CN116476041B - 一种核酸采样机器人的力位混合控制方法及机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核酸采样机器人的力位混合控制方法及机器人，包括：根据采集的采样窗口的图像数据对机械臂进行安全运动规划，控制所述机械臂在预设位置夹取采样棉签；根据采集的受试者口腔的图像数据对所述机械臂进行约束运动规划，控制所述机械臂夹取的采样棉签到达咽后壁；根据力位混合控制策略控制所述机械臂夹取的采样棉签在咽喉部位进行采样，得到采样样本。本发明基于不同的采样阶段灵活使用不同的控制策略，充分发挥位置控制带来的高精度，同时能保证基于力反馈的及时响应，保证采样的有效性、舒适性和安全性，提高了采样效率。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及的是一种核酸采样机器人的力位混合控制方法及机器人。
背景技术
咽拭子的采集需要轻柔接触受试者敏感的咽喉，同时还要保证有效的采集力度，对采集设备有比较高的要求。
机器人在确定采集部位后，需要控制机械臂末端棉签机构运动到采样部位，这个过程机械臂一般处于位置控制模式，该模式对力缺乏反馈，容易伤害受试者引发咽痛呕吐等不良反应。然而为保证采样安全性，如果单纯使用力控制模式容易失去控制精度，难以定位到正确的采集部位，这可能会导致采样失败。因此机器人需要在不同阶段采用不同的控制策略。
因此，现有技术还有待改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术缺陷，本发明提供一种核酸采样机器人的力位混合控制方法及机器人，以解决现有的核算采样机器人的力控制精度低的技术问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种核酸采样机器人的力位混合控制方法，包括：
根据采集的采样窗口的图像数据对机械臂进行安全运动规划，控制所述机械臂在预设位置夹取采样棉签；
根据采集的受试者口腔的图像数据对所述机械臂进行约束运动规划，控制所述机械臂夹取的采样棉签到达咽后壁；
根据力位混合控制策略控制所述机械臂夹取的采样棉签在咽喉部位进行采样，得到采样样本。
在一种实现方式中，所述根据采集的采样窗口的图像数据对机械臂进行安全运动规划，之前包括：
通过机器人的机械臂末端的光学雷达相机采集采样窗口的图像数据；其中，所述采样窗口的图像数据中包括：所述采样棉签的提取位置、处理位置以及丢弃位置。
在一种实现方式中，所述根据采集的采样窗口的图像数据对机械臂进行安全运动规划，控制所述机械臂在预设位置夹取采样棉签，包括：
根据所述采样窗口的图像数据确定所述采样棉签的提取位置、处理位置以及丢弃位置；
根据所述提取位置、所述处理位置以及所述丢弃位置规划对应的安全运动轨迹；
根据规划的安全运动轨迹控制所述机械臂执行取所述采样棉签、剪所述采样棉签以及丢所述采样棉签的动作。
在一种实现方式中，根据采集的受试者口腔的图像数据对所述机械臂进行约束运动规划，之前包括：
通过机器人的机械臂末端的光学雷达相机采集受试者的图像数据和雷达数据，并根据所述图像数据和所述雷达数据识别得到所述受试者口腔的图像数据。
在一种实现方式中，所述根据采集的受试者口腔的图像数据对所述机械臂进行约束运动规划，控制所述机械臂夹取的采样棉签到达咽后壁，包括：
根据所述受试者口腔的图像数据和RT轨迹规划算法规划避开窗口障碍物、牙齿以及舌头的约束运动路径；
根据所述约束运动路径和分段控制策略控制所述机械臂夹取的采样棉签到达咽后壁。
在一种实现方式中，所述分段控制策略包括：
设定力阈值fthre；
判断运动过程中的受力fact是否小于fthre；
若受力fact小于fthre，则判定未触碰到所述受试者，并根据位置控制模式控制所述机械臂继续前进；
若受力fact等于或大于fthre，则判定触碰到所述受试者，并根据阻抗控制策略控制所述机械臂夹取的采样棉签到达咽后壁。
在一种实现方式中，所述力位混合控制策略，包括：
约束vx,vy,ωx,ωy,ωz方向上的运动，采用阻抗控制策略控制z方向，并根据期望力和输入力的差值控制所述机械臂的输出力保持在预设范围内。
