人体生理样本采集系统的制作方法

本发明涉及人体生理样本采集技术领域，具体涉及一种人体生理样本采集系统。

背景技术：

在国内，新冠疫情的防控已经得到有效控制，但在境外疫情依然严峻，国内局部区域散点爆发的风险依然存在。核酸检查作为鉴定新冠病毒的金标准，依赖于核酸采样样本的代表性和准确性，通过投入大规模的一线医护人员集中人工采样可以获得大量样本，但是其投入人力成本高，医护人员间质控较难控制，同时也存在高风险暴露传染的风险。

因此，目前亟需一种可以对人体生理样本进行自动采集的采集系统。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本申请实施方式提供了一种人体生理样本采集系统，可以实现对人体生理样本的自动采集，减轻人力成本消耗，提升采集效率。

第一方面，本申请的实施方式提供了一种人体生理样本采集系统，包括：

采集装置；

机械臂，机械臂的末端设置有夹持装置和激光雷达，其中，夹持装置用于夹持采集装置，激光雷达用于向机械臂的末端指向的方向发送雷达信号，并接收返回的激光雷达数据；

控制装置，用于根据激光雷达数据，获取包含有待采集对象的目标器官的待定位图像；根据待定位图像，确定目标器官的位置信息；根据位置信息，将采集装置移动至目标器官；控制采集装置从目标器官向待采集对象的目标位置移动，分别获取采集装置在向待采集对象的目标位置移动的过程中采集装置头部在第一方向、第二方向和第三方向的作用力以及扭矩，第一方向为采集装置前进的方向，第一方向、第二方向和第三方向相互垂直；根据采集装置头部在第一方向的反作用力、采集装置头部在第一方向的反方向的扭矩、采集装置头部在第二方向的作用力以及扭矩、采集装置头部在第三方向的作用力以及扭矩，控制采集装置到达待采集对象的目标位置，以获取目标位置的生理样本。

第二方面，本申请实施方式提供一种人体生理样本采集方法，该方法应用于人体生理样本采集系统，该人体生理样本采集系统包括采集装置、机械臂和控制装置，机械臂的末端设置有夹持装置和激光雷达，夹持装置用于夹持采集装置，该采集方法包括：

激光雷达向机械臂的末端指向的方向发送雷达信号，并接收返回的激光雷达数据；

控制装置根据激光雷达数据，获取包含有待采集对象的目标器官的待定位图像；

根据待定位图像，确定目标器官的位置信息；

根据位置信息，将采集装置移动至目标器官；

控制采集装置从目标器官向待采集对象的目标位置移动，分别获取采集装置在向待采集对象的目标位置移动的过程中采集装置头部在第一方向、第二方向和第三方向的作用力以及扭矩，第一方向为采集装置前进的方向，第一方向、第二方向和第三方向相互垂直；

根据采集装置头部在第一方向的反作用力、采集装置头部在第一方向的反方向的扭矩、采集装置头部在第二方向的作用力以及扭矩、采集装置头部在第三方向的作用力以及扭矩，控制采集装置到达待采集对象的目标位置，以获取目标位置的生理样本。

第三方面，本申请实施方式提供一种电子设备，包括：处理器，处理器与存储器相连，存储器用于存储计算机程序，处理器用于执行存储器中存储的计算机程序，以使得电子设备执行如第一方面中的方法。

第四方面，本申请实施方式提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序使得计算机执行如第一方面中的方法。

第五方面，本申请实施方式提供一种计算机程序产品，计算机程序产品包括存储了计算机程序的非瞬时性计算机可读存储介质，计算机可操作来使计算机执行如第一方面中的方法。

本申请的实施方式提供了一种可以实现人体生理样本的自动采集的采集系统，其通过激光雷达实现对待采集对象的目标器官的精准识别，在通过机械臂实现对人体生理样本的自动采集，减轻人力成本消耗，提升采集效率，同时，降低了采集人员受感染的几率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，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获得其他的附图。

图1为本申请实施方式提供的一种人体生理样本采集系统的示意图；

图2为本申请实施方式提供的一种控制装置的功能模块组成框图；

图3为本申请实施方式提供的一种人体生理样本采集方法的流程示意图；

图4为本申请实施方式提供的一种根据面部图像，确定鼻子的位置信息的方法的流程示意图；

图5为本申请实施方式提供的另一种根据面部图像，确定鼻子的位置信息的方法的流程示意图；

图6为本申请实施方式提供的再一种根据面部图像，确定鼻子的位置信息的方法的流程示意图；

图7为本申请实施方式提供的一种根据鼻子的位置信息，确定鼻孔的坐标信息的方法的流程示意图；

图8为本申请实施方式提供的三个方向的示意图；

图9为本申请实施方式提供的一种拭子在鼻子中前进时三个方向的示意图；

图10为本申请实施方式提供的一种拭子的头部到达鼻咽部时三个方向的受力示意图；

图11为本申请实施方式提供的另一种人体生理样本采集系统的示意图；

图12为本申请实施方式提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施方式”意味着，结合实施方式描述的特定特征、结果或特性可以包含在本申请的至少一个实施方式中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施方式，也不是与其它实施方式互斥的独立的或备选的实施方式。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施方式可以与其它实施方式相结合。

