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CN114949468B - 一种医用注射机器人的使用方法及其近红外反光标记贴 - Google Patents

一种医用注射机器人的使用方法及其近红外反光标记贴 Download PDF

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CN114949468B
CN114949468B CN202210605879.7A CN202210605879A CN114949468B CN 114949468 B CN114949468 B CN 114949468B CN 202210605879 A CN202210605879 A CN 202210605879A CN 114949468 B CN114949468 B CN 114949468B
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朱云龙
苏宇程
张文龙
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Guangzhou Aimuyi Technology Co ltd
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South China University of Technology SCUT
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Abstract

本发明公开了一种医用注射机器人的使用方法及其近红外反光标记贴，首先通过覆在注射皮肤表面的近红外反光标记贴和近红外光学定位仪，得到反光标记圆点的空间坐标，然后通过皮肤拟合曲面上的点的法向量关系求得注射点处皮肤表面法向量，根据输入的注射角度和注射深度建立进针点和注射点的坐标系，利用坐标系的矩阵转换得到坐标变换矩阵，通过逆运动学计算目标位置相应的关节角姿态，利用机械臂脚本函数驱动机械臂运动至相应的位置，实现注射行为。本发明无需图像导航和复杂机械结构的机械臂路径规划与进针深度跟踪，可以实现以合适注射角度和注射深度精准注射，提高了肌肉注射的成功率。

Description

一种医用注射机器人的使用方法及其近红外反光标记贴
技术领域
本发明涉及光学导航及手术机器人路径规划的技术领域，尤其是指一种医用注射机器人的使用方法及其近红外反光标记贴。
背景技术
肌肉注射是一种临床治疗的重要手段。肌肉组织中有充足的血液供应，有利于对注入药物的吸收，提高药物的利用率。注射针刺入的角度和深度是影响肌肉注射成功率的重要因素。由于注射的目的是将注射筒内的液体或气体输入到体液内，对注射针头的注入角度和深度有一定的要求，不合适的刺入角度和深度会使针头无法穿透皮下脂肪组织，导致注射失败。目前的肌肉注射主要以人工注射为主，其成功率较低，且主要取决于医护人员的临床经验。医护人员在注射时的判断错误或操作失误会导致注射角度和深度出现偏差，影响注射成功率。
手术机器人作为智能医疗设备，能在人体腔道、血管和神经密集区域完成精细的手术操作，具有稳定性好、操作灵活、运动精准、手眼协调等特点。从临床医学应用角度出发，手术机器人可分为神经外科手术机器人、骨科手术机器人、腹腔镜手术机器人等。其中，用于执行肌肉注射的手术机器人(以下简称注射机器人)可以精准到达指定注射部位，缓慢推动注射针头到合适注射深度，将注射器内的气体或液体输入人体内，达到治疗的效果。注射机器人能够以输入的特定角度使注射针精准刺入皮肤并将药物顺利输送至指定皮下深度，提高注射成功率；同时，这种机器人不需要第三方医护人员的辅佐，代替人工操作，实现了全自动化的肌肉注射，可以有效解决疫苗接种人员不足的问题。