在一种实现方式中，所述根据力位混合控制策略控制所述机械臂夹取的采样棉签在咽喉部位进行采样，包括：
控制所述机械臂夹取的棉签越过所述受试者的舌根，分别在所述受试者的扁桃***置和所述咽后壁上进行来回擦拭，并根据六维力传感器采集的力数据控制所述受试者的受力在预设范围内。
第二方面，本发明还提供一种机器人，包括：处理器以及存储器，所述存储器存储有核酸采样机器人的力位混合控制程序，所述核酸采样机器人的力位混合控制程序被所述处理器执行时用于实现如第一方面所述的核酸采样机器人的力位混合控制方法的操作。
第三方面，本发明还提供一种存储介质，所述存储介质为计算机可读存储介质，所述存储介质存储有核酸采样机器人的力位混合控制程序，所述核酸采样机器人的力位混合控制程序被处理器执行时用于实现如第一方面所述的核酸采样机器人的力位混合控制方法的操作。
本发明采用上述技术方案具有以下效果：
本发明根据采集的采样窗口的图像数据对机械臂进行安全运动规划，可以控制机械臂在预设位置夹取采样棉签；并且根据采集的受试者口腔的图像数据对机械臂进行约束运动规划，可以控制机械臂夹取的采样棉签到达咽后壁；以及根据力位混合控制策略控制机械臂夹取的采样棉签在咽喉部位进行采样，可以得到采样样本；本发明基于不同的采样阶段灵活使用不同的控制策略，充分发挥位置控制带来的高精度，同时能保证基于力反馈的及时响应，保证采样的有效性、舒适性和安全性，提高了采样效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明的一种实现方式中核酸采样机器人的力位混合控制方法的流程图。
图2是本发明的一种实现方式中力位混合控制的示意图。
图3是本发明的一种实现方式中机器人的功能原理图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
示例性方法
在核算采样的过程中，机器人在确定采集部位后，需要控制机械臂末端棉签机构运动到采样部位，这个过程机械臂一般处于位置控制模式，该模式对力缺乏反馈，容易伤害受试者引发咽痛呕吐等不良反应。然而为保证采样安全性，如果单纯使用力控制模式容易失去控制精度，难以定位到正确的采集部位，这可能会导致采样失败。因此机器人需要在不同阶段采用不同的控制策略。
针对上述存在的技术问题，本发明实施例提供一种核酸采样机器人的力位混合控制装置，该装置可以基于不同的采样阶段灵活使用不同的控制策略，充分发挥位置控制带来的高精度，同时能保证基于力反馈的及时响应，保证采样的有效性、舒适性和安全性，提高了采样效率。
如图1所示，本发明实施例提供一种核酸采样机器人的力位混合控制方法，包括以下步骤：
步骤S100，根据采集的采样窗口的图像数据对机械臂进行安全运动规划，控制所述机械臂在预设位置夹取采样棉签。
在本实施例中，所述核酸采样机器人的力位混合控制方法应用于上述核酸采样机器人的力位混合控制装置，该核酸采样机器人的力位混合控制装置设置于机器人中。
在本实施例中，根据采样过程对控制策略分为三个阶段，分别是安全运动阶段、约束运动阶段以及接触阶段。
在安全运动阶段中，需要根据通过机器人的机械臂末端的光学雷达相机进行实时拍摄，确定采样棉签的提取位置、处理位置以及丢弃位置。
具体地，在本实施例的一种实现方式中，步骤S100之前包括以下步骤：
步骤S101a，通过机器人的机械臂末端的光学雷达相机采集采样窗口的图像数据；其中，所述采样窗口的图像数据中包括：所述采样棉签的提取位置、处理位置以及丢弃位置。
在本实施例中，需要通过机器人的机械臂末端的光学雷达相机采集采样窗口的图像，提前记录采样棉签的提取位置、处理位置以及丢弃位置，以便于后续在安全运动阶段中沿着固定轨迹来运动，处理取棉签，剪棉签，丢棉签等无需接触人体的动作。
具体地，在本实施例的一种实现方式中，步骤S100包括以下步骤：
步骤S101，根据所述采样窗口的图像数据确定所述采样棉签的提取位置、处理位置以及丢弃位置；
步骤S102，根据所述提取位置、所述处理位置以及所述丢弃位置规划对应的安全运动轨迹；
步骤S103，根据规划的安全运动轨迹控制所述机械臂执行取所述采样棉签、剪所述采样棉签以及丢所述采样棉签的动作。
在本实施例中，在采集得到采样窗口的图像数据后，结合该采样窗口的图像数据和雷达测得的距离，即可实时确定采样棉签的提取位置、处理位置以及丢弃位置；之后，根据这些位置规划对应的安全运动轨迹。
