CN111571611B - 一种基于面部及皮肤特征的面部作业机器人轨迹规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于面部及皮肤特征的面部作业机器人及其轨迹规划方法，包括以下步骤：(1)基于成年人头面部部分尺寸进行面部作业与非作业区域的划分；(2)综合分析面部皮肤朗格氏线与皱纹线两种皮肤张力线，针对不同位置面部作业区域设计机器人作业轨迹；(3)结合等平面法与二分法获取面部作业机器人轨迹曲线；(4)基于面部肌肤曲率的机器人作业轨迹优化；(5)基于最近邻算法选择最优面部作业区域轨迹点次序，实现机器人轨迹规划，得到面部作业机器人操作轨迹。本发明针对人体面部作业考虑面部粘弹性、皮肤各向异性和人体感受度等特性进行轨迹设计与规划，提高机器人操作的平稳性，减小冲击，以实现面部区域的高效、连贯操作。

Description

一种基于面部及皮肤特征的面部作业机器人轨迹规划方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种基于面部及皮肤特征的面部作业机器人及其轨迹规划方法。

背景技术

由于医疗康复、按摩保健、美容护理领域存在从业人员需求大、技能要求高、培养周期长、人工成本高等问题，与人体面部直接接触作业的机器人需求逐渐增多。目前国内外肌肤作业机器人轨迹规划研究中，应用于肢体恢复训练和治疗的康复机器人运动轨迹主要为设定的固定轨迹；应用于身体按摩的机器人主要是预定的点到点运动轨迹和由特征点拟合得到的线性运动轨迹；应用于面部口腔康复的机器人可通过在人脸CT图像上标记特征点拟合得到初始轨迹，结合肌肤弹性补偿量对初始轨迹进行修正，获得简单、局部的口腔按摩操作轨迹。这些轨迹规划方法获得的机器人作业轨迹轨迹点数量较少，适用性较差，且得到是面部局部区域操作轨迹，尚未检索到面向全脸区域的机器人作业轨迹规划方法。

不同于工业机器人或移动机器人，面向人体肌肤表面作业的机器人的作业对象为人体皮肤，具有粘弹性和各向异性等，同时皮肤具有复杂的解剖学结构，其力学性能也极其复杂；不同面部位置皮肤因内部组织分布的差异，使其力学性能表现不同；面部皮肤内更丰富的神经组织能够感知外界刺激，对外界刺激有着不同的反应，直接影响机器人面部作业中的人体感受度。为减少机器人面部操作时的摩擦力，提高人体感知度，需考虑面部皮肤粘弹性、各向异性、曲率变化大等进行机器人轨迹设计、优化及规划。

现有技术无法确保机器人在面部操作过程中能避开眼、鼻、口等关键部位，提高操作平稳性，减小冲击，高效、连贯地完成面部区域操作，因此，需要设计一种新的基于面部皮肤特征的面部肌肤作业机器人及其轨迹规划方法。

发明内容

本发明是目的在于提供一种基于面部及皮肤特征的面部作业机器人及其轨迹规划方法，针对人体面部作业机器人，在确保机器人面部操作安全有效性的同时，提高人体感受度。

本发明解决所述技术问题，采用以下技术方案：

一种基于面部及皮肤特征的面部作业机器人轨迹规划方法，其特征在于，其是基于面部安全作业区域、皮肤各向异性等皮肤特征进行面部作业机器人轨迹规划，确保机器人在操作过程中能避开眼、鼻、口等关键部位，提高操作平稳性，减小冲击，高效、连贯地完成面部区域操作，具体包括以下步骤：

(1)基于成年人头面部部分尺寸进行面部作业与非作业区域的划分；

(2)综合分析面部皮肤朗格氏线与皱纹线两种皮肤张力线，针对不同位置面部作业区域设计机器人作业轨迹；

(3)结合等平面法与二分法获取面部作业机器人轨迹曲线；

(4)基于面部肌肤曲率的机器人作业轨迹优化；

(5)基于最近邻算法选择最优面部作业区域轨迹点次序，实现机器人轨迹规划，得到面部作业机器人操作轨迹。

所述步骤(1)中选取国家标准《成年人头面部尺寸》(GB/T 2428.98)中女性头面部项目部分尺寸数据进行分析，作为面部区域划分依据，设定面部区域划分的参考尺寸数据为D_G-N与D_M1-M2，提取面部关键部位特征点，以眉毛中心点(EB)与鼻尖点(S)为参考点，通过横向宽度尺度D_M1-M2和纵向高度尺寸D_G-N约束划分面部作业区域；

