CN108814537A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明涉及结肠三维重构技术，具体是一种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。本发明解决了现有结肠三维重构技术容易对人体造成辐射危害、无法发现结肠的潜在病灶、实现成本高、容易造成患者不适、操作过程繁琐的问题。基于结肠诊查微型机器人的结肠三维重构实现系统，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；所述数据分析控制系统包括计算机、第II无线通信模块。本发明在实现对结肠进行视觉诊查的同时，实现了对结肠进行三维重构，适用于结肠疾病的诊查及病灶的准确定位。

Description

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
技术领域
本发明涉及结肠三维重构技术，具体是一种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。
背景技术
在结肠疾病的诊查中，为确定病灶在结肠中的具体位置，以便于后续手术治疗的开展，需要对结肠进行三维重构。在现有技术条件下，结肠三维重构技术主要分为两种：第一种是CT三维成像法。此种方法存在的问题是：容易对人体造成辐射危害、无法发现结肠的潜在病灶、实现成本高。第二种是X射线透视法。此种方法存在的问题是：容易对人体造成辐射危害、容易造成患者不适、操作过程繁琐。基于此，有必要发明一种全新的结肠三维重构技术，以解决现有结肠三维重构技术容易对人体造成辐射危害、无法发现结肠的潜在病灶、实现成本高、容易造成患者不适、操作过程繁琐的问题。
发明内容
本发明为了解决现有结肠三维重构技术容易对人体造成辐射危害、无法发现结肠的潜在病灶、实现成本高、容易造成患者不适、操作过程繁琐的问题，提供了一种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。
本发明是采用如下技术方案实现的：
基于结肠诊查微型机器人的结肠三维重构实现系统，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、后挡板、第I步进电机、主动齿轮、丝杠、从动齿轮、前螺母、后螺母、三个导杆、三个四连杆机构；
所述每个四连杆机构均包括前主动杆、后主动杆、前从动杆、后从动杆；前主动杆的中部和后主动杆的中部交叉铰接；前从动杆的首端与后主动杆的尾端铰接；后从动杆的首端与前主动杆的尾端铰接；
前挡板和后挡板相互正对；第I步进电机的机座固定安装于前挡板和后挡板之间，且第I步进电机的输出轴转动贯穿前挡板；主动齿轮固定装配于第I步进电机的输出轴上，且主动齿轮位于前挡板的前侧；丝杠的前端转动贯穿前挡板；丝杠的后端转动支撑于后挡板上；丝杠的前部和后部各攻有一段螺纹；两段螺纹均位于前挡板和后挡板之间，且两段螺纹的旋向相反；从动齿轮固定装配于丝杠的前端，且从动齿轮与主动齿轮啮合；前螺母旋拧于丝杠的前段螺纹上；前螺母的端面贯通开设有三个前导向孔，且三个前导向孔围绕前螺母的轴线等距平行排列；前螺母的外侧面延伸设置有三个前耳片，且三个前耳片围绕前螺母的轴线等距排列；三个前耳片的耳孔轴线均与前螺母的轴线垂直，且三个前耳片的耳孔轴线共同围成等边三角形；后螺母旋拧于丝杠的后段螺纹上；后螺母的端面贯通开设有三个后导向孔，且三个后导向孔围绕后螺母的轴线等距平行排列；后螺母的外侧面延伸设置有三个后耳片，且三个后耳片围绕后螺母的轴线等距排列；三个后耳片的耳孔轴线均与后螺母的轴线垂直，且三个后耳片的耳孔轴线共同围成等边三角形；三个导杆的前端均固定支撑于前挡板上，且三个导杆的前部分别滑动贯穿三个前导向孔；三个导杆的后端均固定支撑于后挡板上，且三个导杆的后部分别滑动贯穿三个后导向孔；三个前主动杆的首端分别与三个前耳片铰接；三个后主动杆的首端分别与三个后耳片铰接；
所述每个行进子机构均包括机箱、第II步进电机、主动锥齿轮、左轴承、右轴承、转轴、左同步带轮、右同步带轮、从动锥齿轮、左减阻滚轮、右减阻滚轮、左履带、右履带、耳板；