然而，要想实现自主注射功能，注射机器人还急需解决如下技术问题。一是确定注射点处的人体皮肤的法向量。确定了注射点的皮肤法向量再结合特定的入射角度才能锁定注射针头在空间中的绝对位置，以已设定好的入射角度和深度进行注射。目前一般利用CT、MRI和US图像等成像扫描形式确定皮肤法向量，这类方法需要用到复杂的设备和技术方法，增加了注射用时，使注射效率低于人工注射。二是目前的手术机器人大多依赖医学影像的生成。医学成像往往需要额外的成像设备，对仪器、技术要求高，操作流程复杂。不利于注射机器人的临床推广。因此，需要一种适用于注射机器人的简单求解表面法向量方法，并实现无图像引导下的注射导航。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种医用注射机器人的使用方法及其近红外反光标记贴，无需图像导航和复杂机械结构的机械臂路径规划与进针深度跟踪，可以实现以合适注射角度和注射深度精准注射，提高了肌肉注射的成功率。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：
一种用于医用注射机器人的近红外反光标记贴，包括透明PU膜衬底，衬底中心处开有一个供针头穿过的圆孔，衬底上粘贴有多个直径大于圆孔的反光标记圆点，用于反射近红外光，其中一个反光标记圆点置于衬底中心，与衬底中心处的圆孔圆心重合，并覆盖整个圆孔，其余的反光标记圆点围绕衬底中心处的反光标记圆点呈正方形分布。
一种医用注射机器人的使用方法，该方法需要用到上述的近红外反光标记贴以及近红外光学定位仪、六自由度机械臂及其末端带标定工具的夹持器和注射器工具，所述近红外反光标记贴粘贴在人体皮肤表面，所述近红外光学定位仪放置在人体前方，所述六自由度机械臂放置在人体一侧，所述注射器工具固定在机械臂末端夹持器上，当注射器工具针尖到达注射点时，机械臂末端夹持器往前推动实现注射；该方法包括以下步骤：
1)利用近红外光学定位仪获取近红外反光标记贴上的各反光标记圆点在近红外光学定位仪下的坐标，通过坐标运算获取注射点的皮肤表面法向量n，并以注射点的皮肤表面法向量n为z轴建立注射点坐标系Oi；
2)向医用注射机器人输入注射角度α和进针点到注射点距离d，结合求得的注射点坐标系Oi利用闭合矩阵回路求得六自由度机械臂底座坐标系Ob到近红外光学定位仪坐标系Ol的变换矩阵Tbl；
3)结合六自由度机械臂的结构参数和DH表，运用逆向运动学转换，利用步骤2)求出的变换矩阵Tbl解出六自由度机械臂期望的关节角度信息q，再通过脚本函数控制六自由度机械臂到达期望位置，从而带动注射器工具针尖到达注射点，到达注射点后针尖刺入皮肤沿直线向前推进目标注射深度Do并完成注射操作。
进一步，所述步骤1)包括以下步骤：
1.1)利用六自由度机械臂末端的标定工具和近红外光学定位仪对机器人进行手眼标定；
1.2)手眼标定结束后，受注射者进入近红外光学定位仪视场范围内，将提供的近红外反光标记贴粘贴在已消毒的皮肤表面，使位于中心的反光标记圆点覆盖注射点，确保近红外反光标记贴与皮肤紧密接触，且处于近红外光学定位仪视场范围内；
1.3)近红外光学定位仪实时跟踪定位标记反光标记圆点，在此设计中，共五个反光标记圆点，编号为A、B、C、D、O，其中O点为位于近红外反光标记贴中心的反光标记圆点，得到反光标记圆点的空间坐标PA、PB、PC、PD、PO；受注射者表面皮肤用形如f(x,y)＝ax2+by2的二阶曲面拟合，式中，a、b为任意实数，x、y分别为在此曲面上的点的x轴、y轴分量；设PO＝(x0,y0,f(x0,y0))，x0、y0分别是近红外反光标记贴中心坐标的x轴分量和y轴分量，同时根据反光标记圆点在衬底上的相对位置得四个反光标记圆点坐标为：
A(x0-k,y0+k,f(x0-k,y0+k))
B(x0+k,y0+k,f(x0+k,y0+k))
C(x0+k,y0-k,f(x0+k,y0-k))
D(x0-k,y0-k,f(x0-k,y0-k))
式中，k为近红外反光标记贴的半边长；
利用向量坐标运算计算近红外反光标记贴中心指向近红外反光标记贴四个角的反光标记圆点的向量：
eOA＝PA-PO
eOB＝PB-PO
eOC＝PC-PO
eOD＝PD-PO
式中，eOA指由O点指向A点的向量；eOB指由O点指向B点的向量；eOC指由O点指向C点的向量；eOD指由O点指向D点的向量；
1.4)相邻两个向量进行叉乘计算，得到任意两个反光标记圆点与位于近红外反光标记贴中心的反光标记圆点组成的四个三角形平面的法向量为：
n1＝eOD×eOA＝(4ak2x0-2ak3-2bk3,4bk2y0,-2k2)
n2＝eOC×eOB＝(-4ak2x0-2ak3-2bk3,-4bk2y0,-2k2)
n3＝eOA×eOB＝(4ak2x0,2ak3+2bk3+4bk2y0,-2k2)
n4＝eOD×eOC＝(-4ak2x0,2ak3+2bk3-4bk2y0,2k2)
