[发明专利]一种双半球型胶囊机器人弯曲肠道内视觉导航方法

说明书

一种双半球型胶囊机器人弯曲肠道内视觉导航方法，属于自动化工程技术领域。该方法在利用双半球型胶囊机器人在万向旋转磁场中的随动性以确定其轴线的侧摆俯仰角的基础上，在双半球型胶囊机器人内安装铅垂角度传感器，确定摄像头绕双半球型胶囊机器人轴线的自转角，进而确定摄像头姿态；再利用万向旋转磁场的均匀性，结合姿态信息通过坐标转换确定在固定坐标系内弯曲肠道图像暗区质心相对于双半球型胶囊机器人的方向向量，实现万向旋转磁场对双半球型胶囊机器人在弯曲肠道内的导航。本发明避免使用多目摄像机结构和复杂肠道三维重建技术，且无须计算双半球型胶囊机器人具体位置信息，即可实现单目视觉辅助双半球型胶囊机器人在肠道内的导航作业。

技术领域

本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种空间万向旋转磁场驱动双半球型胶囊机器人在弯曲肠道内的视觉导航方法。

背景技术

人体胃肠道极易引发各种致命性疾病，其中结直肠癌是最常见病症。然而，大多数胃肠道疾病若能被早期发现和诊断，治愈率将显著提高。因此，胃肠道检查诊断在医疗领域显得十分重要。用以检查胃肠道疾病最常用的器械是传统内窥镜，由于导管可插入长度的限制，无法对整个肠道进行检查。且内窥镜导管在插入过程中，容易造成胃肠道软组织损伤，会引发患者疼痛感。

自2000年以色列Given Image公司成功开发出第一台胶囊内窥镜M2A并在次年通过美国FDA应用于临床起，就掀起了内窥镜检查技术的革命。通过吞服进入胃肠道后，能实现完整小肠的检查，避免了传统直插式内窥镜给病人带来的痛苦和不适。继M2A胶囊内窥镜之后，日本的Olympus和RF Co.Ltd,韩国的Intelligent Miro-system Center也相继推出了自己的商业化系列产品EndoCapsule、Norika以及MiroCam，我国重庆金山科技(集团)有限公司也成功推出具有完全自主知识产权的OMOM系列胶囊内窥镜，并进入临床应用。

上述胶囊内窥镜技术尽管相对成熟，但从临床应用反馈来看，仍存在诸多问题：(1)胶囊双半球型胶囊机器人主动控制问题：由于现有临床胶囊内窥镜大多不具备主动行走机构，均依靠胃肠道蠕动被动前进，因而其在胃肠道内的运动具有随机性，且胶囊错过病变区后无法返回，医生也无法对感兴趣区域进行详细细致观察，因此漏检率较高且检查效率低下。(2)胶囊双半球型胶囊机器人导航问题：由于现有胶囊内窥镜在胃肠道内的实时位置和姿态(位姿)不能确定，无法对其进行导航，从而就无法实现对胶囊双半球型胶囊机器人有效的控制。这些问题均与胶囊双半球型胶囊机器人的主动导航运动控制相关，因此要实现胶囊内窥镜的高效诊疗功能，不仅要求其具有可靠的运动行走机理，更需要对其进行主动导航。

为实现胶囊双半球型胶囊机器人在胃肠道内的主动运动行走和非结构环境内的转弯行走难题，本课题组设计开发出具有双半球结构的胶囊双半球型胶囊机器人，并获得国家发明专利“一种主被动双半球形胶囊机器人及其姿态调整与转弯驱动控制方法”(专利号：CN201510262778.4)和“一种空间万向旋转磁场人机交互控制方法”(专利号：ZL201610009285.4)。

专利“一种空间万向旋转磁场人机交互控制方法”(专利号：ZL201610009285.4)中实现空间万向旋转磁场人机交互控制的具体方法是采用经纬坐标系内以旋转磁矢量侧摆角θ与俯仰角δ两个姿态角度为输入变量的电流形式的空间万向旋转磁场叠加公式，使方位控制变量由笛卡尔坐标系中的α，β，γ三个变量，经过正交变换转换为经纬坐标系中θ和δ两个变量，从而将空间万向旋转磁场的三维叠加问题转化为平面内的两维叠加问题，并通过两个操纵杆分别将侧摆与俯仰角度分离控制，在三轴亥姆霍兹线圈装置磁场均匀区域内叠加的旋转磁矢量可沿侧摆与俯仰角方向分别独立控制，实现低维度可分离变量交互旋转磁矢量控制。经纬坐标系即为固定世界坐标系，因此本文将统一称经纬坐标系为固定坐标系。