联合力、声音信号的机器人钻骨操作

• 作者: 李少东 杜志江 于洪健
• 学科: 工学
• 关键词: 机器人辅助手术 钻骨力控制操作 双层自适应模糊控制器 钻骨状态感知 时频分析
• 年，卷（期）: 2022,（4）
• 页码范围: 399-409
• 页数: 10页
• 分类号: TP242.6
• 语种: 中文
• DOI: 10.13973/j.cnki.robot.210191

摘要

在近些年临床机器人辅助骨科手术中，机器人主要用来实现钉道定位，而后续钻削操作依然需要医生完成，因此本文主要针对机器人自主钻削展开研究。首先基于双层自适应模糊控制器实现皮质骨层钻削力控制操作，解决了钻削过程中的非线性时变问题，平衡了钻削进给速度和骨组织热损伤等问题。然后在机器人钻削过程中，分别基于时域和时频分析得到力特征和声音特征，并联合声音信号和力信号来实时感知钻削骨层状态，从而实现力控制到速度控制的切换，且保证了钻削安全，即钻削不会穿过内层皮质骨而损伤神经。最后以猪骨为实验对象，分别开展了力控制和钻骨状态感知实验。力控制实验结果表明双层自适应模糊控制器可以将钻削力误差控制在[-2N;2N]，而钻削力通常大于20N，表明误差对机器人钻削操作的影响很小；钻骨状态感知实验结果表明声音特征可以比力特征更早地感知内层皮质骨状态，而力特征可以提高感知鲁棒性。上述结果证明了本文的钻削控制和状态感知策略的有效性。