首先说明，本申请中的人体生理样本采集系统可以应用到鼻咽拭子、耳拭子、肛拭子、阴拭子等采集场景。本申请中主要以鼻咽拭子的采集场景为例，说明该人体生理样本采集系统，其他场景中的人体生理样本采集系统与鼻咽拭子的采集场景下的人体生理样本采集系统类似，在此不再赘述。

下面将以对鼻咽拭子的采集的具体实现方式进行说明，因此，在本实施方式中，后续提到的采集装置将以拭子采样管进行说明，目标器官将以鼻子进行说明，目标位置将以鼻咽进行说明，生理样本将以鼻咽的细胞样本，例如：上皮细胞，进行说明，人体部位将以脸部进行说明，进入位置将以鼻孔进行说明。

参阅图1，图1为本申请实施方式提供的一种人体生理样本采集系统的结构示意图，该人体生理样本采集系统包括：拭子采样管101、机械臂102和控制装置103。

在本实施方式中，拭子采样管101包括采样管106、拭子107和盖子108。其中，采样管中装有保存液和拭子107，盖子108覆盖与采样管101的开口处。

在本实施方式中，机械臂102的末端设置有夹持装置104，该夹持装置104上安装六轴力传感器，该六轴力传感器在人体生理样本采集系统进行采样时，可以直接测量以夹持装置104所夹持的拭子的头部为中心，构建的笛卡尔坐标系中x、y、z三个方向的力以及rx、ry、rz三个方向的扭矩。

同时，该夹持装置104可以完成拭子采样管101开盖、夹取拭子107、取样、存样上盖等一系列活动。具体而言，该夹持装置可以夹住拭子采样管101的盖子108后进行旋转，以取下盖子108，夹取拭子107送入鼻腔，并于鼻咽部采样，然后直线退出鼻腔，将拭子107放入采样管106，最后，折断棉签，拧紧盖子108。

同时，在可选的实施方式中，机械臂102的每个关节都可以安装单轴力传感器，组成多轴力控机械臂，例如，当机械臂102拥有七个关节时，组成的即为七轴力控机械臂。由此，可以通过机械臂自身建模计算夹持装置104所夹持的拭子的头部的受力数据。

在本实施方式中，机械臂102的末端还设置有激光雷达105，该激光雷达105在人体生理样本采集系统开机后，可以持续扫描采集环境数据，例如，向机械臂102的末端指向的方向发送雷达信号，并接收返回的激光雷达数据。

在本实施方式中，控制装置103可以为远程控制主机，与机械臂102通过网络远程连接。如图2所示，该远程控制主机可以装载有控制与通信系统、高精度光学标定系统、视觉定位与伺服系统、运动规划系统和力控伺服系统。该控制装置103用于接受激光雷达105的激光雷达数据，并控制机械臂102，完成鼻咽的体液采集。

示例性的，夹持装置104所搭载的六轴力传感器可以将所夹持的拭子107在鼻腔中前进过程中的受力数据传输至远程控制主机中的力控伺服系统，该力控伺服系统依据拭子107在鼻腔中采样的力学特点实时调整拭子107的位置和深度，以便于该人体生理样本采集系统能轻柔安全地在完成采样。

激光雷达105可以将所接受到的激光雷达数据传输至远程控制主机中的高精度光学标定系统，从而辅助高精度光学标定系统对鼻子、拭子等进行标定。同时，激光雷达105也可以将所接受到的激光雷达数据传输至远程控制主机中的视觉定位与伺服系统，使视觉定位与伺服系统实时自动检测人脸，识别鼻子，从而控制机械臂102将拭子107的头部定位于鼻孔中心。

具体而言，如图3所示，在控制机械臂102，完成鼻咽的体液采集方面，控制装置103具体用于执行以下操作：

301：获取包含有待采集对象的鼻子的待定位图像。

在本实施方式中，该待定位图像可以是待采集对象的面部图像，通过安装在机械臂末端的激光雷达获取。具体而言，首先，可以通过激光雷达对采集环境进行扫描，确定待采集对象的空间位置信息和姿态信息。其中，空间位置信息用于表征待采集对象在采集环境中的位置，姿态信息用于表征待采集对象目前所处的姿态，例如：站姿或者坐姿。

然后，根据该空间位置信息和姿态信息，控制夹持有拭子的机械臂向待采集对象的面部移动，并在移动过程中，通过同样位于机械臂末端的激光雷达持续的对待采集对象发送雷达信号，并接收从所述待采集对象返回的第一激光雷达数据。

