CN115281584A - 柔性内窥镜机器人控制系统及柔性内窥镜机器人模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种柔性内窥镜机器人控制系统及柔性内窥镜机器人模拟方法，属于医疗机器人技术领域。该系统包括：图像模块、仿真模拟模块、设备监测模块和数据展示模块；所述图像模块、所述仿真模拟模块、所述设备监测模块和所述数据展示模块之间互相连接。本发明提供的柔性内窥镜机器人控制系统及柔性内窥镜机器人模拟方法，实现了设备状态检测，提高控制精度，使机器人运行过程更透明，提高了系统交互性，还能实现虚拟环境中虚拟柔性内窥镜模型的实时模拟。

Description

柔性内窥镜机器人控制系统及柔性内窥镜机器人模拟方法
技术领域
本发明涉及医疗机器人技术领域，尤其涉及一种柔性内窥镜机器人控制系统及柔性内窥镜机器人模拟方法。
背景技术
随着医疗机器人领域的技术进步，完全依赖手动操作的传统医疗柔性内窥镜设备，正在逐渐优化为半自动、全自动医疗柔性内窥镜机器人。自动化控制是柔性内窥镜机器人和手动柔性内窥镜的主要差别。
现有的柔性内窥镜机器人控制系统是与柔性内窥镜机器人实体配套且面向用户，因此其需要随柔性内窥镜的发展而发展。
(1)现有柔性内窥镜机器人控制系统不适配未来发展趋势
可自动化控制的柔性内窥镜机器人是未来发展趋势。针对具有自动控制过程的柔性内窥镜机器人，机器人各组件的运行状态是否正常，直接影响机器人控制精度，进一步地，医疗机器人的控制精度则决定了其实施的医学检查、手术等操作是否成功。现有控制系统无法最大程度的发挥出自动化柔性内窥镜机器人的功能。
(2)现有柔性内窥镜机器人控制系统使用难度有进一步降低的空间
受真实物理环境限制，无法观察到柔性内窥镜在人体腔道内部的形态，操作难度高。具体来说，柔性内窥镜是一种需要进入人体内部的医疗器械，当柔性内窥镜插入人体腔道内后，从外部无法观察到柔性内窥镜的位置和姿态，医生只能凭借柔性内窥镜回传图像和个人经验来判断当前的位置及柔性内窥镜的姿态，增加了医生的操作难度。尤其对于柔性内窥镜来说，其形态变化复杂，相较于刚性内窥镜，医生操作过程中的难度更大。
发明内容
本发明提供一种柔性内窥镜机器人控制系统及柔性内窥镜机器人模拟方法，用以解决现有技术中柔性内窥镜机器人控制系统无法观察到人体腔道内部柔性内窥镜实时形态且控制精度低的技术问题。
本发明提供一种柔性内窥镜机器人控制系统，包括：
图像模块、仿真模拟模块、设备监测模块和数据展示模块；
所述图像模块、所述仿真模拟模块、所述设备监测模块和所述数据展示模块之间互相连接；
所述图像模块与柔性内窥镜机器人的图像采集装置连接，所述图像模块用于获取所述图像采集装置采集的术中图像数据；
所述仿真模拟模块用于对虚拟柔性内窥镜模型进行计算和渲染；
所述设备监测模块与所述柔性内窥镜机器人的至少一个组件连接，所述设备监测模块用于监测所述至少一个组件的运行状态；
所述数据展示模块用于显示如下至少一项：所述术中图像数据、所述虚拟柔性内窥镜模型、所述至少一个组件的运行状态和患者信息。
在一些实施例中，所述仿真模拟模块包括计算模块；
所述计算模块通过所述设备监测模块与所述柔性内窥镜机器人的各电机及拉力传感器连接；
所述计算模块用于：
对读取的电机数据和拉力传感器数据进行解析，得到控制所述柔性内窥镜机器人前进后退的第一电机数据、控制所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向的第二电机数据和对所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向做修正的拉力数据；
基于所述第一电机数据、所述第二电机数据和所述拉力数据，得到虚拟柔性内窥镜的几何模型。
在一些实施例中，所述计算模块还用于：
根据所述柔性内窥镜机器人的物理参数，得到所述虚拟柔性内窥镜的物理模型；
用预设虚拟环境对所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型进行约束，使用碰撞检测算法，对所述虚拟柔性内窥镜模型的形态进行修正，得到所述虚拟柔性内窥镜模型的实时形态；
所述虚拟柔性内窥镜模型包括所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型。
在一些实施例中，所述仿真模拟模块包括渲染模块；
所述渲染模块用于对所述虚拟柔性内窥镜模型进行渲染，以在虚拟三维空间中显示所述虚拟柔性内窥镜模型和所述预设虚拟环境。
在一些实施例中，所述系统还包括：实时定位和导航模块；
所述实时定位和导航模块用于基于定位算法得到所述定位结果，并在所述术中图像数据中标注出所述柔性内窥镜机器人对应的柔性内窥镜末端的当前位置，及所述柔性内窥镜机器人对应的柔性内窥镜到达的目标位置；
所述实时定位和导航模块还用于生成导航信息，所述导航信息用于引导所述柔性内窥镜到达所述目标位置。
在一些实施例中，所述系统还包括：校准模块；
