劉鳳義 岳承濤

（上海機器人產(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)在國內(nèi)得到了蓬勃發(fā)展。據(jù)新聞報道，2021年中國醫(yī)美市場規(guī)模達到2179億元，增長率達12.4%，預(yù)計2025年中國醫(yī)美市場規(guī)模有望達到4108億元。作為備受女性追捧的抗衰老醫(yī)美項目，熱瑪吉(Thermage)可以實現(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，由于皮膚及皮下組織對電磁波存在阻抗性，組織細胞內(nèi)的水分子會發(fā)生震動、旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生熱能，熱能作用于靶組織可破壞細胞，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。熱瑪吉先后獲得美國FDA、歐盟CE認(rèn)證，風(fēng)靡歐美、日韓等80多個國家，并在全球范圍內(nèi)成功實現(xiàn)50多萬例臨床案例[1-3]。

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

1 總體方案設(shè)計

1.1 設(shè)計原則

1）安全性。

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

2）標(biāo)準(zhǔn)化。

為了便于申請醫(yī)療器械認(rèn)證，醫(yī)美機器人的所有設(shè)計均需符合中國醫(yī)療器械申請規(guī)范及相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，具體包括：

（a）電氣元器件選型需符合國家3C認(rèn)證；

（b）機器人設(shè)計符合《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》等國家標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

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

圖1 醫(yī)美機器人系統(tǒng)架構(gòu)

1.3 硬件設(shè)計

1.3.1 支架

支架主要用于機械臂、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，支架腳輪要帶剎車，方便固定；

2）具備一定的剛性，保證機械臂與視覺組件之間的相對位置固定，可抵消機械臂運動產(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可按下按鈕實現(xiàn)緊急停止。

1.3.2 機械臂

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

1）機械臂負(fù)載能力不小于2kg（含夾具、治療槍、打點預(yù)壓力）；

2）治療槍端面運動區(qū)域不小于250mm×250mm×300mm（長×寬×高），機械臂返回原點時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，夾具拆裝時間不大于15秒/次，槍頭點位變更不得采用滑移的方式。

1.3.3 3D深度相機

基于3D深度相機具備的三維建模及異形曲面定位技術(shù)，整個系統(tǒng)可實現(xiàn)對客戶面部輪廓掃描建模、網(wǎng)格點位識別及定位引導(dǎo)等功能。

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

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

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

1.3.4 屏幕監(jiān)控相機

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

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

2）相機軟件需自動識別故障代碼及其對應(yīng)的異常情況（急停、暫停、結(jié)束），并給機械臂發(fā)送相應(yīng)信號；

3）相機需在可靠的機械連接位置固定。

1.4 軟件設(shè)計

1.4.1 觸控操作一體機系統(tǒng)

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

1）可以選擇打點區(qū)域（額頭、左臉頰、右臉頰）；

2）可以選擇打點區(qū)域的起始點位，操作時需避開客戶面部敏感位置，打點順序可自動調(diào)整；

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

4）具備一鍵標(biāo)定功能，用于機械臂和相機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)機器人系統(tǒng)發(fā)生故障時，專家決策系統(tǒng)把異常警報信息與數(shù)據(jù)庫的決策數(shù)據(jù)進行匹配，觸控顯示一體機上顯示決策建議結(jié)果，醫(yī)師或護士可以根據(jù)決策建議進行操作。

1.4.3 姿態(tài)變動監(jiān)控單元

姿態(tài)變動監(jiān)控單元可實時監(jiān)控客戶頭部姿態(tài)變化情況，當(dāng)客戶面部網(wǎng)格點位變化超過±1.5mm時將觸發(fā)報警，機器人系統(tǒng)便停止工作。機器人系統(tǒng)復(fù)位后自動重啟區(qū)域掃描，機械臂根據(jù)點位順序依次完成剩余點位的打點工作。

1.4.4 面部溫度監(jiān)控單元

面部溫度監(jiān)控單元可實時檢測打點槍工作時面部周邊皮膚溫度的變化情況，溫度檢測誤差不大于±0.2℃。

2 系統(tǒng)流程及算法

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

圖2 醫(yī)美機器人系統(tǒng)流程

2.1 手眼標(biāo)定算法

要實現(xiàn)像素坐標(biāo)與實際坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，首先需要對醫(yī)美機器人機器視覺系統(tǒng)進行手眼標(biāo)定。機器人手眼標(biāo)定即為機器人坐標(biāo)系與相機坐標(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)定算法測試，如圖3所示。手眼標(biāo)定過程中始終保持棋盤格相對基座的位置關(guān)系不變，變換機器人末端位姿可計算出誤差最小的手眼矩陣，并對棋盤位置進行計算得出測量誤差。

圖3 計算過程中的棋盤格

通過手眼矩陣計算標(biāo)定過程中，棋盤格在相機坐標(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)，滿足機器人系統(tǒng)要求。

圖4 手眼標(biāo)定結(jié)果驗證

2.2 恒力控制算法

為了實現(xiàn)恒力控制，筆者在機械臂末端安裝六維力傳感器以獲取外界接觸力。由于恒力方向為機械臂末端法向方向，且力傳感器末端需安裝槍頭，故需要對力傳感器進行標(biāo)定與解耦。在機械臂沿著法線方向運動過程中采用導(dǎo)納控制方法實時獲取法向力，以控制機械臂的運動速度和位置，達到保持恒力的目的[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。

機械臂導(dǎo)納模型為：

進一步積分可得：

3 試驗過程

本文通過恒力（-6.5N）對醫(yī)美機器人系統(tǒng)進行恒力控制算法測試，首先利用模擬面部的曲面模型做模擬測試，面部曲面模型的三維曲面建模的空間曲面和計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。機械臂及槍頭測試結(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 機械臂及槍頭測試

筆者團隊還在志愿者面部臉頰上進行了打點測試，志愿者面部的三維建模空間曲面和計算得到的法向量如圖7所示，志愿者面部打點測試如圖8所示。測試結(jié)果顯示，實際接觸力與系統(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 機器人對志愿者面部打點測試

圖9 恒力控制算法測試

4 總結(jié)

為了解決醫(yī)師在熱瑪吉治療過程中長時間、重復(fù)性工作的痛點問題，本文設(shè)計了一款用于熱瑪吉治療的醫(yī)美機器人系統(tǒng)，以輔助醫(yī)師執(zhí)行打點操作。該機器人系統(tǒng)可提高熱瑪吉人工打點操作的標(biāo)準(zhǔn)化程度，降低操作醫(yī)師的勞動強度。同時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)美機器人系統(tǒng)的研究有望解決醫(yī)美行業(yè)的痛點問題，緩解專業(yè)醫(yī)生短缺的壓力。