基于机器视觉的输液瓶拉环盖开启装置和方法 |
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| 申请号 | CN202310669886.8 | 申请日 | 2023-06-07 | 公开(公告)号 | CN116750700A | 公开(公告)日 | 2023-09-15 |
| 申请人 | 郑州大学; | 发明人 | 张响; 乔前; 王凯波; 任书娟; 何世权; 张涛; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于 机器视觉 的输液瓶 拉环 盖开启装置及方法，基于机器视觉的输液瓶拉环盖开启装置包括： 箱体 ，箱体的顶部设置箱盖，箱体内部设置有主体 框架 ，主体框架的两侧分别有一个竖直设置的第一传动组件，两个第一传动组件之间有横向设置的第二传动组件，第二传动组件上设置有挂钩组件，主体框架的顶部设置有输液瓶 支架 ，主体框架上还设置有 控制器 和摄像头，控制器与摄像头连接，摄像头能够获取挂钩组件和输液瓶拉环盖的图像，控制器和摄像头均与电源连接。本发明的装置整体结构简单结合神经网络模型能够自动开启输液瓶拉环盖，大幅减低了人工成本，提高了医疗场所输液工作中的换药、输液效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于机器视觉的输液瓶拉环盖开启装置，其特征在于，包括：箱体(1)，所述箱体(1)的顶部设置箱盖(101)，箱盖(101)顶部中间设有开口，箱体(1)内部设置有主体框架(103)，主体框架(103)的两侧分别有一组竖直设置的第一传动组件(3)，两组第一传动组件(3)之间横向设置第二传动组件(4)，第二传动组件(4)上设置有挂钩组件(5)，主体框架(103)的顶部设置有输液瓶支架(2)，主体框架(103)上还设置有控制器(6)和摄像头(7)，控制器(6)与摄像头(7)连接，摄像头(7)能够获取挂钩组件(5)和输液瓶拉环盖的图像，控制器(6)和摄像头(7)均与电源(8)连接。 |
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| 说明书全文 | 基于机器视觉的输液瓶拉环盖开启装置和方法技术领域[0001] 本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的输液瓶拉环盖开启装置和方法。 背景技术[0002] 医疗输液瓶的瓶口密封处通常由橡胶塞和密封橡胶塞的拉环盖组成，在混药时，要开启拉环盖以便将针头刺入橡胶塞，此过程一般由人工手动将拉环盖扯下，但由于一些 输液瓶的形状和其硬度的影响，在用手指穿过拉环盖并拉开的时候往往并没有那么容易， 因此，这个过程既不利于无菌环境的控制，又极大地耗费人力。 [0003] 现有的拉环机通常采用机械与手工结合的方式，即手工将拉环扣入拉环机的拉钩内，拉环机上的电机控制拉钩快速做一个“拉”的动作以将拉环拉掉。现有的拉环机仍需要 人手配合将拉钩对准后扣入机器，还是会消耗一定的人工时间和精力，工作效率低下。 发明内容[0004] 为了解决上述背景技术中的问题，本发明的实施例提出一种基于机器视觉的输液瓶拉环盖开启装置和方法。 [0005] 本发明的基于机器视觉的输液瓶拉环盖开启装置，包括：箱体，所述箱体的顶部设置箱盖，箱盖顶部设有开口，箱体内部设置有主体框架，主体框架的两侧分别有一组竖直设 置的第一传动组件，两组第一传动组件之间有横向设置的第二传动组件，第二传动组件上 设置有挂钩组件，主体框架的顶部设置有输液瓶支架，主体框架上还设置有控制器和摄像 头，控制器与摄像头连接，摄像头能够获取挂钩组件和输液瓶拉环盖的图像，控制器和摄像 头均与电源连接。 [0007] 可选地，所述第二传动组件能够沿着第一传动组件在竖直方向上移动，所述第二传动组件包括第二电机，第二电机的输出轴与第二丝杆连接，第二丝杆的下方平行设置有 第二光轴，第二电机通过第一滑块设置在其中一组第一传动组件上，第二丝杆和第二光轴 的末端通过第二滑块设在另一组第一传动组件上。 [0008] 可选地，所述挂钩组件包括设在第二丝杆和第二光轴上的电机支架，电机支架能够沿着第二丝杆和第二光轴移动，电机支架内部放置有第三电机，第三电机的输出轴与拉 环钩相连接，第三电机底部设置垂直于第二丝杆的第四电机。 [0009] 可选地，所述拉环钩包括与第三电机的输出轴连接的支撑杆，支撑杆的上部一侧有插入杆，插入杆的自由端与支撑杆的顶部之间设置有弹性带。 [0011] 可选地，所述箱体上还设置有观察窗和托盘抽拉口，观察窗的位置与挂钩组件的位置相对应，托盘抽拉口设置在观察窗的下方，托盘通过托盘抽拉口插入到箱体内部。 [0012] 可选地，进一步包括托盘支架，所述托盘能够放置在托盘支架上，所述托盘支架设置在本体框架底部，托盘支架位于挂钩组件下方，托盘支架的底部设置有滑道，滑道与托盘 相配合，托盘支架的前端设有托盘装配孔，托盘装配孔与箱体上的托盘抽拉口相对应。 [0013] 本发明的基于机器视觉的输液瓶拉环盖开启装置的使用方法，包括以下步骤： [0014] S1、通过摄像头获取输液瓶拉环盖的视频图像； [0015] S2、通过神经网络模型检测视频图像中拉环盖的开环方向和拉环钩的相对位置； [0016] S3、根据拉环盖的开环方向和拉环钩的相对位置计算拉环钩的旋转幅度，获得第一电机、第二电机和第三电机的转动参数； [0017] S4、控制器通过电机驱动器控制第一电机、第二电机和第三电机进行相应的旋转，最终使拉环钩插入到输液瓶拉环盖中并向下拉，开启输液瓶拉环盖。 [0018] 可选地，所述步骤S2中的神经网络模型采用YOLOv4目标检测模型。 [0019] 本发明的有益效果是， [0020] 1、本发明的拉环钩具有水平设置的插入杆，能够快速准确插入到输液瓶拉环盖中；弹性带的设置能够使拉环盖在弹性作用下脱离拉环钩。 [0021] 2、本发明的装置整体结构稳定，且环境适应力强，能够在常见的医疗环境中大规模部署。 [0022] 3、本发明的装置配备摄像头，配合YOLOv4算法对拉环盖进行稳定精准的识别，并能够自动开启输液瓶拉环盖，提高了整体的自动化程度和可靠性，大幅降低人工成本，提高 了医疗场所输液工作中的换药、输液效率。 附图说明 [0023] 图1是本发明的结构示意图。 [0024] 图2是本发明的箱体的内部结构示意图。 [0025] 图3是本发明的拉环钩的结构示意图。 [0026] 图4是本发明的托盘支架的结构示意图。 [0027] 附图标记： [0028] 箱体1；箱盖101；观察窗102；主体框架103；输液瓶支架2； [0029] 第一传动组件3；第一电机301；第一丝杆302；第一光轴303； [0030] 第二传动组件4；第二电机401；第二丝杆402；第二光轴403； [0031] 挂钩组件5；电机支架501；拉环钩502；支撑杆5021；插入杆5022；弹性带5023； [0032] 控制器6；摄像头7；电源8；托盘支架9；托盘抽拉口901；滑道902；托盘装配孔903；电机驱动器10。 具体实施方式[0033] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。 [0034] 如图1‑图4所示，本发明的基于机器视觉的输液瓶拉环盖开启装置，包括：箱体1，所述箱体1的顶部设置箱盖101，箱盖101顶部中间设有开口，箱体1的长609mm，宽482mm，高 313mm，箱盖101的长609mm，宽482mm，高104mm。 [0035] 箱体1内部设置有主体框架103，主体框架103的两侧分别有一组竖直设置的第一传动组件3，两组第一传动组件3之间横向设置第二传动组件4，第二传动组件4上设置有挂 钩组件5。第二传动组件4能够沿着第一传动组件3在竖直方向上移动，挂钩组件5能够沿着 第二传动组件4在水平方向上移动。 [0036] 主体框架103的顶部设置有输液瓶支架2，输液瓶支架2中用于放置输液瓶，且输液瓶需要倒放，使输液瓶拉环盖朝下。输液瓶支架2的位置与箱盖101上的开口的位置相对应， 使输液瓶能够从箱盖101上的开口位置放入到输液瓶支架2上。 [0037] 主体框架103上还设置有控制器6和摄像头7，控制器6与摄像头7通过杜邦线连接，摄像头7能够获取挂钩组件5和输液瓶拉环盖的图像，控制器6和摄像头7均与电源8连接。 [0038] 控制器6为RaspberryPi4B，其运行内存空间大小为2GB～16GB，存储空间大小为8GB～256GB。控制器6也可以为Ardiuno。 [0039] 第一传动组件3包括第一电机301，第一电机301的输出轴通过联轴器与第一丝杆302连接，第一丝杆302的内侧平行设置有第一光轴303，两组第一传送组件3中的第一电机 301为同步电机。两组第一传动组件3的作用是使第二传动组件4能够沿着第一传动组件3在 竖直方向上移动，从而将拉环钩移动到合适的高度。 [0040] 第二传动组件4包括第二电机401，第二电机401的输出轴与第二丝杆402连接，第二丝杆402的下方平行设置有第二光轴403，第二电机402通过第一滑块设置在其中一组第 一传动组件3的第一光轴303和第一丝杆302上，第二丝杆402和第二光轴403的末端通过第 二滑块设在另一组第一传动组件3的第一光轴303和第一丝杆302上。第一滑块和第二滑块 中均设有与第一丝杆302相配合的内螺纹和与第一光轴303相配合的轴承。第二传动组件4 的作用是将拉环钩502移动到输液瓶拉环盖的一侧，以便找到最佳的插入位置。 [0041] 挂钩组件5包括设在第二丝杆402和第二光轴403上的电机支架501，电机支架5的后侧设有与第二丝杆402相配合的螺纹孔和与第二光轴403相配合的装有轴承的通孔，电机 支架501能够沿着第二丝杆402和第二光轴403移动，电机支架501内部放置有第三电机，第 三电机的输出轴与拉环钩502相连接。第三电机的作用是转动拉环钩502，使拉环钩能够插 入到输液瓶拉环盖中。 [0042] 第三电机底部设置垂直于第二丝杆402的第四电机，即第三电机设置于第四电机的输出轴上，第四电机为直线电机，第四电机在水平面上垂直于第二丝杆402。第四电机能 够带动拉环钩502在水平面上沿垂直于第二丝杠402的方向移动。 [0043] 拉环钩502包括与第三电机的输出轴连接的支撑杆5021，支撑杆5021的上部一侧有插入杆5022，插入杆5022为水平设置或略向下倾斜设置，插入杆5022的自由端与支撑杆 5021的顶部之间设置有弹性带5023。插入杆5022用于插入到输液瓶拉环盖中并将拉环盖拉 下来，弹性带5023用于将拉下来的拉环盖弹掉，使拉下来的拉环盖脱离拉环钩502。拉环贴 在输液瓶瓶盖上的药瓶不在本装置的工况范围内。 [0044] 进一步包括电机驱动器10，电机驱动器10设置在主体框架103上，电机驱动器10分别与第一电机301、第二电机401、第三电机、控制器6、电源8连接。电机驱动器10用于控制第 一电机301、第二电机401和第三电机的旋转角度和运转速度。 [0045] 电机驱动器10的型号为L298N或MicrostepDriver。 [0046] 第一电机301、第二电机401、第三电机可以为直流无刷电机或步进电机。 [0048] 托盘抽拉口901设置在观察窗102的下方，托盘通过托盘抽拉口901插入到箱体1内部。托盘放置在托盘支架9上，托盘支架9设置在本体框架103底部，托盘支架9位于挂钩组件 5下方，使得被拉下来的拉环盖能够掉落到下方的托盘中。 [0049] 托盘支架9的底部设置有滑道902，滑道902与托盘相配合，使托盘能够抽出来也能插进去，从而方便清理托盘中的拉环盖。托盘支架9的前端设有托盘装配孔903，托盘装配孔 903与箱体1上的托盘抽拉口901相对应。 [0050] 箱盖101中还设有显示器和控制旋钮，显示器用于显示装置的电量、使用时间等基本信息，控制旋钮用于对装置的启动及工况参数的调节。 [0051] 本发明的基于机器视觉的输液瓶拉环盖开启装置的使用方法，包括以下步骤： [0053] S2、利用已训练的YOLOv4目标检测模型对视频图像进行目标检测与定位，获得拉环盖的开环方向和拉环钩502的相对位置。 [0054] S3、根据拉环盖的开环方向和拉环钩的相对位置计算拉环钩502的旋转幅度，获得第一电机301、第二电机401和第三电机的转动参数； [0055] S4、控制器6发出信号给电机驱动器10，先转动第一电机301，将第二传动组件4调整至合适的高度，转动第二电机401，使挂钩组件5移动至输液瓶一侧的合适位置，再转动第 三电机，使拉环钩502旋转至能够插入拉环盖的角度，转动第二电机401，使拉环钩502插入 到输液瓶拉环盖中，转动第一电机301，使拉环钩502向下拉，开启输液瓶拉环盖。 [0056] YOLOv4目标检测模型的训练过程为： [0057] 获取不同开环方向的拉环盖图像，并作为数据集，对图像中的拉环进行人工标注，再将带标记的拉环盖图像导入YOLOv4神经网络进行训练，实现对目标检测模型的训练。 [0058] 本申请的基于机器视觉的输液瓶拉环盖开启装置可以有多个，根据工况、使用频率、所需效率的不同，进行集体阵列摆放。 [0059] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 [0060] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。 [0061] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以 是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的 普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0062] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在 第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示 第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第 一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。 [0063] 在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实 施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示 例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书 中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。 |
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