智能更换输液瓶机器人作品介绍
针对静脉输液无人看护所存在的安全隐患、空瓶警报滞后及多瓶换药依赖人工等问题，拟通过设计一款智能更换输液瓶机器人，具备连续输液无需人工，准确控制并预测液体流速，加热药液至人体最适温度，自动跟随，并实时显示当前输液情况和剩余时间。
一、核心技术
（一）机械结构技术
全向轮移动底盘：采用全向轮结构，并运用对称布局可调节式安装方式，能够灵活调整轮子的角度与位置，进而实现全方位移动。其原理是通过多个小轮组合，结合先进的控制算法，将运动学与动力学紧密结合。依据全向轮的运动特性，精确计算各个轮子的转速与转向，以达成全方位移动的目的。在这一过程中，充分考量机器人的质量、惯性、摩擦力等多种因素，精准控制电机输出扭矩，从而保障机器人在移动过程中始终保持平稳且精确的运动状态 。
迷你电动伸缩杆穿插结构：动力装置选用迷你电动伸缩杆，该伸缩杆具有极高的精度，能够精准地控制伸缩长度与位置，可稳定且精准地重复固定路径。其结构坚固耐用，拥有较长的使用时间寿命。并且，电机在停转时能够实现自锁功能，当遇到过大负载或阻力时，电机会自动停转，这一特性不仅保障了操作过程中的安全，还能有效避免设备因过载而损坏 。
齿轮传动自动换药结构：自动换药结构采用齿轮传动方式，通过合理设计齿轮的齿数，能够按照预定的精确比例传递运动和动力。所选用的优质齿轮材料，确保了该结构能够长时间稳定工作。驱动部分采用高精度的闭环步进电机，其具备闭环控制、高精度且不易丢步的显著优点，能够准确地驱动齿轮带动链条，使需要更换的输液瓶能够精准到达指定位置，为穿插结构顺利完成更换药瓶的任务提供有力支持 。
三轴联动调节扶手结构：设计了两种类型的扶手，旨在为使用者提供额外的支撑点。其中，软质PVC扶手具有适度的弹性，能够为使用者带来舒适的握持体验。该扶手采用先进的三轴联动调节机构，可根据患者的身形以及实际使用需求，灵活调整扶手的使用高度和角度，以满足不同患者的个性化需求 。
（二）控制系统技术
STM32核心控制器：采用功能强大的STM32作为核心控制器，其具备众多丰富的外设和通讯串口，能够全面掌控智能跟随与自动换瓶机器人各系统之间的通讯与运作，确保整个机器人系统高效、精准地运行 。
基于YOLO算法的视觉识别、定位和自动跟随系统：运用先进的YOLO算法识别人体特征，在开发过程中采集了涵盖多种人体状况及复杂环境的大量图像。YOLO作为一种能够同时检测多个对象及其位置的目标检测算法，以单个神经网络处理全图，经过针对性改进后，特别适用于实时目标检测场景。在本项目中，使用OpenMV库和视觉库将模型成功集成到程序中，然后借助YOLO算法准确识别人体特征并获取位置坐标，从而实现机器人对患者的精准定位与自动跟随功能 。
（三）人机交互功能技术
SD01液体检测模块实现滴速与余量监测：滴速与余量监测功能借助SD01液体检测模块得以实现，该模块能够在不接触透明液体的情况下，对输液过程进行实时监测，并将监测数据直观地显示在屏幕上，方便医护人员和患者实时观测输液情况。余量检测则利用红外对管监测输液容器液位，当药液余量下降至设定阈值时，液位变化会改变红外光路的遮挡状态，使得传感器输出信号发生相应变化。主控芯片通过阈值判断算法，将当前信号与预设余量临界值对应的信号特征进行对比，若两者匹配，则立即触发余量预警，及时提示更换输液瓶或停止输液 。
声光双重预警设计保障输液安全：系统时刻对滴速进行严密监测，一旦出现异常波动或者输液即将结束时，会即刻自动加紧输液管，有效防止空气进入人体对患者造成伤害。同时，利用声光双重提醒机制，通过报警器及时通知护士站的医护人员以及患者，确保在第一时间处理输液异常情况 。
DHT11温湿度复合传感加热器实现药液加热：为实现对药液温度的无人化监测和精准调控，采用DHT11温湿度复合传感加热器。该设备可以自动加热药液，并将药液温度保持在人体舒适的温度范围，有效提升患者在输液过程中的体感舒适度。此外，为保障安全，还特别配备了温度保险丝。与传统温控装置相比，本系统不仅降低了物料成本，还将操作流程简化为通电、设置、监控三步。其特别设计的防误触旋钮编码器与语音双重控制模式，使得医务人员能够在较短时间内快速完成参数设置。并且，该系统扩展支持RS - 485接口，可接入医院物联网平台，实现温度数据24小时连续记录与追溯，具有极高的临床实用价值 。
