基于恒力控制方法的醫(yī)美機(jī)器人系統(tǒng)研究

劉鳳義 岳承濤

（上海機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，上海，200063）

0 引言

隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)年輕、美麗等外在美的追求從未停止，醫(yī)療美容、科技美容等產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)得到了蓬勃發(fā)展。據(jù)新聞報(bào)道，2021年中國(guó)醫(yī)美市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到2179億元，增長(zhǎng)率達(dá)12.4%，預(yù)計(jì)2025年中國(guó)醫(yī)美市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到4108億元。作為備受女性追捧的抗衰老醫(yī)美項(xiàng)目，熱瑪吉(Thermage)可以實(shí)現(xiàn)皮膚拉伸緊致的效果。其原理是：當(dāng)射頻電流作用于人體時(shí)，由于皮膚及皮下組織對(duì)電磁波存在阻抗性，組織細(xì)胞內(nèi)的水分子會(huì)發(fā)生震動(dòng)、旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生熱能，熱能作用于靶組織可破壞細(xì)胞，從而使組織收縮。與其他治療方法相比，熱瑪吉具有安全性高、副作用極小、患者耐受性好、恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)。熱瑪吉先后獲得美國(guó)FDA、歐盟CE認(rèn)證，風(fēng)靡歐美、日韓等80多個(gè)國(guó)家，并在全球范圍內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)50多萬(wàn)例臨床案例[1-3]。

熱瑪吉要求專業(yè)醫(yī)師親自操作，對(duì)醫(yī)師技術(shù)水平要求較高，在實(shí)際治療過程中需要長(zhǎng)時(shí)間、高精度、重復(fù)執(zhí)行打點(diǎn)工作，容易造成身體疲勞，導(dǎo)致方格打點(diǎn)定位精度及力度出現(xiàn)偏差等問題。筆者團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一款用于熱瑪吉治療的醫(yī)美機(jī)器人，希望能解決以上痛點(diǎn)問題，同時(shí)相信智慧醫(yī)美及其相關(guān)技術(shù)將會(huì)為醫(yī)美行業(yè)帶來(lái)革命性的變革。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

1）安全性。

由于醫(yī)美機(jī)器人是直接在客戶面部上進(jìn)行打點(diǎn)操作，因此安全性是醫(yī)美機(jī)器人設(shè)計(jì)中要解決的首要問題。醫(yī)美機(jī)器人需要具有完備的安全機(jī)制，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，機(jī)器人系統(tǒng)可以做到自動(dòng)避險(xiǎn)，避免對(duì)客戶造成傷害，保證打點(diǎn)作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性。

2）標(biāo)準(zhǔn)化。

為了便于申請(qǐng)醫(yī)療器械認(rèn)證，醫(yī)美機(jī)器人的所有設(shè)計(jì)均需符合中國(guó)醫(yī)療器械申請(qǐng)規(guī)范及相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，具體包括：

（a）電氣元器件選型需符合國(guó)家3C認(rèn)證；

（b）機(jī)器人設(shè)計(jì)符合《GB/T19974-2018醫(yī)療保健產(chǎn)品滅菌因子的特性及醫(yī)療器械滅菌過程的開發(fā)、確認(rèn)和常規(guī)控制的通用要求》《GB/T20145-2006燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》《GB/T37283-2019服務(wù)機(jī)器人電磁兼容通用標(biāo)準(zhǔn)抗擾度要求和限值》《GB/T37284-2019服務(wù)機(jī)器人電磁兼容通用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射要求和限值》《GB9706.1-2020醫(yī)用電氣設(shè)備第1部分：基本安全和基本性能的通用要求》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

醫(yī)美機(jī)器人系統(tǒng)由支架、機(jī)械臂（含夾具）、3D深度相機(jī)、屏幕監(jiān)控相機(jī)、觸控操作一體機(jī)系統(tǒng)、姿態(tài)變動(dòng)監(jiān)控單元、面部溫度監(jiān)控單元等部分組成。醫(yī)美機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 醫(yī)美機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)

1.3 硬件設(shè)計(jì)

1.3.1 支架

支架主要用于機(jī)械臂、控制柜和視覺組件的固定及定位，應(yīng)滿足以下要求：

1）方便整體移動(dòng)，支架腳輪要帶剎車，方便固定；

2）具備一定的剛性，保證機(jī)械臂與視覺組件之間的相對(duì)位置固定，可抵消機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性負(fù)載；

3）整體外形尺寸總高度不大于1900mm，總寬度不大于750mm，總長(zhǎng)度不大于800mm；

4）治療床兩側(cè)均需配備手持按鈕，客戶有不適或異常情況時(shí)可按下按鈕實(shí)現(xiàn)緊急停止。

1.3.2 機(jī)械臂

機(jī)械臂用于帶動(dòng)治療槍頭完成打點(diǎn)作業(yè)，不得裝置在客戶面部正上方。治療槍頭前端需具備約10mm軸向彈性浮動(dòng)行程。

1）機(jī)械臂負(fù)載能力不小于2kg（含夾具、治療槍、打點(diǎn)預(yù)壓力）；

2）治療槍端面運(yùn)動(dòng)區(qū)域不小于250mm×250mm×300mm（長(zhǎng)×寬×高），機(jī)械臂返回原點(diǎn)時(shí)需保證治療槍頭距離客戶頭部位置至少有80mm間距，方便客戶起身；

