CN116076984A - 内窥镜视野调整方法、控制系统及可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种内窥镜视野调整方法、控制系统及可读存储介质。其中，所述内窥镜视野调整方法包括如下步骤：获取模式选择指令，所述模式选择指令对应于至少两种预设模式；切换至对应的所述预设模式；基于切换的所述预设模式进行虚拟控制对象的设置和运动学解算，将控制主手的位移输入转化为不同的内窥镜运动。如此配置，一方面增加了内窥镜视野调整方式的数量，可以适配不同术者的操作习惯；同时基于虚拟控制对象，使得内窥镜视野的控制更为直观，便于上手；解决了现有技术中存在的内窥镜视野调整方式单一、不直观，上手门槛高的问题。

Description

内窥镜视野调整方法、控制系统及可读存储介质
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种内窥镜视野调整方法、控制系统及可读存储介质。
背景技术
单孔腔镜手术是一种使用现代摄像技术和高科技手术器械装备，在套管或微小切口下完成体腔内复杂手术的微创外科技术。
在单孔腔镜手术中，对内窥镜视野的调整关系到整个手术的成功率和效率。目前对于内窥镜视野的调整模式比较单一，难以适应不同的术者所具有不同的操作习惯。视野调整方式也不够不直观，与术者期望不符，需要术者进行一定的练习才能适应，上手门槛较高。因此，需要对内窥镜视野的调整方法进行改进以方便术者实施手术。
总之，现有技术中存在内窥镜视野调整方式单一、不直观，上手门槛高的问题。
发明内容
本发明提供了一种内窥镜视野调整方法、控制系统及可读存储介质，以解决现有技术中存在的内窥镜视野调整方式单一、不直观，上手门槛高的问题。
为了解决上述技术问题，根据本发明的第一个方面，提供了一种内窥镜视野调整方法，所述内窥镜视野调整方法包括如下步骤：获取模式选择指令，所述模式选择指令对应于至少两种预设模式；切换至对应的所述预设模式；获取第一关节的位移，所述第一关节从属于控制主手；基于所述第一关节的位移解算虚拟控制对象的预期位姿；基于所述虚拟控制对象的预期位姿解算虚拟内窥镜的目标位姿；基于所述虚拟内窥镜的目标位姿确定内窥镜的目标位姿；以及，基于所述内窥镜的目标位姿计算并控制第二关节的位移，所述第二关节从属于所述内窥镜。
其中，所述虚拟控制对象、解算所述虚拟控制对象的预期位姿的算法和解算所述虚拟内窥镜的目标位姿的算法与选择的所述预设模式相关。
可选的，所述基于所述虚拟内窥镜的目标位姿确定内窥镜的目标位姿的步骤具体包括：构建所述内窥镜的运动学几何关系，确定所述内窥镜的运动边界；若所述虚拟内窥镜的目标位姿在所述运动边界之内，将所述虚拟内窥镜的目标位姿设置为所述内窥镜的目标位姿；否则，将所述运动边界之内最接近所述虚拟内窥镜的目标位姿的位姿设置为所述内窥镜的目标位姿。
可选的，所述内窥镜视野调整方法还包括：若所述虚拟内窥镜的目标位姿不在所述运动边界之内，基于所述第一关节中的至少一部分进行力反馈或者限制所述第一关节中的至少一部分的运动自由度。
可选的，所述预设模式包括双手拖拽控制模式；当切换至所述双手拖拽控制模式时，所述虚拟控制对象为两个所述控制主手的末端的中点。所述虚拟内窥镜的三个平移方向上的位移与所述虚拟控制对象的三个平移方向上的位移保持一致或者成比例。
可选的，所述内窥镜的运动自由度大于三个，当切换至所述双手拖拽控制模式时，基于所述内窥镜的目标位姿计算并控制第二关节的位移的步骤包括：基于最优化算法，确定所述内窥镜的在各运动自由度上的位移；其中，目标函数为终端评价指标和动态评价指标之和；所述终端评价指标为所述内窥镜的目标位姿和所述内窥镜的实际位姿的重合程度的指标，重合程度越高，指标值越低；所述动态评价指标为运动过程中的总动量；所述最优化算法的优化方向是目标函数越小越好。
可选的，当切换至所述双手拖拽控制模式时，所述内窥镜视野调整方法还包括如下步骤：在第一预设时间点之后，锁定所述第一关节中的至少一部分的运动自由度，使得两个所述控制主手的末端的相对距离的变化值在第一预设范围之内。
其中，所述第一预设时间点为切换至所述双手拖拽控制模式时，接收到用于表征锁定意图的控制指令时，或者，接收到能够反映用户已经开始进行视野调整的控制指令之时。
可选的，所述预设模式包括单手匹配控制模式；当切换至所述单手匹配控制模式时，所述虚拟控制对象与其中一个所述控制主手的末端重合。
可选的，所述窥镜视野调整方法还包括：当切换至所述单手匹配控制模式时，调整所述控制主手的末端的姿态，使得所述控制主手的末端的姿态与当前的所述内窥镜的姿态保持一致。
当切换至所述单手匹配控制模式时，所述基于所述虚拟控制对象的预期位姿解算虚拟内窥镜的目标位姿的步骤为：所述虚拟内窥镜的三个平移方向上的位移与所述虚拟控制对象的三个平移方向上的位移保持一致或者成比例；所述虚拟内窥镜的在非自由度转动方向上不响应所述虚拟控制对象在相应的转动方向上的位移；所述虚拟内窥镜的自由度转动方向上的位移与所述虚拟控制对象在相应的转动方向上的位移保持一致。
可选的，当切换至所述单手匹配控制模式时，基于所述内窥镜的目标位姿计算并控制第二关节的位移的步骤包括：基于运动学逆矩阵，由所述内窥镜的目标位姿计算所述第二关节的位移。