所述校准模块与所述至少一个组件连接，所述校准模块用于给所述至少一个组件提供校准入口。
本发明还提供一种柔性内窥镜机器人模拟方法，包括：
对柔性内窥镜机器人的电机数据和拉力传感器数据进行解析，得到控制所述柔性内窥镜机器人前进后退的第一电机数据、控制所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向的第二电机数据和对所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向做修正的拉力数据；
基于所述第一电机数据、所述第二电机数据和所述拉力数据，得到虚拟柔性内窥镜的几何模型；
根据所述柔性内窥镜机器人的物理参数，得到所述虚拟柔性内窥镜的物理模型；
用预设虚拟环境对所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型进行约束，使用碰撞检测算法，对所述虚拟柔性内窥镜模型的形态进行修正，得到所述虚拟柔性内窥镜模型的实时形态；
所述虚拟柔性内窥镜模型包括所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型。
在一些实施例中，所述基于所述第一电机数据、所述第二电机数据和所述拉力传感器，得到虚拟柔性内窥镜的几何模型，包括：
将所述第一电机数据转换为所述虚拟柔性内窥镜的位移参数；
将所述第二电机数据和所述拉力数据转换为所述虚拟柔性内窥镜的弯曲方向参数和弯曲角度参数；
基于所述位移参数、所述弯曲方向参数和所述弯曲角度参数，确定所述虚拟柔性内窥镜的几何模型。
本发明还提供一种柔性内窥镜机器人模拟装置，包括：
第一确定模块，用于对柔性内窥镜机器人的电机数据和拉力传感器数据进行解析，得到控制所述柔性内窥镜机器人前进后退的第一电机数据、控制所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向的第二电机数据和对所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向做修正的拉力数据；
第二确定模块，用于基于所述第一电机数据、所述第二电机数据和所述拉力数据，得到虚拟柔性内窥镜的几何模型；
第三确定模块，用于根据所述柔性内窥镜机器人的物理参数，得到所述虚拟柔性内窥镜的物理模型；
第四确定模块，用于用预设虚拟环境对所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型进行约束，使用碰撞检测算法，对虚拟柔性内窥镜模型形态进行修正，得到所述虚拟柔性内窥镜模型的实时形态；
所述虚拟柔性内窥镜模型包括所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述柔性内窥镜机器人模拟方法。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述柔性内窥镜机器人模拟方法。
本发明提供的柔性内窥镜机器人控制系统及柔性内窥镜机器人模拟方法，通过对机器人各项数据的分析，实现了设备状态检测，使机器人运行过程更透明；通过集成柔性内窥镜机器人中各组件的校准入口，实现对各组件的精准控制，提高了系统的用户友好性和系统交互性；还能实现虚拟环境中虚拟柔性内窥镜模型的实时模拟。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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获得其他的附图。
图1是本发明提供的柔性内窥镜机器人控制系统的结构示意图；
图2是应用本发明提供的柔性内窥镜机器人控制系统的整体结构示意图；
图3是应用本发明提供的柔性内窥镜机器人控制系统的虚拟柔性内窥镜模拟示意图；
图4是应用本发明提供的柔性内窥镜机器人控制系统的数据展示示意图；
图5是本发明提供的柔性内窥镜机器人模拟方法的流程示意图；
图6是应用本发明提供的柔性内窥镜机器人模拟方法的流程示意图；
图7是本发明提供的柔性内窥镜机器人模拟装置的结构示意图；
图8是本发明提供的电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明提供的柔性内窥镜机器人控制系统的结构示意图。参照图1，本发明提供的柔性内窥镜机器人控制系统包括：图像模块110、仿真模拟模块120、设备监测模块130和数据展示模块140。
在实际执行中，柔性内窥镜机器人控制系统的整体结构如图2所示。该柔性内窥镜机器人控制系统可以包括计算机210、显示器220、外部设备接口230及操作主手。
外部设备接口230可以包括不同的传感器接口、电机接口、柔性内窥镜相机接口、用户交互接口等。用户交互接口可以包括鼠标接口、键盘接口或用户触屏交互接口、操作主手接口等。
柔性内窥镜机器人控制系统可以与柔性内窥镜机器人共用一台计算机。柔性内窥镜机器人控制系统中的各个功能模块如图1所示。
