人工智能机器人标本运送系统在临床实验室检验中的应用

发布时间:2020-08-19       作者:夏良裕       来源:临床实验室        浏览:2443       收藏: 0

近年来,随着智能化与自动化的快速发展,国内已成立了多家企业研究机器人与医院物流系统,这种智能设备在国内的应用逐渐增多,其承担的功能也由最初的物资运输扩展到检验标本运输,服务的范围也由楼宇间、楼层间的远距离运输进入到实验室内部标本、物资运输。

一、智能机器人标本运送系统概念与特点

智能机器人运送系统是继气动物流传输系统和轨道式物流传输系统后出现的一种新型、灵活、智能、高效的物流运输系统,也称为自动导航运输车(Automatic Guided Vehicle,AGV)。该系统可应用于多种社会生产领域,如果应用在医院中又称为医院物流机器人(Hospital Transmission Robots,HTR)。本文介绍该类运送系统在临床实验室的应用,故又将其称为智能机器人标本运送系统。这种类型的机器人是指高度集成机电一体化、多维传感、人工智能、数字通讯以及仿生学等高新技术的系统,在计算机和无线局域网络控制下经磁、激光等导向装置引导,可沿程序设定路径运行、停靠到指定地点,完成一系列物品移载、搬运等作业。

智能机器人运送系统具有以下主要特点:以电池为动力,可实现无人驾驶的运输作业,运行路径和目的地可以由管理程序控制,机动能力强,定位精度高;导引车的载物平台可以采用不同的安装结构和装卸方式,可根据各种不同的传输用途进行设计制作;可装备多种声光报警系统,具有避免相互碰撞的自控能力。与传统的气动物流和轨道式物流系统相比,无需铺设轨道等固定装置,不受场地、道路和空间的限制,并可与周围环境交互,灵活性高,因此称其为智能机器人。

目前,智能机器人运送系统主要应用于工业生产和物流行业。在欧美一些经济发达国家的医院较早应用这种运送机器人,主要用于代替劳动密集型的手推车,运送病人餐食、衣物、医院垃圾、供应室消毒物品等,能实现楼宇间和楼层间的传送。近年来,随着智能化与自动化的快速发展,国内已成立了多家企业研究机器人与医院物流系统,这种智能设备在国内的应用逐渐增多,其承担的功能也由最初的物资运输扩展到检验标本运输,服务的范围也由楼宇间、楼层间的远距离运输进入到实验室内部标本、物资运输。

实验室内部传统的标本传递一般都由人工搬运,这种方式效率较低,而且需要消耗人力,对于一些TAT时间要求比较短、有频繁的标本传送要求以及空间比较大的实验室,应用智能机器人运送系统则能有效解决这类问题,有利于提高工作效率,保证TAT。常见的实验室内智能机器人运送系统见图1。

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图1. 常见的实验室内智能标本运输系统

二、智能机器人标本运送系统工作原理

智能机器人标本运送系统集中了传感器技术、移动技术、操作控制技术、人工智能等技术,相当具有人的眼、耳、皮肤的视觉传感器、听觉传感器和触觉传感器,通过这些系统感知环境、进行动态决策与规划、实施行为控制与任务执行。我们可将其分为不同的模块,分别进行介绍。

1. 导航模块:在机器人运送系统的相关技术中,自主导航技术是其核心。自主导航是指机器人通过传感器感知环境和自身状态,实现在有障碍物的环境中面向目标的自主运动。自主导航系统可通过一定的检测手段获取机器人在空间中的位置、方向以及所处环境的信息;再用一定的算法对所获信息进行处理并建立环境模型;最后寻找一条最优或近似最优的无碰路径,实现机器人安全移动的路径规划。机器人运送系统目前常用的自主导航方式有激光定位导航、视觉定位导航、红外线定位导航、超声波定位导航、磁导航等。