可选的，当切换至所述单手匹配控制模式时，所述内窥镜视野调整方法还包括如下步骤：在第二预设时间点之后，锁定所述控制主手的末端的所述第一关节以外的其他所述第一关节，使得所述控制主手的末端与控制台基座的相对位置锁定。
其中，所述第二预设时间点为切换至所述单手匹配控制模式时，接收到用于表征锁定意图的控制指令时，或者，接收到能够反映用户已经开始进行视野调整的控制指令之时。
可选的，所述预设模式包括虚拟刚体控制模式；当切换至所述虚拟刚体控制模式时，所述虚拟控制对象为虚拟刚体，所述虚拟刚体具有两个杆状体，所述杆状体与所述控制主手的握把各自重合。
所述虚拟刚体还具有一个视野观察点重合部，所述视野观察点重合部的中心和两个所述控制主手的末端的中心重合，当切换至所述虚拟刚体控制模式时，所述基于所述虚拟控制对象的预期位姿解算虚拟内窥镜的目标位姿的步骤为：解算虚拟内窥镜的目标位姿，使得所述虚拟内窥镜的观察对象相对于所述虚拟内窥镜中的位姿移动轨迹和所述视野观察点重合部相对于控制台基座的位姿移动轨迹的差值在第二预设范围内。
可选的，所述解算虚拟内窥镜的目标位姿，使得所述虚拟内窥镜的观察对象的位姿移动轨迹和所述视野观察点重合部的位姿移动轨迹的差值在第二预设范围内的步骤包括：
在切换至所述虚拟刚体控制模式时：生成虚拟刚体坐标系，所述虚拟刚体坐标系与所述虚拟刚体固结；生成监视器坐标系，所述监视器坐标系与所述虚拟内窥镜的镜头固结；记录所述控制主手的所述握把在所述虚拟刚体坐标系中的第一位姿；记录所述监视器坐标系在所述虚拟刚体坐标系中的第二位姿。
在切换至所述虚拟刚体控制模式之后：基于所述控制主手的第一关节的位移计算所述控制主手的握把相对于所述控制台基座的运动轨迹；基于所述运动轨迹计算所述控制主手的所述握把在所述监视器坐标系中的位姿；生成备选的所述虚拟刚体坐标系在所述监视器坐标系中的位姿，优化备选的所述虚拟刚体坐标系使得备选的所述虚拟刚体坐标系下所描述的所述控制主手的所述握的位姿与所述第一位姿的重合程度最高；将优化后的备选的所述虚拟刚体坐标系设置为所述虚拟刚体坐标系，并记录所述监视器坐标系在所述虚拟刚体坐标系中的第三位姿；基于所述第三位姿和所述第二位姿的区别计算所述虚拟内窥镜的目标位姿。
可选的，当切换至所述虚拟刚体控制模式时，基于所述内窥镜的目标位姿计算并控制第二关节的位移的步骤包括：基于运动学逆矩阵，由所述内窥镜的目标位姿计算所述第二关节的位移。
可选的，当切换至所述虚拟刚体控制模式时，所述内窥镜视野调整方法还包括如下步骤：在第三预设时间点之后，所述锁定所述第一关节中的至少一部分的运动自由度，使得两个所述控制主手的握把与所述杆状体的偏差程度在第三预设范围之内。
其中，所述第三预设时间点为切换至所述虚拟刚体控制模式时，接收到用于表征锁定意图的控制指令时，或者，接收到能够反映用户已经开始进行视野调整的控制指令之时。
为了解决上述技术问题，根据本发明的第二个方面，提供了一种控制系统，包括两个控制主手、处理器和内窥镜，所述处理器用于基于所述控制主手获取的输入指令执行上述的内窥镜视野调整方法以控制所述内窥镜，所述内窥镜的运动自由度适应性地设置。
为了解决上述技术问题，根据本发明的第三个方面，提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有程序，所述程序运行时，执行上述的内窥镜视野调整方法。
与现有技术相比，本发明提供的一种内窥镜视野调整方法、控制系统及可读存储介质中，所述内窥镜视野调整方法包括如下步骤：获取模式选择指令，所述模式选择指令对应于至少两种预设模式；切换至对应的所述预设模式；基于切换的所述预设模式进行虚拟控制对象的设置和运动学解算，将控制主手的位移输入转化为不同的内窥镜运动。如此配置，一方面增加了内窥镜视野调整方式的数量，可以适配不同术者的操作习惯；同时基于虚拟控制对象，使得内窥镜视野的控制更为直观，便于上手；解决了现有技术中存在的内窥镜视野调整方式单一、不直观，上手门槛高的问题。
附图说明
本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：
图1是本发明一实施例的内窥镜视野调整方法的流程示意图；
图2是本发明一实施例的控制系统示意图；
图3是本发明一实施例的蛇骨内窥镜的结构示意图；
图4是本发明一实施例的虚拟内窥镜和内窥镜的位置的区别的示意图；
图5是本发明一实施例的控制系统的控制流程图；
图6是本发明一实施例的主手运动控制模块的工作流程图；
图7是本发明一实施例在双手拖拽控制模式下的虚拟控制对象的示意图；
图8是本发明一实施例的优化算法的目标函数的计算示意图；
图9是本发明一实施例的部分第一关节被锁定的示意图；
图10是本发明一实施例在虚拟刚体控制模式下的虚拟控制对象的示意图；
