一种融合触觉感知的自动化注射机构

1.本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种融合触觉感知的自动化注射机构。


背景技术：

2.注射，指的是借助注射器一类的医疗器械将液体或气体注入人体，以达到诊断、治疗、预防疾病的目的。其与吃药不一样。药剂经注射后可迅速到达血液并产生作用。其类型主要包括皮内注射、皮下注射、肌肉注射、静脉注射等。
3.对于不同的病人，护士会选择不同的注射方式，但是注射操作对护士的经验技术有一定的要求。以静脉注射为例，若护士多次未能正确找到血管位置，不仅病人会徒增痛苦，还有可能引发医患矛盾，造成不良影响。因此，注射操作的成功关键在于定位的准确和操作的熟练。此外，在患者数量积多或疫情等特殊情况下，需要护士的连续多次重复操作，不仅对护士的精力和体力有要求，还可能会出现个别的失误。所以，能够自动完成注射操作的医疗器械是目前的需求方向。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供一种融合触觉感知的自动化注射机构，运用触觉传感器和自动注射机构的结合，一方面使用力矩传感器检测针头所受力学数据，一方面使用触觉传感器感知外部形变，实现对注射过程的动态监控，从而可以实时优化针刺策略，提高针刺精度以及注射成功率，降低医生或护士的技术压力和经验要求，同时减少病人的痛苦。
5.本发明的技术方案为：一种融合触觉感知的自动化注射机构，包括触觉传感器和自动注射机构。其特征在于：所述触觉传感器（1）主要由相机（18）、框架（19）、凝胶弹性体（20）、rgb光源（21）组成，通过连接件（22）固定于机构的前端，所述自动化注射机构主要由直线运动机构（2）、旋转运动机构（3）、气动加速机构（4）和注射机构（5）组成，所述直线运动机构（2）控制针头（17）的伸缩运动，旋转运动机构（3）控制针头（17）的旋转运动，气动加速机构（4）控制针头（17）的瞬间加速运动，所述注射机构（5）控制药物的注射操作，所述距离传感器（28）安装在固定板（7）靠近丝杆马达（6）的后端，用来实时测量针头（17）移动的距离。
6.作为优选，所述直线运动机构（2）由丝杆马达（6）、丝杆（8）、铝轴（9）、丝杆滑块（10）组成，其中，所述铝轴（9）对称分布于丝杆（8）的左右下方，通过丝杆滑块（10）两侧空槽，保持滑块移动时的稳定；所述旋转运动机构（3）由减速直流电机（13）、联轴器（15）、力矩传感器（16）、针头（17）组成，通过挂板（14）与气动加速机构（4）连接；所述气动加速机构（4）由气缸（11）、支撑架（12）组成，所述注射机构（5）由软导管（24）、注射器（26）、注射器固定架（27）、电推杆（29）组成。
7.作为优选，所述固定板（7）靠近触觉传感器（1）的前端设有限位块（25），以避免旋转运动机构（3）固定板（7）发生机械干涉。所述支撑架（12）底部开方槽，所述挂板（14）部分
伸入方槽，以此达到气缸（11）运动限位的目的。
8.作为优选，所述凝胶弹性体（20）装于框架（19）内部，所述rgb光源（21）环绕于框架（19）前部，所述相机（18）固定于框架（19）上部，所述rgb光源（21）采用绿、红、蓝三色光源环绕照明，作为优选，所述凝胶弹性体（20）表面标有黑点作位移场，涂有哑光材料作反射层（30），反射层再覆盖一层硅胶保护层（31），且该保护层表面经过无菌处理，为无菌表面。
9.作为优选，所述触觉传感器（1）由相机（18）来拍摄物体与凝胶弹性体（20）表面的接触图像，再采用光度立体法重建接触面三维图像。