最后，根据第一激光雷达数据，确定包含有该待采集对象的鼻子的面部图像。

302：根据待定位图像，确定鼻子的位置信息。

在本实施方式中，由于在控制夹持有拭子的机械臂向待采集对象的面部移动的过程中，通过同样位于机械臂末端的激光雷达持续的对待采集对象发送雷达信号，并接收从所述待采集对象返回的第一激光雷达数据。因此，对第一激光雷达数据进行处理后，可以得到一组包含有该待采集对象的鼻子的面部图像。由此，在本实施方式中，可以通过不断的对最新获取的面部图像进行实时分析，动态更新鼻子的位置信息，从而使定位更加精准。

同时，由于机械臂距离待采集对象的距离越来越近，导致该机械臂距离待采集对象越近时，采集到的面部图像中面部所占的比例越大。当达到某个临界距离时，可能只能获取到包含鼻子的面部的部分图像。对此，本实施方式提出了以下的解决方式，可以针对获取到的面部图像的完整程度，以及面部图像不完整时，缺失部分的缺失原因，采用不同的方式对该面部图像进行分析，以确定鼻子的位置信息，具体如下：

(1)当该面部图像为包含有鼻子的面部完整图像时，参阅图4，该根据面部图像，确定鼻子的位置信息的方法可以包括：

401：根据面部图像，确定面部的多个第一解剖标定点。

示例性的，可以通过cnn神经网络对该面部图像进行特征提取，从而根据提取到的图像特征，确定面部的多个第一解剖标定点。

402：根据多个第一解剖标定点对面部进行器官分割处理，得到处理结果。

示例性的，可以根据解破学中对面部解剖分区的定义，和多个第一解剖标定点对面部进行器官分割，将划分的多个区域作为处理结果。

403：根据处理结果，确定鼻子的位置信息。

示例性的，可以在得到的多个区域中，确定鼻子所在的区域，将鼻子所在的区域在面部图像中的位置信息，作为鼻子的位置信息。

(2)当该面部图像为包含有鼻子的部分图像，且导致该面部图像不完整的原因是因为机械臂距离待采集对象较近，导致无法采集到的完整的面部图像的时，参阅图5，该根据面部图像，确定鼻子的位置信息的方法可以包括：

501：获取在采集装置向待采集对象移动的过程中，包含完整的面部的第二激光雷达数据。

在本实施方式中，在初次检测到非完整的面部图像时，可以直接获取上一次的激光雷达数据作为该包含完整的面部的第二激光雷达数据。

502：根据第二激光雷达数据，获取第一图像。

在本实施方式中，可以对第二激光雷达数据进行光学成像处理，得到相应的第一图像。

503：根据第一图像，确定面部的多个第一解剖标定点。

在本实施方式中，该处理方法与步骤401中的处理方法相似，在此不再赘述。

504：对于多个第一解剖标定点中的每个第一解剖标定点，分别获取与每个第一解剖标定点对应的第一区域的第一色彩信息和第一纹理信息。

在本实施方式中，第一区域可以是以每个第一解剖标定点为圆心，在预设的半径下所确定的圆形区域。当然，也可以是以每个第一解剖标定点为中心所确定出的其他形状的区域，本申请在此不作限制。

同时，在本实施方式中，可以通过安装在机械臂的结构光传感器确定每个第一解剖标定点对应的第一区域的第一纹理信息，以及通过同样安装在机械臂末端的rgbd传感器确定每个第一解剖标定点对应的第一区域的第一色彩信息。

505：获取面部图像中各个像素点对应的第二区域的第二色彩信息和第二纹理信息。

在本实施方式中，第二区域的确定与步骤504中第一区域的确定的方法类似，在此不再赘述。其中，以圆形区域为例，在确定第二区域时，半径可以根据待定位图像在第一图像中所占的区域的比例，对确定第一区域时的半径进行相应比例的放大。

同样的，在本实施方式中，第二色彩信息和第二纹理信息的获取方式与步骤504中第一色彩信息和第一纹理信息的获取方式类似，在此不再赘述。

506：确定每个第一解剖标定点对应的第一区域的第一色彩信息与各个像素点对应的第二区域的第二色彩信息之间的第一匹配值，以及每个第一解剖标定点对应的第一区域的第一纹理信息与各个像素点对应的第二区域的第二色彩信息之间的第二匹配值。

示例性的，可以对每个第一解剖标定点对应的第一区域的第一色彩信息进行特征提取，得到第一色彩向量。对各个像素点对应的第二区域的第二色彩信息进行特征提取，得到第二色彩向量。继而计算第一色彩向量与第二色彩向量之间的第一相似度，确定每个第一解剖标定点对应的第一区域的第一色彩信息与各个像素点对应的第二区域的第二色彩信息之间的第一匹配值。

同样的，可以对每个第一解剖标定点对应的第一区域的第一纹理信息进行特征提取，得到第一纹理向量。对各个像素点对应的第二区域的第二纹理信息进行特征提取，得到第二纹理向量。继而计算第一纹理向量与第二纹理向量之间的第二相似度，确定每个第一解剖标定点对应的第一区域的第一纹理信息与各个像素点对应的第二区域的第二纹理信息之间的第二匹配值。

