[发明专利]基于结肠诊查微型机器人的结肠三维重构实现系统及方法

权利要求书

1.一种基于结肠诊查微型机器人的结肠三维重构实现系统，其特征在于：包括结肠诊查微型机器人和数据分析控制系统；

所述结肠诊查微型机器人包括变径履带式行走机构、摄像头、三个薄膜压力传感器、第I无线通信模块、感应接收线圈；

所述变径履带式行走机构包括变径子机构和三个行进子机构；

所述变径子机构包括前挡板(101a)、后挡板(101b)、第I步进电机(102)、主动齿轮(103)、丝杠(104)、从动齿轮(105)、前螺母(106a)、后螺母(106b)、三个导杆(107)、三个四连杆机构；

所述每个四连杆机构均包括前主动杆(108a)、后主动杆(108b)、前从动杆(109a)、后从动杆(109b)；前主动杆(108a)的中部和后主动杆(108b)的中部交叉铰接；前从动杆(109a)的首端与后主动杆(108b)的尾端铰接；后从动杆(109b)的首端与前主动杆(108a)的尾端铰接；

前挡板(101a)和后挡板(101b)相互正对；第I步进电机(102)的机座固定安装于前挡板(101a)和后挡板(101b)之间，且第I步进电机(102)的输出轴转动贯穿前挡板(101a)；主动齿轮(103)固定装配于第I步进电机(102)的输出轴上，且主动齿轮(103)位于前挡板(101a)的前侧；丝杠(104)的前端转动贯穿前挡板(101a)；丝杠(104)的后端转动支撑于后挡板(101b)上；丝杠(104)的前部和后部各攻有一段螺纹；两段螺纹均位于前挡板(101a)和后挡板(101b)之间，且两段螺纹的旋向相反；从动齿轮(105)固定装配于丝杠(104)的前端，且从动齿轮(105)与主动齿轮(103)啮合；前螺母(106a)旋拧于丝杠(104)的前段螺纹上；前螺母(106a)的端面贯通开设有三个前导向孔(110a)，且三个前导向孔(110a)围绕前螺母(106a)的轴线等距平行排列；前螺母(106a)的外侧面延伸设置有三个前耳片(111a)，且三个前耳片(111a)围绕前螺母(106a)的轴线等距排列；三个前耳片(111a)的耳孔轴线均与前螺母(106a)的轴线垂直，且三个前耳片(111a)的耳孔轴线共同围成等边三角形；后螺母(106b)旋拧于丝杠(104)的后段螺纹上；后螺母(106b)的端面贯通开设有三个后导向孔(110b)，且三个后导向孔(110b)围绕后螺母(106b)的轴线等距平行排列；后螺母(106b)的外侧面延伸设置有三个后耳片(111b)，且三个后耳片(111b)围绕后螺母(106b)的轴线等距排列；三个后耳片(111b)的耳孔轴线均与后螺母(106b)的轴线垂直，且三个后耳片(111b)的耳孔轴线共同围成等边三角形；三个导杆(107)的前端均固定支撑于前挡板(101a)上，且三个导杆(107)的前部分别滑动贯穿三个前导向孔(110a)；三个导杆(107)的后端均固定支撑于后挡板(101b)上，且三个导杆(107)的后部分别滑动贯穿三个后导向孔(110b)；三个前主动杆(108a)的首端分别与三个前耳片(111a)铰接；三个后主动杆(108b)的首端分别与三个后耳片(111b)铰接；

所述每个行进子机构均包括机箱(201)、第II步进电机(202)、主动锥齿轮(203)、左轴承(204a)、右轴承(204b)、转轴(205)、左同步带轮(206a)、右同步带轮(206b)、从动锥齿轮(207)、左减阻滚轮(208a)、右减阻滚轮(208b)、左履带(209a)、右履带(209b)、耳板(210)；

机箱(201)的前外壁左边缘延伸设置有左凸板(211a)；左凸板(211a)上贯通开设有左轴承装配孔；机箱(201)的前外壁右边缘延伸设置有右凸板(211b)；右凸板(211b)上贯通开设有右轴承装配孔；机箱(201)的上壁左部、后壁左部、下壁左部共同贯通开设有一列左滚轮装配孔；机箱(201)的上壁右部、后壁右部、下壁右部共同贯通开设有一列右滚轮装配孔；机箱(201)的上外壁左边缘和下外壁左边缘各延伸设置有一个左限位凸边(212a)；机箱(201)的上外壁右边缘和下外壁右边缘各延伸设置有一个右限位凸边(212b)；机箱(201)的上外壁中部延伸设置有纵向上限位凸台(213a)；机箱(201)的下外壁中部延伸设置有纵向下限位凸台(213b)；第II步进电机(202)的机座固定安装于机箱(201)的内腔，且第II步进电机(202)的输出轴转动贯穿机箱(201)的前壁；主动锥齿轮(203)固定装配于第II步进电机(202)的输出轴上，且主动锥齿轮(203)位于机箱(201)的前侧；左轴承(204a)固定装配于左轴承装配孔内；右轴承(204b)固定装配于右轴承装配孔内；转轴(205)的两端分别固定穿设于左轴承(204a)的内圈和右轴承(204b)的内圈；左同步带轮(206a)固定装配于转轴(205)的左部，且左同步带轮(206a)位于左凸板(211a)的右侧；右同步带轮(206b)固定装配于转轴(205)的右部，且右同步带轮(206b)位于右凸板(211b)的左侧；从动锥齿轮(207)固定装配于转轴(205)上，且从动锥齿轮(207)位于左同步带轮(206a)和右同步带轮(206b)之间；从动锥齿轮(207)与主动锥齿轮(203)啮合；左减阻滚轮(208a)的数目与左滚轮装配孔的数目一致；各个左减阻滚轮(208a)一一对应地转动装配于各个左滚轮装配孔内，且各个左减阻滚轮(208a)的轴线均与转轴(205)的轴线平行；右减阻滚轮(208b)的数目与右滚轮装配孔的数目一致；各个右减阻滚轮(208b)一一对应地转动装配于各个右滚轮装配孔内，且各个右减阻滚轮(208b)的轴线均与转轴(205)的轴线平行；左履带(209a)同时装配于左同步带轮(206a)和各个左减阻滚轮(208a)上；右履带(209b)同时装配于右同步带轮(206b)和各个右减阻滚轮(208b)上；耳板(210)纵向固定于纵向上限位凸台(213a)的上表面中部；耳板(210)的耳孔数目为两个，且两个耳孔呈前后平行排列；