图11是本发明一实施例在虚拟刚体控制模式下的各坐标系的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，术语“近端”通常是靠近操作者的一端，术语“远端”通常是靠近患者的一端，“一端”与“另一端”以及“近端”与“远端”通常是指相对应的两部分，其不仅包括端点，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。此外，如在本发明中所使用的，一元件设置于另一元件，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的核心思想在于提供一种内窥镜视野调整方法、控制系统及可读存储介质，以解决现有技术中存在的内窥镜视野调整方式单一、不直观，上手门槛高的问题。
以下参考附图进行描述。
请参考图1，本实施例提供了一种内窥镜视野调整方法，内窥镜视野调整方法包括如下步骤：
S10获取模式选择指令，模式选择指令对应于至少两种预设模式。
S20切换至对应的预设模式。
S30获取第一关节的位移，第一关节从属于控制主手。
S40基于第一关节的位移解算虚拟控制对象的预期位姿。
S50基于虚拟控制对象的预期位姿解算虚拟内窥镜的目标位姿。
S60基于虚拟内窥镜的目标位姿确定内窥镜的目标位姿。
以及，S80基于内窥镜的目标位姿计算并控制第二关节的位移，第二关节从属于内窥镜。
其中，虚拟控制对象、解算虚拟控制对象的预期位姿的算法和解算虚拟内窥镜的目标位姿的算法与选择的预设模式相关。
在步骤S10中，模式选择指令的来源可以是用户，也可以是上一级的控制算法。例如通过操作界面获取用户输入的模式选择指令，或者，通过特定的通讯接口获取上一级的控制算法输入的模式选择指令。
在步骤S30中，“关节”和“位移”都应该广义理解，在一些实施例中，“关节”指代只能进行旋转的机械结构，在另外一些实施例中，“关节”也可以指代可以进行平动或者复合运动的机械结构。“位移”也应当对应于具体机械结构的不同，而理解为平移位移、旋转位移或者复合位移。在本说明书的后续内容中，也按照上述思路进行理解。由于术者对控制主手的末端进行了操作，而控制主手的末端运动带动了相应的第一关节的运动，从而使得至少一部分的第一关节产生了位移，上述位移通过传感器进行读取并传输入相应的处理器。步骤S30中，“获取第一关节的位移”也可以理解为，获取“获取第一关节的位移的测量值”。
在步骤S40中，通过虚拟控制对象的设置，使得本实施例的控制目标从各自独立的若干个执行机构的位移变为一个虚拟的控制对象，在后文中会介绍虚拟控制对象对应于一个具体的实际对象。如此配置，使得术者的操作更具有目标性，也便于新手理解和预判其当前的操作能够产生的实际效果，从而解决现有技术中的问题。虚拟控制对象应当这样理解，笼统来说，虚拟控制对象的运动与控制主手的运动存在简单的映射关系，也基于此，本发明具有操作直观易上手的优点。具体说来，其整体或者其自身的一部分与控制主手的运动仅存在线性关系。
步骤S50和S60的设置具有两个目的，第一个目的是通过特定的算法将直观的便于术者理解的操作逆向转化为内窥镜的预期位姿，同时也便于开发人员的理解和修正；第二个目的是通过虚拟内窥镜作为桥梁，切断输入的操作指令和内窥镜之间的联系，为安全机制的介入提供条件。步骤S60的具体细节在后文中会进行介绍。
步骤S80最终将内窥镜的预期位姿转化为各执行机构的位移，从而实现控制目标。
为了便于理解，实施本方法的控制系统如图2所示。在单臂单孔手术系统中由三个子系统构成，分别为医生控制台1，患者台车2与图像台车3。在临床操作中，术者由单一创口向腹腔置入多把器械开展手术，术者通过在医生控制台操作主手控制患者端内窥镜的位置与姿态以获得最佳的手术视野。
内窥镜设置于患者台车2上，在一实施例中，请参考图3，内窥镜为蛇骨内窥镜4，蛇骨内窥镜4的弯曲关节包含两个蛇骨单元，其连接的结构包括平行关节41和俯仰偏摆关节42；使得蛇骨内窥镜拥有更多的自由度，与传统手术内窥镜相比更为灵活，能为术者提供更多的视野角度。但是，显然地，本实施例也可以与其他结构的内窥镜进行配合。为了便于理解，在后续内容中以蛇骨内窥镜4为例进行介绍，但是本实施例不限于仅应用于蛇骨内窥镜4。
进一步地，步骤S60基于虚拟内窥镜的目标位姿确定内窥镜的目标位姿的步骤具体包括：
S601构建内窥镜的运动学几何关系，确定内窥镜的运动边界。
S602若虚拟内窥镜的目标位姿在运动边界之内，将虚拟内窥镜的目标位姿设置为内窥镜的目标位姿；否则，将运动边界之内最接近虚拟内窥镜的目标位姿的位姿设置为内窥镜的目标位姿。
“最接近”可以根据实际需要进行设置，例如，以两个位姿的平移距离、两个位姿的平移和转动的复合位移，以两个位姿沿设定的测量方向的位移投影等作为指标，判断最接近。
可以理解的，在步骤S601中，还可以加入其他条件确定运动边界，例如内窥镜在患者体腔内要避开的一些脏器等。
请参考图4，图4展示了当虚拟内窥镜51超出运动边界53之外后，虚拟内窥镜51和内窥镜52的位置的区别。
根据蛇骨内窥镜每个关节的长度和角度限位构建相应的虚拟立体几何，定义蛇骨内窥镜的运动边界。在每一个控制周期中，对内窥镜的当前位置进行运动边界检测，当检测到内窥镜已到达边界时，将限制内窥镜继续向边界外运动的趋势，使其停留在边界上。
如果控制主手此时依然有向边界外运动的趋势，内窥镜将选取边界上离期望位置最近的点作为目标位置，使其可在边界上滑动，并且在主手呈现边界力，引导术者向工作区域内移动。