507：在每个第一解剖标定点与像素点a之间的第一匹配值大于第一阈值，且每个第一解剖标定点与像素点a之间的第二匹配值大于第二阈值的情况下，将像素点a作为与每个第一解剖标定点对应的第二解剖标定点。

在本实施方式中，像素点a为面部图像中的任意一个像素点。

此外，在可选的实施方式中，还可以通过安装在机械臂末端的tof传感器确定每个第一解剖标定点对应的第一区域的第一深度信息，以及各个像素点对应的第二区域的第二深度信息。并对每个第一解剖标定点对应的第一区域的第一深度信息进行特征提取，得到第一深度向量。对各个像素点对应的第二区域的第二深度信息进行特征提取，得到第二深度向量。继而计算第一深度向量与第二深度向量之间的第三相似度，确定每个第一解剖标定点对应的第一区域的第一深度信息与各个像素点对应的第二区域的第二深度信息之间的第三匹配值。

从而，在每个第一解剖标定点与像素点a之间的第一匹配值大于第一阈值，每个第一解剖标定点与像素点a之间的第二匹配值大于第二阈值的情况下，且每个第一解剖标定点与像素点a之间的第三匹配值大于第三阈值的情况下，将像素点a作为与每个第一解剖标定点对应的第二解剖标定点，提高了第二解剖标定点的匹配精度。

508：根据与每个第一解剖标定点对应的第二解剖标定点，得到面部图像中的多个第二解剖标定点。

509：根据面部图像中的多个第二解剖标定点对面部进行器官分割处理，得到处理结果。

在本实施方式中，该处理方法与步骤402中的处理方法相似，在此不再赘述。

510：根据处理结果，确定鼻子的位置信息。

在本实施方式中，该处理方法与步骤403中的处理方法相似，在此不再赘述。

此外，应说明，在本实施方式中，在初次检测到非完整的面部图像时，可以将第一图像作为参考图像，基于该参考图像确定面部图像中的多个第二解剖标定点，在位于初次检测到非完整的面部图像之后的每次检测到非完整的面部图像的过程中，可以以上一次处理中得到的包含有多个第二解剖标定点的面部图像作为当前次处理的参考图像，进行当前次处理，从而无需再次通过激光雷达数据获取完整的面部图像，并进行解剖标定点的识别处理，提高了处理效率。

(3)当该面部图像为包含有鼻子的部分图像，且导致该面部图像不完整的原因是因为机械臂与待采集对象的距离进一步的推进，导致和激光雷达同处于机械臂末端的拭子对面部产生了遮挡，导致无法采集到的完整的面部图像的时，参阅图6，该根据面部图像，确定鼻子的位置信息的方法可以包括：

601：获取在采集装置向待采集对象移动的过程中，包含完整的面部的第二激光雷达数据。

在本实施方式中，可以在初次检测到被遮挡的面部图像时，可以直接获取上一次的激光雷达数据作为该包含完整的面部的第二激光雷达数据。

602：根据第二激光雷达数据，获取第一图像。

在本实施方式中，该处理方法与步骤502中的处理方法相似，在此不再赘述。

603：根据第一图像对面部图像中被遮挡的部分进行有限元仿真，以补全面部图像中被遮挡的部分。

具体而言，本申请所提供的人体生理样本采集方法会维护一个标准人脸的模型。通过拉伸第一图像，将标准人脸的解剖标定点与第一图像的解剖标定点重合。同时，获取拉升过程中的有限元能量，当拉升变形所对应的能量最小时，确定拉伸完成。该有限元能量如公式①所示：

e＝(r(a',b',c')-(a,b,c))………①

其中，r为刚性变换处理，(a’,b’,c’)表示补全后的面部图像中的任意的三个解剖标定点，(a,b,c)表示该任意的三个解剖标定点在标准人脸模型上对应的三个解剖标记点。

604：根据补全后的面部图像，确定面部的多个第一解剖标定点。

在本实施方式中，该处理方法与步骤401中的处理方法相似，在此不再赘述。

605：根据多个第一解剖标定点对面部进行器官分割处理，得到处理结果。

在本实施方式中，该处理方法与步骤402中的处理方法相似，在此不再赘述。

606：根据处理结果，确定鼻子的位置信息。

在本实施方式中，该处理方法与步骤403中的处理方法相似，在此不再赘述。

应说明，在进行初次有限元仿真时，可以将第一图像作为参考图像，基于该参考图像对面部图像中被遮挡的部分进行有限元仿真，在位于初次有限元仿真之后的每次有限元仿真的过程中，可以以上一次有限元仿真得到的面部图像作为当前次有限元仿真的参考图像，进行当前次限元仿真，从而无需再次通过激光雷达数据获取完整的面部图像的处理，提高了仿真效率。