在安全运动阶段，机械臂在操作空间内可以任意自由移动(即不会受到外界力的变化而改变轨迹，完全在位置模式下运动)，这个阶段的位置控制空间sd为单位矩阵，即机械臂完全处于位置控制，沿着固定轨迹来运动，处理取棉签，剪棉签，丢棉签等无需接触人体的动作。
本实施例的另一种实现方式中，还可以通过提前记录位置的方式设置取棉签点、棉签处理点、丢棉签点等等，因为是人工选取的位置，属于重复且固定的运动，不需要避开障碍物。
如图1所示，本发明实施例提供一种核酸采样机器人的力位混合控制方法，包括以下步骤：
步骤S200，根据采集的受试者口腔的图像数据对所述机械臂进行约束运动规划，控制所述机械臂夹取的采样棉签到达咽后壁。
在本实施例中，当机械臂开始从采样窗口伸出前往受试者咽喉时，这个阶段需要避免触碰采样窗口同时精准运动到采样部位，因此，这个阶段为约束运动阶段。
具体地，在本实施例的一种实现方式中，步骤S200之前包括以下步骤：
步骤S201a，通过机器人的机械臂末端的光学雷达相机采集受试者的图像数据和雷达数据，并根据所述图像数据和所述雷达数据识别得到所述受试者口腔的图像数据。
在本实施例中，在约束运动阶段中，需要通过机器人的机械臂末端的光学雷达相机采集受试者的图像数据和雷达数据，基于深度学习对人脸进行识别提取五官特征，判断受试者是否张开嘴巴，并通过语音进行提醒；待受试者张开嘴巴后，通过图像分割算法对拍摄的受试者的脸部图像进行分割，得到分割后的嘴部图像，然后通过雷达采集的嘴部内的深度数据，对分割后的嘴部图像进行标定，结合3D点云生成模型，融合点云特征完成咽喉部位关键点的3D定位，得到口腔3D点云。
具体地，在本实施例的一种实现方式中，步骤S200包括以下步骤：
步骤S201，根据所述受试者口腔的图像数据和RT轨迹规划算法规划避开窗口障碍物、牙齿以及舌头的约束运动路径；
步骤S202，根据所述约束运动路径和分段控制策略控制所述机械臂夹取的采样棉签到达咽后壁。
在本实施例中，得到口腔3D点云后，采用RRT轨迹规划算法，规划出一条能有效避开窗口障碍物以及牙齿舌头等阻碍采样部位的安全路径；其中，RRT轨迹规划算法主要是将深度相机采集的舌头和口腔3d点云，还有采样窗口的3d模型设置为障碍物，以及将机械臂当前点为起始点、咽后壁为目标点，基于快速拓展随机数(RRT)的路径规划算法，对路径进行搜索。
在本实施例中，在约束运动阶段中，仍是以位置控制为主，但是为了保证受试者的安全性，机械臂的运动又需要力反馈来调节。为了兼顾二者，本实施例中采用分段控制策略进行控制。
在本实施例中，分段控制策略如下：
设定力阈值fthre；
判断运动过程中的受力fact是否小于fthre；
若受力fact小于fthre，则判定未触碰到受试者，并根据位置控制模式控制机械臂继续前进；
若受力fact等于或大于fthre，则判定触碰到受试者，并根据阻抗控制策略控制机械臂夹取的采样棉签到达咽后壁。
在本实施例中，阻抗控制策略控制如下：
其中，Mm为惯性特性，Dm为阻尼特性，此处的刚度特性用传感器的力fact来代替，计算出加速度ax。出于安全考虑，加速度应当小于机械臂的硬件极限，因此当ax>amax时，ax＝amax。
如图1所示，本发明实施例提供一种核酸采样机器人的力位混合控制方法，包括以下步骤：
步骤S300，根据力位混合控制策略控制所述机械臂夹取的采样棉签在咽喉部位进行采样，得到采样样本。
在本实施例中，在触碰采样部位后，采样阶段进入接触阶段，这个阶段机械臂末端采样机构开始运动，为了保证采样的力度同时保证机械臂不会打到采样窗口，如图2所示，控制模式处于力位混合模式。
力位混合控制是一种对力控制和位置控制进行解耦的控制方法，目的是使机械臂在笛卡尔空间内能够对特定自由度独立的进行位置控制或是力控制。通常利用对角矩阵s将***分为力控制空间sf和位置控制空间sd。对角矩阵上的元素只有0和1，当力控制矩阵sf中的元素为1时，位置控制矩阵sd相对应的元素为0，这样形成一个互斥关系来唯一的确定笛卡尔空间下的每一个自由度的控制方式。位置反馈主要是通过机械臂编码器的关节角位移来求解末端位移，力反馈是利用末端的六维力传感器来检测接触的力并与期望力做差完成力反馈。