进一步地，所述步骤(2)中分析了两种对皮肤延展与张力影响较大的皮肤张力线—面部皱纹线和朗格氏线，针对不同面部区域皮肤，结合其皮肤特征设计不同的操作轨迹，以实现较好的面部皮肤作业效果；

进一步地，所述步骤(3)中基于等平面法获得的轨迹曲线弯折变化明显，采用逐次二分法处理截交点数据改善轨迹曲线弯折情况；

进一步地，所述步骤(4)中利用近似求解方法求取面部轨迹点的法向曲率，设置一个阈值，当轨迹线中相邻轨迹点间的法曲率偏差值大于阈值，则在该两轨迹点间插补若干个点；

进一步地，所述步骤(5)中设定机器人的初始位置点，基于最近邻算法处理面部作业轨迹点，选择最优面部作业区域轨迹点次序，得到面部作业机器人操作轨迹。

本发明的优点在于：

与现有肌肤作业机器人及其轨迹规划方法相比，本方法综合考虑了面部皮肤特征、人体感受度、机器人操作安全性等进行面部作业机器人轨迹规划。划分面部作业区域划分，确保机器人在面部操作过程中能避开眼、鼻、口等关键部位；主要考虑面部皮肤各向异性，结合面部皱纹线和朗格氏线两种皮肤张力线，设计不同面部区域皮肤的操作轨迹，以实现较好的面部作业效果；基于面部曲率优化机器人作业轨迹，提高操作平稳性，减小冲击；基于最近邻算法进行面部作业机器人轨迹规划，实现机器人面部区域的连贯操作。

附图说明

图1为本发明基于面部及皮肤特征的面部作业机器人轨迹规划方法流程步骤图。

图2a为本发明面部作业区域划分中女子头面部测量项目示意图。

图2b为本发明面部作业区域划分示意图。

图3a为本发明面部皱纹线示意图。

图3b为本发明面部Langer线示意图。

图4a为本发明等平面法获取面部作业轨迹点示意图。

图4b为本发明基于逐次二分法的轨迹生成方法示意图。

图5a为本发明面部法向曲率近似求解示意图。

图5b为本发明简化的机器人面部作业轨迹示意图。

图6为本发明基于最近邻算法获取的简化机器人面部作业轨迹示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

参见图1-6，本发明实施例提供的基于面部及皮肤特征的面部作业机器人及其轨迹规划方法，可用于机器人轨迹规划领域，其是基于成年人头面部部分尺寸进行面部作业区域划分；考虑皮肤各向异性和面部皱纹，综合分析两种皮肤张力线，设计不同位置面部作业区域的机器人作业轨迹；结合等平面法与二分法获取面部机器人作业轨迹曲线；基于面部曲率的机器人作业轨迹优化；基于最近邻算法选择最优面部作业区域轨迹点次序，实现机器人轨迹规划，最终得到面部作业机器人操作轨迹，具体包括以下步骤：

S1、选取国家标准《成年人头面部尺寸》(GB/T 2428.98)中女性头面部项目部分尺寸数据进行分析，作为面部作业区域划分依据，女子头面部测量项目示意图见图2a。图中，点V为头顶点；点G为眉间点；点N为耳前点；点M1、M2分别为左口角点、右口角点；D_G-N为眉间点与耳前点间的距离，D_M1-M2为左右口角点间的横向距离；1、2、 3为女子头面部测量项目。

设定面部区域划分的参考尺寸数据为D_G-N与D_M1-M2，D_G-N值可由头顶点至眉间点距与头耳高尺寸求得，D_M1-M2值即为口宽尺寸。如图2b 所示，提取面部关键部位特征点，以眉毛中心点(EB)与鼻尖点(S)为参考点，通过横向宽度尺度D_M1-M2和纵向高度尺寸D_G-N将眼、鼻、口三个关键部位所在的区域定义为非作业区域，而面部其余区域定义为作业区域，包括额头及左右脸颊区域。

