【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于醫療機器人，尤其涉及一種運動學模型在線估計的柔性內窺鏡機器人的最優視覺控制方法及系統。
技術介紹
1、內窺鏡手術涉及使用內窺鏡(一種末端帶有透鏡和光源的柔性細管)，通過小切口或自然開口觀察人體內部并進行手術。與開放手術相比，該手術具有許多優點，包括切口更少、失血更少、恢復時間更快、副作用更少以及出現問題的可能性降低。
2、內窺鏡機器人是一種具有靈活形變能力的機器人，由于其靈活度高、適應性強，使其能夠在有限的空間中運動，并適應各種復雜的約束環境，在醫療領域，這種機器人的出現與應用提升了傳統手術的準確性與效率，通過內窺鏡能夠很直接的減少手術過程中的出血與組織損傷，也能夠縮短患者的恢復時間。
3、當涉及到內窺鏡機器人的建模和控制時會遇到一些挑戰。一方面內窺鏡柔性可變形難以精準建模；另一方面運動過程中會受到多種約束限制。第一，內窺鏡的非線性和高自由度，使其運動學建模變得更為困難和具有挑戰性。第二，外部環境的擾動使得內窺鏡機器人的實際位置偏離理論位置，從而產生異常值，這些異常值會導致運動學建模出現奇異性，進而產生控制的不穩定性。第三，在內窺鏡機器人的控制過程中，需要考慮到機器人系統的物理約束以及任務需要的控制約束，確保操作的安全性。因此，為了解決這些問題，有必要提供一種創新的內窺鏡機器人的控制方法，以克服傳統方法的局限性，實現在受限環境中，內窺鏡機器人的高效、穩定和精確控制，以降低手術過程中的風險和并發癥。
技術實現思路
1、為解決上述技術問題，本專利技
2、為實現上述目的，本專利技術提供了一種運動學模型在線估計的柔性內窺鏡機器人的最優視覺控制方法，包括以下步驟：
3、基于內窺鏡機器人采集腔道圖像，對所述腔道圖像進行處理得到腔道中心坐標和視覺特征；
4、基于所述腔道中心坐標和內窺鏡機器人的關節速度計算內窺鏡機器人在各個姿態下的雅可比矩陣；
5、獲取圖像中心坐標，基于所述腔道中心坐標和所述圖像中心坐標得到圖像特征誤差，基于所述圖像特征誤差和所述雅可比矩陣計算內窺鏡機器人各關節運動速度的最優解；
6、將所述內窺鏡機器人各關節運動速度的最優解輸入內窺鏡機器人各個關節的驅動電機實現最優視覺控制。
7、可選地，對所述腔道圖像進行處理得到腔道中心坐標的過程包括：
8、采用自適應閾值法將所述腔道圖像進行二值化處理得到二值化圖像；
9、分割所述二值化圖像中的腔體輪廓，并提取所述腔體輪廓的最大內切圓得到腔道中心；
10、基于所述腔道中心確定腔道中心坐標。
11、可選地，計算內窺鏡機器人各關節運動速度的最優解的過程包括：
12、基于所述圖像特征誤差得到期望視覺特征的運動速度；
13、基于所述雅可比矩陣和所述期望視覺特征的運動速度構建二次規劃模型；
14、求解所述二次規劃模型得到內窺鏡機器人的各個關節的最優控制量。
15、可選地，所述二次規劃模型的代價函數包括：視覺特征的期望速度與實際速度之間的誤差和最小控制量完成目標任務的正則化項。
16、可選地，所述二次規劃模型的表達式為：
17、
18、subject?to?qmin≤q≤qmax
19、
20、式中，β是正常數，為關節速度，表示內窺鏡機器人的運動模型，j表示內窺鏡機器人的雅可比矩陣，|e|表示目標點與圖像中心之間的絕對距離，k1和k2分別表示縮放函數的垂直軸和水平軸，r0表示目標點的像素坐標的影響半徑，表示約束函數，qmin,qmax分別表示q的下限和上限，分別表示速度的下限和上限。
21、可選地，所述最優視覺控制方法還包括基于所述內窺鏡機器人各關節運動速度的最優解和所述視覺特征計算環境擾動量；
22、其中，計算環境擾動量的過程包括：
23、建立內窺鏡機器人的狀態空間方程和觀測器；
24、基于所述觀測器的觀測數據和所述狀態空間方程建立觀測器方程；
25、基于所述觀測器方程確定環境擾動量。
26、可選地，所述環境擾動量的表達式為：
27、ω＝z2＝∫-β2e1dt
28、式中，ω表示環境擾動量，β2表示觀測的增益系數，e1表示觀測到的輸出誤差。
29、本專利技術還提供了一種運動學模型在線估計的柔性內窺鏡機器人的最優視覺控制系統，包括：圖像處理模塊、雅可比矩陣魯棒估計模塊、最優視覺控制模塊、擾動觀測模塊和內窺鏡驅動模塊；
30、其中，所述圖像處理模塊用于采集人體的腔道圖像，并基于所述腔道圖像計算腔體中心坐標；
31、所述雅可比矩陣魯棒估計模塊用于基于所述腔體中心坐標和內窺鏡機器人的關節速度計算內窺鏡機器人在各個姿態下的雅可比矩陣；