可以理解的是，柔性内窥镜机器人控制系统中还可以包括初始化模块。初始化模块可以用于系统启动时的组件加载、初始化其他功能模块和系统配置，是其余功能模块正常工作的基础。
初始化模块可以分别与图像模块110、仿真模拟模块120、设备监测模块130和数据展示模块140连接；也可以在上述模块中分别设置初始化模块，以在系统使用前完成各个模块的初始化以及系统配置。
图像模块110、仿真模拟模块120、设备监测模块130和数据展示模块140之间互相连接，连接方式可以是有线连接或无线连接等。
图像模块110可以与柔性内窥镜机器人的图像采集装置连接，实时回传拍摄的画面，图像采集装置例如包括微型摄像头或者超声探头等。同时图像采集装置实现了拍摄和录像功能，用于术中图像数据采集。图像模块110可以获取图像采集装置采集的术中图像数据。
图像模块110还可以嵌入图像算法，并通过数据展示模块140显示多样化的图像结果。例如可以使用图像算法实现对采集的术中图像数据进行图像增强，实现更优质的画面显示；也可以对显示的图像画面进行分割，显示出病灶所在区域等。
此外，图像模块110还可以与深度相机进行连接，获取的深度数据可以方便后续在系统中搭载识别、定位和配准等视觉算法。
仿真模拟模块120用于在虚拟三维空间中对虚拟柔性内窥镜模型进行计算和渲染，并在数据展示模块140显示虚拟柔性内窥镜模型的模拟结果，仿真模拟画面示意图如图3所示。
仿真模拟模块120可以根据计算得到的虚拟柔性内窥镜模型做虚拟柔性内窥镜的位置模拟和形态模拟。
设备监测模块130与柔性内窥镜机器人中的至少一个组件连接，设备监测模块130可以实现实时数据通信，系统对获取到的至少一个组件的组件数据进行分析处理，评估至少一个组件的运行状态，并通过使用多种形式在数据展示模块140进行状态展示。设备监测模块130实时获取的电机数据和拉力传感器数据可以发送至仿真模拟模块120进行计算。
柔性内窥镜机器人中的各组件可以包括传感器、电机、相机或与柔性内窥镜机器人交互的各类设备。传感器例如包括光学传感器或力学传感器等，相机可以是微型摄像头或超声探头等，柔性内窥镜机器人交互的各类设备可以是操作助手、键盘或鼠标等设备。
数据展示模块140可以显示内窥机器人整体及至少一个组件的运行状态，如图4所示。
运行状态展示形式包括但不限于：将力传感器传输的表面实时接触力反映在波形图上；将组件的健康状态展示为红绿指示灯图像，不同的颜色分别表示状态正常、状态异常、组件未启动；将电机的扭转展示为带方向的表盘等。
数据展示模块140也可以用于对柔性内窥镜机器人运行时各项数据的可视化展示。例如可以显示术中图像数据、虚拟柔性内窥镜模型、至少一个组件的运行状态、定位结果和导航信息。
数据展示模块140还可以展示患者信息，方便医生术前和术中快速掌握患者情况。例如可以显示患者个人信息、患者电子计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)图像、患者磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)图像。
可以理解的是，数据展示模块140可以表现为一个或多个显示器220或其他显示装置，本发明在此不作具体限定。
数据展示模块140可以根据实际需求在不同的显示装置上显示不同的数据，例如可以将患者信息和柔性内窥镜机器人运行数据分别用不同的显示装置显示。
在一些实施例中，柔性内窥镜机器人控制系统中还可以包括校准模块。
校准模块可以用于给至少一个组件提供校准入口。针对需要校准的组件，在系统上集成了各个组件的校准程序，为每个组件单独设置了校准入口，满足了柔性内窥镜机器人使用过程中的设备校准需求。本发明实施例提供的组件校准包括但不限于操作主手的校准。
由于柔性内窥镜机器人的各组件的校准程序各不相同，需要分别以不同的启动方式进入校准界面。通过集成了各个组件的校准入口，可以实现对各组件进行校准，缩短了多种组件校准花费的时间，统一了校准步骤的操作流程，优化了用户使用步骤，同时还节省了校准步骤需要的时间和人力成本。
在一些实施例中，柔性内窥镜机器人控制系统中还可以包括实时定位和导航模块。
实时定位和导航模块用于基于定位算法得到定位结果，并在术中图像数据中标注出柔性内窥镜机器人对应的柔性内窥镜末端的当前位置，及柔性内窥镜机器人对应的柔性内窥镜到达的目标位置；
实时定位和导航模块还用于生成导航信息，导航信息用于引导柔性内窥镜到达目标位置。
在实际执行中，实时定位和导航模块中可以嵌入实时定位算法，并根据图像模块110提供的术中图像数据，来实时确定实时定位结果，并在术中图像数据中标注出定位结果。
其中，定位结果为柔性内窥镜机器人对应的柔性内窥镜末端当前所在的具有解剖学意义的位置，及柔性内窥镜机器人对应的内窥镜当前需要到达的具有解剖学意义的目标位置，并在摄像头采集到的实时图像数据中标注出来。
解剖学意义的位置例如包括：支气管的分支段或肠道的分段位置等。
在确定定位结果之后，实时定位和导航模块可以生成定位结果对应的导航信息。导航信息可以为到达目标位置的引导线或引导路径，用于指导用户到达预选的目标位置。
