一种咽部样本采集装置

本申请实施例涉及机械领域，尤其涉及一种咽部样本采集装置

背景技术：

咽拭子检测是一种医学检测方法，用医用棉签从人体的咽部蘸取少量分泌物，接种于特制培养皿中，然后放置在一个可以控制温度的设备内进行培养的过程。可以了解患者病情、口腔黏膜和咽部感染情况。

现有技术中，为了避免咽拭子采集工作对医护人员造成的感染风险，可以使用机器臂代替人工对目标人员的咽拭子采集工作，进而规避对医护人员造成的感染风险。

然而，目前机器臂的末端均为刚性机构，刚性机构的机械臂末端对目标人员的咽拭子采集工作时容易对咽部造成伤害。

技术实现要素：

本申请实施例第一方面提供了一种咽部样本采集装置，包括：气动机械臂、气压控制模块以及控制模块；

所述气动机械臂包括气动臂本体、通道盖以及夹持机构；所述气动臂本体设置有多个柔性材质的气室，多个所述气室沿所述气动臂本体直线排布，且相邻气室之间存在间隙；所述气动臂本体或所述通道盖设置有充气通道，所述充气通道与各个所述气室连通；所述通道盖用于与所述气动臂本体配合，密封所述充气通道；所述气动臂本体的一端设置有充气口，所述充气口与所述充气通道连通；所述气动机械臂的一侧具有所述夹持机构，所述夹持机构用于夹持咽拭子；

所述气压控制模块与所述充气口连接；

所述控制模块用于接收到控制指令后，向所述气压控制模块发送控制信号，以使得所述气压控制模块依据所述控制信号通过所述充气口向所述气室冲入气体，其中所述控制信号用于控制所述气压控制模块向所述气室冲入的气体量，且相邻气室在膨胀状态下相互挤压使得所述机械臂本体发生弯曲，所述机械臂本体的弯曲改变所述夹持机构所夹持的咽拭子的空间位置。

基于本申请实施例第一方面所提供的咽部样本采集装置，可选的，所述装置还包括：微电机及联轴器；

所述微电机一侧与所述联轴器相连，另一侧与所述气动机械臂相连，所述咽拭子可拆卸的固定于所述联轴器的一侧，所述微电机用于控制联轴器旋转，以带动所述咽拭子旋转；

所述控制模块还用于基于控制指令控制所述微电机的旋转角度。

基于本申请实施例第一方面所提供的咽部样本采集装置，可选的，所述装置还包括：约束管及第一舵机；

所述约束管套设于所述气动机械臂外；

所述第一舵机用于控制所述约束管沿所述气动机械臂移动以使得所述气动机械臂的部分或全部气室探出所述约束管；

所述控制模块还用于基于控制指令控制所述第一舵机，进而控制所述气动机械臂探出所述约束管部分的长度。

基于本申请实施例第一方面所提供的咽部样本采集装置，可选的，所述装置还包括：第二舵机，

第二舵机，与所述气动机械臂的另一侧相连，用于控制所述气动机械臂旋转，进而控制所述气动机械臂弯曲的方向；

所述控制模块还用于基于控制指令控制所述第二舵机，进而控制所述气动机械臂的弯转角度。

基于本申请实施例第一方面所提供的咽部样本采集装置，可选的，所述装置还包括推杆，所述推杆与所述气动机械臂相连，所述推杆用于控制所述气动机械臂前后移动，进而控制所述咽拭子前后移动；

所述控制模块还用于基于控制指令控制所述推杆，进而控制所述气动机械臂前后移动的距离。

基于本申请实施例第一方面所提供的咽部样本采集装置，可选的，所述设备还包括：步进电机，所述步进电机与所述推杆相连；

所述控制模块还用于基于控制指令控制所述推杆，进而控制所述气动机械臂前后移动的距离，包括：

所述控制模块还用于基于控制指令控制所述步进电机，进而控制所述推杆，进而控制所述气动机械臂前后移动的距离。

基于本申请实施例第一方面所提供的咽部样本采集装置，可选的，所述设备还包括：深度相机；

所述深度相机用于采集口腔的深度图像，并基于所述深度图像计算所述口腔的采样部位相对于所述深度相机的距离；

所述控制模块还用于控制所述深度相机采集所述口腔的深度图像。

基于本申请实施例第一方面所提供的咽部样本采集装置，可选的，述设备还包括：补光灯；

所述补光灯用于向所述口腔提供光照；

所述控制模块还用于控制所述补光灯的亮度。

基于本申请实施例第一方面所提供的咽部样本采集装置，可选的，所述控制模块包括遥操作设备。

基于本申请实施例第一方面所提供的咽部样本采集装置，可选的，所述控制模块包括工控机。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：本申请提供了一种咽拭子样本采集装置，用于采集患者的咽部样本，本申请提供的咽拭子样本采集装置包括气动机械臂，所述气动机械臂基于控制模块的控制指令改变气室内的气压进而发生不同程度的形变，从而实现对咽拭子位置的控制，咽拭子位置变化过程较为平缓进而减少了对患者的接触损伤。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请咽部样本采集装置实施例的一个结构示意图；