S2、面部皱纹线和朗格氏线(Langer线)是两种对皮肤延展与张力影响较大的皮肤张力线。面部皱纹线是皮肤表面自然形成的很多隆起和凹陷的纹路，可以使皮肤拉伸，就像百褶裙一样，使皮肤具有伸缩性。在日常的面部护理操作中，为了能抵抗面部皱纹带来的困扰，通常垂直面部皱纹线进行面部提拉操作与按摩，促进面部血液循环，减少皱纹，延缓肌肤衰老。Langer线表征皮肤延伸性优先方向，是皮肤各向异性的表现。沿着Langer线方向的皮肤内部弹力蛋白与胶原质纤维更容易延伸，进行面部护理操作顺应皮肤延展性方向，能减少操作中的摩擦阻碍，提高人体感受度。

图3a、3b所示分别为面部皱纹线和面部Langer线分布图，图中 H为面部额头区域，C为面部脸颊区域。在H区域，皱纹线和Langer 线走向趋势基本一致，考虑到H区域皮肤粘弹性小，皮肤伸缩性较延伸性表现明显，更多地考虑去皱功效，操作轨迹垂直于面部皱纹线。在C区域，皱纹线不完全垂直于Langer线，不同位置上不同程度上有一定的交角，考虑C区域皮肤的粘弹性明显，皮肤延伸性表现明显，为顺应皮肤延展性方向，减少摩擦力，提高人体感受度，同时实现一定的去皱功效，操作轨迹沿着面部Langer线。

S3、采用等平面法分别对面部额头及左右脸颊区域进行截交获取截交线。如图4a所示，定义一组沿Y方向且平行于X-Z平面的截平面 S＝{S₁,S₂,…,S_i,…,S_m}，m为截平面总数，各截平面间的偏移量为行距L。假设截平面S_i与面部肌肤曲面相交得到截交线上的截交点数为n，遍历与截平面S相交的面部模型上所有三角面片，判断三角面片与截平面S的位置关系，并分析其不同相交情况得到作业区域截交点P_C：

将所得的截交点P_C按冒泡排序连线，得到顺应作业方向的作业区域截交线C：

C＝{C₁,C₂,…,C_i,…,C_m}(i＝{1,2,…,m})

为改善作业轨迹弯折情况，采用逐次二分法处理截交点数据，设截交线C_i上的所有截交点构成闭区间

B_i1的中点为

将

作为新区间B_i2的边界值，即

B_i2的中点为

循环计算区间内的中点值，直至

(j为循环计算的总次数)，获得不同截交点区间B_ij对应的中点值

依次连接B_ij中每行截交线对应位置截交点，若对应区间内无截交点，则连接边界点

图4b所示为基于逐次二分法的轨迹生成方法示意图，图中紫色点分别为对应截交点区间B_i1,B_i2,B_i3(i＝1_,2,3_,4,5)中点

连接 B₁₃,B₂₃,B₃₃,B₄₃,B₅₃内第一个截交点得到红色轨迹线T_C1；连接第二个截交点，由于B₁₃,B₄₃,B₅₃内无第二个截交点，则连接

代替截交点，得到T_C2，按照上述方法连接B_i1,B_i2,B_i3内其他轨迹线，得到的面部操作轨迹弯折情况得到改善。

S4、基于面部曲率对不同面部区域的按摩轨迹进行优化，在曲率变化较大的位置进行轨迹点插补，增加轨迹点数量。面部肌肤曲面三维重构后为网格模型，无法直接计算曲线在网格顶点处的法曲率，只能通过近似求解方法求取。

如图5a所示，取面部网格模型上一顶点v，与其相关的n个三角面片组成的集合为T^v：

式中

v_ij,v_i(j+1)为顶点v第i个相关三角面片的两个顶点。

每个三角面片

的单位法矢量为

由下式求得：

根据每个三角面片的单位法矢量估算出在顶点v处的法向量N^v：

由三角网格上任一点法曲率公式求得在顶点v处的法曲率k^v为：

利用上述方法求取按摩轨迹每个轨迹点的法曲率，设置一个阈值 T_H，当轨迹线中相邻轨迹点间的法曲率偏差值大于阈值T_H，则在该两轨迹点间插补若干个点。曲率变化大的位置，轨迹点数量增加，相邻轨迹点间法向量变化变小，使机器人末端位姿变化更平滑。

结合S4分析得到图5b所示的简化的机器人面部作业轨迹示意图，图中黑色箭头表示各作业轨迹走向趋势；黄色点为轨迹点，在曲率较大位置的轨迹点数量较多；额头作业轨迹为t_h，左脸颊三部分作业轨迹分别为t_lf1,t_lf2,t_lf3，右脸颊三部分作业轨迹分别为t_rf1,t_rf2,t_rf3。