可以理解的是，校准模块和实时定位和导航模块可以与系统中的其他模块互相连接，在此不作具体限定。
本发明提供的柔性内窥镜机器人控制系统，通过对机器人各项数据的分析，实现了设备状态检测，使机器人运行过程更透明；通过集成柔性内窥镜机器人中各组件的校准入口，实现对各组件的精准控制，提高了系统的用户友好性和系统交互性；还能实现虚拟环境中虚拟柔性内窥镜模型的实时模拟。
在一些实施例中，仿真模拟模块120包括计算模块。
计算模块通过设备监测模块与柔性内窥镜机器人的各电机及拉力传感器连接；
计算模块用于：
对读取的电机数据和拉力传感器数据进行解析，得到控制柔性内窥镜机器人前进后退的第一电机数据、控制柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向的第二电机数据和对柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向做修正的拉力数据；
基于第一电机数据、第二电机数据和拉力数据，得到虚拟柔性内窥镜的几何模型。
在实际执行中，该计算模块可以为柔性内窥镜仿真模拟计算模块。
柔性内窥镜仿真模拟计算模块可以通过设备监测模块130与柔性内窥镜机器人的各电机和各拉力传感器连接，并自动检查连接状态，若连接失败，则需进入设备调试模块进行电机重连和传感器重连，直至连接成功。
柔性内窥镜仿真模拟计算模块还可以实时读取各电机数据和各拉力传感器数据，并对读取的电机数据和拉力传感器数据进行预处理。
数据预处理过程可以包括：将所有电机和拉力传感器数据进行解析，解析后的数据被分类为控制柔性内窥镜机器人前进后退的第一电机数据、控制柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向的第二电机数据和对柔性内窥镜机器人柔性弯曲转向进行修正的拉力数据。
柔性内窥镜仿真模拟计算模块可以模拟实体柔性内窥镜机器人的真实控制方式，实现机器人虚拟模型的伺服行为，具体表现为：
(1)将实时获取到的控制前进后退的第一电机数据，转换为待确定虚拟柔性内窥镜的插入深度，即位移参数。
(2)将实时获取到的控制转向弯曲的第二电机数据，转换为待确定虚拟柔性内窥镜的导丝长度期望值。
(3)将实时获取导的修正转向弯曲的拉力数据，转换为待确定虚拟柔性内窥镜的导丝长度修正值。
(4)由导丝长度期望值和导丝长度修正值计算出导丝长度预测值。
(5)将导丝长度预测值转换为待确定虚拟柔性内窥镜的弯曲方向参数和弯曲角度参数。
(6)采用连续体柔性机器人的分段常曲率控制算法模型，将弯曲方向参数与弯曲角度参数转为柔性机器人虚拟模型末端柔性部可弯曲部分的方向信息与半径信息。
柔性内窥镜仿真模拟计算模块可以根据控制柔性内窥镜机器人前进后退的位移参数、柔性部的弯曲方向参数和弯曲方向角度参数以及柔性部可弯曲部分的弯曲方向信息与弯曲半径信息，同时结合柔性内窥镜的形状结构、尺寸外观等几何属性，得到柔性内窥镜机器人的几何模型。
在一些实施例中，计算模块还用于：
根据柔性内窥镜机器人的物理参数，得到虚拟柔性内窥镜的物理模型；
用预设虚拟环境对虚拟柔性内窥镜的几何模型和虚拟柔性内窥镜的物理模型进行约束，使用碰撞检测算法，对虚拟柔性内窥镜模型的形态进行修正，得到虚拟柔性内窥镜模型的实时形态；
虚拟柔性内窥镜模型包括虚拟柔性内窥镜的几何模型和虚拟柔性内窥镜的物理模型。
在实际执行中，柔性内窥镜仿真模拟计算模块可以根据真实柔性内窥镜机器人的物理参数，对虚拟柔性内窥镜的物理模型进行计算。
具体来讲，设置与真实柔性内窥镜相同的运动学、动力学物理属性参数，如内窥镜材料的杨氏模量、泊松比等物理参数，便于渲染出接近真实的视觉效果。
柔性内窥镜仿真模拟计算模块还可以对预设虚拟环境进行加载，用预设虚拟环境对虚拟柔性内窥镜的几何模型和虚拟柔性内窥镜的物理模型进行约束，并使用碰撞检测算法对虚拟柔性内窥镜的几何模型、虚拟柔性内窥镜的物理模型进行碰撞检测。
根据碰撞检测结果对虚拟柔性内窥镜的几何模型参数和物理模型参数做修正，最终得到虚拟柔性内窥镜模型的实时形态。
在一些实施例中，仿真模拟模块120包括渲染模块；
渲染模块用于对虚拟柔性内窥镜模型进行渲染，以在虚拟三维空间中显示虚拟柔性内窥镜模型和预设虚拟环境。
预设虚拟环境可以在术前通过患者信息模块的数据进行三维重建得到。患者数据可以是CT数据、MRI数据等。
渲染模块可以对虚拟柔性内窥镜模型进行实时渲染和显示，可以通过数据展示模块140在虚拟三维空间中显示虚拟柔性内窥镜模型和预设虚拟环境(如由患者CT三维重建出的虚拟支气管)。用户可在虚拟三维空间对虚拟柔性内窥镜进行旋转、缩放和视角调整，方便从不同角度查看柔性内窥镜的位置和形状姿态。
本发明提供的柔性内窥镜机器人控制系统，可以通过仿真模拟模块，根据实际操作过程，实时模拟柔性内窥镜实体当前的位姿仿真及形状，同时适用刚体柔性内窥镜及带柔性部的内窥镜。在用户操作内窥镜时，不但可以看到内窥镜回传的腔内实时画面，同时可以参照内窥镜仿真模拟画面来获得内窥镜的位姿形状，如第三视角展示的内窥镜在腔内的俯视图、侧视图等。