10.作为优选，所述丝杆（8）、针头（17）同向分布在机构中心线上，与触觉传感器（1）中的凝胶弹性体（20）的表面成角度，并于凝胶弹性体（20）中心点穿出，且所有孔洞内部均经过无菌处理。
11.作为优选，所述针头（17）通过特殊的转接头固定在力矩传感器（16）前端，并通过软导管（24）与注射器（26）连接，所述注射器（26）通过注射器固定架（27）固定在外壳（23）上，所述电推杆（29）固定在外壳（23）上，推杆端部与注射器（26）的芯杆连接，在通电时推动注射器（26）工作。
12.作为优选，所述连接件（22）与触觉传感器（1）的框架（19）的连接为曲形滑槽连接，可通过手动控制或电动控制调整触觉传感器（1）的旋转倾斜角度，进而改变触觉传感器（1）表面硅胶保护层（31）的夹角，从而调整针头（17）的进针角度，实现不同方向的注射。
13.本发明的有益效果为：（1）利用触觉传感器实时感知皮肤表面的细微形变，从而检测内部血管组织的位移和变化，精准确定血管等注射点位置，避免视觉遮挡对注射准确度的影响，降低注射过程中的针刺位置偏差，提高注射成功率。（2）利用力矩传感器实时监控针头所受的力学数据，将注射过程中的信息进行可视化，从而在遇到特殊情况时及时处理，提高注射安全性。（3）该机构中所使用的医疗针头、医疗注射器等都便于更换和处理，且适用于多种型号的器材，降低使用成本，提高卫生性和普适性。（4）结合机械手臂技术，由计算机控制整个注射过程，包括注射点的确定，注射器的移动以及药品的注射等操作，形成高安全性、高准确度的自动化注射系统，降低操作者的技术要求，降低病人的痛苦。
附图说明
14.图1是本发明所述融合触觉感知的自动化注射机构的结构示意图；图2是本发明一种实施方式的侧视图；图3是本发明只包含触觉传感器的侧面剖视图；图4是本发明安装在机械手臂上的实施例示意图。
15.图1中：1触觉传感器；2直线运动机构；3旋转运动机构；4气动加速机构；5注射机构。
16.图2中：6丝杆马达；7固定板；8丝杆；9铝轴；10丝杆滑块；11气缸；12支撑架；13减速直流电机；14挂板；15联轴器；16力矩传感器；17针头；18相机；19触觉传感器框架；20凝胶弹性体；21 rgb光源；22连接件；23外壳；24软导管；25限位块；26注射器；27注射器固定架；28距离传感器；29电推杆。
17.图3中，30铝粉反射层；31硅胶保护层。
具体实施方式
18.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
19.如图1、图2所示，一种融合触觉感知的的自动化注射机构，包括触觉传感器和自动注射机构。其中，触觉传感器1主要由相机18、框架19、凝胶弹性体20、rgb光源21组成，固定于机构的前端。凝胶弹性体20装于框架19内部，框架19上有供针头通过的孔，rgb光源21环绕于框架19前部，相机18固定于框架19上部。另一部分，注射机构主要由直线运动机构2、旋转运动机构3、气动加速机构4和注射机构5组成。其中，直线运动机构2由丝杆马达6、丝杆8、铝轴9、丝杆滑块10组成，且铝轴9对称分布于丝杆8的左右下方，通过丝杆滑块10两侧空槽，保持滑块移动时的稳定。旋转运动机构3由减速直流电机13、联轴器15、力矩传感器16、针头17组成，通过挂板14与气动加速机构4连接；气动加速机构4由气缸11、支撑架12组成。注射机构5由软导管24、注射器26、注射器固定架27、电推杆29组成，注射器26通过注射器固定架27固定在外壳23上，前端通过软导管24与针头17连接，后端芯杆部分与固定好的电推杆29头端连接。针头17固定在力矩传感器16前端，减速直流电机13通过联轴器15与力矩传感器16连接，固定于挂板14上，挂板则固定在气缸11杆一端，气缸11安装在支撑架12之上，与丝杆滑块10配合，丝杆滑块10安装于丝杆8上并与丝杆马达6装配，固定于外壳23上。