具体实现过程为：假设一个虚拟内窥镜，虚拟内窥镜的构型与蛇骨内窥镜一致，当主手发出的运动指令超过从端的运动边界时，从端自动生成一个对应该超限指令的虚拟内窥镜，根据虚拟内窥镜的当前位姿计算它的各个关节力矩，并得出虚拟内窥镜末端所受的力矩。
请继续参考图1，内窥镜视野调整方法还包括：S70若虚拟内窥镜的目标位姿不在运动边界之内，基于第一关节中的至少一部分进行力反馈或者限制第一关节中的至少一部分的运动自由度。“第一关节中的至少一部分的运动自由度”应当理解为每个关节中的运动自由度可以被全部限制或者被部分限制，可以限制一个方向的运动但是不限制反方向的运动。力反馈应当理解为，当控制主手运动超过边界时，同时控制主手会受到一个指向边界内的回复力，若此时控制主手不再受到其他力(例如操作者松手)，控制主手能缓慢回到边界。
假设控制主手的控制输入量为ψ，虚拟内窥镜的期望运动速度满足如下运动方程：
Figure BDA0004111757400000081
其中，J为雅可比矩阵，qvirtual为虚拟内窥镜的期望关节角度。当然，不排除在特定的实施例中，内窥镜具有平移能力，因此qvirtual也可以广义理解为虚拟内窥镜的执行器的广义复合位移。下文中为了理解的方便，按照期望关节角度进行计算。
通过求解上式，可以得到虚拟内窥镜向期望位置运动的期望速度
Figure BDA0004111757400000082
积分可得到期望关节角度qvirtual。由等式：
τvirtual＝-K(qendo-qvirtual)
可以得到虚拟内窥镜受到的力矩τvirtual。其中，K为基于内窥镜的驱动算法中设置的相关控制参数，qendo为运动边界内的关节角度，即前文中提及的最接近预期角度的角度。
控制输入受到的力Fψ与虚拟内窥镜受到的力矩满足等式：
Fψ＝JTτvirtual
简单来说，控制主手受到的反馈力与虚拟内窥镜偏移出运动边界的距离成正比。
控制主手受到的从端边界反馈力跟控制主手作为控制输入的方式有关，不同控制模式中，控制主手受到的力的形式将有所不同。
上述内容描述了力反馈的一种实现方式，根据实际情况的不同，还可以是其他的力反馈方式，例如用恒定的力进行反馈等；也可以是前文中提及的，锁定自由度的方式，即移动到临界位置时，在人类手臂能够输出的力和力矩的作用下，控制主手的相关关节不再发生位移。
在一实施例中，预设模式包括双手拖拽控制模式、单手匹配控制模式和虚拟刚体控制模式。也就是说，该实施例的控制流程也可以按照图5进行理解，具体包括：控制模式的选择，然后通过图像台车反馈内窥镜画面，医生基于自己的期望视野进行主手运动控制，并通过主手运动控制模块的输入信号进行从端内窥镜调整，并且，医生根据实施反馈的内窥镜画面确认当前的视野是否符合自己的预期，若不符合则继续调整。同时，从端内窥镜在运动时也通过主手运动控制模块给出反馈，提醒医生当前的内窥镜运动是否处于运动边界的临界位置。
可以理解的，在其他的实施例中，可以包括上述模式中的两者，或者包括上述模式中的一者并结合其他的控制模式，例如直接控制关节位移的控制模式。
图5中，主手运动控制模块6按照如图6所示的方式工作，先获取主手运动数据64，然后根据边界保护模块63和约束反馈模块62计算出相应的约束条件，具体包括边界保护约束力Fb、边界保护约束力矩Mb、约束反馈力Fc和约束反馈力矩Mc，再通过力引导模块61传输给相关的主手关节65实现反馈或者约束。主手关节65也即第一关节。当主手运动数据64经过运算转换到从端坐标系后，先对数据进行低通滤波处理，滤除高频分量消除毛刺，使得对从端发出的运动指令更加流畅，避免突然跳变；然后检测该期望运动指令是否超出内窥镜的运动边界，如果超出边界，内窥镜将停留在边界上不继续向边界外运动。
进一步地，当切换至双手拖拽控制模式时，虚拟控制对象为两个控制主手的末端的中点。请参考图7，图7中展示了两个控制主手7，并展示了虚拟控制对象71。虚拟控制对象71与内窥镜的镜头相对应。
当切换至双手拖拽控制模式时，基于虚拟控制对象的预期位姿解算虚拟内窥镜的目标位姿的步骤为：虚拟内窥镜的三个平移方向上的位移与虚拟控制对象的三个平移方向上的位移保持一致或者成比例。
也就是说，双手拖拽控制模式下，操作者的体验像是直接在拉动镜头运动。
当内窥镜为蛇骨内窥镜时，内窥镜的运动自由度大于三个，当切换至双手拖拽控制模式时，基于内窥镜的目标位姿计算并控制第二关节的位移的步骤包括：
基于最优化算法，确定内窥镜的在各运动自由度上的位移；其中，目标函数为终端评价指标和动态评价指标之和；终端评价指标为内窥镜的目标位姿和内窥镜的实际位姿的重合程度的指标，重合程度越高，指标值越低；动态评价指标为运动过程中的总动量；最优化算法的优化方向是目标函数越小越好。
在一具体的实施例中，医生根据当前内窥镜的视野图像反馈，操作主手向自己期望的手术视野靠近。主手的运动数据参数经过处理后，生成一个包含目标函数和约束条件的最优问题。通过求解最优问题，确定输出的关节，计算相应的电机数据并对从端发出运动指令，内窥镜根据指令调整位姿并进行边界检测。
当控制台主手双手连线中心点作为内窥镜视野调整的控制输入时，是三自由度控五自由度，控制输入量大于控制输出量，因此可以选择不同的控制输出并进行耦合来达到期望的控制效果。