303：根据位置信息，将拭子移动至鼻子的位置。

在本实施方式中，确定了鼻子的位置信息后，可以以拭子的头部为原点，建立空间坐标系，根据鼻子的位置信息确定鼻子在该坐标系下的空间坐标。继而生成向鼻子移动的移动路径，使机械臂可以沿着该移动路径将拭子移动至鼻子的位置。示例性的，可以通过计算鼻子的空间坐标与原点之间的垂直距离和水平距离，先控制机械臂上升或下降，使机械臂所夹持的拭子与鼻子处于同一水平线，在拭子平移至鼻子的位置。

304：控制拭子从鼻子向待采集对象的鼻咽移动。

在本实施方式中，可以根据鼻子的位置信息，确定鼻孔的坐标信息，从而控制采集装置从鼻孔进入鼻子，从而向待采集对象的鼻咽移动。

具体而言，本申请提供了一种根据鼻子的位置信息，确定鼻孔的坐标信息的方法，如图7所示，该方法包括：

701：根据位置信息，确定鼻子的中心坐标。

702：在多个第一解剖标定点中，确定至少四个第三解剖标定点。

在本实施方式中，该至少四个第三解剖标定点中的每个第三解剖标定点与中心坐标的距离符合预设的条件。例如，取距离中心坐标最近的四个第一解剖标定点，作为第三解剖标定点。同时，若最近的第一解剖标定点不符合要求的情况下，可以采用可观测到的最近的第一解剖标定点，作为第三解剖标定点。

703：根据至少四个第三解剖标定点，建立重心坐标系(barycentric坐标系)，并确定每个第三解剖标定点在重心坐标系中的坐标，得到与至少四个第三解剖标定点一一对应的至少四个重心坐标。

704：根据至少四个重心坐标，确定进入位置的坐标信息。

具体而言，通过空间中的四个点所建立的重心坐标系，可以使用该四个点的坐标的加权值，标识空间中的任意一个点的坐标，如公式②所示：

x＝w1×x1+w2×x2+w3×x3+w4×x4………②

其中，x1、x2、x3和x4为建立重心坐标系的四个点的重心坐标，w1、w2、w3和w4为权值，且w1、w2、w3和w4满足公式③：

w1+w2+w3+w4＝1………③

305：分别获取拭子在向待采集对象的鼻咽移动的过程中拭子头部在第一方向、第二方向和第三方向的作用力以及扭矩。

在本实施方式中，第一方向为采集装置前进的方向，第一方向、第二方向和第三方向相互垂直。具体而言，第二方向与第三方向不同。可以理解的，在本实施方式中，可以以拭子位姿为参考建立笛卡尔坐标系。具体的，当以拭子的头部抵达上述组织或器官中心点为原点时，第二方向可以为垂直于第一方向的向右方向，第三方向可以为垂直于第一方向的向下方向；或，第二方向可以为垂直于第一方向的向左方向，第三方向可以为垂直于第一方向的向上方向，在此不做限制。

示例性的，参见图8，图8为本申请实施例提供的三个方向的示意图。如图8所示，在鼻腔入口处，以拭子的头部抵达上述鼻子中心点为原点，第一方向(z轴的正方向)为拭子前进方向，第二方向(x轴的正方向)可以为垂直于第一方向的向右方向，第三方向(y轴的正方向)可以为垂直于第一方向的向下方向。

需要说明的，在图8-图10中，x轴的正方向为第二方向，y轴的正方向为第三方向，z轴的正方向为第一方向。

在本实施方式中，机械臂可以为六轴机械臂或七轴机械臂。因此，若机械臂为六轴机械臂，则该机械臂末端执行器上安装有末端式六轴力传感器，基于此，步骤305，可以包括：通过末端式六轴力传感器分别获取所述拭子在待采集对象的组织或器官中前进时所述拭子的头部在第一方向、第二方向和第三方向的作用力以及扭矩。

其中，若机械臂为七轴机械臂，拭子的头部在第一方向、第二方向和第三方向的作用力以及扭矩满足公式④：

w＝(j^t)^-1τ………④

其中，w包括拭子的头部在第一方向、第二方向和第三方向的作用力以及扭矩的向量，j^t为雅可比矩阵的转置，τ包括机械臂的每个轴的力矩的向量。

其中，τ包括机械臂的每个轴的力矩的向量，可以理解为：τ包括机械臂的七个轴中每个轴的力矩的向量。

示例性的，在本申请中，七轴机械臂的每个轴上均安装有力传感器。

进一步的，w可以通过公式⑤进行表示：

其中，x为第二方向的作用力、y为第三方向的作用力，z为第一方向的作用力，γx为第二方向的扭矩，ry为第三方向的扭矩，rz为第一方向的扭矩。

进一步的，τ可以通过公式⑥进行表示：

其中，τ1至τ6为机械臂的每个轴的力矩的向量。

在可选的实施方式中，在步骤305之前，该方法还包括：根据拭子的头部在第二方向的作用力以及扭矩、拭子的头部在第三方向的作用力以及扭矩，对拭子在鼻子中前进的方向进行调整，得到调整后拭子在鼻子中前进的方向；根据调整后拭子在鼻子中前进的方向，控制拭子在鼻子中前进。