式中，n1是ΔODA所形成平面的法向量；n2是ΔOCB所形成平面的法向量；n3是ΔOAB所形成平面的法向量；n4是ΔODC所形成平面的法向量；
由叉乘求出的法向量的方向可能指向平面内侧或外侧，因此需要统一法向量的方向，最终得到四个向量的和为：
nsum＝n1-n2+n3-n4＝(16ak2x0,16bk2y0,-8k2)
式中，nsum为四个平面法向量的向量和；
根据皮肤表面的表达式，近红外反光标记贴中心点处即注射点的皮肤表面法向量n表示为：
n＝(2ax0,2by0,-1)
式中，n为根据二阶曲面方程求得的注射点的皮肤表面法向量；
此时，比较计算得到的注射点的皮肤表面法向量n和平面向量和得：
n//nsum
即，n与nsum两向量平行；
因此，通过近红外光学定位仪获得的各反光标记圆点坐标PA、PB、PC、PD、PO按上述过程计算得到注射点的皮肤表面法向量n；
1.5)建立注射点坐标系Oi：以注射点为坐标系的原点，使注射点的皮肤表面法向量n指的方向作为坐标系的z轴的正半轴，注射点的皮肤表面法向量n与向量eOA叉乘得到的向量的方向为x轴正半轴的方向，进而根据坐标系的正交关系得到y轴的单位向量；
1.6)在定位完毕后，受注射者将位于近红外反光标记贴中心的反光标记圆点撕下，露出衬底上的圆孔，方便后续注射针头的刺入。
进一步，所述步骤2)包括以下步骤：
2.1)根据不同的注射部位的特点和注射用量的要求，利用医用注射机器人的交互页面输入注射角度α和进针点S到注射点I距离d，其中注射角度α为进针方向与注射点的皮肤表面法向量n的夹角；
2.2)计算进针点S在注射点坐标系Oi下的坐标：为简化算法，使进针点S位于yoz平面上，规定当S位于y轴负半平面α时为负值，位于正半平面时为正值，则S点在Oi下坐标表示为[0 dsinα dcosα]T；
2.3)建立进针点坐标系Os：以[0 sinα cosα]T作为z轴方向向量，根据正交直角坐标系的建立原则，任意选择垂直[0 sinα cosα]T的向量作为x轴，最后确定y轴，得到进针点坐标系Os；
2.4)建立针尖坐标系Op：以近红外光学定位仪下的注射针头的实时坐标为原点，沿注射针方向作为z轴方向，根据正交直角坐标系的建立原则，任意选择垂直注射针的向量作为x轴，最后确定y轴，得到针尖坐标系Op；
2.5)构建注射点坐标系Oi和进针点坐标系Os的转换矩阵Tis：从Oi到Os的旋转矩阵Ris为：
则注射点坐标系Oi和进针点坐标系Os的转换矩阵Tis表示为：
式中，tis是从Oi到Os的平移向量；
2.6)构建机械臂末端的标定工具坐标系Oc和近红外光学定位仪坐标系Ol的转换矩阵Tcl：通过近红外光学定位仪获取机械臂末端的标定工具上的三个反光标记圆点a、b、c的坐标，记为Pa、Pb、Pc，根据坐标两两相减计算得到向量：
eab＝Pb-Pa
eac＝Pc-Pa
式中，eab为由a点指向b点的向量；eac为由a点指向c点的向量；
通过计算得到ez、ex、ey：
式中，eab×eac表示一种得到一个新向量的运算，此新向量的模长等于向量eab的模长乘以向量eac的模长再乘以eab、eac两个向量夹角的正弦值，新向量的方向为垂直于eab、eac两个向量的方向；||eab×eac||表示的是得到的新向量的模长；||eab||表示的是eab的模长；
以机械臂末端的标定工具的中心为坐标原点，ez、ex、ey分别为机械臂末端的标定工具坐标系Oc的z轴、x轴、y轴方向，定义近红外光学定位仪的坐标原点为[cx,cy,cz]T，则机械臂末端的标定工具坐标系Oc和近红外光学定位仪坐标系Ol的转换矩阵Tcl表示为：
式中，Rcl是由上述求得的三个向量ez、ex、ey组成的矩阵，tcl是近红外光学定位仪的坐标原点的坐标；
2.7)确定回路方程：当针尖坐标系Op与进针点坐标系Os重合时，说明针尖姿态满足进针角度要求，此时回路方程为：
式中，Tbl指的是六自由度机械臂底座坐标系Ob到近红外光学定位仪坐标系Ol的变换矩阵，Tcl指的是在机械臂末端夹持器上的标定工具坐标系Oc到近红外光学定位仪坐标系Ol的变换矩阵，Rpc指的是针尖坐标系Op中x轴、y轴、z轴的方向向量组成的矩阵，tcl指的是注射器针尖在机械臂末端夹持器上的标定工具坐标系Oc下的坐标，Tlb指的是近红外光学定位仪坐标系Ol到机械臂底座坐标系Ob的变换矩阵，在手眼标定过程中均已求出，Til是注射点坐标系Oi到近红外光学定位仪坐标系Ol的变换矩阵；因此，当给定注射角度α和进针点到注射点距离d时，即可求出Tbl，进而操纵六自由度机械臂使得注射器针头到达进针点且方向与注射角度吻合。