具体地，在本实施例的一种实现方式中，步骤S300包括以下步骤：
步骤S301，控制所述机械臂夹取的棉签越过所述受试者的舌根，分别在所述受试者的扁桃***置和所述咽后壁上进行来回擦拭，并根据六维力传感器采集的力数据控制所述受试者的受力在预设范围内。
在本实施例中，根据力位混合控制策略控制机械臂夹取的棉签越过受试者的舌根，分别在受试者的扁桃***置和咽后壁上进行来回擦拭，以进行采样。
在本实施例中，力位混合控制策略主要是约束vx,vy,ωx,ωy,ωz方向上的运动，采用阻抗控制策略控制z方向，并根据期望力和输入力的差值控制机械臂的输出力保持在预设范围内。此阶段，机械臂会根据期望力和输入力的差值进行有限范围的跟随。
如图2所示，图2中x代表机械臂要运动到的期待的位置，代表速度，/>代表加速度，sd、sf为提到的位置控制对角矩阵和力控制对角矩阵，fd是期望力。通过正交的方式，某些自由度是位置控制，某些自由度是力控制；本实施例中仅有z方向由力引导，其余方向由位置控制引导。结合两种控制率周期性的计算下一个机械臂要到达的笛卡尔坐标，再通过雅可比矩阵算出该坐标下的关节值，下发关节指令给电机执行，同时外部的工作环境一直提供力反馈，期望力和输入力做阻抗控制，使得力一直保持在期望力0.5N左右的误差范围内。
在本实施例的其他实现方式中，可以选择其他柔顺控制算法，或者利用柔顺机构来实现被动柔顺控制，例如，通过其他力传感器而非末端六维力传感器来做力学控制；这些对本实施例的变形方案均为本发明实施例的保护范围。
本实施例通过上述技术方案达到以下技术效果：
本实施例根据采集的采样窗口的图像数据对机械臂进行安全运动规划，可以控制机械臂在预设位置夹取采样棉签；并根据采集的受试者口腔的图像数据对机械臂进行约束运动规划，可以控制机械臂夹取的采样棉签到达咽后壁；以及根据力位混合控制策略控制机械臂夹取的采样棉签在咽喉部位进行采样，可以得到采样样本；本实施例基于不同的采样阶段灵活使用不同的控制策略，充分发挥位置控制带来的高精度，同时能保证基于力反馈的及时响应，保证采样的有效性、舒适性和安全性，提高了采样效率。
示例性设备
基于上述实施例，本发明还提供一种机器人，包括：通过***总线连接的处理器、存储器、接口、显示屏以及通讯模块；其中，所述处理器用于提供计算和控制能力；所述存储器包括存储介质以及内存储器；所述存储介质存储有操作***和计算机程序；所述内存储器为所述存储介质中的操作***和计算机程序的运行提供环境；所述接口用于连接外部设备，例如，移动终端以及计算机等设备；所述显示屏用于显示相应的信息；所述通讯模块用于与云端服务器或移动终端进行通讯。
所述计算机程序被所述处理器执行时用以实现一种核酸采样机器人的力位混合控制方法的操作。
本领域技术人员可以理解的是，图3中示出的原理框图，仅仅是与本发明方案相关的部分结构的框图，并不构成对本发明方案所应用于其上的机器人的限定，具体的机器人可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种机器人，其中，包括：处理器和存储器，所述存储器存储有核酸采样机器人的力位混合控制程序，所述核酸采样机器人的力位混合控制程序被所述处理器执行时用于实现如上所述的核酸采样机器人的力位混合控制方法的操作。
在一个实施例中，提供了一种存储介质，其中，所述存储介质存储有核酸采样机器人的力位混合控制程序，所述核酸采样机器人的力位混合控制程序被所述处理器执行时用于实现如上所述的核酸采样机器人的力位混合控制方法的操作。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一非易失性存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。
综上，本发明提供了一种核酸采样机器人的力位混合控制方法及机器人，包括：根据采集的采样窗口的图像数据对机械臂进行安全运动规划，控制所述机械臂在预设位置夹取采样棉签；根据采集的受试者口腔的图像数据对所述机械臂进行约束运动规划，控制所述机械臂夹取的采样棉签到达咽后壁；根据力位混合控制策略控制所述机械臂夹取的采样棉签在咽喉部位进行采样，得到采样样本。本发明基于不同的采样阶段灵活使用不同的控制策略，充分发挥位置控制带来的高精度，同时能保证基于力反馈的及时响应，保证采样的有效性、舒适性和安全性，提高了采样效率。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种核酸采样机器人的力位混合控制方法，其特征在于，包括：
