉标定、物料取放及芯片吸合动作，进行整体分子诊断实验的系统作业工艺；

所述控制单元进行机器人系统的运动控制、机械臂的末端执行控制和安全监控处理，运动控制负责机器人系统的运动路径规划；末端执行控制负责系统作业工艺的实现，进行物料的定位及取放；安全监控处理负责接收外部设备信息及当前系统设备状态并根据信息进行处理，控制机器人系统进行相关指定动作；

所述定位导航单元包括二维码视觉传感器、IMU传感器和视觉相机，所述二维码视觉传感器和IMU传感器用于获取机器人系统在当前环境中的位姿信息，进行导航及定位纠偏；所述视觉相机用于机械臂末端的二次标定与纠偏定位；

所述安全检测单元用于检测当前机器人系统的安全状态，检测车身前方是否存在障碍物及车身是否产生碰撞，并根据检测结果下发执行相关的减速或停止操作。

优选的，所述外壳框架包括罩壳、设于罩壳内的支撑架和设于支撑架底部的钣金；所述移动机构设于钣金下方，所述钣金覆盖所述移动机构；所述支撑架顶部连接用于安装机械臂的机械臂安装底座；所述支撑架内设有控制整个机器人系统的工控机和控制所述机械臂的节卡机器人控制器，所述罩壳设为ABS塑料外壳对所述支撑架密封。进行防尘防水，及设备散热。同时利用合理的布局分布实现整机系统的小型化应用，具备在狭窄场景下灵活应用的特点。

优选的，所述移动机构包括四组独立的伺服电机、减速机、驱动伺服电机的电机驱动器和麦克纳姆轮，所述伺服电机通过减速机驱动连接对应的麦克纳姆轮，所述移动机构驱动机器人系统进行全向移动和转向。采用四组独立的麦克纳姆轮，能够适应一定的地面环境，并进行有效的简单越障。

优选的，所述机械臂设为协作机械臂。通过其具备一定安全力控、大臂展、小型化及控制灵活等特点，满足人机协同场景下的安全应用需求，同时利用小型化的机械臂控制器避免占用外部较多的空间，并满足场景的需求。

优选的，所述末端执行机构包括视觉相机、电动吸盘和电动夹爪，所述末端执行机构通过三个检测执行装置协同实现不同系统作业工艺的应用。

优选的，所述控制单元远程连接有遥控手柄，所述遥控手柄由使用者进行远程遥控；所述控制单元读取待识别及取放的取料信息，控制单元经过分析处理下发执行指令，控制机械臂移动到特定位置，进行设备定位及物料取放的工艺流程。

优选的，所述安全检测单元包括二维激光传感器、超声波传感器、安全触边、急停开关按钮、灯带及语音播报模块；所述激光传感器检测平面上360°范围内的障碍物；所述安全检测单元根据障碍物距离分别设置减速区及停障区，对于远处的障碍物，由所述二维激光传感器及所述超声波传感器检测判断进入减速区后，由所述控制单元下发指令控制机器人系统执行减速动作；对于较近距离内的障碍物，由所述二维激光传感器及所述超声波传感器检测进入停障区后，由所述控制单元控制机器人系统执行停障动作；所述安全触边用于检测是否与周边障碍物产生碰撞；所述急停开关按钮用于紧急情况下的人工安全确认，由人工拍下，由所述控制单元下发指令控制机器人系统执行紧急停止动作；所述灯带及语音播报模块由所述控制单元控制根据当前系统状态显示不同的颜色及播报不同的语音信息，实现对于周边作业人员的安全警示。

优选的，所述机器人系统处于导航定位作业时，场地布置导航用二维码，机器人系统通过惯性导航移动至二维码位置附近，随后通过二维码视觉传感器扫描地面处的二维码实现系统的姿态纠偏及精定位；视觉相机用于机器人系统移动至指定作业位置后，通过视觉相机扫描设备上方张贴的标定块进行机械臂的二次精确定位与纠偏定位。

所述机器人系统工作步骤为：

根据机器人系统在环境中的二维码定位信息以及二维码导航任务路径，机器人系统移动到需要进行医疗检测作业的位置，在移动过程中机器人安全检测单元检测周边的障碍物并做相应的减速或停障处理；

机器人系统到达医疗检测作业位置后，根据待执行的医疗检测的物料取放任务信息，由控制系统生成机械臂运动指令，机械臂运动带动视觉相机到达医疗检测设备上方的标定位置进行二次定位，完成视觉二次定位后，机械臂开始执行医疗检测作业，直至当前设备医疗检测作业完成后根据控制系统下发指令前往下一个医疗检测设备作业位置。