在实体内窥镜与虚拟内窥镜结合，实现虚拟环境中的内窥镜与真实内窥镜同步控制，实现虚拟环境中内窥镜模型的实时模拟，消除真实世界中的物理壁垒，从而可以实时观察到内窥镜的实时形态。
图5为本发明提供的柔性内窥镜机器人模拟方法的流程示意图。参照图5，本发明提供的柔性内窥镜机器人模拟方法包括：步骤510、步骤520、步骤530和步骤540。
步骤510、对内窥镜机器人的电机数据和拉力传感器数据进行解析，得到控制内窥镜机器人前进后退的第一电机数据、控制内窥镜机器人柔性部弯曲转向的第二电机数据和对内窥镜机器人柔性部弯曲转向做修正的拉力数据；
步骤520、基于第一电机数据、第二电机数据和拉力数据，得到虚拟内窥镜的几何模型；
步骤530、根据内窥镜机器人的物理参数，得到虚拟内窥镜的物理模型；
步骤540、用预设虚拟环境对所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型进行约束，使用碰撞检测算法，对所述虚拟柔性内窥镜模型的形态进行修正，得到所述虚拟柔性内窥镜模型的实时形态；
虚拟柔性内窥镜模型包括虚拟柔性内窥镜的几何模型和虚拟柔性内窥镜的物理模型。
本发明提供的柔性内窥镜机器人模拟方法的执行主体可以是电子设备、电子设备中的部件、集成电路、或芯片。该电子设备可以是移动电子设备，也可以为非移动电子设备。示例性的，移动电子设备可以为手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、车载电子设备、可穿戴设备、超级移动个人计算机(ultra-mobile personal computer，UMPC)、上网本或者个人数字助理(personal digital assistant，PDA)等，非移动电子设备可以为服务器、网络附属存储器(Network Attached Storage，NAS)、个人计算机(personal computer，PC)、电视机(television，TV)、柜员机或者自助机等，本发明不作具体限定。
下面以计算机执行本发明提供的柔性内窥镜机器人模拟方法为例，详细说明本发明的技术方案。
在本步骤中，可以实时读取各电机数据，并对读取的电机数据进行预处理。
将所有电机数据和拉力传感器数据进行解析，解析后的数据被分类为控制柔性内窥镜机器人前进后退的第一电机数据、控制柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向的第二电机数据和对柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向做修正的拉力数据。
在一些实施例中，基于第一电机数据、第二电机数据和拉力数据，得到虚拟内窥镜的几何模型，包括：
将第一电机数据转换为虚拟柔性内窥镜的位移参数；
将第二电机数据和拉力数据转换为虚拟柔性内窥镜的弯曲方向参数和弯曲角度参数；
基于位移参数、弯曲方向参数和弯曲角度参数，确定虚拟柔性内窥镜的几何模型。
在实际执行中，将实时获取到的控制前进后退的第一电机数据，转换为待确定虚拟柔性内窥镜的插入深度，即位移参数。
在一些实施例中，将第二电机数据和拉力数据转换为虚拟柔性内窥镜的弯曲方向参数和弯曲角度参数，包括：
将第二电机数据转换为虚拟柔性内窥镜的导丝长度期望值；
基于拉力数据，计算出拉力导致的导丝长度修正值；
基于导丝长度期望值和导丝长度修正值，计算出导丝长度预测值；
将导丝长度预测值转换为虚拟柔性内窥镜弯曲方向参数和弯曲角度参数。
在实际执行中，将实时获取到的控制转向弯曲的第二电机数据，转换为待确定虚拟柔性内窥镜的导丝长度期望值。
将实时获取到的对转向弯曲做修正的拉力数据，转换为待确定虚拟柔性内窥镜的导丝长度修正值。
将导丝长度期望值和导丝长度修正值，转换为导丝长度预测值。计算公式如下:
lp＝le-Δl
其中，le为导丝长度期望值，是由电机运动情况计算出的导丝期望长度，Δl为导丝长度修正值，是拉力导致的导丝长度增量，lp为导丝长度预测值，是修正后的导丝实际长度。
将导丝长度预测值转换为待确定虚拟柔性内窥镜的弯曲方向参数和弯曲角度参数。
采用连续体柔性机器人的分段常曲率控制算法模型，将弯曲方向参数与弯曲角度参数转为虚拟柔性内窥镜模型末端柔性部可弯曲部分的方向信息与半径信息。
根据控制柔性内窥镜机器人前进后退的位移参数、柔性部的弯曲方向参数和弯曲方向角度参数以及柔性部可弯曲部分的方向信息与半径信息，同时结合柔性内窥镜的形状结构、尺寸外观等几何属性，得到柔性内窥镜机器人的几何模型。
在实际执行中，可以根据真实柔性内窥镜机器人的物理参数，对虚拟柔性内窥镜的物理模型进行计算。具体来讲，设置与真实柔性内窥镜相同的运动学、动力学物理属性参数，如内窥镜材料的杨氏模量、泊松比等物理参数，便于渲染出接近真实的视觉效果。
还可以对预设虚拟环境进行加载，用预设虚拟环境对虚拟柔性内窥镜的几何模型和虚拟柔性内窥镜的物理模型进行约束，并使用碰撞检测算法对虚拟柔性内窥镜的几何模型、虚拟柔性内窥镜的物理模型进行碰撞检测。