S5、基于最近邻算法进行机器人面部作业轨迹规划，优化选择最优的面部作业起始点及轨迹作业次序，得到最短机器人面部按摩路径，获得图6所示的简化机器人面部作业轨迹。

一种实施权利所述轨迹规划方法的基于面部及皮肤特征的面部作业机器人，如图6所示，该机器人以额头区域轨迹点H₁为机器人面部按摩的起点，对额头区域进行提拉按摩，运动到轨迹点H₂，完成第 1段面部按摩操作；接着运动到轨迹点CL₁₁，按照轨迹t_lf1，运动到轨迹轨迹点CL₁₂，完成第2段面部按摩操作；以此类推，依次完成轨迹t_lf2, t_lf3,t_rf1,t_rf2,t_rf3区域的第3～7段面部按摩操作。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于面部及皮肤特征的面部作业机器人轨迹规划方法，其特征在于，其是基于面部安全作业区域、皮肤各向异性皮肤特征进行面部作业机器人轨迹规划，确保机器人在操作过程中能避开眼、鼻、口关键部位，提高操作平稳性，减小冲击，高效、连贯地完成面部区域操作，具体包括以下步骤：

（1）基于成年人头面部部分尺寸进行面部作业与非作业区域的划分：

将女性头面部项目尺寸数据作为面部作业区域划分依据，包括：头顶点V至眉间点G的距离，即头顶点V至眉间点G的距离；头耳高，即耳前点N与头顶点V的距离；口宽，即左口角点M1与右口角点M2间的横向距离；提取面部关键部位特征点，以眉毛中心点EB与鼻尖点S为参考点，通过横向宽度口宽的尺度，和纵向高度头顶点V至眉间点G距离的尺寸，将眼、鼻、口三个关键部位所在的区域定义为非作业区域，而面部其余区域定义为作业区域，包括额头及左右脸颊区域；

（2）综合分析面部皮肤朗格氏线与皱纹线两种皮肤张力线，针对不同位置面部作业区域设计机器人面部作业轨迹；

（3）结合等平面法与二分法获取面部作业机器人轨迹曲线；

该基于等平面法获得的截交点间距离并不均匀，若直接依次连接每行截交线对应位置截交点，轨迹弯折变化明显，采用逐次二分法处理截交点数据改善获得的作业轨迹弯折情况，具体步骤为：

采用等平面法分别对面部额头及左右脸颊区域进行截交，获取截交线：定义一组沿

方向且平行于

平面的截平面

，m为截平面总数，各截平面间的偏移量为行距L。假设截平面

与面部肌肤曲面相交得到截交线上的截交点数为n，遍历与截平面S相交的面部模型上所有三角面片，判断三角面片与截平面S的位置关系，并分析其不同相交情况得到作业区域截交点

：

将所得的截交点按冒泡排序连线，得到顺应作业方向的作业区域截交线C：

为改善作业轨迹弯折情况，采用逐次二分法处理截交点数据，设截交线

上的所有截交点构成闭区间

，

的中点为

，将

作为新区间

的边界值，即

，

的中点为

，循环计算区间内的中点值，直至

( j为循环计算的总次数)，获得不同截交点区间

对应的中点值

。依次连接

中每行截交线对应位置截交点，若对应区间内无截交点，则连接边界点

；

（4）基于面部肌肤曲率的机器人作业轨迹优化；

（5）基于最近邻算法选择最优面部作业区域轨迹点次序，实现机器人轨迹规划，得到面部作业机器人操作轨迹。

2.根据权利要求1所述的基于面部及皮肤特征的面部作业机器人轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤（4）对颧骨及脸颊区域来说，皮肤法向曲率变化较大，机器人作业时末端法向量变化也较大，因此基于面部曲率对不同面部区域的作业轨迹进行优化，在曲率变化较大的位置进行轨迹点插补，增加轨迹点数量。

3.根据权利要求1所述的基于面部及皮肤特征的面部作业机器人轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤（5）不同面部区域的按摩作业优先级顺序直接影响机器人面部按摩路径的总长度，基于最近邻算法选择最优面部作业区域轨迹点次序，实现机器人轨迹规划，减少机器人空行程，提高作业效率。

4.一种实施权利要求1-3之一所述轨迹规划方法的基于面部及皮肤特征的面部作业机器人。

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