为此，针对被控对象即蛇形内窥镜的实际运动结构来设计控制器。首先定义一个目标函数来定量描述控制器的性能：
Figure BDA0004111757400000101
其中第一项为终端评价指标，保证系统终端状态与给定的终端状态尽量接近，反映调节过程的平稳性、精确性。第二项为动态评价指标，保证系统的综合性能，反映过程中做动量的大小。q为内窥镜的关节角度，u为内窥镜的关节期望角速度，Φ和L分别为相关的计算函数，其具体形式由内窥镜的具体结构所确定，其中，Φ用于描述系统终端状态，L用于描述动量的瞬时值，tf代表运动结束时间。
当目标函数取到最小值时，性能指标最优。控制器的设计可以转化为一个终端时刻自由但终端状态固定的最优问题。
通过求解最优问题设计控制器并起到关节优化选择的功能，在该模式下我们耦合不同控制输出(内窥镜关节角度)使内窥镜视野调整至期望位置，并且使性能指标达到最优，尽可能小地改变内窥镜的关节角度，使其镜头到达医生的期望位置。
上述优化算法的目标函数计算过程可以参考图8进行理解。
当切换至双手拖拽控制模式时，内窥镜视野调整方法还包括如下步骤：在第一预设时间点之后，锁定第一关节中的至少一部分的运动自由度，使得两个控制主手的末端的相对距离的变化值在第一预设范围之内。例如，请继续参考图7，当术者从器械控制切换到内窥镜控制时，记录双主手在笛卡尔空间的初始位置关系：
Δx0＝x0，right-x0，left
在之后的控制过程中，以右主手作为基准点，根据初始位置关系计算左主手的期望位置并进行调整，使得双主手的位置关系在控制过程中始终满足初始位置关系。也即，基于f(x0，left,x0，right)＝0确定函数f的表达式，例如：f(xleft，xright)＝|xright-xleft-Δx0|后续运行中始终满足f(xleft,xright)＝0的约束条件。可以理解的，在实际应用时，严格等于0是一个较难实现的条件，一般以f(xleft,xright)≤ΔE1作为约束条件，其中，ΔE1为第一预设范围，ΔE1由实际情况决定。本段中的x为位移向量，代表三个方向的位移，其具体的数据内容基于坐标系的选择和程序实现的逻辑确定。
其中，第一预设时间点为切换至双手拖拽控制模式时，也就是当切换至双手拖拽控制模式时，左右主手就已经相对锁定了。或者，第一预设时间点为接收到用于表征锁定意图的控制指令时，也就是说，在一个示范性的实施例中，用户操作界面上存在一个锁定/解锁按钮，通过这个按钮，用户可以切换当前的约束状态。又或者，第一预设时间点为接收到能够反映用户已经开始进行视野调整的控制指令之时，例如，当一个视野调整位移输入时。上述的不同方案可以对应于不同的实际情况，若出于安全性考虑，可以选择第一个方案，若出于操作自由度考虑，则可以选择后面的两个方案。
进一步地，预设模式包括单手匹配控制模式；当切换至单手匹配控制模式时，虚拟控制对象与其中一个控制主手的末端重合。
也就是说，通过控制其中一个控制主手的末端来控制虚拟控制对象。控制主手的末端具有三个方向的平移自由度和三个方向的旋转自由度。在此处，主手的末端应当理解为一个有3D尺寸的结构，例如是操作杆等。此处的控制主手可以是左手或者右手。
窥镜视野调整方法还包括：当切换至单手匹配控制模式时，调整控制主手的末端的姿态，使得控制主手的末端的姿态与当前的内窥镜的姿态保持一致。如此配置，更有利于操作者直观感受和预测接下来操作的结果。此处的控制主手是指用于控制虚拟控制对象的控制主手。在不同的实施例中，也可以不存在上述环节。控制主手的末端的姿态的描述坐标系和内窥镜的姿态的描述坐标系可以一致，例如都是基坐标系，也可以不一致，例如前者的x方向与术者的面朝方向相同，后者的x方向从患者台车朝向患者。
蛇骨内窥镜的五个自由度中不包含自转，为了主手能够匹配内窥镜的位姿，在该控制模式下，主手七关节将受到相应的运动约束。主手七关节的位置应由内窥镜的可动自由度确定。考虑到内窥镜从其基坐标系出发，只能进行Rotx(Θx)Roty(θy)的旋转变换得到末端镜头的位姿。与之相应，对于主手从视野坐标系出发只进行Rotx(Θx)Roty(θy)的旋转变换就应该得到与现在指向(z轴方向)一致的七关节坐标系，由此可逆解求得主手七关节位置。其中，Θx代表内窥镜绕x轴旋转的角度，θy代表内窥镜绕y轴旋转的角度，Rotx表示基于x方向的旋转角度确定的旋转矩阵，Roty表示基于y方向的旋转角度确定的旋转矩阵。
在一实施例中，当切换至单手匹配控制模式时，基于虚拟控制对象的预期位姿解算虚拟内窥镜的目标位姿的步骤为：虚拟内窥镜的三个平移方向上的位移与虚拟控制对象的三个平移方向上的位移保持一致或者成比例；虚拟内窥镜的在非自由度转动方向上不响应虚拟控制对象在相应的转动方向上的位移；虚拟内窥镜的自由度转动方向上的位移与虚拟控制对象在相应的转动方向上的位移保持一致。
其中，虚拟内窥镜的非自由度转动方向和自由度转动方向由内窥镜的机械结构决定。例如，蛇骨内窥镜的非自由度转动方向为绕自身轴线旋转的方向，蛇骨内窥镜的自由度转动方向为剩余的两个方向。
