一种用于医院血液样本运输的无人机运输系统的制作方法

本实用新型涉及无人机技术领域，具体涉及一种用于医院血液样本运输的无人机运输系统。

背景技术：

目前，医院中血液样本的运送，大多采用护士或护工在预定的某一时间段内进行，每个血液样本都有标本采集条码、姓名、年龄、床号、科室以及住院号等信息，护士或护工依据标本送出清单对血液样本进行核对，然后送至检验科，并和检验科人员共同核对血液样本无误后，由检验科人员对血液样本进行化验。

现有的血液样本运送过程非常繁琐，耗费大量人力，而且现在许多医院采用社会化的后勤人员运送，很难保证运送的安全性。

无人驾驶飞机，简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，无人机由于其体积小巧，机动灵活，在物品运输领域得到越来越广泛的应用。

例如，Zipline开发了一套专门的服务系统，用于贫困地区的医疗药品运送和血液运送。流程首先从医生或护士发送的一条“求助短信”开始，当无人机操作人员收到求助短信后，在中央药品仓库里找到所需的药品，并将药品塞到一个纸板盒中，然后将纸板盒放置在无人机的“腹中”，同时，在无人机的前端放置电池，将飞行计划上传至iPad，无人机接收指令后起飞运送药品。

谷歌、京东等公司已开始使用无人机物流进行货物运送。现有的无人机物流(包括前面所述的利用无人机进行的医疗药品和血液运送)，通常适用于大距离运送，物品的采集以及送达都由人参与放置或收取，且运送环境为开放式环境，而医院中的血液样本运输至少需要涉及病区、检验科、中心实验室等多个地点，且运输距离短，需要更高的自动化程度。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种用于医院血液样本运输的无人机运输系统及运输方法，无需更改现有医院的基建布局，节约成本，同时能够实现全自动的血液样本运输，减少人力投入，同时保证运输过程的安全性。

一种用于医院血液样本运输的无人机运输系统，包括：

布置在各病区的血液样本采集终端；

分布在各检验区的血液样本接收终端；

用于放置血液样本的样本箱；

在血液样本采集终端和血液样本接收终端之间运送样本箱的无人机，所述无人机的底部设有样本箱抓取装置，以及样本箱保护装置；

所述样本箱保护装置包括至少三根支撑臂，在无人机处于飞行状态时，各支撑臂的末端相向弯折形成包围样本箱搭载区的收拢状态；在无人机处于驻停状态时，各支撑臂伸直形成支撑无人机的伸展状态。

本实用新型在医院的各个病区分别设置对应的血液样本采集终端，在检验科或中心实验室等检验地点划分区域设置各自的血液样本接收终端，血液样本放置在样本箱中，以样本箱为载体利用无人机进行输送。

无人机驻停在血液样本采集终端后，自动抓取样本箱，将样本箱运输至血液样本接收终端后，自动卸载样本箱。

血液样本晃动时，容易产生凝血现象，本实用新型通过设置样本箱保护装置减少样本箱在运输过程中的晃动，当无人机处于飞行状态时，各支撑臂的相向弯折形成包围样本箱搭载区的收拢状态，处于样本箱搭载区中的样本箱在支撑臂的限位作用下，不会出现坠落以及剧烈晃动。当无人机处于驻停状态时，各支撑臂处于伸展状态以支撑无人机。

作为优选，各支撑臂的末端套设有防震垫，支撑臂处于收拢状态时，防震垫与样本箱相抵靠。通过防震垫进一步阻止样本箱的晃动，以保护血液样本。

作为优选，还包括中心控制系统、运输中继及天气监测终端，血液样本采集终端、血液样本接收终端、运输中继及天气监测终端均采用有线信号与中心控制系统通信，血液样本采集终端、血液样本接收终端、运输中继及天气监测终端、中心控制系统均通过无线信号与无人机通讯。