三个耳板(210)的前耳孔分别与三个前从动杆(109a)的尾端铰接；三个耳板(210)的后耳孔分别与三个后从动杆(109b)的尾端铰接；

摄像头固定安装于前挡板(101a)上，且摄像头的轴线与丝杠(104)的轴线重合；

三个薄膜压力传感器分别固定安装于三个纵向下限位凸台(213b)的下表面，且三个薄膜压力传感器分别与三个左履带(209a)的外侧面和三个右履带(209b)的外侧面齐平；

第I无线通信模块固定安装于第I步进电机(102)的机座的外侧面；第I无线通信模块的输入端分别与摄像头的输出端和三个薄膜压力传感器的输出端有线连接；第I无线通信模块的输出端分别与第I步进电机(102)的控制端和三个第II步进电机(202)的控制端有线连接；

感应接收线圈固定安装于后挡板(101b)上；感应接收线圈的输出端分别与摄像头的电源端、三个薄膜压力传感器的电源端、第I无线通信模块的电源端、第I步进电机(102)的输入端、三个第II步进电机(202)的输入端连接；

所述数据分析控制系统包括计算机、第II无线通信模块；

第II无线通信模块与计算机双向有线连接；第II无线通信模块与第I无线通信模块双向无线连接；

具体工作过程如下：

步骤一：将数据分析控制系统设置于人体外；然后，计算机依次通过第II无线通信模块、第I无线通信模块向三个第II步进电机(202)发送控制指令，三个第II步进电机(202)由此依次通过三个主动锥齿轮(203)、三个从动锥齿轮(207)驱动三个转轴(205)进行转动，三个转轴(205)由此带动三个左同步带轮(206a)和三个右同步带轮(206b)进行转动，三个左同步带轮(206a)由此带动三个左履带(209a)进行滚动，三个右同步带轮(206b)由此带动三个右履带(209b)进行滚动，由此使得结肠诊查微型机器人经肛门行走至结肠的起点位置；

步骤二：计算机依次通过第II无线通信模块、第I无线通信模块向第I步进电机(102)发送控制指令，第I步进电机(102)由此依次通过主动齿轮(103)、从动齿轮(105)驱动丝杠(104)进行转动，前螺母(106a)和后螺母(106b)由此进行反向运动，并带动三个四连杆机构扩张至一定幅度，由此使得三个左履带(209a)、三个右履带(209b)、三个薄膜压力传感器均与结肠内壁紧密接触；此时，计算机根据控制指令确定变径子机构的扩张直径；摄像头采集当前位置的结肠图像，并依次通过第I无线通信模块、第II无线通信模块将结肠图像发送至计算机；计算机一方面对结肠图像进行显示，另一方面通过分析结肠图像的对称性确定当前位置的结肠轴线斜率；与此同时，三个薄膜压力传感器采集接触压力，并依次通过第I无线通信模块、第II无线通信模块将接触压力发送至计算机；

然后，计算机依次通过第II无线通信模块、第I无线通信模块向第I步进电机(102)发送控制指令，由此使得三个四连杆机构扩张至另一幅度；此时，计算机根据控制指令再次确定变径子机构的扩张直径；三个薄膜压力传感器再次采集接触压力，并依次通过第I无线通信模块、第II无线通信模块将接触压力发送至计算机；

计算机根据两次确定的变径子机构的扩张直径以及两次接收到的接触压力，计算出当前位置的结肠初始内径和结肠初始壁厚，具体计算公式如下：

ε＝(D′-D)/D (2)；

式(1)-(3)中：N为接触压力；h为结肠初始壁厚；σ为结肠的环向应力；t为时间；ε为结肠的应变；D′为变径子机构的扩张直径；D为结肠初始内径；E₁、E₂、E₃、η₁、η₂均为反映结肠生物力学特性的待定常数，其均可通过对结肠单轴拉伸实验数据进行最小二乘拟合确定；

步骤三：计算机依次通过第II无线通信模块、第I无线通信模块向第I步进电机(102)发送控制指令，由此使得四连杆机构闭合；然后，计算机依次通过第II无线通信模块、第I无线通信模块向三个第II步进电机(202)发送控制指令，由此使得结肠诊查微型机器人行走一段距离后到达结肠的下一位置，该段行走距离小于5cm；然后，计算机根据上一位置的结肠轴线斜率和结肠诊查微型机器人的该段行走距离确定该段结肠的轴线；然后，重复执行步骤二，由此一方面确定当前位置的结肠轴线斜率，另一方面计算出当前位置的结肠初始内径和结肠初始壁厚；然后，计算机根据上一位置的结肠初始内径和结肠初始壁厚、该段结肠的轴线、当前位置的结肠初始内径和结肠初始壁厚重构出该段结肠的三维模型；

步骤四：重复执行步骤三，由此逐段重构出整个结肠的三维模型；

步骤五：计算机对各段结肠的三维模型进行平滑化处理，由此确定整个结肠的最终三维模型。