根据碰撞检测结果对虚拟柔性内窥镜的几何模型参数和物理模型参数做修正，最终得到虚拟柔性内窥镜模型的实时形态。
在实际执行中，图6为应用本发明提供的柔性内窥镜机器人模拟方法的流程示意图。参照图6，本发明提供的柔性内窥镜机器人模拟方法包括如下步骤：
步骤610、判断是否与柔性内窥镜机器人的各电机和各拉力传感器是否正常连接。若连接失败，则进入步骤620，若连接成功，则进入步骤630。
步骤620、用户需进入设备调试模块进行电机重连或拉力传感器重连，直至连接成功。
步骤630、读取电机数据和拉力传感器数据。
步骤640、对电机数据和拉力传感器数据进行预处理和数据解析。解析后的数据被分类为控制柔性内窥镜机器人前进后退的第一电机数据、控制柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向的第二电机数据以及对柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向进行修正的拉力传感器数据。
步骤650、将第一电机数据转换为控制柔性内窥镜机器人前进后退的位移参数；将第二电机数据和拉力器数据转换为控制柔性内窥镜机器人柔性部的弯曲角度参数和弯曲方向参数。
步骤660、基于上述参数，可以计算得到虚拟柔性内窥镜的几何模型和物理模型。
步骤670、加载预设虚拟环境，用预设虚拟环境对虚拟柔性内窥镜的几何模型和虚拟柔性内窥镜的物理模型进行约束。
步骤680、对虚拟柔性内窥镜的几何模型和物理模型进行碰撞检测，修正模型参数，最终可以得到虚拟柔性内窥镜模型的实时形态。
步骤690、渲染虚拟柔性内窥镜模型并显示出来。
本发明提供的柔性内窥镜机器人模拟方法，可以实现虚拟环境中的实体柔性内窥镜与真实柔性内窥镜同步控制，实现虚拟环境中柔性内窥镜模型的实时模拟，消除真实世界中的物理壁垒，从而可以实时观察到柔性内窥镜的实时形态。
下面对本发明提供的柔性内窥镜机器人模拟装置进行描述，下文描述的柔性内窥镜机器人模拟装置与上文描述的柔性内窥镜机器人模拟方法可相互对应参照。
图7为本发明提供的柔性内窥镜机器人模拟装置的结构示意图。参照图7，本发明提供的柔性内窥镜机器人模拟装置包括：第一确定模块710、第二确定模块720、第三确定模块730和第四确定模块740。
第一确定模块710，用于对柔性内窥镜机器人的电机数据和拉力传感器数据进行解析，得到控制所述柔性内窥镜机器人前进后退的第一电机数据、控制所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向的第二电机数据和对所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向做修正的拉力数据；
第二确定模块720，用于基于所述第一电机数据、所述第二电机数据和所述拉力数据，得到虚拟柔性内窥镜的几何模型；
第三确定模块730，用于根据所述柔性内窥镜机器人的物理参数，得到所述虚拟柔性内窥镜的物理模型；
第四确定模块740，用于用预设虚拟环境对所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型进行约束，使用碰撞检测算法，对虚拟柔性内窥镜模型形态进行修正，得到所述虚拟柔性内窥镜模型的实时形态；
所述虚拟柔性内窥镜模型包括所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型。
本发明提供的柔性内窥镜机器人模拟装置，可以实现虚拟环境中的实体柔性内窥镜与真实柔性内窥镜同步控制，实现虚拟环境中柔性内窥镜模型的实时模拟，消除真实世界中的物理壁垒，从而可以实时观察到柔性内窥镜的实时形态。
在一些实施例中，第二确定模块720，还用于：
将所述第一电机数据转换为虚拟柔性内窥镜的位移参数；
将所述第二电机数据和所述拉力数据转换为所述虚拟柔性内窥镜的弯曲方向参数和弯曲角度参数；
基于所述位移参数、所述弯曲方向参数和所述弯曲角度参数，确定所述虚拟柔性内窥镜的几何模型。
图8示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行柔性内窥镜机器人模拟方法，该方法包括：
对柔性内窥镜机器人的电机数据和拉力传感器数据进行解析，得到控制所述柔性内窥镜机器人前进后退的第一电机数据、控制所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向的第二电机数据和对所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向做修正的拉力数据；
基于所述第一电机数据、所述第二电机数据和所述拉力数据，得到虚拟柔性内窥镜的几何模型；
根据所述柔性内窥镜机器人的物理参数，得到所述虚拟柔性内窥镜的物理模型；
用预设虚拟环境对所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型进行约束，使用碰撞检测算法，对所述虚拟柔性内窥镜模型的形态进行修正，得到所述虚拟柔性内窥镜模型的实时形态；