可以看出，上述技术方案中，通过根据拭子的头部在第二方向的作用力以及扭矩、拭子的头部在第三方向的作用力以及扭矩，对拭子在鼻子中前进的方向进行调整，实现了在利用机器采样时能够实时调整拭子的头部在鼻子中前进的方向。同时，根据调整后拭子在鼻子中前进的方向，控制拭子在鼻子中前进，避免了在未到达组织或器官中目标位置时误采样的情况。

示例性的，根据拭子的头部在第二方向的作用力以及扭矩、拭子的头部在第三方向的作用力以及扭矩，对拭子在器官中前进的方向进行调整，得到调整后拭子在鼻子中前进的方向，包括：当满足第一预设条件时，根据第一预设条件中的第二方向和/或第三方向的反向方向，对拭子在鼻子中前进的方向进行调整，得到调整后拭子在鼻子中前进的方向。

其中，第一预设条件包括以下一项或多项：拭子的头部在第二方向的作用力大于或等于第一阈值；拭子的头部在第二方向的扭矩大于或等于第二阈值；拭子的头部在第三方向的作用力大于或等于第三阈值；拭子的头部在第三方向的扭矩大于或等于第四阈值。

其中，第一阈值、第二阈值、第三阈值、第四阈值可以全部相同，或部分相同，或全部不同，在此不做限制。

示例性的，参见图9，图9为本申请实施例提供的一种拭子在鼻子中前进时三个方向的示意图。如图9所示，可以看出，在当拭子的头部前进至鼻腔中，拭子的头部有侧向力，即拭子的头部受到鼻腔的侧向压力，此时位置确定装置可以确定出该侧向力在第一方向、第二方向、第三方向的作用力以及扭矩。

可以看出，上述技术方案中，实现了在利用机器采样时可以基于第二方向和、或第三方向的作用力能够实时调整拭子的头部在鼻子中前进的方向。同时，通过基于第二方向和/或第三方向的反向方向，调整拭子的头部在鼻子中前进的方向，避免了在未到达组织或器官中目标位置时误采样的情况。

306：根据拭子头部在第一方向的反作用力、拭子头部在第一方向的反方向的扭矩、拭子头部在第二方向的作用力以及扭矩、拭子头部在第三方向的作用力以及扭矩，控制拭子到达待采集对象的鼻咽，以获取鼻咽处的细胞样本作为生理样本。

在本实施方式中，当满足第二预设条件时，即可确定拭子到达组织或器官中的目标位置。具体而言，第二预设条件可以包括：拭子的头部在第一方向的反作用力大于或等于第五阈值、拭子的头部在第一方向的反方向的扭矩大于或等于第六阈值、拭子的头部在第二方向的作用力小于或等于第七阈值、拭子的头部在第二方向的扭矩小于或等于第八阈值、拭子的头部在第三方向的作用力小于或等于第九阈值、拭子的头部在第三方向的扭矩小于或等于第十阈值。

其中，第五阈值可以与第六阈值相同或不同，在此不做限制。

其中，第七阈值、第八阈值、第九阈值、第十阈值可以全部相同或部分相同或全部不同，在此不做限制。

示例性的，参见图10，图10为本申请实施例提供的一种拭子的头部到达鼻咽部时三个方向的受力示意图。如图10所示，当拭子的头部在第一方向受到反向力时，即可以确定出拭子的头部到达鼻咽部。

由此，通过确定拭子前进方向受阻，即第一方向的反向作用力、第一方向的反方向的扭矩大于或等于阈值，且其他方向的作用力、扭矩不受力，从而可以确定拭子的头部已到达组织或器官中的目标位置。

在可选的实施方式中，如图11所示，该人体生理样本采集系统还包括：存放台109、消毒装置110和采样台111。

在本实施方式中，存放台109用于存放拭子采样管101；消毒装置110可以是红外自动喷雾消杀系统，用于对机械臂102进行消毒，具体而言，在机械臂102末端的夹持装置104夹持拭子采样管101前，控制装置103将会控制消毒装置110对机械臂102进行消毒，避免交叉感染，提高采样安全性；采样台111用于承载机械臂102、存放台106和消毒装置107。

在可选的实施方式中，远程控制主机可以为一台高性能计算机，通过高性能网络与各个部件相连。远程控制主机上安装运行有高精度光学标定系统，运动规划系统，视觉定位与伺服系统，力控伺服系统以及控制与通信系统多个子系统。其中，视觉定位与伺服系统每秒处理30帧。力控伺服系统每秒处理1000次。系统的运动规划系统每秒规划1000次。