机箱的前外壁左边缘延伸设置有左凸板；左凸板上贯通开设有左轴承装配孔；机箱的前外壁右边缘延伸设置有右凸板；右凸板上贯通开设有右轴承装配孔；机箱的上壁左部、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；机箱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；机箱的上外壁中部延伸设置有纵向上限位凸台；机箱的下外壁中部延伸设置有纵向下限位凸台；第II步进电机的机座固定安装于机箱的内腔，且第II步进电机的输出轴转动贯穿机箱的前壁；主动锥齿轮固定装配于第II步进电机的输出轴上，且主动锥齿轮位于机箱的前侧；左轴承固定装配于左轴承装配孔内；右轴承固定装配于右轴承装配孔内；转轴的两端分别固定穿设于左轴承的内圈和右轴承的内圈；左同步带轮固定装配于转轴的左部，且左同步带轮位于左凸板的右侧；右同步带轮固定装配于转轴的右部，且右同步带轮位于右凸板的左侧；从动锥齿轮固定装配于转轴上，且从动锥齿轮位于左同步带轮和右同步带轮之间；从动锥齿轮与主动锥齿轮啮合；左减阻滚轮的数目与左滚轮装配孔的数目一致；各个左减阻滚轮一一对应地转动装配于各个左滚轮装配孔内，且各个左减阻滚轮的轴线均与转轴的轴线平行；右减阻滚轮的数目与右滚轮装配孔的数目一致；各个右减阻滚轮一一对应地转动装配于各个右滚轮装配孔内，且各个右减阻滚轮的轴线均与转轴的轴线平行；左履带同时装配于左同步带轮和各个左减阻滚轮上；右履带同时装配于右同步带轮和各个右减阻滚轮上；耳板纵向固定于纵向上限位凸台的上表面中部；耳板的耳孔数目为两个，且两个耳孔呈前后平行排列；
三个耳板的前耳孔分别与三个前从动杆的尾端铰接；三个耳板的后耳孔分别与三个后从动杆的尾端铰接；
摄像头固定安装于前挡板上，且摄像头的轴线与丝杠的轴线重合；
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的下表面，且三个薄膜压力传感器分别与三个左履带的外侧面和三个右履带的外侧面齐平；
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步进电机的控制端和三个第II步进电机的控制端有线连接；
感应接收线圈固定安装于后挡板上；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步进电机的输入端、三个第II步进电机的输入端连接；
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。
基于结肠诊查微型机器人的结肠三维重构实现方法(该方法是基于本发明所述的基于结肠诊查微型机器人的结肠三维重构实现系统实现的)，该方法是采用如下步骤实现的：
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步进电机发送控制指令，三个第II步进电机由此依次通过三个主动锥齿轮、三个从动锥齿轮驱动三个转轴进行转动，三个转轴由此带动三个左同步带轮和三个右同步带轮进行转动，三个左同步带轮由此带动三个左履带进行滚动，三个右同步带轮由此带动三个右履带进行滚动，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步进电机发送控制指令，第I步进电机由此依次通过主动齿轮、从动齿轮驱动丝杠进行转动，前螺母和后螺母由此进行反向运动，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、三个右履带、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。
与现有结肠三维重构技术相比，本发明所述的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通过采用全新的结构和原理，实现了结肠三维重构，由此具备了如下优点：其一，与CT三维成像法相比，本发明不会对人体造成辐射危害、能够发现结肠的潜在病灶、实现成本低。其二，与X射线透视法相比，本发明不会对人体造成辐射危害、不会造成患者不适、操作过程简单。此外，本发明能够反映结肠生物力学特性的改变，对于结肠疾病预警意义重大(如结肠癌变前，会发生组织细胞化生和显著增生，导致其生物力学特性改变。此时，该段结肠的三维模型将与相邻段结肠的三维模型存在显著差异)。
本发明有效解决了现有结肠三维重构技术容易对人体造成辐射危害、无法发现结肠的潜在病灶、实现成本高、容易造成患者不适、操作过程繁琐的问题，其在实现对结肠进行视觉诊查的同时，实现了对结肠进行三维重构，适用于结肠疾病的诊查及病灶的准确定位。