3）機(jī)械臂端部槍頭重復(fù)夾持定位精度不大于±0.25mm，夾具拆裝時(shí)間不大于15秒/次，槍頭點(diǎn)位變更不得采用滑移的方式。

1.3.3 3D深度相機(jī)

基于3D深度相機(jī)具備的三維建模及異形曲面定位技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶面部輪廓掃描建模、網(wǎng)格點(diǎn)位識(shí)別及定位引導(dǎo)等功能。

1）面部掃描建模時(shí)間不大于5s（含變位和掃描），單塊打點(diǎn)區(qū)域掃描建模時(shí)間不大于3s；

2）3D深度相機(jī)需具備網(wǎng)格中心尋點(diǎn)、中心點(diǎn)垂直軸向方位角識(shí)別、網(wǎng)格交叉點(diǎn)尋位、網(wǎng)格交叉點(diǎn)垂直軸向方位角識(shí)別、網(wǎng)格縱橫經(jīng)緯線方向識(shí)別等功能；

3）客戶面部額頭區(qū)域識(shí)別點(diǎn)位數(shù)量不少于2×6個(gè)（點(diǎn)位數(shù)量不少于12個(gè)，至少2行6列），單側(cè)臉頰區(qū)域識(shí)別點(diǎn)位數(shù)量不少于5×5個(gè)（點(diǎn)位數(shù)量不少于25個(gè)，至少5行5列）。

1.3.4 屏幕監(jiān)控相機(jī)

屏幕監(jiān)控相機(jī)用于監(jiān)控?zé)岈敿鳈C(jī)屏顯，以及識(shí)別故障代碼、打點(diǎn)完成和打點(diǎn)異常信號(hào)。

1）屏幕監(jiān)控相機(jī)中心焦距約350mm，視野面積約250mm×250mm；

2）相機(jī)軟件需自動(dòng)識(shí)別故障代碼及其對(duì)應(yīng)的異常情況（急停、暫停、結(jié)束），并給機(jī)械臂發(fā)送相應(yīng)信號(hào)；

3）相機(jī)需在可靠的機(jī)械連接位置固定。

1.4 軟件設(shè)計(jì)

1.4.1 觸控操作一體機(jī)系統(tǒng)

觸控操作一體機(jī)系統(tǒng)用于提供人機(jī)操作界面及系統(tǒng)設(shè)定，需具備以下功能：

1）可以選擇打點(diǎn)區(qū)域（額頭、左臉頰、右臉頰）；

2）可以選擇打點(diǎn)區(qū)域的起始點(diǎn)位，操作時(shí)需避開客戶面部敏感位置，打點(diǎn)順序可自動(dòng)調(diào)整；

3）提供打點(diǎn)區(qū)域?qū)崟r(shí)畫面，網(wǎng)格識(shí)別序號(hào)需逐一標(biāo)注，由操作醫(yī)師選擇起始點(diǎn)；

4）具備一鍵標(biāo)定功能，用于機(jī)械臂和相機(jī)拆裝以及位置變更后的重新標(biāo)定。

1.4.2 專家決策系統(tǒng)

當(dāng)機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，專家決策系統(tǒng)把異常警報(bào)信息與數(shù)據(jù)庫(kù)的決策數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，觸控顯示一體機(jī)上顯示決策建議結(jié)果，醫(yī)師或護(hù)士可以根據(jù)決策建議進(jìn)行操作。

1.4.3 姿態(tài)變動(dòng)監(jiān)控單元

姿態(tài)變動(dòng)監(jiān)控單元可實(shí)時(shí)監(jiān)控客戶頭部姿態(tài)變化情況，當(dāng)客戶面部網(wǎng)格點(diǎn)位變化超過±1.5mm時(shí)將觸發(fā)報(bào)警，機(jī)器人系統(tǒng)便停止工作。機(jī)器人系統(tǒng)復(fù)位后自動(dòng)重啟區(qū)域掃描，機(jī)械臂根據(jù)點(diǎn)位順序依次完成剩余點(diǎn)位的打點(diǎn)工作。

1.4.4 面部溫度監(jiān)控單元

面部溫度監(jiān)控單元可實(shí)時(shí)檢測(cè)打點(diǎn)槍工作時(shí)面部周邊皮膚溫度的變化情況，溫度檢測(cè)誤差不大于±0.2℃。