图2a为本申请气动臂本体实施例的一个示意图；

图2b为本申请气动臂本体实施例的另一个示意图；

图2c为本申请盖板实施例的一个结构示意图；

图3为本申请咽部样本采集装置实施例的另一个结构示意图；

图4为本申请咽部样本采集装置控制方式的一个示意图；

图5a为本申请气动机械臂在不同压强下的一个示意图；

图5b为本申请气动机械臂弯曲角度与压强的关系的一个示意图；

图6为本申请气动机械臂相邻气室膨胀弯曲的一个分析示意图；

图7为本申请咽部样本采集装置控制建模的一个示意图；

图8为本申请咽部样本采集装置控制控制方式转换关系的一个示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

请参阅图1，图1为本申请咽部样本采集装置实施例的一个结构示意图，包括：固定在气动机械臂上的咽拭子101，气动机械臂102、气压控制模块103以及控制模块104；

气动机械臂的结构包括气动臂本体、通道盖以及夹持机构，具体的，气动臂本体可参照图2a，图2a为气动臂本体的一个侧视图，气动臂本体设置有多个柔性材质的气室，多个所述气室沿所述气动臂本体直线排布，且相邻气室之间存在间隙；所述气动臂本体或所述通道盖设置有充气通道，所述充气通道与各个所述气室连通；具体的请参照图2b，图2b为气动臂本体的一个截面图，气动臂本体或所述通道盖设置有充气通道，所述充气通道与各个所述气室连通；气动臂本体的一端设置有充气口，所述充气口与所述充气通道连通，气动臂本体的一端设置有充气口，所述充气口与所述充气通道连通；通道盖的结构可参照图2c，图2c为通道盖的一个示意图，道盖用于与所述气动臂本体配合，密封所述充气通道；气动机械臂的一侧具有所述夹持机构，所述夹持机构用于夹持咽拭子101；

所述气压控制模块103与所述气动机械臂102上的充气口连接，用于为气动机械臂的气室充气。

所述控制模块104用于接收用户发送的控制指令，并在接收到控制指令后依据控制指令所包括的数值信息将控制指令转换为相应的可被气压控制模块模块识别的控制信息，以使得所述气压控制模块依据所述控制信号通过所述充气口向所述气室冲入气体，述控制信号用于控制所述气压控制模块向所述气室冲入的气体量，且相邻气室在膨胀状态下相互挤压使得所述机械臂本体发生弯曲，所述机械臂本体的弯曲改变所述夹持机构所夹持的咽拭子的空间位置。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：本申请提供了一种咽拭子样本采集装置，用于采集患者的咽部样本，本申请提供的咽拭子样本采集装置包括气动机械臂，所述气动机械臂基于控制模块的控制指令改变气室内的气压进而发生不同程度的形变，从而实现对咽拭子位置的控制，咽拭子位置变化过程较为平缓进而减少了对患者的接触损伤。

基于图1所描述的实施例，下面提供一种更为具体的咽部样本采集装置，请参阅图3，本申请咽部样本采集装置包括：

咽拭子301、联轴器302、微电机303、气动机械臂304、约束管305、第一舵机306、第二舵机307、推杆308、深度相机309、补光灯310、气压控制模块311及控制模块312与上述图1对应实施例中相应模块所发挥的功能类似，具体此处不再赘述。

微电机303一侧与所述联轴器302相连，另一侧与所述气动机械臂304相连，所述咽拭子301可拆卸的固定于所述联轴302器的一侧，所述微电机303用于控制联轴器302旋转，以带动固定于联轴器另一侧的所述咽拭子301旋转；所述控制模块312还可基于控制指令控制所述微电机303的旋转角度。

约束管305套设于所述气动机械臂304外，约束管305的管径略大于气动机械臂304的臂围且与气动机械臂304的臂围相互匹配，用于约束气动机械臂304由于气室充气引起弯曲时起作用的气室个数，第一舵机306用于控制所述约束管305沿所述气动机械臂304移动以使得所述气动机械臂304的部分或全部气室探出所述约束管；控制模块312还用于基于控制指令控制所述第一舵机306，进而控制所述气动机械臂304探出所述约束管305部分的长度。

