双半球型胶囊机器人视觉导航方法

摘要

磁驱型胶囊机器人已经成为微型机器人领域的研究热点。为了实现胶囊在人体三维复杂宽裕环境如胃肠道内操作，本课题组提出一种由空间万向旋转磁场驱动的双半球型胶囊机器人及其转弯驱动控制方法，解决了动态姿态调整与滚动行走两种状态相互分离的关键技术。 然而，双半球型胶囊进入人体后位置和姿态信息未知，即使借助实时视频辅助也无法确定导航方位。目前胶囊的转弯导航只能借助图像通过多次尝试调整胶囊姿态直到近似对准肠道弯曲方向为止，可操作性差，精度低且效率低，无法对胶囊下一步的转弯运动给出直接导航方向。为了实现双半球型胶囊机器人在肠道内的主动控制，本文提出了一种基于视觉的双半球型胶囊机器人导航方法。 首先，利用动态调姿模态时胶囊轴线与万向旋转磁场轴线的同轴随动特性确定胶囊轴线方向。又提出两种方法确定胶囊机器人绕胶囊轴线的自转角信息，从而确定胶囊机器人完整的姿态信息。 然后，利用三轴亥姆霍兹旋转磁场的区域均匀性，结合胶囊机器人的姿态信息和无线传输图像上的暗区质心，建立坐标系关系并进行坐标变换，得到最终导航方向和应施加的滚动磁场方向，实现胶囊在肠道内的视觉辅助导航作业。 为了能准确提取图像暗区质心，提出一种基于改进的二维OTSU算法和改进的BAT算法相融合的图像暗区质心提取方法。其中改进的二维OTSU算法能改善一维OTSU和二维OTSU算法易受肠壁褶皱和肠壁灰度不均影响的问题，而随之而来的算法速度慢的问题可由改进的BAT算法在一定程度上解决。 最终为验证双半球型胶囊机器人视觉导航方法的可行性，设计了一套胶囊模拟实验装置并用离体猪大肠进行了试验。试验证明该方法所计算的导航方向与理论值之间存在较小误差，但由于双半球型胶囊机器人在肠道内滚动具有容错性高的特性，因此该导航方法可用于胶囊机器人的导航。该导航方法对胶囊整体体积影响小、抗干扰能力强、安全性高、加工装配过程简单、安装精度要求低、操纵便捷、实时性强、满足导航精度等要求，为实现胃肠道环境内的医疗作业和进一步的功能开发奠定了基础。

目录

声明

1 绪论

1.1 国内外医疗胶囊内窥镜及导航研究现状

1.1.1 被动式胶囊内窥镜

1.1.2 内置驱动源主动胶囊内窥镜

1.1.3 外磁场驱动型胶囊内窥镜

1.1.4 胶囊导航定位研究现状

1.2 研究现状分析

1.2.1 胶囊内窥镜研究现状分析

1.2.2 胶囊导航研究现状分析

1.3 研究意义及主要研究内容

2 双半球型胶囊机器人系统及其导航原理

2.1 双半球型胶囊机器人系统

2.1.1 系统整体构成及工作原理

2.1.2 胶囊机器人结构

2.1.3 胶囊工作模态及转换机理

2.2 双半球型胶囊机器人导航原理

2.3 小结

3 双半球型胶囊机器人姿态信息确定

3.1 机械法确定摄像机绕胶囊轴线的自转角信息

3.1.1 胶囊导航过程

3.1.2 自转角度计算方法

3.2 图像法确定摄像机绕胶囊轴线的自转角信息

3.2.1 胶囊导航过程

3.2.2 自转角度计算方法

3.3 小结

4 双半球型胶囊机器人最终导航方向确定

4.1 坐标系建立

（1）固定坐标系OXYZ

（2）动坐标系

（3）胶囊轴线坐标系

（5）图像物理坐标系

（6）图像像素坐标系

4.2 坐标变换

4.3 小结

5 胶囊图像暗区质心提取方法

5.1 算法设计

5.2 算法仿真试验

5.3 小结

6 试验

6.1 试验装置

6.2 试验内容

6.3 试验结果

6.4 试验误差分析

6.5 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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