本实用新型提供的无人机运输系统，通过中心控制系统统一协调无人机与各终端的信号，有线通信通过在医院中布置局域网实现，无线通信通过在各楼宇的固定位置布置无线节点路由，并采用Zigbee技术联网实现。

无人机的数量根据需要进行设定，为每个血液样本采集终端设置专用的无人机进行血液样本运输，减少差错率，每台无人机上标记供识别的ID号，无人机空闲时，停留在运输中继及天气监测终端进行临时停靠和充电。

作为优选，血液样本采集终端、血液样本接收终端、运输中继及天气监测终端均设有标明ID的标识区和无线充电装置，所述无人机设有ID识别单元和无线充电电池。

无人机通过ID识别单元区分不同的终端，并且当无人机停靠在任何一个终端时，终端都能够对无人机进行充电。

作为优选，血液样本采集终端、血液样本接收终端、运输中继及天气监测终端均设有驻停支架，驻停支架上设有与各支撑臂相对应的驻停区，各驻停区分别设有驻停标识，所述无人机设有驻停标识识别单元用以将支撑臂停靠在对应的驻停区上。

无人机驻停时，无人机底部的支撑臂依据驻停标识识别结果停靠在对应的驻停区上。

作为优选，血液样本采集终端和血液样本接收终端均设有传送样本箱的传送带，所述驻停支架的驻停区分列于传送带两侧。

作为优选，血液样本采集终端设有发送血液样本待运信息的发送处理单元，血液样本接收终端设有接收完毕血液样本的接收处理单元，血液样本采集终端和血液样本接收终端均设有无人机姿态识别单元，以及依据无人机姿态识别结果控制样本箱水平偏移的滑台。

通过无人机姿态识别单元识别无人机是否停靠到位，并配合无人机的停靠位置，依靠滑台移动样本箱至合适位置。

无人机的停靠位置不容易精确控制，在水平面且垂直于传送带移动方向上可能出现偏移，因此，需要使用滑台调整样本箱的位置以匹配无人机的停靠位置。

作为优选，每根支撑臂包括电动推杆，以及依次铰接的第一支杆、第二支杆和第三支杆，电动推杆通过连杆机构驱动第二支杆相对第一支杆转动，电动推杆还通过牵引索牵引第三支杆相对第二支杆转动。

作为优选，所述样本箱抓取装置包括两个相互铰接的L形夹臂，且两个夹臂长度不等。

利用所述无人机运输系统运送血液样本的方法，包括：

步骤1，在中心控制系统中录入血液样本的运输紧急程度，运输紧急程度包括普通和紧急；

步骤2，中心控制系统依据运输中继及天气监测终端的天气信号判断是否可以启用无人机运输，若可以启用，进行步骤3；

步骤3，在血液样本采集终端进行如下动作：

将样本箱置于传送带上，发送处理单元发送血液样本待运信息，无人机姿态识别单元检测无人机是否抵达：

若无人机未抵达，发送处理单元持续发送待运信息，直至无人机抵达；

若无人机抵达，根据无人机姿态识别单元的信息，通过传送带和滑台调整样本箱的位置以匹配样本箱抓取装置的位置，样本箱抓取装置抓取样本箱，进行步骤4；

步骤4，无人机依据中心控制系统的规划路径飞行，规划路径包括以下几种情况：

a、若运输紧急程度为紧急，无人机直接飞行至血液样本接收终端，进行步骤5；

b、若运输紧急程度为普通，无人机飞抵运输中继及天气监测终端进行停靠和充电，然后进行步骤5；

步骤5，在血液样本接收终端进行如下动作：

接收处理单元根据无人机姿态识别单元的结果，向中心控制系统发送是否空闲信息，中心控制系统广播血液样本接收终端空闲信息；

无人机飞行至血液样本接收终端后，盘桓直至对应的血液样本接收终端空闲，无人机停靠至驻停支架上，样本箱抓取装置释放样本箱；

样本箱释放完毕后，接收处理单元向中心控制系统发送卸载完毕信息，并提示检验人员取走血液样本。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