在一实施例中，主从姿态匹配完成后，医生可以操作主手向自己的期望视野运动。控制台车记录主手的运动数据，映射到从端内窥镜，再根据内窥镜的期望位姿计算出内窥镜的关节电机力矩输出，调整内窥镜。
具体地，在单手匹配模块中，主手在监视器视野坐标系中的位姿改变量与从端内窥镜在基坐标系中的位姿改变量成映射关系，其中主从姿态变化的映射比为1:1，位置变化映射比可根据术者手术操作习惯进行适当调整。从端内窥镜在空间中的移动和转动方向与主手方向一致。两者的映射比例系数可以根据术者的习惯进行一定范围内的调整。
当切换至单手匹配控制模式时，基于内窥镜的目标位姿计算并控制第二关节的位移的步骤包括：基于运动学逆矩阵，由内窥镜的目标位姿计算第二关节的位移。
同样的，当切换至单手匹配控制模式时，内窥镜视野调整方法还包括如下步骤：在第二预设时间点之后，锁定控制主手的末端的第一关节以外的其他第一关节，使得控制主手的末端与控制台基座的相对位置锁定。
单手匹配模块中的控制输入为七自由度的单主手，控制输出为五自由度的蛇骨内窥镜。为避免在术中器械切换后内窥镜位姿的突然改变，降低手术风险。当主手从器械控制切换到内窥镜控制时，主手先进行姿态调整，在调整完毕后，锁定非末端的第一关节，从而降低手术风险。图9示出了一实施例中部分第一关节被锁定的示意图。
其中，第二预设时间点为切换至单手匹配控制模式时，接收到用于表征锁定意图的控制指令时，或者，接收到能够反映用户已经开始进行视野调整的控制指令之时。
第二预设时间点可以参考第一预设时间点进行理解。
进一步地，当切换至虚拟刚体控制模式时，虚拟控制对象为虚拟刚体，虚拟刚体具有两个杆状体，杆状体与控制主手的握把各自重合。当处于初始状态时，杆状体与控制主手的握把总是各自重合，因此虚拟刚体本身的形状并非是固定的。
虚拟刚体还具有一个视野观察点重合部，视野观察点重合部的中心和两个控制主手的末端的中心重合，当切换至虚拟刚体控制模式时，基于虚拟控制对象的预期位姿解算虚拟内窥镜的目标位姿的步骤为：解算虚拟内窥镜的目标位姿，使得虚拟内窥镜的观察对象相对于虚拟内窥镜中的位姿移动轨迹和视野观察点重合部相对于控制台基座的位姿移动轨迹的差值在第二预设范围内。
也就是说，术者在虚拟刚体控制模式下的操作体验是：他在操作被观察对象。
可以理解的，上述的杆状体86和视野观察点重合部85仅仅是为了描述虚拟刚体的运动规则而设置的概念，虚拟刚体本身实际上可以没有固定的形状。杆状体86和视野观察点重合部85可以参考图10进行理解。
由于事实上，被观察对象并不会移动，除非患者躺在一种可以自由移动的患者手术床上，但是本说明书并不讨论这种特殊情况；因此，实际上实现上述效果的根本原因还是内窥镜发生了移动。具体的实现方式如下。
解算虚拟内窥镜的目标位姿，使得虚拟内窥镜的观察对象的位姿移动轨迹和视野观察点重合部的位姿移动轨迹的差值在第二预设范围内的步骤包括：
在切换至虚拟刚体控制模式时：生成虚拟刚体坐标系，虚拟刚体坐标系与虚拟刚体固结；生成监视器坐标系，监视器坐标系与虚拟内窥镜的镜头固结；记录控制主手的握把在虚拟刚体坐标系中的第一位姿；记录监视器坐标系在虚拟刚体坐标系中的第二位姿。
在切换至虚拟刚体控制模式之后：基于控制主手的第一关节的位移计算控制主手的握把相对于控制台基座的运动轨迹；基于运动轨迹计算控制主手的握把在监视器坐标系中的位姿；生成备选的虚拟刚体坐标系在监视器坐标系中的位姿，优化备选的虚拟刚体坐标系使得备选的虚拟刚体坐标系下所描述的控制主手的握的位姿与第一位姿的重合程度最高；将优化后的备选的虚拟刚体坐标系设置为虚拟刚体坐标系，并记录监视器坐标系在虚拟刚体坐标系中的第三位姿；基于第三位姿和第二位姿的区别计算虚拟内窥镜的目标位姿。
也就是说，先以监视器坐标系为基准，使虚拟刚体坐标系随着控制主手的运动而运动，并保持相对的位置关系。而后再以虚拟刚体坐标系为基准，解算监视器坐标系的移动路径，并为最终的虚拟内窥镜的目标位姿的计算提供依据。
上述内容也可以参考图11进行理解，在图11中，示出了监视器坐标系81、虚拟刚体坐标系82、控制左手83、控制右手84和视野观察点重合部85。
同样的，当切换至虚拟刚体控制模式时，基于内窥镜的目标位姿计算并控制第二关节的位移的步骤包括：基于运动学逆矩阵，由内窥镜的目标位姿计算第二关节的位移。
当切换至虚拟刚体控制模式时，内窥镜视野调整方法还包括如下步骤：在第三预设时间点之后，锁定第一关节中的至少一部分的运动自由度，使得两个控制主手的握把与杆状体的偏差程度在第三预设范围之内。
其中，第三预设时间点为切换至虚拟刚体控制模式时，接收到用于表征锁定意图的控制指令时，或者，接收到能够反映用户已经开始进行视野调整的控制指令之时。
第三预设时间点也可以按照第一预设时间点进行理解。
本实施例还提供了一种控制系统，包括两个控制主手、处理器和内窥镜，处理器用于基于控制主手获取的输入指令执行上述的内窥镜视野调整方法以控制内窥镜，内窥镜的运动自由度适应性地设置。
