本公开涉及咽拭子采样，特别涉及一种仿变色龙的自生长咽拭子采样机器人及其采样方法。
背景技术：
1、面对传染性疾病和未来可能出现的突发状况，实现咽拭子采样过程的自动化，智能化非常重要。而传统的咽拭子采样机器人使用刚性机械臂抓持咽拭子末端，对患者进行采样检测。当前的咽拭子检测机器人存在着检测成本高，灵活性差，缺乏柔顺性，安全保障性差的问题。一些咽拭子机器人末端使用柔性手爪进行咽拭子采样，同样存在着检测成本高，工作范围有限，一体化差，对咽拭子的抓持力有限，难以进入人体口腔狭小空间等问题。
2、自生长机器人是一种新型的柔性机器人，可以通过增材制造或者材料外翻等方式，无限地延伸自身的长度，因此可应用于管道探索，机舱多余物回收，医疗导管等领域，对于狭小和非结构化的空间具有较强的适应性。而目前尚未见将自生长机器人应用于咽拭子采样的相关技术。
技术实现思路
1、本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
2、为此，本公开提供了一种仿变色龙的自生长咽拭子采样机器人及其采样方法，仿照变色龙“瞄准-发射-吞咽-回撤”的捕食流程并充分利用了自生长机器人的柔顺以及传送特性，通过自生长机器人内部的通道实现对咽拭子的抓取，本公开的采样机器人具有较强的柔顺性，可以在较低的成本下实现咽拭子的快速有效采集，同时可以有效保障患者的安全。
3、为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
4、本公开第一方面提供的一种仿变色龙的自生长咽拭子采样机器人，包括机器人本体、驱动存储机构，气动人工肌肉及末端执行机构；
5、所述机器人本体，由柔性材料通过气动方式自生长形成，在其内形成有与大气连通的内部通道，位于机器人末端的内部通道作为容纳咽拭子杆部的空间，根据所述机器人本体生长或回收过程中所述内部通道对咽拭子抓持长度的变化实现对咽拭子的抓持和释放，在所述内部通道的表面设有第一粗糙层，用于增强抓持咽拭子过程中的摩擦力；
6、所述驱动存储机构，与所述机器人本体的前端连接，用于存储所述机器人本体生长所需的柔性材料，同时为所述机器人本体的生长和回收提供动力；
7、所述气动人工肌肉，位于所述机器人本体的表面，通过所述气动人工肌肉长度的变化控制机器人末端的位姿；
8、所述末端执行机构，位于所述机器人本体末端，包括回收结构和数据采集模块，所述回收结构通过滚动摩擦的方式引导所述柔性材料以辅助所述机器人本体的回收，在所述回收结构内部形成有用于供所述内部通道穿过的空腔，所述数据采集模块安装于所述回收结构上，用于采集咽拭子采样过程中的触觉信息。
9、在一些实施例中，所述回收结构位于所述机器人本体末端的内部，包括支架、2个第二驱动电机、2个主动滚轮和至少3个引导滚轮；2个主动滚轮对称地位于所述支架的空腔内且靠近所述机器人本体末端的内部通道设置，所述主动滚轮的表面覆盖有与所述内部通道的侧壁相接触的第二粗糙层，以增加与所述柔性材料之间的摩擦力；各第二驱动电机安装于所述支架上用于驱动相应的一个主动滚轮转动，使所述第二粗糙层与所述内部通道的侧壁发生滚动摩擦，为回收所述柔性材料提供张力；各引导滚轮可转动地连接在所述支架的末端，且以圆周均布地方式布设，用于在回收时为引导所述柔性材料。
10、在一些实施例中，所述第一粗糙层和所述第二粗糙层均由硅胶浇筑而成，所述第一粗糙层为形成于所述内部通道的相对设置的两侧表面的条状结构，所述第二粗糙层完全覆盖所述主动滚轴的滚动面。
11、在一些实施例中，所述第一粗糙层和所述第二粗糙层的厚度为100μm～30μm。
12、在一些实施例中，数据采集模块包括内窥镜和贴片式力传感器；所述内窥镜通过磁吸的方式固定于所述支架上，且所述内窥镜位于所述机器人本体的外部，用于为咽拭子采样提供视觉感知；所述贴片式力传感器固定在所述机器人本体的内部通道末端，并与咽拭子杆部相接触的位置，用于为咽拭子采样提供切向力感知。