(1)在医院原有基建的基础上，搭建各终端，并借助无人机实现医院内血液样本的全自动运输，节约人力、运营和监管成本；

(2)通过样本箱保护装置以及防震垫对样本箱进行多层保护，防止血液样本的失效；

(3)区分紧急和普通两种状态，确保急救检测用血液样本可以最快速度运抵检验科或中心实验室进行检验。

附图说明

图1为本实用新型用于医院血液样本运输的无人机运输系统的结构框图；

图2为本实用新型用于医院血液样本运输的无人机运输系统在医院中的布局图；

图3为本实用新型中无人机的结构框图；

图4为本实用新型中无人机的结构图；

图5a为本实用新型中样本保护装置收拢状态的示意图；

图5b为本实用新型中样本保护装置伸展状态的示意图；

图6为本实用新型中血液样本采集终端的结构框图；

图7为本实用新型中血液样本接收终端的结构框图；

图8为本实用新型中标明ID的标识区的示意图；

图9为本实用新型中运输中继及天气监测终端结构框图；

图10为本实用新型中驻停模块的结构框图；

图11为本实用新型中驻停模块和样本传送模块的俯视图；

图12为本实用新型中驻停模块和样本传送模块的侧视图；

图13a为本实用新型中样本箱抓取装置的示意图；

图13b图13a中的A向示意图；

图14为本实用新型中样本箱的示意图；

图15为本实用新型中无线充电装置的电路框图；

图16为本实用新型中无线充电电池的电路框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型用于医院血液样本运输的无人机运输系统及运输方法做详细描述。

实施例1

如图1所示，一种用于医院血液样本运输的无人机运输系统，包括：布置在各病区的血液样本采集终端、分布在各检验区的血液样本接收终端、无人机、用于放置血液样本的样本箱、运输中继及天气监测终端、以及中心控制系统；血液样本采集终端、血液样本接收终端、运输中继及天气监测终端均采用有线信号与中心控制系统通信，血液样本采集终端、血液样本接收终端、运输中继及天气监测终端、中心控制系统均通过无线信号与无人机通讯。

每个病区根据需要设置多个血液样本采集终端，各检验区根据需要设置多个血液样本接收终端，无人机搭载标本箱并在血液样本采集终端和血液样本接收终端之间运送样本箱。

如图2所示，血液样本采集终端201设置各个病区，每个病区对应设置一个专用的无人机204，专职运送对应病区的血液样本。

运输中继及天气监测终端202通常布置在医院最高建筑的楼顶，以便于监测天气情况。

血液样本接收终端203一般设置在检验科或中心实验室。

血液样本采集终端201、血液样本接收终端203、运输中继及天气监测终端均采用有线信号与中心控制系统通信，有线信号通过布置在医院内的局域网进行，同时在医院建筑物的固定位置设置无线节点路由205，无人机204、血液样本采集终端201、血液样本接收终端203、运输中继及天气监测终端、以及中心控制系统均设有无线节点，通过Zigbee构建无线传感器网络。

无人机204的无线节点的硬件核心采用TI公司的CC2430，通讯距离问题是决定能否通信的关键，一般的ZigBee前端RF部分输出大部分只有0dBm，实际通讯距离只有几十米，不能满足使用需求，本实施例采用外部扩展放大器的办法，利用TI公司的CC2591放大器芯片实现与CC2430等ZigBee单芯片结合，以非常低的成本，实现ZigBee通讯距离的扩展。

采用CC2591后，ZigBee网络通讯距离在开阔地带点对点通讯距离可以轻易达到1000米以上，通过ZigBee网络的自动中继路由，很容易实现微功耗下数十公里的网络通讯。

如图3所示，无人机包括微控制器、传感器、样本箱抓取装置、飞行机架、样本箱保护装置、无线充电电池、以及无线节点，其中，无线充电电池向微控制器、传感器、样本箱抓取装置、飞行机架、以及样本箱保护装置供电，微控制器协调控制飞行机架、传感器、样本箱抓取装置、无线充电电池以及样本箱保护装置信号以及动作。