具体地，处理器包括主手运动控制模块、关节优化选择模块、姿态匹配模块、虚拟视角定位模块。其中，主手运动控制模块用于基于边界保护和约束反馈两个策略向第一关节输出控制信号以进行力反馈或者限制第一关节中的至少一部分的自由度。关节优化选择模块用于在双手拖拽控制模式中实现第二关节的选择和位移控制，具体实现方式可以参考前文描述进行理解；姿态匹配模块用于在单手匹配控制模式中实现第二关节的选择和位移控制，具体实现方式可以参考前文描述进行理解；虚拟视角定位模块用于在虚拟刚体控制模式中实现第二关节的选择和位移控制，具体实现方式可以参考前文描述进行理解。
本实施例还提供了一种可读存储介质，可读存储介质上存储有程序，程序运行时，执行上述的内窥镜视野调整方法。
上述的控制系统和可读存储介质因为能够执行内窥镜视野调整方法或者能够提供执行内窥镜视野调整方法的程序，因此也能解决现有技术中存在的问题。
综上，本实施例提供了一种内窥镜视野调整方法、控制系统及可读存储介质。其中，内窥镜视野调整方法包括如下步骤：获取模式选择指令，模式选择指令对应于至少两种预设模式；切换至对应的预设模式；基于切换的预设模式进行虚拟控制对象的设置和运动学解算，将控制主手的位移输入转化为不同的内窥镜运动。如此配置，一方面增加了内窥镜视野调整方式的数量，可以适配不同术者的操作习惯；同时基于虚拟控制对象，使得内窥镜视野的控制更为直观，便于上手；解决了现有技术中存在的内窥镜视野调整方式单一、不直观，上手门槛高的问题。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
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，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，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，本申请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易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(ReRAM)、磁变存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)、铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)、相变存储器(Phase Change Memory，PCM)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (16)

1.一种内窥镜视野调整方法，其特征在于，所述内窥镜视野调整方法包括如下步骤：
获取模式选择指令，所述模式选择指令对应于至少两种预设模式；
切换至对应的所述预设模式；
获取第一关节的位移，所述第一关节从属于控制主手；
基于所述第一关节的位移解算虚拟控制对象的预期位姿；
基于所述虚拟控制对象的预期位姿解算虚拟内窥镜的目标位姿；
基于所述虚拟内窥镜的目标位姿确定内窥镜的目标位姿；以及，
基于所述内窥镜的目标位姿计算并控制第二关节的位移，所述第二关节从属于所述内窥镜；
其中，所述虚拟控制对象、解算所述虚拟控制对象的预期位姿的算法和解算所述虚拟内窥镜的目标位姿的算法与选择的所述预设模式相关。
2.根据权利要求1所述的内窥镜视野调整方法，其特征在于，所述基于所述虚拟内窥镜的目标位姿确定内窥镜的目标位姿的步骤具体包括：
构建所述内窥镜的运动学几何关系，确定所述内窥镜的运动边界；以及，
若所述虚拟内窥镜的目标位姿在所述运动边界之内，将所述虚拟内窥镜的目标位姿设置为所述内窥镜的目标位姿；否则，将所述运动边界之内最接近所述虚拟内窥镜的目标位姿的位姿设置为所述内窥镜的目标位姿。
3.根据权利要求2所述的内窥镜视野调整方法，其特征在于，所述内窥镜视野调整方法还包括：
若所述虚拟内窥镜的目标位姿不在所述运动边界之内，基于所述第一关节中的至少一部分进行力反馈或者限制所述第一关节中的至少一部分的运动自由度。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的内窥镜视野调整方法，其特征在于，所述预设模式包括双手拖拽控制模式；
当切换至所述双手拖拽控制模式时，所述虚拟控制对象为两个所述控制主手的末端的中点；所述虚拟内窥镜的三个平移方向上的位移与所述虚拟控制对象的三个平移方向上的位移保持一致或者成比例。
5.根据权利要求4所述的内窥镜视野调整方法，其特征在于，所述内窥镜的运动自由度大于三个，当切换至所述双手拖拽控制模式时，基于所述内窥镜的目标位姿计算并控制第二关节的位移的步骤包括：
基于最优化算法，确定所述内窥镜的在各运动自由度上的位移；
其中，目标函数为终端评价指标和动态评价指标之和；所述终端评价指标为所述内窥镜的目标位姿和所述内窥镜的实际位姿的重合程度的指标，重合程度越高，指标值越低；所述动态评价指标为运动过程中的总动量；所述最优化算法的优化方向是目标函数越小越好。
6.根据权利要求4所述的内窥镜视野调整方法，其特征在于，当切换至所述双手拖拽控制模式时，所述内窥镜视野调整方法还包括如下步骤：
在第一预设时间点之后，锁定所述第一关节中的至少一部分的运动自由度，使得两个所述控制主手的末端的相对距离的变化值在第一预设范围之内；