2 系統(tǒng)流程及算法

在實(shí)際應(yīng)用過程中，護(hù)士首先把網(wǎng)格紙轉(zhuǎn)印至客戶面部（額頭和左右臉頰），分配打點(diǎn)區(qū)域和點(diǎn)位后予以標(biāo)記，然后利用3D相機(jī)掃描面部打點(diǎn)區(qū)域后自動(dòng)建模，識(shí)別客戶面部網(wǎng)格位置并轉(zhuǎn)換到機(jī)器人坐標(biāo)系下，最后機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)網(wǎng)格采用恒力打點(diǎn)，醫(yī)美機(jī)器人系統(tǒng)全流程如圖2所示。

圖2 醫(yī)美機(jī)器人系統(tǒng)流程

2.1 手眼標(biāo)定算法

要實(shí)現(xiàn)像素坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，首先需要對(duì)醫(yī)美機(jī)器人機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行手眼標(biāo)定。機(jī)器人手眼標(biāo)定即為機(jī)器人坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換關(guān)系的標(biāo)定[4-6]。筆者采用12×9棋盤格做手眼標(biāo)定算法測(cè)試，如圖3所示。手眼標(biāo)定過程中始終保持棋盤格相對(duì)基座的位置關(guān)系不變，變換機(jī)器人末端位姿可計(jì)算出誤差最小的手眼矩陣，并對(duì)棋盤位置進(jìn)行計(jì)算得出測(cè)量誤差。

圖3 計(jì)算過程中的棋盤格

通過手眼矩陣計(jì)算標(biāo)定過程中，棋盤格在相機(jī)坐標(biāo)系下的位置，具體如圖4所示。由圖4可知，手眼標(biāo)定結(jié)果顯示誤差在2mm以內(nèi)，滿足機(jī)器人系統(tǒng)要求。

圖4 手眼標(biāo)定結(jié)果驗(yàn)證

2.2 恒力控制算法

為了實(shí)現(xiàn)恒力控制，筆者在機(jī)械臂末端安裝六維力傳感器以獲取外界接觸力。由于恒力方向?yàn)闄C(jī)械臂末端法向方向，且力傳感器末端需安裝槍頭，故需要對(duì)力傳感器進(jìn)行標(biāo)定與解耦。在機(jī)械臂沿著法線方向運(yùn)動(dòng)過程中采用導(dǎo)納控制方法實(shí)時(shí)獲取法向力，以控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度和位置，達(dá)到保持恒力的目的[7-8]。導(dǎo)納控制方法采用基于位置控制的內(nèi)環(huán)和力控制的外環(huán)策略，即通過二階導(dǎo)納模型生成一個(gè)附加的位置，該附加位置再去修正預(yù)先設(shè)定的位置軌跡，最終送入位置控制內(nèi)環(huán)，完成最終的位置控制。

機(jī)械臂導(dǎo)納模型為：

進(jìn)一步積分可得：

3 試驗(yàn)過程

本文通過恒力（-6.5N）對(duì)醫(yī)美機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行恒力控制算法測(cè)試，首先利用模擬面部的曲面模型做模擬測(cè)試，面部曲面模型的三維曲面建模的空間曲面和計(jì)算得到的法向量如圖5所示，圖中槍頭的法線方向以直線標(biāo)出。機(jī)械臂及槍頭測(cè)試結(jié)果如圖6所示，由結(jié)果可知，槍頭與模型貼合狀況良好。

圖5 面部曲面模型建模

圖6 機(jī)械臂及槍頭測(cè)試

筆者團(tuán)隊(duì)還在志愿者面部臉頰上進(jìn)行了打點(diǎn)測(cè)試，志愿者面部的三維建?？臻g曲面和計(jì)算得到的法向量如圖7所示，志愿者面部打點(diǎn)測(cè)試如圖8所示。測(cè)試結(jié)果顯示，實(shí)際接觸力與系統(tǒng)設(shè)定的恒力值之間最大誤差為4.92%，滿足醫(yī)美機(jī)器人系統(tǒng)要求，具體如圖9所示。

圖7 志愿者面部三維建模

圖8 機(jī)器人對(duì)志愿者面部打點(diǎn)測(cè)試

圖9 恒力控制算法測(cè)試

4 總結(jié)

為了解決醫(yī)師在熱瑪吉治療過程中長(zhǎng)時(shí)間、重復(fù)性工作的痛點(diǎn)問題，本文設(shè)計(jì)了一款用于熱瑪吉治療的醫(yī)美機(jī)器人系統(tǒng)，以輔助醫(yī)師執(zhí)行打點(diǎn)操作。該機(jī)器人系統(tǒng)可提高熱瑪吉人工打點(diǎn)操作的標(biāo)準(zhǔn)化程度，降低操作醫(yī)師的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)因熱瑪吉治療方案需根據(jù)客戶的皮膚狀況、疼痛耐受度及個(gè)性化需求做相應(yīng)調(diào)整，故給醫(yī)師的操作能力提出了很大的挑戰(zhàn)，醫(yī)美機(jī)器人系統(tǒng)的研究有望解決醫(yī)美行業(yè)的痛點(diǎn)問題，緩解專業(yè)醫(yī)生短缺的壓力。