本实施例提供的用于医疗检测实验室的复合机器人系统，实现医疗检测场景的自动化应用，解决以往医疗检测场景的人工作业效率低下、作业劳动强度大等问题、通过自动化手段降低人工作业需求，提高医疗检测效率。具体而言，同现有医疗检测技术手段相比，具有如下优势：本申请改变了传统医疗检测场景的人工检测方式，提高了医疗检测的自动化率，使得医疗检测过程更加快捷、灵活、可靠、并通过长时续航及安全避障手段提高了系统的作业时长及作业安全性，降低了人工作业的劳动强度，自动化程序得以极大提升。

附图说明

图1为实施例中提供的复合机器人系统整体结构示意图；

图2为实施例中提供的外壳框架结构示意图；

图3为实施例中提供的移动机构示意图；

图4为实施例中提供的末端执行机构示意图；

附图标记：1－末端执行机构；2－安全急停按钮；3－二维激光传感器；4 －安全触边；5－超声波传感器；6－控制面板；7－外壳框架；8－机械臂；20 －电气固定板；21－节卡机器人控制器；22－电池支撑固定板；23－灯带；24 －手动充电口；25－底部左外罩；26－工控机；27－支撑柱；28－机械臂安装底座；30－横梁；31－语音播报模块；32－电机驱动器；33－底盘底板；34－麦克纳姆轮；35－二维码视觉传感器；36－传感器支架；37-IMU传感器；38－减速机；39－伺服电机；40－电动吸盘；41－末端法兰固定机构；42－电动夹爪；43－视觉相机；44－吸嘴；45－吸盘连接支架。

具体实施方式

为使本申请更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例

本实施例提供的是用于医疗检测实验室无人值守作业的复合机器人系统，包括外壳框架7、移动机构、机械臂8、末端执行机构1、控制单元、定位导航单元及安全检测单元，复合机器人系统用以实现医疗检测实验室的自动化检测的任务，帮助现场人员灵活，高效地完成医疗检测工作，从而降低人工的劳动强度，提高了检测的效率，完善传统医疗检测场景以人工检测为主的单一形式。

如图1所示，机械臂8安装在外壳框架7上，末端执行机构1安装在机械臂 8末端、由机械臂8带动末端执行机构1运动；外壳框架7周边安装有二维激光传感器3、安全触边4、超声波传感器5和控制面板6；移动机构位于外壳框架7 下方，控制单元、定位导航单元及安全检测单元由外壳框架7包裹。

结合图1和图2，外壳框架7包括支撑架、套在支撑架外的罩壳、以及位于底部的钣金，移动机构安装在钣金下方，支撑架包括两根支撑柱27、连接两根支撑柱27的电气固定板20、以及安装在两根支撑柱27和电气固定板20顶部的机械臂安装底座28；支撑架内部安装有电池支撑固定板22用于安装电池，钣金的底部左外罩25上安装有灯带23和手动充电口24，节卡机器人控制器21和工控机26安装于支撑柱27上。支撑架用于支撑电气件同时作为所述机械臂的安装板支撑。外壳框架7上载有机器人系统运动的控制器(工控机26)及机械臂单元的控制器(节卡机器人控制器21)，整体通过罩壳(ABS塑料外壳)密封，实现一定的防尘防水及设备散热功能，同时利用合理的布局分布实现整机系统的小型化应用，具备在狭窄场景下灵活应用的特点。

结合图1和图3，移动机构设置在外壳框架7下方的钣金内部，移动机构包含底盘底板33、安装于底盘底板33上方的伺服电机39和减速机38，电机驱动器32固定于横梁30处，电机驱动器32驱动连接伺服电机39，伺服电机39和减速机38驱动连接麦克纳姆轮34。移动机构用于将整个机器人系统移动到指定作业位置，通过移动机构使机器人系统能够自由的全向移动和转向，同时能够适应一定的地面环境，并进行有效的简单越障；具体的，移动机构采用四个单独控制的麦克纳姆轮34，每个麦克纳姆轮34均配备独立的电机和减速机进行驱动，均安装于机器人系统底部的底盘底板33上。

结合图1和图4，末端执行机构1包括电动吸盘40、电动夹爪42和视觉相机43三个检测执行装置，电动吸盘40和电动夹爪42安装在末端法兰固定机构 41的两侧，视觉相机43安装在末端法兰固定机构43的下方，吸盘吸嘴44通过吸盘连接支架45同电动吸盘40相连接。末端执行机构安装于机械臂8末端，机械臂8安装在外壳框架7上方，根据控制单元输入的指令，带动末端执行机构完成相应的视觉标定、物料取放动作，以实现整体分子诊断实验的系统作业工艺；多末端执行器协同实现多种工艺的灵活应用。