13、在一些实施例中，所述柔性材料选型尼龙或塑料薄膜。
14、在一些实施例中，所述驱动存储机构包括罐体、材料卷轴、电机外壳、第一驱动电机和联轴器；所述材料卷轴安装于所述罐体内，所述材料卷轴上缠绕有所述柔性材料；所述罐体的侧壁上分别设有第一安装孔和第二安装孔，所述柔性材料的一端通过密封连接在所述第一安装孔处的塞体安装于所述罐体上，且所述罐体与所述机器人本体连通，所述柔性材料的另一端则固定于所述材料卷轴上；在所述第二安装孔处密封设置与外部气管连接的气管接口，以为所述机器人本体的生长提供气体驱动；所述第一驱动电机设置在罐体外部并由所述电机外壳封装，所述第一驱动电机的输出轴穿过所述罐体表面后通过所述联轴器与所述材料卷轴连接。
15、在一些实施例中，所述气动人工肌肉位于所述机器人本体上相对设置的两侧表面，通过向所述气动人工肌肉充气使其膨胀，以减小所述气动人工肌肉的长度，使得所述机器人本体向人工气动肌肉长度减小的一侧摆动，实现对机器人末端位姿的改变。
16、本公开第二方面提供的一种基于本公开第一方面任一实施例所述咽拭子采样机器人的采样方法，包括：
17、步骤s1、通过控制所述机器人本体和所述气动人工肌肉的长度变化使所述机器人本体朝向咽拭子抓取区域生长直至机器人末端达到该区域，完成对咽拭子的抓取；
18、步骤s2、通过控制所述机器人本体和所述气动人工肌肉的长度变化使所述机器人末端达到采样区域，通过微调所述机器人本体和所述气动人工肌肉长度并利用所述数据采集模块完成对患者的咽拭子采样；
19、步骤s3、通过控制所述机器人本体和所述气动人工肌肉的长度变化使所述机器人本体的末端达到咽拭子回收区域，通过所述驱动存储机构和所述回收结构的配合完成咽拭子的释放和机器人主体的回收。
20、在一些实施例中，步骤s2中，待所述机器人末端达到采样区域后，使机器人末端朝向患者生长，在生长过程中，通过所述数据采集模块实时检测机器人末端的当前位姿和咽拭子伸入患者口腔的长度，配合所述气动人工肌肉实现对机器人末端的位姿微调，使咽拭子末端对准患者的咽喉处，随后利用所述数据采集模块采集的力觉信息判断是否与患者的咽喉发生安全接触，若判定发生了安全接触或者接触力超过设定阈值，则是机器人本体停止生长，并通过所述驱动存储机构和所述回收结构的配合使咽拭子离开患者口腔，结束步骤s2。
21、本公开具有以下特点及有益效果：
22、本公开提供的一种仿变色龙的自生长咽拭子采样机器人，采用自生长的方式对咽拭子进行采集。本机器人采用一体化的设计，将自生长机器人末端作为柔性末端执行器，通过自生长机器人长度的变化实现对咽拭子的抓取。对咽拭子的采样过程仿照了变色龙“瞄准-发射-吞咽-回撤”的捕食流程，机器人通过自身长度的变化来实现咽拭子头的抓取和咽拭子的采样，将机器人末端的内部通道直接作为机器人的末端执行器，充分利用了自生长机器人的柔顺性和传送特性，通过自生长机器人长度的变化来实现对咽拭子的抓取和释放，结构紧凑，一体化强，在狭小的空间具有较高的灵活性。通过在机器人本体末端的内部通道表面添加摩擦层作为仿壁虎刚毛结构，可以有效增加对咽拭子的抓持力。
23、相较于当前的咽拭子采样机器人，本公开提出的咽拭子采样机器人使用自生长的方式进行咽拭子采集，相较于传统的使用刚性机器人进行咽拭子采样的方式，主要存在着柔顺性强，鲁棒性强，价格更为低廉，检测效率高，同时具有更好的安全性的优势。