其中，所述第一预设时间点为切换至所述双手拖拽控制模式时，接收到用于表征锁定意图的控制指令时，或者，接收到能够反映用户已经开始进行视野调整的控制指令之时。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的内窥镜视野调整方法，其特征在于，所述预设模式包括单手匹配控制模式；
当切换至所述单手匹配控制模式时，所述虚拟控制对象与其中一个所述控制主手的末端重合；当切换至所述单手匹配控制模式时，调整所述控制主手的末端的姿态，使得所述控制主手的末端的姿态与当前的所述内窥镜的姿态保持一致。
8.根据权利要求7所述的内窥镜视野调整方法，其特征在于，当切换至所述单手匹配控制模式时，所述基于所述虚拟控制对象的预期位姿解算虚拟内窥镜的目标位姿的步骤为：所述虚拟内窥镜的三个平移方向上的位移与所述虚拟控制对象的三个平移方向上的位移保持一致或者成比例；所述虚拟内窥镜的在非自由度转动方向上不响应所述虚拟控制对象在相应的转动方向上的位移；所述虚拟内窥镜的自由度转动方向上的位移与所述虚拟控制对象在相应的转动方向上的位移保持一致。
9.权利要求7所述的内窥镜视野调整方法，其特征在于，当切换至所述单手匹配控制模式时，基于所述内窥镜的目标位姿计算并控制第二关节的位移的步骤包括：
基于运动学逆矩阵，由所述内窥镜的目标位姿计算所述第二关节的位移。
10.根据权利要求7所述的内窥镜视野调整方法，其特征在于，当切换至所述单手匹配控制模式时，所述内窥镜视野调整方法还包括如下步骤：
在第二预设时间点之后，锁定所述控制主手的末端的所述第一关节以外的其他所述第一关节，使得所述控制主手的末端与控制台基座的相对位置锁定；
其中，所述第二预设时间点为切换至所述单手匹配控制模式时，接收到用于表征锁定意图的控制指令时，或者，接收到能够反映用户已经开始进行视野调整的控制指令之时。
11.根据权利要求1～3中任一项所述的内窥镜视野调整方法，其特征在于，所述预设模式包括虚拟刚体控制模式；
当切换至所述虚拟刚体控制模式时，所述虚拟控制对象为虚拟刚体，所述虚拟刚体具有两个杆状体，所述杆状体与所述控制主手的握把各自重合；
所述虚拟刚体还具有一个视野观察点重合部，所述视野观察点重合部的中心和两个所述控制主手的末端的中心重合，当切换至所述虚拟刚体控制模式时，所述基于所述虚拟控制对象的预期位姿解算虚拟内窥镜的目标位姿的步骤为：解算虚拟内窥镜的目标位姿，使得所述虚拟内窥镜的观察对象相对于所述虚拟内窥镜中的位姿移动轨迹和所述视野观察点重合部相对于控制台基座的位姿移动轨迹的差值在第二预设范围内。
12.根据权利要求11所述的内窥镜视野调整方法，其特征在于，所述解算虚拟内窥镜的目标位姿，使得所述虚拟内窥镜的观察对象的位姿移动轨迹和所述视野观察点重合部的位姿移动轨迹的差值在第二预设范围内的步骤包括：
在切换至所述虚拟刚体控制模式时：生成虚拟刚体坐标系，所述虚拟刚体坐标系与所述虚拟刚体固结；生成监视器坐标系，所述监视器坐标系与所述虚拟内窥镜的镜头固结；记录所述控制主手的所述握把在所述虚拟刚体坐标系中的第一位姿；记录所述监视器坐标系在所述虚拟刚体坐标系中的第二位姿；
在切换至所述虚拟刚体控制模式之后：基于所述控制主手的第一关节的位移计算所述控制主手的握把相对于所述控制台基座的运动轨迹；基于所述运动轨迹计算所述控制主手的所述握把在所述监视器坐标系中的位姿；生成备选的所述虚拟刚体坐标系在所述监视器坐标系中的位姿，优化备选的所述虚拟刚体坐标系使得备选的所述虚拟刚体坐标系下所描述的所述控制主手的所述握的位姿与所述第一位姿的重合程度最高；将优化后的备选的所述虚拟刚体坐标系设置为所述虚拟刚体坐标系，并记录所述监视器坐标系在所述虚拟刚体坐标系中的第三位姿；基于所述第三位姿和所述第二位姿的区别计算所述虚拟内窥镜的目标位姿。
13.根据权利要求11所述的内窥镜视野调整方法，其特征在于，当切换至所述虚拟刚体控制模式时，基于所述内窥镜的目标位姿计算并控制第二关节的位移的步骤包括：
基于运动学逆矩阵，由所述内窥镜的目标位姿计算所述第二关节的位移。
14.根据权利要求11所述的内窥镜视野调整方法，其特征在于，当切换至所述虚拟刚体控制模式时，所述内窥镜视野调整方法还包括如下步骤：
在第三预设时间点之后，所述锁定所述第一关节中的至少一部分的运动自由度，使得两个所述控制主手的握把与所述杆状体的偏差程度在第三预设范围之内；
其中，所述第三预设时间点为切换至所述虚拟刚体控制模式时，接收到用于表征锁定意图的控制指令时，或者，接收到能够反映用户已经开始进行视野调整的控制指令之时。
15.一种控制系统，其特征在于，包括两个控制主手、处理器和内窥镜，所述处理器用于基于所述控制主手获取的输入指令执行如权利要求1～14中任一项所述的内窥镜视野调整方法以控制所述内窥镜，所述内窥镜的运动自由度适应性地设置。
16.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有程序，所述程序运行时，执行如权利要求1～14中任一项所述的内窥镜视野调整方法。
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