磁导航是指在路面上贴磁条替代在地面下埋设金属线,通过磁感应信号实现导航,其灵活性差,改变或扩充路径不方便容易。

激光导航是通过激光测距建立小车的整套行驶路径地图,不需要任何的辅助材料,柔性化程度更高,适用于全局部署。这种导航方式是未来的大趋势,其最大的优点是定位精确;地面无需其他定位设施;行驶路径可灵活多变,能够适合多种现场环境。

视觉导航,是包含了摄像机(CCD图像传感器)、视频信号数字化设备、基于DSP的快速信号处理器、计算机及其外设等。其工作原理简单说来就是对机器人周边的环境进行光学处理,先用摄像头进行图像信息采集,将采集的信息进行压缩,然后将它反馈到一个由神经网络和统计学方法构成的学习子系统,再由学习子系统将采集到的图像信息和机器人的实际位置联系起来,完成机器人的自主导航定位功能。但该技术图像处理量巨大,一般计算机无法完成运算,实时性比较差,且容易受光线条件限制,无法在黑暗环境中进行工作。

超声波导航是由超声波传感器发射探头发射出超声波,超声波在介质中遇到障碍物而返回接收装置。通过接收自身发射的超声波反射信号,根据超声波发出及回波接收时间差及传播速度,计算出传播距离,就能得到障碍物到机器人的距离,但是这种定位导航技术容易受周围环境等以及障碍物阴影,表面粗糙度等外界环境的影响,适用范围较小导航精度差。

2. 行走与避障:在机器人运送系统的相关技术中,安全行走的关键技术是避障。避障是指机器人根据采集的障碍物的状态信息,在行走过程中通过传感器感知到妨碍其通行的静态和动态物体时,按照一定的方法进行有效地避障,最后达到目标点。实现避障与导航的必要条件是环境感知,在未知或者是部分未知的环境下避障需要通过传感器获取周围环境信息,包括障碍物的尺寸、形状和位置等信息,因此传感器技术在移动机器人避障中起着十分重要的作用。避障使用的传感器主要有超声传感器、视觉传感器、红外传感器、激光传感器等。常见的机器人大部分都是采用二维激光雷达导航。二维激光雷达是360度水平视场角的距离测量,其量程范围内的多数障碍物都能因为对激光的反射而被测量到,但是激光雷达无法检测雷达扫描平面以下物体,机器人无法根据雷达扫描测量障碍物距离的数据,实现准确避障。所以在实际应用中,散落在地上的物体、凸起的台阶、桌子和椅子等都会对激光雷达避障形成挑战。在一些复杂的场所,二维激光雷达无法胜任立体避障的工作,必须要为机器人配备其它的传感器作为补充,比如超声波传感器,它的成本非常低,实施简单,可识别透明物体,缺点是检测距离近,三维轮廓识别精度不好,所以对桌腿等复杂轮廓的物体识别不好,但是它可以识别玻璃、镜面等物体。还有深度相机,它具备三维的距离测量能力(同时具备水平和垂直视场角),因此,可以直接检测到立体的障碍物,为移动机器人提供三维的保护能力。

在机器人运送系统中,通常采用激光雷达来实现自主导航,用深度相机来实现立体避障,再用超声波来防护激光雷达和深度相机的检测盲点,实现机器人的智能移动。

3. 载物模块:载物模块可根据目标运载物的体积、重量、运输要求进行灵活设计。一般可分位箱式、抽屉式、冷链式和平板式几种类型。对于以实验室内为使用场景的运输机器人,一般设计为开放的平台式或平板式载物台,加设围栏防止掉落。根据实际需要,载物模块也可以设计成封闭式,甚至带有温控设备的模块,可实现运输过程全程封闭,并且实时监控温度,这类模式的运输机器人主要应用于实验室外部不同部门之间的物品传送。

4. 充电模块:运输机器人采用电池作为动力,由本身的计算机对其进行实时监控,当电池电压达到最低电压时,传送小车将继续执行完最后一次传送任务,然后控制中心将把传送小车送回充电站点。每次任务结束后,小车也会自动返回固定位置进行充电,无需操作人员值守。