所述虚拟柔性内窥镜模型包括所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型。
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元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介质中。基于这样的理解，本发明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介质中，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例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的柔性内窥镜机器人模拟方法，该方法包括：
对柔性内窥镜机器人的电机数据和拉力传感器数据进行解析，得到控制所述柔性内窥镜机器人前进后退的第一电机数据、控制所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向的第二电机数据和对所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向做修正的拉力数据；
基于所述第一电机数据、所述第二电机数据和所述拉力数据，得到虚拟柔性内窥镜的几何模型；
根据所述柔性内窥镜机器人的物理参数，得到所述虚拟柔性内窥镜的物理模型；
用预设虚拟环境对所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型进行约束，使用碰撞检测算法，对所述虚拟柔性内窥镜模型的形态进行修正，得到所述虚拟柔性内窥镜模型的实时形态；
所述虚拟柔性内窥镜模型包括所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的柔性内窥镜机器人模拟方法，该方法包括：
对柔性内窥镜机器人的电机数据和拉力传感器数据进行解析，得到控制所述柔性内窥镜机器人前进后退的第一电机数据、控制所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向的第二电机数据和对所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向做修正的拉力数据；
基于所述第一电机数据、所述第二电机数据和所述拉力数据，得到虚拟柔性内窥镜的几何模型；
根据所述柔性内窥镜机器人的物理参数，得到所述虚拟柔性内窥镜的物理模型；
用预设虚拟环境对所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型进行约束，使用碰撞检测算法，对所述虚拟柔性内窥镜模型的形态进行修正，得到所述虚拟柔性内窥镜模型的实时形态；
所述虚拟柔性内窥镜模型包括所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中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模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
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各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的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计算机可读存储介质中，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)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种柔性内窥镜机器人控制系统，其特征在于，包括：图像模块、仿真模拟模块、设备监测模块和数据展示模块；
所述图像模块、所述仿真模拟模块、所述设备监测模块和所述数据展示模块之间互相连接；
所述图像模块与柔性内窥镜机器人的图像采集装置连接，所述图像模块用于获取所述图像采集装置采集的术中图像数据；
所述仿真模拟模块用于对虚拟柔性内窥镜模型进行计算和渲染；
所述设备监测模块与所述柔性内窥镜机器人的至少一个组件连接，所述设备监测模块用于监测所述至少一个组件的运行状态；
所述数据展示模块用于显示如下至少一项：所述术中图像数据、所述虚拟柔性内窥镜模型、所述至少一个组件的运行状态和患者信息。
2.根据权利要求1所述的柔性内窥镜机器人控制系统，其特征在于，所述仿真模拟模块包括计算模块；
所述计算模块通过所述设备监测模块与所述柔性内窥镜机器人的各电机及拉力传感器连接；
所述计算模块用于：