基于患者生理特征的闭环流量调控体系控制流速：本智能输液安全控制系统针对急性肺水肿预防的实际需求，精心构建了基于患者生理特征的闭环流量调控体系。通过高精度步进电机旋转带动凸轮，巧妙地通过挤压，减小距离来实现对滴速的精确控制。同时，针对不同人群的身体状况，设置了不同挡位的流速，使患者在输液过程中更加舒适。在安全防护层面，系统集成了光电滴速传感器与静脉压监测模块，当检测到15分钟内入量超过预设安全阈值或静脉压陡升（Δ>20mmHg/min）时，会自动触发三级响应，为不同生理特征的患者构筑起智能化的输液安全屏障 。
UVC紫外杀菌模块保障输液环境安全：采用UVC紫外杀菌模块，当机械臂完成输液瓶更换时，系统通过高精度光电传感器（响应时间<10ms）迅速检测针头回退位置，随后自动触发灭菌流程，利用紫外线对输液环境进行杀菌处理，然后再插入新的输液瓶，为患者提供一个安全无菌的输液环境 。
语音交互模块实现自然语义指令识别：采用先进的语音交互模块，内置高级神经网络处理器，能够高效处理深度学习中的大规模矩阵运算。搭载深度神经网络的DeepSpeech2架构，实现了对方言的自适应识别。医生和患者均可通过语音便捷地调节输液过程中的相关参数 。
高精度机器视觉实现药品信息识别：该智能输液系统通过高精度机器视觉，能够实现药品信息的毫秒级快速识别。结合语音提示、双重人工确认和机电联锁构成四重防护机制，使得核对错误率从0.37%大幅降至0.002%。系统配备了防误触设计（1.5秒确认键）和 AES - 256 加密数据库，硬件采用三层冗余电路设计，以保障系统的稳定性，从根本上有效解决了人工核对可靠性较低的问题 。
二、创新性
（一）自动换药创新设计
模块化机械结构与全闭环控制体系：采用舵机转动圆盘的独特设计，圆盘上可放置药瓶或药袋，瓶口由机械爪牢固固定，瓶塞穿刺器卡与微型自动伸缩杆相连，整个系统由单片机进行精准控制。护士只需将药瓶按顺时针顺序悬挂于圆盘下，并向机器人说出悬挂药瓶的数量即可完成操作。本智能多瓶续液系统采用先进的模块化机械结构设计，以STM32F407为主控制器构建全闭环控制体系，确保整个换药过程的精准性和稳定性 。
旋转载药模块与液位监测系统协同工作：旋转载药模块采用直径320mm的医用级聚碳酸酯转盘，配置MG90S金属齿轮舵机，具备强大的承载能力，可承载12瓶标准输液袋（50-1000ml规格）。通过光电编码器实现±0.5°的超高定位精度，保证药瓶在转动过程中的位置精准。液位监测系统采用红外光电对管（波长940nm）与电容式传感器双冗余检测方式，具有极高的灵敏度，可达±2ml。当余量< 5ml 时，会迅速触发换药流程，确保输液过程的连续性和安全性 。
智能化操作流程提升效率：操作流程实现了高度智能化，护士将药液按顺时针方向悬挂于转盘挂钩（采用防脱落卡扣设计），然后通过语音输入 “加载5瓶” 等指令（基于 CNN - LSTM 混合模型，识别率高达99.2%），系统会自动生成输液序列，极大地提高了换药操作的效率和准确性 。
（二）基于机器视觉的自动跟随创新系统
全向移动底盘架构实现高精度随动：机器人底座采用电机驱动的万向轮，当患者需要离开输液座位时，可启动自动跟随模式。通过视觉识别系统对患者特征进行快速提取，随后机器人对该特征进行准确判断后执行下一步动作。本智能随动输液系统采用全向移动底盘架构，能够实现±1°精度的全向移动，当视觉识别系统检测到患者起身动作时，通过CAN总线向驱动控制器迅速发送指令，在短短300ms内即可完成从驻车模式到随动模式的转换 。
解决患者移动时输液不便问题：这一创新设计有效解决了患者在须离开输液座位时，需要自己或看护人手举药瓶的不便，极大地减少了人力资源的占用，为患者提供了更加便捷、舒适的输液体验 。
（三）智能验药创新系统
多模态感知与决策保障用药安全：本智能验药系统通过多模态感知与决策机制，精心构建了药物安全双重复核体系，其核心由500万像素工业相机及医疗级人机交互模块构成。系统首先采用多光谱成像技术，快速采集药瓶标签信息，然后通过改进型YOLOv5算法实现药品名称、剂量、批号等关键信息的实时提取，并自动与医院HIS系统传输的电子医嘱数据进行比对 。
严格的告警与授权机制确保医疗质量：当检测到药品 ID、患者ID或剂量参数存在0.1%以上偏差时，系统会立即触发三级告警，同时锁定输液管路电磁阀禁止启动。护士需通过物理确认键完成最终授权，系统才会激活自动穿刺机构，为医疗质量管控提供了强有力的数字化支持，从根本上保障了患者的用药安全 。