进一步，所述步骤3)包括以下步骤：
3.1)结合六自由度机械臂的结构参数和DH表，通过逆向运动学脚本函数将步骤2)求得的机械臂底座坐标系Ob到近红外光学定位仪坐标系Ol的变换矩阵Tbl转换为六自由度机械臂的关节角度信息q；将关节角度信息q输入控制六自由度机械臂运动的脚本函数，使六自由度机械臂进行运动并使针尖到达进针点S，再利用脚本函数使六自由度机械臂末端沿直线向前运动d使针尖到达注射点I；
3.2)跟踪进针深度：当到达注射点后，通过脚本函数控制机械臂末端沿着进针方向进行直线运动，刺入皮肤；定义D为注射针头刺入人体皮肤后，注射器针尖在近红外光学定位仪坐标系Ol下的坐标与注射点在近红外光学定位仪坐标系Ol的坐标Pi l的欧式距离；则D满足以下关系：
即注射器针尖坐标与注射点坐标的x轴、y轴、z轴分量各自相减之后进行平方运算，值相加，再开方；
3.3)通过机械臂通讯协议实时传输六自由度机械臂的位置信息，实时计算出D的值并和目标注射深度DO进行作差运算，若差值的绝对值为0，表示六自由度机械臂到达目标位置，则停止运动，否则一直通过机械臂的脚本函数控制六自由度机械臂运动；
3.4)当到达目标注射部位时，机械臂末端夹持器推动注射器工具完成注射。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明设计的近红外反光标记贴有效帮助机械臂确定注射位置。利用近红外反光标记贴可以实现皮肤法向量的求取。医用注射机器人可以根据贴在皮肤上的标记贴的坐标，利用向量的叉乘求得皮肤法向量，并基于此调整机械臂的注射角度，简单快速，避免了点云和复杂计算。
2、本发明克服了现有手术机器人系统的不足和缺点，能迅速确定注射点处人体皮肤法向量和实现路径规划，而无需图像导航和复杂机械结构，实现无需图像导航和复杂机械结构的机械臂路径规划与进针深度跟踪，降低成本，简化肌肉注射的过程，提高了肌肉注射的效率。
3、本发明可以实现以某一特定角度精准入射，同时实现注射深度的实时跟踪，确保注射的准确性和有效性，有效解决了肌肉注射难以准确实现以合适注射角度和注射深度注射的问题，提高了肌肉注射的成功率。
4、本发明实现了全自动化的肌肉注射，有望解决人工疫苗接种存在的医疗系统中疫苗接种人员数量不足、长时间接种工作易产生疲劳感、易受病毒感染等问题。
附图说明
图1为本发明实施例1的近红外反光标记贴示意图之一。
图2为本发明实施例1的近红外反光标记贴示意图之二。
图3为本发明实施例2的医用注射机器人的使用方法流程图。
图4为本发明实施例2的医用注射机器人的实际应用场景图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
参见图1和图2所示，本实施例提供了一种用于医用注射机器人的近红外反光标记贴，包括边长为2cm的透明PU膜衬底101，衬底中心处开有一个供针头穿过的直径为5mm的圆孔103，衬底上粘贴有5个直径大于圆孔103的反光标记圆点102，用于反射近红外光，反光标记圆点102的直径为6mm，其中一个反光标记圆点102置于衬底中心，与衬底中心处的圆孔103圆心重合，并覆盖整个圆孔103，其余的4个反光标记圆点102围绕衬底中心处的反光标记圆点102呈正方形分布。
实施例2
参见图2和图3所示，本实施例提供了一种医用注射机器人的使用方法，该方法需要用到实施例1的近红外反光标记贴1以及近红外光学定位仪2、六自由度机械臂3及其末端的夹持器4和注射器工具5，近红外反光标记贴1粘贴在人体受注射部位的皮肤表面，近红外光学定位仪2位于受注射者正前方，方便获取被注射部位的各反光标记圆点102的坐标，六自由度机械臂3位于受注射者的侧方，靠近被注射部位。所述夹持器4包括注射器夹持部分401、电动滑动模组402和标定工具403，用于获取注射针尖的坐标，当注射器工具针尖到达注射点时，机械臂末端夹持器4往前推动实现注射。
以下为本实施例所述医用注射机器人的具体使用方法，具包括以下步骤：
1)利用近红外光学定位仪获取近红外反光标记贴上的各反光标记圆点在近红外光学定位仪下的坐标，通过坐标运算获取注射点的皮肤表面法向量n，并以注射点的皮肤表面法向量n为z轴建立注射点坐标系Oi，包括以下步骤：