根据采集的采样窗口的图像数据对机械臂进行安全运动规划，控制所述机械臂在预设位置夹取采样棉签；
根据采集的受试者口腔的图像数据对所述机械臂进行约束运动规划，控制所述机械臂夹取的采样棉签到达咽后壁；
根据力位混合控制策略控制所述机械臂夹取的采样棉签在咽喉部位进行采样，得到采样样本；
所述根据采集的受试者口腔的图像数据对所述机械臂进行约束运动规划，控制所述机械臂夹取的采样棉签到达咽后壁，包括：
根据所述受试者口腔的图像数据和RRT轨迹规划算法规划避开窗口障碍物、牙齿以及舌头的约束运动路径；
根据所述约束运动路径和分段控制策略控制所述机械臂夹取的采样棉签到达咽后壁；
所述分段控制策略包括：
设定力阈值fthre；
判断运动过程中的受力fact是否小于fthre；
若受力fact小于fthre，则判定未触碰到所述受试者，并根据位置控制模式控制所述机械臂继续前进；
若受力fact等于或大于fthre，则判定触碰到所述受试者，并根据阻抗控制策略控制所述机械臂夹取的采样棉签到达咽后壁；
所述阻抗控制策略控制如下：
其中，Mm为惯性特性；Dm为阻尼特性；fact为传感器的力，用于替代刚度特性；
ax为加速度，所述加速度小于所述机械臂的硬件极限，当ax>amax时，ax＝amax。
2.根据权利要求1所述的核酸采样机器人的力位混合控制方法，其特征在于，所述根据采集的采样窗口的图像数据对机械臂进行安全运动规划，之前包括：
通过机器人的机械臂末端的光学雷达相机采集采样窗口的图像数据；其中，所述采样窗口的图像数据中包括：所述采样棉签的提取位置、处理位置以及丢弃位置。
3.根据权利要求1所述的核酸采样机器人的力位混合控制方法，其特征在于，所述根据采集的采样窗口的图像数据对机械臂进行安全运动规划，控制所述机械臂在预设位置夹取采样棉签，包括：
根据所述采样窗口的图像数据确定所述采样棉签的提取位置、处理位置以及丢弃位置；
根据所述提取位置、所述处理位置以及所述丢弃位置规划对应的安全运动轨迹；
根据规划的安全运动轨迹控制所述机械臂执行取所述采样棉签、剪所述采样棉签以及丢所述采样棉签的动作。
4.根据权利要求1所述的核酸采样机器人的力位混合控制方法，其特征在于，根据采集的受试者口腔的图像数据对所述机械臂进行约束运动规划，之前包括：
通过机器人的机械臂末端的光学雷达相机采集受试者的图像数据和雷达数据，并根据所述图像数据和所述雷达数据识别得到所述受试者口腔的图像数据。
5.根据权利要求1所述的核酸采样机器人的力位混合控制方法，其特征在于，所述力位混合控制策略，包括：
约束vx,vy,ωx,ωy,ωz方向上的运动，采用阻抗控制策略控制z方向，并根据期望力和输入力的差值控制所述机械臂的输出力保持在预设范围内。
6.根据权利要求1所述的核酸采样机器人的力位混合控制方法，其特征在于，所述根据力位混合控制策略控制所述机械臂夹取的采样棉签在咽喉部位进行采样，包括：
控制所述机械臂夹取的棉签越过所述受试者的舌根，分别在所述受试者的扁桃***置和所述咽后壁上进行来回擦拭，并根据六维力传感器采集的力数据控制所述受试者的受力在预设范围内。
7.一种机器人，其特征在于，包括：处理器以及存储器，所述存储器存储有核酸采样机器人的力位混合控制程序，所述核酸采样机器人的力位混合控制程序被所述处理器执行时用于实现如权利要求1-6中任意一项所述的核酸采样机器人的力位混合控制方法的操作。
8.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质为计算机可读存储介质，所述存储介质存储有核酸采样机器人的力位混合控制程序，所述核酸采样机器人的力位混合控制程序被处理器执行时用于实现如权利要求1-6中任意一项所述的核酸采样机器人的力位混合控制方法的操作。
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