具体而言，高精度光学标定系统包括机械臂手眼标定和拭子标定。其中机械臂手眼标定在人体生理样本采集系统开机运行时标定一次，通过对机械臂102的运动学标定以及动力学标定，降低机械臂102的理论输出与实际输出误差对系统计算的影响，提高机械臂102的运行精度、安全性以及使用寿命。拭子标定在每一次夹取拭子107后进行，机械臂102夹持拭子后运动至空旷处在激光雷达105的辅助下进行自动标定，从而降低拭子107的生产差异导致的计算误差，提高本人体生理样本采集系统精度和安全性。

在本实施方式中，运动规划系统用于计算起始点到目标点的最佳避障运动路径，具体而言，具有以下作用：

(1)使机械臂102准确、安全地运行到红外自动喷雾消杀系统下固定位置进行消杀；

(2)使夹持装置104运动到固定位置对准拭子采样管101的盖子108，以正确方向旋转开盖，并将盖子108放置与预设位置；

(3)使夹持装置104返回已开盖的采样管106处，通过采样管106的开口夹持拭子107运动到固定点进行标定；

(4)使夹持装置104夹持拭子107在鼻咽部按指定方向旋转指定的角度，进行取样；

(5)取样完毕后，使夹持装置104夹持拭子107直线退出鼻腔；

(6)使夹持装置104夹持拭子107运动至采样管106上方，通过采样管106的开口将拭子的头部垂直向下放入采样管106的固定深度，水平旋转90°折断拭子107，将折断拭子棒放置到固定位置；

(8)使夹持装置104运动到预设的位置夹取盖子108，返回采样管106上方，按指定方向旋转拧紧盖子108。

在本实施方式中，视觉定位与伺服系统用于实时人脸识别并引导机械臂102的运动，从而将夹持的拭子107的头部送至鼻孔中心。在此过程中，如果待采集对象的人脸产生移动，视觉定位与伺服系统将自动调节拭子107的姿态，并重新进行定位，使定位准确。同时，本视觉定位与伺服系统支持多任务分析，包括关键点检测、器官分割、姿态估计等多种功能。

在本实施方式中，力控伺服系统用于定位待采集对象的鼻咽部，同时，准确并安全地控制机械臂102夹持拭子107抵达鼻咽部采样。力控伺服系统根据拭子107与鼻腔的接触的压力，引导拭子107在整个插入采样过程中自主调节力度，有效降低待采集对象的被侵入感，减少对待采集对象的损伤。

在本实施方式中，控制与通信系统用于整个人体生理样本采集系统中各个组件协调运行和数据通信。

可以看出，在本申请实施方式中，通过视觉定位的方式对待采集对象的目标器官进行精准定位，以实现将采集装置自动移动至目标器官。然后，通过获取采集装置在待采集对象的目标器官中向待采集对象的目标位置移动时采集装置的头部在第一方向、第二方向和第三方向的作用力以及扭矩，从而可以根据采集装置的头部在第一方向的反作用力、采集装置的头部在第一方向的反方向的扭矩、采集装置的头部在第二方向的作用力以及扭矩、采集装置的头部在第三方向的作用力以及扭矩，控制采集装置的头部到达目标位置，以实现在机器采样时可以精准确定采集装置已到达目标位置，从而可以增加采样的精确度，保证下游样本检测的准确性。同时，通过基于不同方向的作用力以及扭矩来确定采集装置已到达组织或器官的目标位置，避免了力度过于大时对待采集对象造成的不良反应，提升了用户体验，考虑了待采集对象在被采样时的感受。

此外，在本实施方式中，还提供了一种人体生理样本采集方法，该方法可以应用于上述的人体生理样本采集系统，人体生理样本采集系统包括采集装置、机械臂和控制装置，机械臂的末端设置有夹持装置和激光雷达，夹持装置用于夹持采集装置，该采集方法包括：

(1)：激光雷达向机械臂的末端指向的方向发送雷达信号，并接收返回的激光雷达数据；

(2)：控制装置根据激光雷达数据，获取包含有待采集对象的目标器官的待定位图像；

(3)：根据待定位图像，确定目标器官的位置信息；

(4)：根据位置信息，将采集装置移动至目标器官；

(5)：控制采集装置从目标器官向待采集对象的目标位置移动，分别获取采集装置在向待采集对象的目标位置移动的过程中采集装置头部在第一方向、第二方向和第三方向的作用力以及扭矩，第一方向为采集装置前进的方向，第一方向、第二方向和第三方向相互垂直；

(6)：根据采集装置头部在第一方向的反作用力、采集装置头部在第一方向的反方向的扭矩、采集装置头部在第二方向的作用力以及扭矩、采集装置头部在第三方向的作用力以及扭矩，控制采集装置到达待采集对象的目标位置，以获取目标位置的生理样本。