本实施例中无人机的结构如图4所示，无人机包括：

飞行机架401，包括支撑机体以及飞行叶片；

样本箱保护装置402，固定安装在飞行机架底部，样本箱保护装置包括四根支撑臂，在无人机处于飞行状态时，各支撑臂的末端相向弯折形成包围样本箱搭载区的收拢状态；在无人机处于驻停状态时，各支撑臂伸直形成支撑无人机的伸展状态；

各支撑臂之间设有方形平台，方形平台的各边与邻近的支撑臂焊接固定；

微控制器403，采用ARMCortex-M3系列的单片机，微控制器实现无人机的整体动作控制，包括但不限于环境中的路径导航、障碍躲避、无人机自身的姿态调整、样本箱抓取装置的控制，样本箱保护装置的控制等。

无线充电电池404，采用TI高集成、易实现无线充电方案中接收端方案，可以通过无线方式进行充电；

飞行传感器405，飞行传感器的作用主要包括两部分：一是用于姿态检测，包括陀螺仪、加速度计、磁强计、气压计等，二是用于避障，包括多个检测障碍物的超声传感器，分别设置在平台的上方、下方以及前后左右四边。

样本箱抓取装置406，用于抓取和卸载样本箱；

距离传感器407，检测样本箱是否已到位，可选用超声传感器；

驻停传感器408，用于检测驻停标识，可选用红外传感器，检测颜色区别。驻停标识为黑白相间图案，便于驻停传感器识别。

样本箱保护装置包括四根支撑臂，每根支撑臂的结构如图5a、图5b所示，无人机飞行时，各支撑臂处于如图5a所示的收拢状态，无人机驻停时，各支撑臂处于如图5a所示的伸展状态。

每根支撑臂包括电动推杆501，以及依次铰接的第一支杆507a、第二支杆507b和第三支杆507c，电动推杆501通过连杆机构驱动第二支杆507b相对第一支杆507a转动，电动推杆501还通过牵引索牵引第三支杆507c相对第二支杆507b转动。

第一支杆507a与方形平台固定连接，电动推杆501安装在方形平台上，电动推杆501的推杆伸缩方向与第一支杆507a平行。

第一支杆507a和第二支杆507b通过第一铰接轴铰接，第二支杆507b和第三支杆507c通过第二铰接轴铰接。

连杆机构包括端部依次连接的第一连杆508、第二连杆509和第三连杆513，第一连杆508的自由端与电动推杆501的推杆末端铰接，第三连杆513的自由端与第二支杆507b固定连接(连接点位于第二支杆507b与第一支杆507a铰接处)，第一连杆508和第二连杆509铰接，第二连杆509和第三连杆513固定连接，且第二连杆509和第三连杆513的夹角为90度。

牵引索为两条，分别为牵引索510和牵引索511，每条牵引索的一端与电动推杆501的推杆末端固定连接，另一端连接至第三支杆507c，第三支杆507c上的两个连接点布置在第二铰接轴的两侧。

第一支杆507a上设有四个用于通过牵引索的穿设点，其中穿设点512c和穿设点512d位于第一铰接轴的的两侧，穿设点512a和穿设点512b沿第一支杆507a的长度方向依次布置。

牵引索510和牵引索511的穿行路径互不交错。

第三支杆507c上套设有防震垫505，支撑臂处于收拢状态时，防震垫505与样本箱相抵靠。第三支杆507c上还设有驻停传感器506。

由伸展状态转变为收拢状态的过程为：

电动推杆501伸长，推动第一连杆508运动，第一连杆508推动第二支杆507b绕第一铰接轴转动，使第二支杆507b由伸展状态转变为收拢状态；

电动推杆501伸长，牵动两根牵引索运动，其中牵引索511绷紧，牵引索510松弛，进而驱动第三支杆507c绕第二铰接轴转动，使第三支杆507c由伸展状态转变为收拢状态。