结合图2，控制单元包括安装在支撑柱27上的机械臂控制柜21和工控机26，通过控制单元可以实现对小车的运动控制、通讯交互控制等功能操作。工控机 26进行运动控制，负责机器人系统的运动路径规划，通过移动机构执行；工控机26进行末端执行控制，负责末端执行机构1的路径规划，通过机械臂控制柜 21控制机械臂8带动末端执行机构1到指定位置，负责系统工艺的实现，进行物料的定位及取放；工控机26进行安全监控，负责接收外部设备信息及当前系统设备状态并根据信息进行对应处理，控制机器人进行相关指定动作。

定位导航单元包括二维码视觉传感器35、IMU传感器37(惯性传感器)和视觉相机43。二维码视觉传感器35采用在机器人系统底部中央安装的形式，利用二维码视觉传感器35的视觉读码实现对于当前定位用二维码的精确定位与纠偏，IMU传感器37用于实现检测场景的惯性导航和当前机器人系统的姿态及运动里程，IMU传感器37和二维码视觉传感器35均通过传感器支架36固定在底盘底板33上，导航定位作业时，场地布置导航用二维码，机器人系统通过惯性导航移动至二维码位置附近，随后通过二维码视觉传感器35扫描地面处的二维码实现系统设备的姿态纠偏及精定位。视觉相机43用于机器人系统移动至指定作业位置后，通过视觉相机43扫描设备上方张贴的标定块进行机械臂8的二次精确定位与纠偏定位。

安全检测单元，包括安全急停按钮2、二维激光传感器3、安全触边4、超声波传感器5、语音播报模块31和灯带23。通过超声波传感器5和二维激光传感器3实现远近范围内的多层次障碍物距离检测，检测平面上360°范围内的障碍物，安全触边4可检测机器人是否与周边障碍物产生碰撞。安全急停按钮2用于紧急情况下的人工安全确认，由人工拍下，由控制单元下发指令控制机器人系统执行紧急停止动作。语音播报模块31和灯带23由控制单元根据当前系统状态显示不同的颜色及播报不同的语音信息，实现对于周边作业人员的安全警示。安全检测单元由控制单元控制，安全检测单元用于检测当前机器人系统的安全状态，检测车身前方是否存在障碍物及车身是否产生碰撞，控制单元根据检测结果下发相关执行指令，由移动机构执行减速或停止操作。例如，安全检测单元根据障碍物距离分别设置减速区及停障区，对于远处的障碍物，由二维激光传感器3及超声波传感器5检测判断进入减速区后，由控制单元下发指令控制移动机构执行减速动作。对于较近距离内的障碍物，由二维激光传感器3及超声波传感器5检测进入停障区后，由控制单元控制机器人执行停障动作。

在一些可能的实施方式中，机械臂采用协作机械臂，通过其具备一定安全力控、大臂展、小型化及控制灵活等特点，满足人机协同场景下的安全应用需求，同时利用小型化的机械臂控制器避免占用外部较多的空间，并满足场景的需求；

在一些可能的实施方式中，控制单元运动机器人系统的运动控制、机械臂的末端执行控制和安全监控处理，机器人系统的运动控制通过遥控手柄远程遥控，使用者可以根据现场实际情况对机器人系统进行运动遥控控制，包括机器人系统的前进后退，转向等；末端执行控制是将待识别及取放的取料信息给到控制单元，控制单元经过分析处理下发执行指令，并控制机械臂移动到特定位置，实现系统的设备定位及物料取放的工艺流程；安全监控主要用于检测当前的系统状态信息及外部设备输入信息，并通过控制单元输出对应反馈动作或状态。

本实施例提供的用于医疗检测实验室的复合机器人系统，其工作步骤为：首先，根据机器人系统在环境中的二维码定位信息以及二维码导航任务路径，机器人系统移动到需要进行医疗检测作业的位置，在移动过程中机器人安全检测单元检测周边的障碍物并做相应的减速或停障处理；机器人系统到达医疗检测作业位置后，根据待执行的医疗检测的物料取放任务信息，由控制单元生成机械臂运动指令，机械臂运动带动视觉相机到达医疗检测设备上方的标定位置进行二次定位，完成视觉二次定位后，机械臂开始执行医疗检测作业，直至当前设备医疗检测作业完成后根据控制系统下发指令前往下一个医疗检测设备作业位置。

本说明书中仅表达了本发明的具体个例实施方式，其描述较为具体，但以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。