1.1)利用六自由度机械臂末端的标定工具和近红外光学定位仪对机器人进行手眼标定；
1.2)手眼标定结束后，受注射者进入近红外光学定位仪视场范围内，将提供的近红外反光标记贴粘贴在已消毒的皮肤表面，使位于中心的反光标记圆点覆盖注射点，确保近红外反光标记贴与皮肤紧密接触，且处于近红外光学定位仪视场范围内；
1.3)近红外光学定位仪实时跟踪定位标记反光标记圆点，在此设计中，共五个反光标记圆点，编号为A、B、C、D、O，其中O点为位于近红外反光标记贴中心的反光标记圆点，得到反光标记圆点的空间坐标PA、PB、PC、PD、PO；受注射者表面皮肤用形如f(x,y)＝ax2+by2的二阶曲面拟合，式中，a、b为任意实数，x、y分别为在此曲面上的点的x轴、y轴分量；设PO＝(x0,y0,f(x0,y0))，x0、y0分别是近红外反光标记贴中心坐标的x轴分量和y轴分量，同时根据反光标记圆点在衬底上的相对位置得四个反光标记圆点坐标为：
A(x0-k,y0+k,f(x0-k,y0+k))
B(x0+k,y0+k,f(x0+k,y0+k))
C(x0+k,y0-k,f(x0+k,y0-k))
D(x0-k,y0-k,f(x0-k,y0-k))
式中，k为近红外反光标记贴的半边长；
利用向量坐标运算计算近红外反光标记贴中心指向近红外反光标记贴四个角的反光标记圆点的向量：
eOA＝PA-PO
eOB＝PB-PO
eOC＝PC-PO
eOD＝PD-PO
式中，eOA指由O点指向A点的向量；eOB指由O点指向B点的向量；eOC指由O点指向C点的向量；eOD指由O点指向D点的向量；
1.4)相邻两个向量进行叉乘计算，得到任意两个反光标记圆点与位于近红外反光标记贴中心的反光标记圆点组成的四个三角形平面的法向量为：
n1＝eOD×eOA＝(4ak2x0-2ak3-2bk3,4bk2y0,-2k2)
n2＝eOC×eOB＝(-4ak2x0-2ak3-2bk3,-4bk2y0,-2k2)
n3＝eOA×eOB＝(4ak2x0,2ak3+2bk3+4bk2y0,-2k2)
n4＝eOD×eOC＝(-4ak2x0,2ak3+2bk3-4bk2y0,2k2)
式中，n1是ΔODA所形成平面的法向量；n2是ΔOCB所形成平面的法向量；n3是ΔOAB所形成平面的法向量；n4是ΔODC所形成平面的法向量；
由叉乘求出的法向量的方向可能指向平面内侧或外侧，因此需要统一法向量的方向，最终得到四个向量的和为：
nsum＝n1-n2+n3-n4＝(16ak2x0,16bk2y0,-8k2)
式中，nsum为四个平面法向量的向量和；
根据皮肤表面的表达式，近红外反光标记贴中心点处即注射点的皮肤表面法向量n表示为：
n＝(2ax0,2by0,-1)
式中，n为根据二阶曲面方程求得的注射点的皮肤表面法向量；
此时，比较计算得到的注射点的皮肤表面法向量n和平面向量和得：
n//nsum
即，n与nsum两向量平行；
因此，通过近红外光学定位仪获得的各反光标记圆点坐标PA、PB、PC、PD、PO按上述过程计算得到注射点的皮肤表面法向量n；
1.5)建立注射点坐标系Oi：以注射点为坐标系的原点，使注射点的皮肤表面法向量n指的方向作为坐标系的z轴的正半轴，注射点的皮肤表面法向量n与向量eOA叉乘得到的向量的方向为x轴正半轴的方向，进而根据坐标系的正交关系得到y轴的单位向量；
1.6)在定位完毕后，受注射者将位于近红外反光标记贴中心的反光标记圆点撕下，露出衬底上的圆孔，方便后续注射针头的刺入。
2)向医用注射机器人输入注射角度α和进针点到注射点距离d，结合求得的注射点坐标系Oi利用闭合矩阵回路求得六自由度机械臂底座坐标系Ob到近红外光学定位仪坐标系Ol的变换矩阵Tbl，包括以下步骤：
2.1)根据不同的注射部位的特点和注射用量的要求，利用医用注射机器人的交互页面输入注射角度α和进针点S到注射点I距离d，其中注射角度α为进针方向与注射点的皮肤表面法向量n的夹角；
2.2)计算进针点S在注射点坐标系Oi下的坐标：为简化算法，使进针点S位于yoz平面上，规定当S位于y轴负半平面α时为负值，位于正半平面时为正值，则S点在Oi下坐标表示为[0 dsinα dcosα]T；
2.3)建立进针点坐标系Os：以[0 sinα cosα]T作为z轴方向向量，根据正交直角坐标系的建立原则，任意选择垂直[0 sinα cosα]T的向量作为x轴，最后确定y轴，得到进针点坐标系Os；