32、所述最優視覺控制模塊用于基于所述雅可比矩陣和圖像特征誤差計算內窺鏡機器人各關節運動速度的最優解；
33、所述擾動觀測模塊用于計算環境擾動量；
34、所述內窺鏡驅動模塊用于基于所述內窺鏡機器人各關節運動速度的最優解驅動內窺鏡機器人的關節驅動電機實現對內窺鏡機器人的末端相機的姿態控制。
35、本專利技術還提供了一種計算機終端設備，包括：
36、一個或多個處理器；
37、存儲器，與所述處理器耦接，用于存儲一個或多個程序；
38、當所述一個或多個程序被所述一個或多個處理器執行，使得所述一個或多個處理器實現一種運動學模型在線估計的柔性內窺鏡機器人的最優視覺控制方法。
39、本專利技術還提供了一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執行時，實現一種運動學模型在線估計的柔性內窺鏡機器人的最優視覺控制方法。
40、與現有技術相比，本專利技術具有如下優點和技術效果：
41、本專利技術創新性的提出了一種內窺鏡機器人的雅可比矩陣魯棒估計方法。考慮傳感噪聲和環境擾動對系統的影響，基于改進的迭代重加權最小二乘算法，在線逼近內窺鏡機器人的雅可比矩陣。并且在控制過程中考慮了機器人的物理和控制約束，不僅提高了控制的穩定性和魯棒性，而且保證了在手術過程中的安全性。
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1.一種運動學模型在線估計的柔性內窺鏡機器人的最優視覺控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1運動學模型在線估計的柔性內窺鏡機器人的最優視覺控制方法，其特征在于，對所述腔道圖像進行處理得到腔道中心坐標的過程包括：
3.根據權利要求1運動學模型在線估計的柔性內窺鏡機器人的最優視覺控制方法，其特征在于，計算內窺鏡機器人各關節運動速度的最優解的過程包括：
4.根據權利要求3運動學模型在線估計的柔性內窺鏡機器人的最優視覺控制方法，其特征在于，所述二次規劃模型的代價函數包括：視覺特征的期望速度與實際速度之間的誤差和最小控制量完成目標任務的正則化項。
5.根據權利要求3運動學模型在線估計的柔性內窺鏡機器人的最優視覺控制方法，其特征在于，所述二次規劃模型的表達式為：
6.根據權利要求3運動學模型在線估計的柔性內窺鏡機器人的最優視覺控制方法，其特征在于，所述最優視覺控制方法還包括基于所述內窺鏡機器人各關節運動速度的最優解和所述視覺特征計算環境擾動量；
7.根據權利要求6運動學模型在線估計的柔性內窺鏡機器人的最
8.一種運動學模型在線估計的柔性內窺鏡機器人的最優視覺控制系統，其特征在于，包括：圖像處理模塊、雅可比矩陣魯棒估計模塊、最優視覺控制模塊、擾動觀測模塊和內窺鏡驅動模塊；
9.一種計算機終端設備，其特征在于，包括：
10.一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器執行時，實現如權利要求1-7中任一項運動學模型在線估計的柔性內窺鏡機器人的最優視覺控制方法。
...【技術特征摘要】
1.一種運動學模型在線估計的柔性內窺鏡機器人的最優視覺控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1運動學模型在線估計的柔性內窺鏡機器人的最優視覺控制方法，其特征在于，對所述腔道圖像進行處理得到腔道中心坐標的過程包括：
3.根據權利要求1運動學模型在線估計的柔性內窺鏡機器人的最優視覺控制方法，其特征在于，計算內窺鏡機器人各關節運動速度的最優解的過程包括：
4.根據權利要求3運動學模型在線估計的柔性內窺鏡機器人的最優視覺控制方法，其特征在于，所述二次規劃模型的代價函數包括：視覺特征的期望速度與實際速度之間的誤差和最小控制量完成目標任務的正則化項。
5.根據權利要求3運動學模型在線估計的柔性內窺鏡機器人的最優視覺控制方法，其特征在于，所述二次規劃模型的表達式為：
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【專利技術屬性】
技術研發人員：鄧震，潘川川，劉煒煒，何帥，何炳蔚，
申請(專利權)人：福州大學，
類型：發明
國別省市：
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