机器人辅助椎板切除的骨铣削状态感知与运动控制

本文旨在提高机器人辅助椎板切除时的骨铣削操作安全性.首先,提出一种基于激光信号和线性自抗扰控制器的铣削深度监测与控制方法,辨识了机器人的位置控制传递函数,并通过分析椎板的铣削力、受迫振动和铣削过程,给出基于骨铣削声信号的铣削进给速度优化原理.然后使用基于带通滤波器和普罗尼算法的声信号处理方法,用于手术动力装置主轴旋转频...     

基于刚软耦合模型和粒子群优化的手术机器人骨钻削力控制

脊柱椎体的多层复合结构和易热损伤特性要求手术机器人在对椎弓根进行骨钻孔时需精确控制其轴向钻削力。然而人的个体差异和脊柱-软组织构成的刚软耦合结构会使得通用型力控制器的控制精度不足,手术安全性降低。本文旨在提高轴向钻削力控制的精度。首先建立了基于质量、弹簧和Maxwell黏弹性单元的脊柱-软组织系统的刚软耦合模型。然后在离体羊脊柱上进行了应力松弛实验,并基于实测力数据对模型参数进行了标定。采用PID（比例-积分-微分）控制器来调整骨钻的轴向进给速度,并基于标定后的刚软耦合模型的传递函数,使用动态权重的标准粒子群算法整定控制器参数。最后,仿真证明闭环控制系统具有较好的动态性能和鲁棒性。离体羊脊柱骨钻孔力控制实验结果表明,轴向钻削力的阶跃力响应稳态误差小于0.15 N,相对力控制误差小于3%,且无明显超调;正弦力响应幅度在频率为3.49 rad/s时衰减到-3 d B,闭环控制系统具有较好的控制带宽。所提方法的力控制精度和控制带宽能够满足手术机器人执行骨钻削时的力跟踪要求,提高了机器人自动骨钻削过程的安全性。     

面向钻削过程监测的振动信号处理及状态分类

易变形结构在钻削过程中因受力而产生形变,不能根据刀具的钻削距离判断刀具所处状态.钻削过程中刀具切入易变形结构不同的位置会产生不同幅度的振动,通过对加速度传感器采集到的振动信号进行快速傅里叶变换(fast Fourier transform,简称FFT),将钻削过程分为5个状态.通过计算系统基频整数次谐波分量幅值的变异系...     

基于振动触觉反馈的机器人辅助骨曲面铣削

在骨曲面铣削时,机器人在控制铣削深度的同时需调整刀具与骨面的夹角来确保手术质量.针对这一问题,本文首先建立了铣刀的振动模型,讨论了铣削时铣刀与骨切面的夹角对铣削振动的影响.其次利用固定在铣刀上的三轴加速度传感器,采集铣刀在铣削过程中的振动信号,并使用快速傅里叶变换从信号中提取出铣刀旋转频率谐波的幅值.然后通过先验实验拟合出切向加速度信号中的一次谐波幅值与深度的线性关系,同时得到轴向加速度信号中的一次谐波幅值随夹角变化的关系,证明这两种谐波幅值可作为控制深度和夹角的反馈量.最后利用PID(比例-积分-微分)控制器和机器人逆运动学提出了基于振动触觉的骨曲面铣削方法.实验结果表明,铣削深度设置值为0.5 mm时,未引入和引入夹角控制方法时的骨曲面铣削深度的均值和标准差分别为0.455 mm±0.046 mm和0.499 mm±0.028 mm.所提方法能提高机器人铣削骨曲面的精确度.