血液样本采集终端的方框图如图6所示，包括：

标明ID的标识区，标识区设置于医院建筑的窗户上，每个血液样本采集终端对应一个ID；无人机设有相应的ID识别单元，能够识别各血液样本采集终端的身份；

标本传送模块，用于传送样本箱至无人机能够抓取的位置；

驻停模块，用于供无人机停靠及充电；

无人机姿态识别单元，用于识别无人机的位置；

无线节点；

发送处理单元，通过Zigbee网络与无人机进行通信，通过有线方式与中心控制系统通信，发送处理单元控制标本传送模块、驻停模块、以及无线节点的动作与信号。

血液样本接收终端的方框图如图7所示，包括：

标明ID的标识区，标识区设置于医院建筑的窗户上，每个血液样本接收终端对应一个ID；无人机设有相应的ID识别单元，能够识别各血液样本接收终端的身份；

标本传送模块，用于将样本箱传送至人工取出位置；

驻停模块，用于供无人机停靠及充电；

无人机姿态识别单元，用于识别无人机的位置；

无线节点；

接收处理单元，通过Zigbee网络与无人机进行通信，通过有线方式与中心控制系统通信，接收处理单元控制标本传送模块、驻停模块、以及无线节点的动作与信号。

如图8所示，血液样本采集终端或血液样本接收终端的入口为医院建筑物的窗户，在两扇对开的窗户上分别标记二维码或其他能够标识区分当前区域的标签。如果无人机同时检测到两个标识，则两扇窗户均处于关闭状态，无人机向发送处理单元或者接收处理单元发送开窗请求，如果仅检测到一个标识，则从开窗位置飞进驻停。

运输中继及天气监测终端的方框图如图9所示，包括：

ID标识单元；无人机设有相应的ID识别单元，能够识别各血液样本接收终端的身份；

驻停模块，用于供无人机停靠及充电；

无线节点；

天气监测单元，用于监测天气并向中心控制系统发送天气情况；天气监测单元包括含风速检测和雨量检测，风速检测可采用中性品牌的HSTL-FS01风速传感器，雨量检测可采用路格的L99-YLW雨量记录仪，当风速超过一定数值或者检测到雨滴时停止运输。

中继处理单元，通过Zigbee网络与无人机进行通信，通过有线方式与中心控制系统通信，中继处理单元控制驻停模块、天气监测单元以及无线节点的动作与信号。

血液样本采集终端、血液样本接收终端以及运输中继及天气监测终端中的驻停模块的框图如图10所示，驻停模块包括驻停支架以及无线充电装置，驻停支架上设有与各支撑臂相对应的驻停区，各驻停区分别设有驻停标识。

无线充电装置通过无线方式对无人机的无线充电电池进行充电。无线充电电池采用TI高集成、易实现无线充电方案中5V输入发射端方案。

血液样本采集终端、血液样本接收终端中驻停模块和样本传送模块的俯视图如图11所示，包括：

传送带1103；

控制传送带运动的步进电机1106；

直线滑台1104，直线滑台1104设有带夹持装置的移动块，夹持装置夹持标本箱调整水平偏移，水平偏移根据无人机单元的驻停位置精确控制，直线滑台可采用Lowent的DG42Z300。

驻停支架1107，驻停支架1107设有与各支撑臂相对应的驻停区，各驻停区分别设有驻停标识1101，驻停标识1101下方放置压力传感器，用于计算无人机的驻停的精确位置。

无线充电装置1102，设置于传送带1103下方，为驻停状态的无人机提供无线充电，

发送处理单元1108(或接收处理单元)，根据无人机姿态识别单元以及中心控制系统的指令对无线充电装置1102、直线滑台1104、步进电机1106进行控制，同时将样本箱1105运输信息反馈至中心控制系统。

血液样本采集终端、血液样本接收终端中驻停模块和样本传送模块的侧视图如图12所示，无人机1201的样本箱保护装置处于收拢状态，通过建筑物窗户1202后，无人机1203的样本箱保护装置中的支撑臂处于伸展状态(即无人机处于驻停状态，支撑臂支撑无人机)，样本箱1204位于传送带1205上，传送带1205下方设置无线充电装置1206。图12中，同一无人机分别展示不同状态时的示意图。