2.4)建立针尖坐标系Op：以近红外光学定位仪下的注射针头的实时坐标为原点，沿注射针方向作为z轴方向，根据正交直角坐标系的建立原则，任意选择垂直注射针的向量作为x轴，最后确定y轴，得到针尖坐标系Op；
2.5)构建注射点坐标系Oi和进针点坐标系Os的转换矩阵Tis：从Oi到Os的旋转矩阵Ris为：
则注射点坐标系Oi和进针点坐标系Os的转换矩阵Tis表示为：
式中，tis是从Oi到Os的平移向量；
2.6)构建机械臂末端的标定工具坐标系Oc和近红外光学定位仪坐标系Ol的转换矩阵Tcl：通过近红外光学定位仪获取机械臂末端的标定工具上的三个反光标记圆点a、b、c的坐标，记为Pa、Pb、Pc，根据坐标两两相减计算得到向量：
eab＝Pb-Pa
eac＝Pc-Pa
式中，eab为由a点指向b点的向量；eac为由a点指向c点的向量；
通过计算得到ez、ex、ey：
式中，eab×eac表示一种得到一个新向量的运算，此新向量的模长等于向量eab的模长乘以向量eac的模长再乘以eab、eac两个向量夹角的正弦值，新向量的方向为垂直于eab、eac两个向量的方向；||eab×eac||表示的是得到的新向量的模长；||eab||表示的是eab的模长；
以机械臂末端的标定工具的中心为坐标原点，ez、ex、ey分别为机械臂末端的标定工具坐标系Oc的z轴、x轴、y轴方向，定义近红外光学定位仪的坐标原点为[cx,cy,cz]T，则机械臂末端的标定工具坐标系Oc和近红外光学定位仪坐标系Ol的转换矩阵Tcl表示为：
式中，Rcl是由上述求得的三个向量ez、ex、ey组成的矩阵，tcl是近红外光学定位仪的坐标原点的坐标；
2.7)确定回路方程：当针尖坐标系Op与进针点坐标系Os重合时，说明针尖姿态满足进针角度要求，此时回路方程为：
式中，Tbl指的是六自由度机械臂底座坐标系Ob到近红外光学定位仪坐标系Ol的变换矩阵，Tcl指的是在机械臂末端夹持器上的标定工具坐标系Oc到近红外光学定位仪坐标系Ol的变换矩阵，Rpc指的是针尖坐标系Op中x轴、y轴、z轴的方向向量组成的矩阵，tcl指的是注射器针尖在机械臂末端夹持器上的标定工具坐标系Oc下的坐标，Tlb指的是近红外光学定位仪坐标系Ol到机械臂底座坐标系Ob的变换矩阵，在手眼标定过程中均已求出，Til是注射点坐标系Oi到近红外光学定位仪坐标系Ol的变换矩阵；因此，当给定注射角度α和进针点到注射点距离d时，即可求出Tbl，进而操纵六自由度机械臂使得注射器针头到达进针点且方向与注射角度吻合。
3)结合六自由度机械臂的结构参数和DH表，运用逆向运动学转换，利用步骤2)求出的变换矩阵Tbl解出六自由度机械臂期望的关节角度信息q，再通过脚本函数控制六自由度机械臂到达期望位置，从而带动注射器工具末端到达注射点，到达注射点后针尖刺入皮肤沿直线向前推进目标注射深度Do并完成注射操作，包括以下步骤：
3.1)结合六自由度机械臂的结构参数和DH表，通过逆向运动学脚本函数将步骤2)求得的机械臂底座坐标系Ob到光学定位仪坐标系Ol的变换矩阵Tbl转换为六自由度机械臂的关节角度信息q；将关节角度信息q输入控制六自由度机械臂运动的脚本函数，使六自由度机械臂进行运动并使针尖到达进针点S，再利用脚本函数使六自由度机械臂末端沿直线向前运动d使针尖到达注射点I；
3.2)跟踪进针深度：当到达注射点后，通过脚本函数控制机械臂末端沿着进针方向进行直线运动，刺入皮肤；定义D为注射针头刺入人体皮肤后，注射器针尖在近红外光学定位仪坐标系Ol下的坐标与注射点在近红外光学定位仪坐标系Ol的坐标Pi l的欧式距离；则D满足以下关系：
即注射器针尖坐标与注射点坐标的x轴、y轴、z轴分量各自相减之后进行平方运算，值相加，再开方。
3.3)通过机械臂通讯协议实时传输六自由度机械臂的位置信息，实时计算出D的值并和目标注射深度DO进行作差运算，若差值的绝对值为0，表示六自由度机械臂到达目标位置，则停止运动，否则一直通过机械臂的脚本函数控制六自由度机械臂运动；
3.4)当到达目标注射部位时，机械臂末端夹持器推动注射器工具完成注射。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于医用注射机器人的近红外反光标记贴，其特征在于：包括透明PU膜衬底，衬底中心处开有一个供针头穿过的圆孔，衬底上粘贴有多个直径大于圆孔的反光标记圆点，用于反射近红外光，其中一个反光标记圆点置于衬底中心，与衬底中心处的圆孔圆心重合，并覆盖整个圆孔，其余的反光标记圆点围绕衬底中心处的反光标记圆点呈正方形分布。