参阅图12，图12为本申请实施方式提供的一种电子设备的结构示意图。如图12所示，电子设备1200包括收发器1201、处理器1202和存储器1203。它们之间通过总线1204连接。存储器1203用于存储计算机程序和数据，并可以将存储器1203存储的数据传输给处理器1202。

处理器1202用于读取存储器1203中的计算机程序执行以下操作：

激光雷达向机械臂的末端指向的方向发送雷达信号，并接收返回的激光雷达数据；

控制装置根据激光雷达数据，获取包含有待采集对象的目标器官的待定位图像；

根据待定位图像，确定目标器官的位置信息；

根据位置信息，将采集装置移动至目标器官；

控制采集装置从目标器官向待采集对象的目标位置移动，分别获取采集装置在向待采集对象的目标位置移动的过程中采集装置头部在第一方向、第二方向和第三方向的作用力以及扭矩，第一方向为采集装置前进的方向，第一方向、第二方向和第三方向相互垂直；

根据采集装置头部在第一方向的反作用力、采集装置头部在第一方向的反方向的扭矩、采集装置头部在第二方向的作用力以及扭矩、采集装置头部在第三方向的作用力以及扭矩，控制采集装置到达待采集对象的目标位置，以获取目标位置的生理样本。

在本发明的实施方式中，在所述根据所述激光雷达数据，获取包含有待采集对象的目标器官的待定位图像之前，处理器1202，具体用于执行以下操作：

通过所述激光雷达，确定包含有所述存放台的环境图像；

根据所述环境图像，确定所述存放台中的采集装置的位置；

将所述机械臂移动至所述存放台中的采集装置的位置，通过所述夹持装置夹持所述存放台中的采集装置。

在本发明的实施方式中，在所述通过所述激光雷达，获取包含有待采集对象的目标器官的待定位图像之前，处理器1202，具体用于执行以下操作：

通过所述激光雷达，确定所述采集装置的盖子的位置；

将所述夹持装置移动至所述盖子的上方，以旋转开盖，并将所述盖子放置在预设位置；

将所述夹持装置移动至开盖后的所述采集装置的开口的上方，夹取所述采集装置中的采样棒。

在本发明的实施方式中，在所述通过所述激光雷达，确定所述存放台的位置之前，处理器1202，具体用于执行以下操作：

通过所述激光雷达，确定所述消毒装置的位置；

将所述机械臂移动至所述消毒装置的位置，控制所述消毒装置对所述机械臂进行消毒处理。

在本发明的实施方式中，在所述根据所述采集装置头部在所述第一方向的反作用力、所述采集装置头部在所述第一方向的反方向的扭矩、所述采集装置头部在所述第二方向的作用力以及扭矩、所述采集装置头部在所述第三方向的作用力以及扭矩，控制所述采集装置到达所述待采集对象的目标位置，以获取所述目标位置的生理样本之后，处理器1202，具体用于执行以下操作：

将所述采样棒移动至开盖后的所述采集装置的开口的上方，通过所述采集装置的开口将所述采样棒的头部垂直向下放入所述采集装置的固定深度，水平旋转90°折断所述采样棒；

将所述夹持装置移动值所述预设位置夹取所述盖子，返回所述采集装置的上方，旋转拧紧所述盖子。

在本发明的实施方式中，机械臂末端安装有激光雷达，因此，在获取包含有待采集对象的目标器官的待定位图像方面，处理器1202，具体用于执行以下操作：

确定待采集对象的空间位置信息和姿态信息；

根据空间位置信息和姿态信息，控制采集装置向待采集对象移动；

在控制采集装置移动的过程中，通过激光雷达向待采集对象发送雷达信号，并接收从待采集对象返回的第一激光雷达数据；

根据第一激光雷达数据，获取包含有待采集对象的目标器官的待定位图像。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件结合硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案对背景技术做出贡献的全部或者部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施方式或者实施方式的某些部分所述的方法。

因此，本申请实施方式还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现如上述方法实施方式中记载的任何一种人体生理样本采集方法的部分或全部步骤。例如，所述存储介质可以包括硬盘、软盘、光盘、磁带、磁盘、优盘、闪存等。

本申请实施方式还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储了计算机程序的非瞬时性计算机可读存储介质，所述计算机程序可操作来使计算机执行如上述方法实施方式中记载的任何一种人体生理样本采集方法的部分或全部步骤。

需要说明的是，对于前述的各方法实施方式，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施方式均属于可选实施方式，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

在上述实施方式中，对各个实施方式的描述都各有侧重，某个实施方式中没有详述的部分，可以参见其他实施方式的相关描述。

在本申请所提供的几个实施方式中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方式方案的目的。

另外，在本申请各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件程序模块的形式实现。

所述集成的单元如果以软件程序模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域普通技术人员可以理解上述实施方式的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储器中，存储器可以包括：闪存盘、只读存储器(英文：read-onlymemory，简称：rom)、随机存取器(英文：randomaccessmemory，简称：ram)、磁盘或光盘等。

以上对本申请实施方式进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施方式的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。