5. 控制单元:每个运输机器人均有一个主控电脑及软件系统,控制其导航、行走、避障、载物以及温控和电量监控等功能。

三、智能机器人标本运送系在临床实验室中的应用

目前,检验标本从临床科室传送到实验室的物流系统已经有了很大提高,例如采用气动传输系统和轨道物流系统,但是检验标本送达到实验室后,经标本接收处分拣处理后进一步送到各个专业小组进行测定则基本停留在人工传送模式。通过人工传送这种传统的方式不但效率低,且消耗一定的人力成本。为解决这些问题,有些实验室建造了室内轨道传输系统运送标本,但这种方式成本比较高,且灵活性差,不适宜普遍推广。应用智能机器人标本运送系统,可以灵活设计路线,不需建造要特殊的轨道,并且可不间断工作,大大提高实验室内标本输送效率,尤其适用于人力短缺,对TAT要求较高的实验室。通过使用智能机器人运输系统可帮助优化实验室内标本转送过程,提高标本传输效率,减少人力运输,降低人力成本,提升自动化和智能化水平,提高实验室的管理能力。

智能机器人标本运送系统对于安装要求较低,要求运行路线中不能有太陡的斜坡且通道宽度要略宽于机器人最长宽度,需要布置无线网络,有安装充电桩的位置等。其安装实施的基本步骤如下: 

1. 确定站点:现场评估运送起始站点、样本接收站点,确定路线;每个站点均设置一个平板电脑作为呼叫和命令控制单元;

2. 设定充电站点;

3. 架设无线网络;

4. 建立运行平面图:连接机器人,手动遥控运行,在控制系统中定位起始点坐标和各个运输位点,建立运行平面地图;

5. 路线测试:由小车自主导航,运行设定路线,检查运行是否顺畅,是否会有撞击,避让是否及时;

6. 每个站点呼叫及出发指令功能测试;

7. 自动充电功能测试;

8. 细节修复:将不规则物体的大小框出,建立禁区,修正地图,避免机器人盲区导致的避让不及;

9. 重复测定至少50个来回无异常后投入使用。

本实验室于2017年引入了智能机器人标本运送系统,用于样本接收站与各检测区之间样本的传送。图2为智能机器人标本运送系统在本实验室运行路线示意图。如图所示为本科室局部实验区域,包括临检、生化、免疫、分子四个专业组,该区域每日处理临床样本约1万份。我们引入机器人传输系统,旨在解决工作人员频繁在各实验区域间传送样本,尤其是高频率转送急诊样本的问题(图中A站点到B站点)。目前该机器人已在实验室工作超过2年,其运行加速度可达到1.5m/s,平均运行速度设置为1m/s,每日在A、B间往返50-100次。该机器人可按照指定命令或远端呼叫的模式,遵照设定的路线,进行自主导航定平稳运行,在设定点之间往复运输标本。在运行途中可自动转弯,自主避开静止或移动的障碍物。其当其电量小于设定值时可自主寻找充电器并进行充电。

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注:A为起始位置,充电桩所在位置,B-E为样本送达站点,红色线条为运行路线图。A-B为已经运行路线,A-C-D-E为规划路线

图2. 智能机器人标本运送系统在临床实验室应用路线示意图

四、结语

智能机器人物流系统是一种新的物流工具,安装控制方便,智能化程度高,运行灵活。临床实验室可结合本身物资与样本的流转特点引入智能机器人系统,对于改进工作流程、提高工作效率可起到积极作用。


参考文献

1. 汤建平,程明. 传统医院物流智能化升级改造的探索与实践[J]. 中国医院建筑与装备, 2017, 18(1): 94-98.

2. 崔飞易. 医用物流系统在现代化医院中的应用分析[J]. 中国医疗设备, 2017, 32(2).

3. Rossetti M D, Felder R A, Kumar A. Simulation of robotic courier deliveries in hospital distribution services[J]. Health Care Manag Sci, 2000, 3(3): 201-13.

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