2.一种医用注射机器人的使用方法，其特征在于：该方法需要用到权利要求1所述的近红外反光标记贴以及近红外光学定位仪、六自由度机械臂及其末端带标定工具的夹持器和注射器工具，所述近红外反光标记贴粘贴在人体皮肤表面，所述近红外光学定位仪放置在人体前方，所述六自由度机械臂放置在人体一侧，所述注射器工具固定在机械臂末端带标定工具的夹持器上；该方法包括以下步骤：
1)利用近红外光学定位仪获取近红外反光标记贴上的各反光标记圆点在近红外光学定位仪下的坐标，通过坐标运算获取注射点的皮肤表面法向量n，并以注射点的皮肤表面法向量n为z轴建立注射点坐标系Oi；
2)向医用注射机器人输入注射角度α和进针点到注射点距离d，结合求得的注射点坐标系Oi利用闭合矩阵回路求得六自由度机械臂底座坐标系Ob到近红外光学定位仪坐标系Ol的变换矩阵Tbl；
3)结合六自由度机械臂的结构参数和DH表，运用逆向运动学转换，利用步骤2)求出的变换矩阵Tbl解出六自由度机械臂期望的关节角度信息q，再通过脚本函数控制六自由度机械臂到达期望位置，从而带动注射器工具针尖到达注射点。
3.根据权利要求2所述的一种医用注射机器人的使用方法，其特征在于，所述步骤1)包括以下步骤：
1.1)利用六自由度机械臂末端的标定工具和近红外光学定位仪对机器人进行手眼标定；
1.2)手眼标定结束后，受注射者进入近红外光学定位仪视场范围内，将提供的近红外反光标记贴粘贴在已消毒的皮肤表面，使位于中心的反光标记圆点覆盖注射点，确保近红外反光标记贴与皮肤紧密接触，且处于近红外光学定位仪视场范围内；
1.3)近红外光学定位仪实时跟踪定位标记反光标记圆点，在此设计中，共五个反光标记圆点，编号为A、B、C、D、O，其中O点为位于近红外反光标记贴中心的反光标记圆点，得到反光标记圆点的空间坐标PA、PB、PC、PD、PO；受注射者表面皮肤用形如f(x,y)＝ax2+by2的二阶曲面拟合，式中，a、b为任意实数，x、y分别为在此曲面上的点的x轴、y轴分量；设PO＝(x0,y0,f(x0,y0))，x0、y0分别是近红外反光标记贴中心坐标的x轴分量和y轴分量，同时根据反光标记圆点在衬底上的相对位置得四个反光标记圆点坐标为：
A(x0-k,y0+k,f(x0-k,y0+k))
B(x0+k,y0+k,f(x0+k,y0+k))
C(x0+k,y0-k,f(x0+k,y0-k))
D(x0-k,y0-k,f(x0-k,y0-k))
式中，k为近红外反光标记贴的半边长；
利用向量坐标运算计算近红外反光标记贴中心指向近红外反光标记贴四个角的反光标记圆点的向量：
eOA＝PA-PO
eOB＝PB-PO
eOC＝PC-PO
eOD＝PD-PO
式中，eOA指由O点指向A点的向量；eOB指由O点指向B点的向量；eOC指由O点指向C点的向量；eOD指由O点指向D点的向量；
1.4)相邻两个向量进行叉乘计算，得到任意两个反光标记圆点与位于近红外反光标记贴中心的反光标记圆点组成的四个三角形平面的法向量为：
n1＝eOD×eOA＝(4ak2x0-2ak3-2bk3,4bk2y0,-2k2)
n2＝eOC×eOB＝(-4ak2x0-2ak3-2bk3,-4bk2y0,-2k2)
n3＝eOA×eOB＝(4ak2x0,2ak3+2bk3+4bk2y0,-2k2)
n4＝eOD×eOC＝(-4ak2x0,2ak3+2bk3-4bk2y0,2k2)
式中，n1是ΔODA所形成平面的法向量；n2是ΔOCB所形成平面的法向量；n3是ΔOAB所形成平面的法向量；n4是ΔODC所形成平面的法向量；
由叉乘求出的法向量的方向可能指向平面内侧或外侧，因此需要统一法向量的方向，最终得到四个向量的和为：
nsum＝n1-n2+n3-n4＝(16ak2x0,16bk2y0,-8k2)
式中，nsum为四个平面法向量的向量和；
根据皮肤表面的表达式，近红外反光标记贴中心点处即注射点的皮肤表面法向量n表示为：
n＝(2ax0,2by0,-1)
式中，n为根据二阶曲面方程求得的注射点的皮肤表面法向量；
此时，比较计算得到的注射点的皮肤表面法向量n和平面向量和得：
n//nsum
即，n与nsum两向量平行；
因此，通过近红外光学定位仪获得的各反光标记圆点坐标PA、PB、PC、PD、PO按上述过程计算得到注射点的皮肤表面法向量n；