第二舵机307与所述气动机械臂304区别于连接微电机303的另一侧相连，用于控制所述气动机械臂304旋转，进而控制所述气动机械臂304弯曲的方向以使得咽拭子301可向不同方向弯曲，控制模块312还用于基于控制指令控制所述第二舵机307，进而控制所述气动机械臂304的弯转角度，进而控制咽拭子301的位置。

推杆308与气动机械臂304相连，所述推杆304用于控制所述气动机械臂304前后移动，进而控制所述咽拭子301前后移动；所述控制模块312还用于基于控制指令控制所述推杆308，进而控制所述气动机械臂304前后移动的距离，具体的，推杆308上可设置有螺纹，气动机械臂304可通过螺纹与所述推杆308连接，推杆308的一侧可连接有步进电机，控制模块312通过控制步进电机进而使得推杆308旋转，使得气动机械臂304与推杆之间发生相对位移，进而控制所述气动机械臂304前后移动的距离。

深度相机309用于采集口腔的深度图像，并基于所述深度图像计算所述口腔的采样部位相对于所述深度相机的距离，具体的深度相机可为采用结构光技术或双目视觉技术或光飞行时间法技术的深度相机，具体可依据实际情况而定，此处不做限定。

补光灯310用于向所述口腔提供光照，以便深度相机309进行相应的图像采集工作，便于医务人员获得用户口腔内的具体情况。

控制模块312具体可包括遥操作设备及工控机，其中遥操作设备用于接收用户或医务人员发送的控制指令，并将该控制指令发送至工控机，通过工控机的运算解析转换为对不同电机的控制信号，具体的，控制流程如图4所示，咽部样本采集装置在使用时由用户控制遥操作设备，遥操作设备将用户发送的控制指令转发至工业控制计算机进行解析，具体的，工业控制计算机通过脉冲宽度调制(pwm，pulsewidthmodulation)控制微电机、第一舵机、第二舵机以及步进电机。控制指令为用户希望咽拭子到达的位置，工业控制计算机基于所获得的位置信息求解应对各个电机的控制量。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：本申请提供了一种咽拭子样本采集装置，用于采集患者的咽部样本，本申请提供的咽拭子样本采集装置包括气动机械臂，所述气动机械臂基于控制模块的控制指令改变气室内的气压进而发生不同程度的形变，从而实现对咽拭子位置的控制，咽拭子位置变化过程较为平缓进而减少了对患者的接触损伤。

对咽部样本采集装置中咽拭子的位置控制基于对气动机械臂的运动分析，本方案中咽部样本采集装置所包括的气动机械臂共有12个气室组成，除两端气室每个气室壁厚1.5mm，气室的截面图气室宽度为4.5mm，总长80mm，其中气动机械臂在不同压强下弯曲程度的变化可参照图5a及图5b，可知两气室之间拉伸所产生的角度θ与压强之间可近似视为线性关系，具体的，对于本方案所举的气动机械臂为例，压强p与θ的关系为：

θ＝0.02915p-0.13307

对于相邻的气室在不同压强下的运动分析可参照图6，其中c为盖板侧两气室中心相距的距离，c’为气室被拉伸的长度，θ为两气室之间拉伸所产生的角度，m为气动机械臂不包括气室的厚度，对其进行数学分析可知：

c'＝c+2msin(θ/2)

基于上式对气动机械臂整体进行分析可知，气动机械臂弯曲时一端至另一端的弦长d遵循：

其中nf为自由的气室数量。

对咽部样本采集装置的整体控制可分为两种，一种为通过遥操作设备直接映射至咽拭子的运动过程，即：

其中x^t,y^t,z^t,为咽拭子末端的移动坐标，x^t，y^t，z^t为遥操作设备的移动坐标，k为比例系数。

也可通过控制各个关节的方式将运动过程映射至咽拭子的的运动过程中，请参阅图7，即：

其中x^t,y^t,z^t,为咽拭子末端的移动坐标，d为气动机械臂的弦长，α为舵机旋转角度，β为启动机械臂的弯转角度，zp为丝杆推进距离，nc为被约束气室数量，nf为自由气室数量，c'为被拉伸的气室长度，h为咽拭子的长度，在实际控制过程中用户可根据需求进行控制方式的选择，不同的控制方式之间可相互转换，具体转换方式如图8所示，用户可以及实际需求选择控制方式，具体此处不做限定。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。