附图说明
图1是本发明中基于结肠诊查微型机器人的结肠三维重构实现系统的结构示意图。
图2是本发明中基于结肠诊查微型机器人的结肠三维重构实现方法的原理示意图。
图3是本发明中结肠诊查微型机器人的结构示意图。
图4是本发明中变径履带式行走机构的结构示意图。
图5是本发明中变径子机构的结构示意图。
图6是本发明中四连杆机构的闭合状态示意图。
图7是本发明中四连杆机构的扩张状态示意图。
图8是本发明中前螺母的结构示意图。
图9是本发明中后螺母的结构示意图。
图10是本发明中行进子机构的结构示意图。
图11是本发明中行进子机构的部分结构示意图。
图中：101a-前挡板，101b-后挡板，102-第I步进电机，103-主动齿轮，104-丝杠，105-从动齿轮，106a-前螺母，106b-后螺母，107-导杆，108a-前主动杆，108b-后主动杆，109a-前从动杆，109b-后从动杆，110a-前导向孔，110b-后导向孔，111a-前耳片，111b-后耳片，112-防护板，201-机箱，202-第II步进电机，203-主动锥齿轮，204a-左轴承，204b-右轴承，205-转轴，206a-左同步带轮，206b-右同步带轮，207-从动锥齿轮，208a-左减阻滚轮，208b-右减阻滚轮，209a-左履带，209b-右履带，210-耳板，211a-左凸板，211b-右凸板，212a-左限位凸边，212b-右限位凸边，213a-纵向上限位凸台，213b-纵向下限位凸台；D0、D1、D2……表示不同位置的结肠初始内径；h0、h1、h2……表示不同位置的结肠初始壁厚；k0、k1、k2……表示不同位置的结肠轴线斜率；Δ0、Δ1、Δ2……表示结肠诊查微型机器人的不同段行走距离。
具体实施方式
基于结肠诊查微型机器人的结肠三维重构实现系统，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。
基于结肠诊查微型机器人的结肠三维重构实现方法(该方法是基于本发明所述的基于结肠诊查微型机器人的结肠三维重构实现系统实现的)，该方法是采用如下步骤实现的：
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。
具体实施时，所述变径子机构还包括防护板112；防护板112安装于前挡板101a的前表面，且防护板112和前挡板101a之间留有间隙；主动齿轮103和从动齿轮105均位于该间隙内。防护板的作用是避免主动齿轮和从动齿轮对结肠内壁造成损伤。所述步骤一至步骤四中，感应接收线圈负责感应外部交变磁场能量，由此向摄像头、三个薄膜压力传感器、第I无线通信模块、第I步进电机、三个第II步进电机供电。所述步骤二至步骤三中，通过观察计算机显示的结肠图像，可以及时发现病灶；若发现病灶，则对病灶进行标记。

Claims (5)

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。
2.一种基于结肠诊查微型机器人的结肠三维重构实现方法，该方法是基于如权利要求1所述的基于结肠诊查微型机器人的结肠三维重构实现系统实现的，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
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。
3.根据权利要求1所述的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：所述变径子机构还包括防护板(112)；防护板(112)安装于前挡板(101a)的前表面，且防护板(112)和前挡板(101a)之间留有间隙；主动齿轮(103)和从动齿轮(105)均位于该间隙内。
4.根据权利要求2所述的基于结肠诊查微型机器人的结肠三维重构实现方法，其特征在于：所述步骤一至步骤四中，感应接收线圈负责感应外部交变磁场能量，由此向摄像头、三个薄膜压力传感器、第I无线通信模块、第I步进电机、三个第II步进电机供电。
5.根据权利要求2所述的基于结肠诊查微型机器人的结肠三维重构实现方法，其特征在于：所述步骤二至步骤三中，通过观察计算机显示的结肠图像，可以及时发现病灶；若发现病灶，则对病灶进行标记。
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