1.5)建立注射点坐标系Oi：以注射点为坐标系的原点，使注射点的皮肤表面法向量n指的方向作为坐标系的z轴的正半轴，注射点的皮肤表面法向量n与向量eOA叉乘得到的向量的方向为x轴正半轴的方向，进而根据坐标系的正交关系得到y轴的单位向量；
1.6)在定位完毕后，受注射者将位于近红外反光标记贴中心的反光标记圆点撕下，露出衬底上的圆孔。
4.根据权利要求3所述的一种医用注射机器人的使用方法，其特征在于，所述步骤2)包括以下步骤：
2.1)根据不同的注射部位的特点和注射用量的要求，利用医用注射机器人的交互页面输入注射角度α和进针点S到注射点I距离d，其中注射角度α为进针方向与注射点的皮肤表面法向量n的夹角；
2.2)计算进针点S在注射点坐标系Oi下的坐标：为简化算法，使进针点S位于yoz平面上，规定当S位于y轴负半平面α时为负值，位于正半平面时为正值，则S点在Oi下坐标表示为[0dsinα dcosα]T；
2.3)建立进针点坐标系Os：以[0 sinα cosα]T作为z轴方向向量，根据正交直角坐标系的建立原则，任意选择垂直[0 sinα cosα]T的向量作为x轴，最后确定y轴，得到进针点坐标系Os；
2.4)建立针尖坐标系Op：以近红外光学定位仪下的注射针头的实时坐标为原点，沿注射针方向作为z轴方向，根据正交直角坐标系的建立原则，任意选择垂直注射针的向量作为x轴，最后确定y轴，得到针尖坐标系Op；
2.5)构建注射点坐标系Oi和进针点坐标系Os的转换矩阵Tis：从Oi到Os的旋转矩阵Ris为：
则注射点坐标系Oi和进针点坐标系Os的转换矩阵Tis表示为：
式中，tis是从Oi到Os的平移向量；
2.6)构建机械臂末端的标定工具坐标系Oc和近红外光学定位仪坐标系Ol的转换矩阵Tcl：通过近红外光学定位仪获取机械臂末端的标定工具上的三个反光标记圆点a、b、c的坐标，记为Pa、Pb、Pc，根据坐标两两相减计算得到向量：
eab＝Pb-Pa
eac＝Pc-Pa
式中，eab为由a点指向b点的向量；eac为由a点指向c点的向量；
通过计算得到ez、ex、ey：
式中，eab×eac表示一种得到一个新向量的运算，此新向量的模长等于向量eab的模长乘以向量eac的模长再乘以eab、eac两个向量夹角的正弦值，新向量的方向为垂直于eab、eac两个向量的方向；||eab×eac||表示的是得到的新向量的模长；||eab||表示的是eab的模长；
以机械臂末端的标定工具的中心为坐标原点，ez、ex、ey分别为机械臂末端的标定工具坐标系Oc的z轴、x轴、y轴方向，定义近红外光学定位仪的坐标原点为[cx,cy,cz]T，则机械臂末端的标定工具坐标系Oc和近红外光学定位仪坐标系Ol的转换矩阵Tcl表示为：
式中，Rcl是由上述求得的三个向量ez、ex、ey组成的矩阵，tcl是近红外光学定位仪的坐标原点的坐标；
2.7)确定回路方程：当针尖坐标系Op与进针点坐标系Os重合时，说明针尖姿态满足进针角度要求，此时回路方程为：
式中，Tbl指的是六自由度机械臂底座坐标系Ob到近红外光学定位仪坐标系Ol的变换矩阵，Tcl指的是在机械臂末端夹持器上的标定工具坐标系Oc到近红外光学定位仪坐标系Ol的变换矩阵，Rpc指的是针尖坐标系Op中x轴、y轴、z轴的方向向量组成的矩阵，tcl指的是注射器针尖在机械臂末端夹持器上的标定工具坐标系Oc下的坐标，Tlb指的是近红外光学定位仪坐标系Ol到机械臂底座坐标系Ob的变换矩阵，在手眼标定过程中均已求出，Til是注射点坐标系Oi到近红外光学定位仪坐标系Ol的变换矩阵；因此，当给定注射角度α和进针点到注射点距离d时，即可求出Tbl，进而操纵六自由度机械臂使得注射器针头到达进针点且方向与注射角度吻合。
5.根据权利要求4所述的一种医用注射机器人的使用方法，其特征在于，所述步骤3)包括以下步骤：
3.1)结合六自由度机械臂的结构参数和DH表，通过逆向运动学脚本函数将步骤2)求得的机械臂底座坐标系Ob到近红外光学定位仪坐标系Ol的变换矩阵Tbl转换为六自由度机械臂的关节角度信息q；将关节角度信息q输入控制六自由度机械臂运动的脚本函数，使六自由度机械臂进行运动并使针尖到达进针点S，再利用脚本函数使六自由度机械臂末端沿直线向前运动d使针尖到达注射点I。
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