对读取的电机数据和拉力传感器数据进行解析，得到控制所述柔性内窥镜机器人前进后退的第一电机数据、控制所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向的第二电机数据和对所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向做修正的拉力数据；
基于所述第一电机数据、所述第二电机数据和所述拉力数据，得到虚拟柔性内窥镜的几何模型。
3.根据权利要求2所述的柔性内窥镜机器人控制系统，其特征在于，所述计算模块还用于：
根据所述柔性内窥镜机器人的物理参数，得到所述虚拟柔性内窥镜的物理模型；
用预设虚拟环境对所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型进行约束，使用碰撞检测算法，对所述虚拟柔性内窥镜模型的形态进行修正，得到所述虚拟柔性内窥镜模型的实时形态；
所述虚拟柔性内窥镜模型包括所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型。
4.根据权利要求3所述的柔性内窥镜机器人控制系统，其特征在于，所述仿真模拟模块包括渲染模块；
所述渲染模块用于对所述虚拟柔性内窥镜模型进行渲染，以在虚拟三维空间中显示所述虚拟柔性内窥镜模型和所述预设虚拟环境。
5.根据权利要求1-4任一项所述的柔性内窥镜机器人控制系统，其特征在于，所述系统还包括：实时定位和导航模块；
所述实时定位和导航模块用于基于定位算法得到所述定位结果，并在所述术中图像数据中标注出所述柔性内窥镜机器人对应的柔性内窥镜末端的当前位置，及所述柔性内窥镜机器人对应的柔性内窥镜到达的目标位置；
所述实时定位和导航模块还用于生成导航信息，所述导航信息用于引导所述柔性内窥镜到达所述目标位置。
6.根据权利要求1-4任一项所述的柔性内窥镜机器人控制系统，其特征在于，所述系统还包括：校准模块；
所述校准模块与所述至少一个组件连接，所述校准模块用于给所述至少一个组件提供校准入口。
7.一种柔性内窥镜机器人模拟方法，其特征在于，包括：
对柔性内窥镜机器人的电机数据和拉力传感器数据进行解析，得到控制所述柔性内窥镜机器人前进后退的第一电机数据、控制所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向的第二电机数据和对所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向做修正的拉力数据；
基于所述第一电机数据、所述第二电机数据和所述拉力数据，得到虚拟柔性内窥镜的几何模型；
根据所述柔性内窥镜机器人的物理参数，得到所述虚拟柔性内窥镜的物理模型；
用预设虚拟环境对所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型进行约束，使用碰撞检测算法，对所述虚拟柔性内窥镜模型的形态进行修正，得到所述虚拟柔性内窥镜模型的实时形态；
所述虚拟柔性内窥镜模型包括所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型。
8.根据权利要求7所述的柔性内窥镜机器人模拟方法，其特征在于，所述基于所述第一电机数据、所述第二电机数据和所述拉力数据，得到虚拟柔性内窥镜的几何模型，包括：
将所述第一电机数据转换为所述虚拟柔性内窥镜的位移参数；
将所述第二电机数据和所述拉力数据转换为所述虚拟柔性内窥镜的弯曲方向参数和弯曲角度参数；
基于所述位移参数、所述弯曲方向参数和所述弯曲角度参数，确定所述虚拟柔性内窥镜的几何模型。
9.一种柔性内窥镜机器人模拟装置，其特征在于，包括：
第一确定模块，用于对柔性内窥镜机器人的电机数据和拉力传感器数据进行解析，得到控制所述柔性内窥镜机器人前进后退的第一电机数据、控制所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向的第二电机数据和对所述柔性内窥镜机器人柔性部弯曲转向做修正的拉力数据；
第二确定模块，用于基于所述第一电机数据、所述第二电机数据和所述拉力数据，得到虚拟柔性内窥镜的几何模型；
第三确定模块，用于根据所述柔性内窥镜机器人的物理参数，得到所述虚拟柔性内窥镜的物理模型；
第四确定模块，用于用预设虚拟环境对所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型进行约束，使用碰撞检测算法，对虚拟柔性内窥镜模型形态进行修正，得到所述虚拟柔性内窥镜模型的实时形态；
所述虚拟柔性内窥镜模型包括所述虚拟柔性内窥镜的几何模型和所述虚拟柔性内窥镜的物理模型。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求7或8所述柔性内窥镜机器人模拟方法。
11.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求7或8所述柔性内窥镜机器人模拟方法。
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