24、自生长机器人本体由柔性材料构成，通过调整机器人本体内部的气压及对咽拭子的抓尺长度，可以改变对咽拭子的抓持力，配合位于机器人末端的数据采集模块，可有效实现对咽拭子采样过程中的触觉感知，从而有效的保障整个采样流程的安全性。同时柔性自生长机器人具有较强的鲁棒性，机器人可以抓取和末端回收结构中心轴线呈一定夹角范围内的咽拭子，并通过回收的方式，可以自动调整至和末端回收结构中心轴线相平行的位置，降低了对于机器人抓持精度的要求。自生长机器人采用可更换的柔性材料，可以在采样结束后进行更换，保障了整个采样流程的安全卫生。
1.一种仿变色龙的自生长咽拭子采样机器人，其特征在于，包括机器人本体、驱动存储机构，气动人工肌肉及末端执行机构；
2.根据权利要求1所述的咽拭子采样机器人，其特征在于，所述回收结构位于所述机器人本体末端的内部，包括支架、2个第二驱动电机、2个主动滚轮和至少3个引导滚轮；2个主动滚轮对称地位于所述支架的空腔内且靠近所述机器人本体末端的内部通道设置，所述主动滚轮的表面覆盖有与所述内部通道的侧壁相接触的第二粗糙层，以增加与所述柔性材料之间的摩擦力；各第二驱动电机安装于所述支架上用于驱动相应的一个主动滚轮转动，使所述第二粗糙层与所述内部通道的侧壁发生滚动摩擦，为回收所述柔性材料提供张力；各引导滚轮可转动地连接在所述支架的末端，且以圆周均布地方式布设，用于在回收时为引导所述柔性材料。
3.根据权利要求2所述的咽拭子采样机机器人，其特征在于，所述第一粗糙层和所述第二粗糙层均由硅胶浇筑而成，所述第一粗糙层为形成于所述内部通道的相对设置的两侧表面的条状结构，所述第二粗糙层完全覆盖所述主动滚轴的滚动面。
4.根据权利要求2所述的咽拭子采样机机器人，其特征在于，所述第一粗糙层和所述第二粗糙层的厚度为100μm～30μm。
5.根据权利要求2所述的咽拭子采样机器人，其特征在于，数据采集模块包括内窥镜和贴片式力传感器；所述内窥镜通过磁吸的方式固定于所述支架上，且所述内窥镜位于所述机器人本体的外部，用于为咽拭子采样提供视觉感知；所述贴片式力传感器固定在所述机器人本体的内部通道末端，并与咽拭子杆部相接触的位置，用于为咽拭子采样提供切向力感知。
6.根据权利要求1所述的咽拭子采样机器人，其特征在于，所述柔性材料选型尼龙或塑料薄膜。
7.根据权利要求1所述的咽拭子采样机器人，其特征在于，所述驱动存储机构包括罐体、材料卷轴、电机外壳、第一驱动电机和联轴器；所述材料卷轴安装于所述罐体内，所述材料卷轴上缠绕有所述柔性材料；所述罐体的侧壁上分别设有第一安装孔和第二安装孔，所述柔性材料的一端通过密封连接在所述第一安装孔处的塞体安装于所述罐体上，且所述罐体与所述机器人本体连通，所述柔性材料的另一端则固定于所述材料卷轴上；在所述第二安装孔处密封设置与外部气管连接的气管接口，以为所述机器人本体的生长提供气体驱动；所述第一驱动电机设置在罐体外部并由所述电机外壳封装，所述第一驱动电机的输出轴穿过所述罐体表面后通过所述联轴器与所述材料卷轴连接。
8.根据权利要求1所述的咽拭子采样机器人，其特征在于，所述气动人工肌肉位于所述机器人本体上相对设置的两侧表面，通过向所述气动人工肌肉充气使其膨胀，以减小所述气动人工肌肉的长度，使得所述机器人本体向人工气动肌肉长度减小的一侧摆动，实现对机器人末端位姿的改变。
9.一种基于权利要求1～8中任一项所述咽拭子采样机器人的采样方法，其特征在于，包括：
10.根据权利要求9所述的采样方法，其特征在于，步骤s2中，待所述机器人末端达到采样区域后，使机器人末端朝向患者生长，在生长过程中，通过所述数据采集模块实时检测机器人末端的当前位姿和咽拭子伸入患者口腔的长度，配合所述气动人工肌肉实现对机器人末端的位姿微调，使咽拭子末端对准患者的咽喉处，随后利用所述数据采集模块采集的力觉信息判断是否与患者的咽喉发生安全接触，若判定发生了安全接触或者接触力超过设定阈值，则是机器人本体停止生长，并通过所述驱动存储机构和所述回收结构的配合使咽拭子离开患者口腔，结束步骤s2。