20.如图3所示，触觉传感器1为gelsight触觉传感器，rgb光源21采用绿、红、蓝三色光源，凝胶弹性体20标记黑点作为位移场，涂抹铝粉作为反射层30，铝粉表面再覆盖一层硅胶保护层31。在物体接触触觉传感器1的凝胶后，其表面特征会在rgb光源21的照射下，于铝粉反射层上被相机18拍摄到，之后采用光度立体法重建接触面三维图像，从而感知形变，并通过黑点位移场计算表面所受的力、滑移、硬度等多项信息。
21.自动注射机构部分，丝杆马达6、丝杆8通过控制丝杆滑块10来控制针头的伸缩运动。丝杆传动结构简单、成本低、可自锁、定位精度高，尤其适合该发明应用于医疗注射的用途。丝杆8的左右下方对称分布两根固定的铝轴9，通过丝杆滑块10两侧的空槽保持滑块移动时的稳定性。固定板7后端装有距离传感器28，用于监测注射过程中的实时进针长度。在靠近触觉传感器1的一段，固定板7上设有限位块25，用来避免注射机构的机械干涉问题，提高安全性。减速直流电机13、联轴器14和力矩传感器15则用来控制针头17的旋转运动。力矩传感器15可以实时收集针头17所受的注射力学信息，并通过分析来监控注射进程以及应对突发状况。减速直流电机13通过挂板与气缸11连接，并通过机械限位，使得气缸11工作范围受限，满足刺入皮肤时的针头17加速。同时，针头17与丝杆8同向分布在机构整体的中心线上，垂直于触觉传感器1中的凝胶弹性体20，可通过框架19的小孔，从传感器中心部位穿出。软导管24、注射器26、注射器固定架27和电推杆19组成注射结构，注射器固定架27安装在外壳23的侧面，便于注射器26的更换及尺寸调整，电推杆29与注射器固定架27安装在同一侧面，且电推杆29的推杆一端与注射器26的芯杆尾端接触，在通电后推杆启动，推动芯杆，将药物通过软导管24挤压至针头里面，进而注射到病人体内。
22.具体实施方式：以融合触觉感知的静脉注射操作为例，如图4，其工作原理如下：在病人体表消毒后，确定基本进针点位置，再通过机械臂的控制将本发明移动至进针点附近，触觉传感器1的凝胶弹性体20表面与体表接触，通过相机18拍摄到接触表面的图像并传输至计算机进行分析，进而精确感知皮下血管的位置，当确定进针点位置位于凝胶弹性体20的中心位置时，丝杆马达6通电运转，带动丝杆8旋转，进而控制针头17进行直线运动，伸出
并穿过触觉传感器1，刺入人体。该过程中，减速直流电机13运转，驱动针头17小幅度旋转，提高进针效率。且在针头17刺入人体表面前，气缸11工作，缸杆带动旋转运动机构2整体小距离加速伸出，使得针头17更容易刺入。在注射刺入过程中，力矩传感器16时刻收集并分析针头17在刺入过程中所受的力信息，判断针头17的进针状态。当针头17刺入静脉血管后，电推杆29启动，推动注射器27的芯杆，将药物挤压至软导管24中，进而经过针头17注射至人体体内，完成药物注射。针头刺入前，触觉传感器1通过与注射部位体表皮肤的接触，感知皮肤的实际情况，进而通过连接件22与框架19的曲形滑槽连接，调整触觉传感器1的倾斜角度，进而寻找并确定最佳的进针角度。针头17刺入期间，触觉传感器1时刻感知注射部位体表的细微形变，如静脉血管的偏移，以避免因内部软组织的形变而导致针头17刺入的偏差，进一步提高注射精度，若监测到软组织的形变引起的进针位置偏差，可以在线实时更改进针策略。同时，固定板7上的距离传感器28可以实时显示进针量，限位块25则在避免机构本身机械干涉的同时，提高注射安全性。注射完成后，针头17收回，机械臂复位，护士处理病人创口，注射结束。
23.最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。