样本抓取装置的结构如图13a、图13b所示，包括两个相互铰接的L形夹臂1301，且两个夹臂长度略有差别，每个夹臂为栅形结构(即每个夹臂包括相互平行布置的多根支杆1302，各支杆1302之间通过连杆固定连接)，在样本抓取装置未能完全对准样本箱的前提下，也能夹起标本箱。

样本箱的结构如图14所示，标本箱为长方体结构，样本箱顶部设有提杆，提杆的顶端膨胀为圆球，便于标本箱的夹持，在样本抓取装置夹持提杆，在圆球的阻挡作用下，样本箱不容易掉落。

无线充电装置的电路框图如图15所示，采用TI高集成、易实现无线充电方案中5V输入发射端方案。

无线充电电池的电路框图如图16所示，采用TI高集成、易实现无线充电方案中接收端方案。

利用所述的无人机运输系统运送血液样本的方法，包括以下步骤：

(1)护士采集血液样本后，针对单个血液样本粘贴条形码，汇总一定数量后，放置于样本箱内，扫描样本箱上的条形码，同时在血液样本中心控制系统上进行登记，形成样本箱与血液样本的独立数据集，并设定该样本箱的运输紧急程度，包括紧急和普通两种。

(2)根据天气监测信息，提示护士是否可以采用自动运输。若允许自动运输，护士将样本箱放置于血液样本采集终端的传送带上，血液样本采集终端向中心控制系统发出请求运输血液样本信息。

无人机姿态识别单元检测无人机是否到达，若无人机尚未到达，血液样本采集终端持续向中心控制系统发出请求运输信息，若无人机已到达，根据无人机姿态识别单元的识别结果，利用直线滑台调整样本箱的水平偏移，使样本箱与样本箱抓取装置对准，对准后，样本箱抓取装置抓取样本箱，在抓取过程中，各支撑臂保持伸展状态。

(3)无人机装载样本箱后，根据病区序号和紧急程度，规划飞行路线。

若运输紧急程度为紧急，则规划路线直接至检验区域，若运输紧急程度为普通，则规划路线至运输中继及天气监测终端。

若无人机的电池电量不足，在病区内无线充电后飞离；若无人机的电池电量充裕，直接飞离病区；无人机飞离病区后，各支撑臂处于收拢状态。

紧急程度为普通时，无人机飞抵运输中继及天气监测终端后，血液样本中心控制系统通过无线节点构建的无线传感器网络，赋予该无人机抵达编号。

(4)血液样本接收终端根据是否有无人机驻停，告知中心控制系统；中心控制系统通过无线节点构建的无线传感器网络，广播发布血液样本接收终端空闲信息。

运输紧急程度为紧急时，无人机抵达血液样本接收终端后，盘桓等待，直至有空闲为止，根据空闲序号，无人机飞抵该血液样本接收终端，各支撑臂伸展停靠在对应的驻停区，自动卸载样本箱。

运输紧急程度为普通时，无人机在所有具备紧急等级的无人机停靠卸载完毕后，等待空闲信息，按照抵达序列，依次起飞前往检验区域对应空闲血液样本接收终端。

(5)无人机抵达血液样本接收终端后，各支撑臂伸展停靠在对应的驻停区，自动卸载样本箱，同时通过无线传感器网络发送卸载完毕信息，无人机飞回对应病房。

血液样本接收终端接收样本箱后，通过传送带将血液样本移动至取走区域，并提示中心控制系统，中心控制系统对检验人员进行信息提示，由检验人员从取走区域人工取走。

(6)运输中继及天气监测终端检测天气信息，将天气情况告知中心控制系统。中心控制系统根据天气情况，控制传送带是否传递样本箱，无人机若未检测样本箱，将不起飞运输。