文摘

骨钻被称为一个最敏感的铣削过程在生物医学工程领域。断裂行为的皮质骨在钻探过程中,已经吸引了许多研究者的注意;然而,仍然有即将坏死等问题,工具破损,和微裂隙由于高切削力,力矩和高振动随钻。介绍的比较分析切削力,扭矩、振动导致不同骨样本(牛、猪和人工股骨)使用一个6自由度机械臂效应的考虑刚度的影响。实验在两个主轴的速度1000和1500 rpm的钻头直径2.5毫米和6毫米的深度。标本的结果进行了处理和分析使用MATLAB R2015b Visio 2000软件;这些结果与之前的测试使用手册和常规钻井方法。获得的结果表明,有一个急剧下降的平均价值最大钻井力量时所有的骨骼标本主轴转速变化从1000 /分钟到1500 /分钟牧师,牧师的下降(20.07到12.34 N),约23.85%为牛、猪(11.25到8.14 N)与16.03%,和33.99%(5.62到3.86 N)人工股骨。的最大力矩平均值也从41.2减少到24.2 N·毫米(牛),37.0到21.6 N·毫米(猪)和13.6 - 6.7 N·毫米(人工股骨),分别。在主轴转速的增加,振动振幅的骨样本也大大增加。 The variation in drilling force, torque, and vibration in our result also confirm that the stiffness of the robot effector joint has negative effect on the bone precision during drilling process.

1。介绍

骨钻是一个涉及创建一个定位孔的修复技术的适当的插入或性交已经插入板,或将假体设备提供刚度,防止错位的骨头骨折1- - - - - -3]。骨头硬,各向异性、异构和粘弹性结缔组织构成骨骼系统,表现出压电属性由于绑定结构的复杂性在干燥状态。然而,骨是热的不良导体,新鲜皮质骨的导热系数约为0.38 - -2.3 J / m·sK1。这意味着骨产生的热量无法消散时立即削减部队应用,因此,温度钻网站增加(4]。根据Currey [5),骨具有较高的刚度特性,因此往往会打破或断裂时受到外力。每年,约有七百万美国车祸发生在美国,导致股骨骨折轴(6),这可能归因于鲁莽驾驶在高速公路上超速行驶。根据古普塔和谢霆锋7),股骨是最长的,最强的人体骨骼,其骨折发生在中年患者是由于高能冲击力,而主要是由于低能量或影响老年妇女。

骨股骨骨折特有钻井是一个修复的过程,它涉及创建一个适当的插入或压榨的导孔已经插入板避免偏差。然而,钻一个精确的孔用最小的切削力和振动防止裂缝,和工具破损,或者没有并发症,是至关重要的。通常,手术钻是由外科医生手动操作,在某些情况下,手术需要相当的技巧和高度的精神和最大浓度。虽然机器人的使用在剧院的房间现在巨大的由于其灵活性,的充分性和有效性在各领域的外科领域是最重要的8]。在这个工作中,汉斯机器人模型HREF 01 - ld010 - 1000如果是用于钻井。做的钻井和导航机器人效应补充方面的计算机辅助骨科手术(9)由于精度高的水平。不当骨钻井过程可以否定的临床结果如下:(1)高切削力和力矩和(3)(2)过度振动和(4)刀具的类型(10]。高力、扭矩、振动和极端的工具和使用不当造成的人工钻探方法,产生严重的并发症(11]。本研究是基于关键标准影响手术骨钻(9,12- - - - - -14),以及检查部队的数量之间的关系,扭矩和振动,而钻井不同骨样本最大限度考虑机器人的刚度效应和可能的错误限制赔偿(15]。在这个实验中,牛骨头被用来替代人工股骨因为他们相似的属性所描述的Poumarat et al。15,16]。手术成功钻探方法的确定主要取决于参数如力、扭矩、振动(17,18]。手术钻牛相比,许多研究人员和人工股骨(19),但没有人认为是牛,猪,和人工股骨最大限度考虑刚度效应的机械臂在他们的调查。然而,由于低钻孔精度造成弱刚度和运动精度低,工业机器人很少应用于精密加工过程(20.]。因此,为了减少变形或反弹由于振动在骨钻,机器人应该考虑刚度的影响;因此,本研究主要集中在切削力的测量和比较,骨而钻井扭矩和振动,考虑机器人的刚度。

2。方法

2.1。骨钻设置系统

实验的设置包括6自由度汉斯机器人是一个基于pc和单相220 V (50 - 60 Hz,功率1.5千瓦)电动马达速度控制范围的1500 rpm。另外,四分量测功器类型(基斯特勒公司9272)校准和安装工作平台。ICAM放大器是集与库仑的电脑软件来衡量这个范围:±100±10个人电脑;数据采集系统测量了电流信号的力传感器根据施加的力和扭矩在所有的轴,一个振动器传感器(加速度计)20 - 30赫兹的频率范围也附在每个骨骼标本测量了振动和充电控制器调节电压和计算机系统解释可见的信号。硬件框图如图1。


图1
骨钻井过程的框图。
2.2。骨样本进行钻探

骨样本用于实验的中间部分切除牛和猪股骨(见图2(一个)和2 (b)从肉店(表)和获得1)。股骨上的残留组织被脱光衣服,确保没有任何形式的缺陷是骨头,紧随其后的是制冷温度约−20°C在钻井和允许解冻在24°C环境室温至少90分钟在钻井之前。复合股骨(大左股骨模型3310、外科医生、太平洋研究实验室,瓦逊岛佤邦,美国)样本实验和用作收到购买,如图2 (c)。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图2
横断面视图(a)的牛、猪(b)和(c)人工股骨样本。
表1
骨折前测试和力学性能值根据(21,22]。
2.3。机械性能的人类骨、牛骨和猪骨头

机械性能的人类骨、牛骨和猪骨在表1。

2.4。钻井和力学建模方法

钻井在这个实验中使用的参数提供了表2和3。钻头直径、钻速度范围和饲料利率用于这项研究被广泛报道在文献中有关机器人和导航程序和应用程序的骨头钻井所显示以前的作品(17,23- - - - - -25]。在钻井过程中,力、扭矩、振动测量记录z设在。

表2
钻井参数。
表3
样本参数。

robot-effector的手臂将穿过6毫米的深度的标本,而钻井力,扭矩和骨振动测量z只在不同切削速度的1000 rpm和设在1500 rpm。这个过程被重复两次,以确保可重复性和错误。图3显示了钻井过程中使用骨钻的汉斯6自由度机器人。


图3
骨钻井过程使用6自由度汉斯机器人。
2.5。机器人的建模效应刚度

机器人的刚度重视精确操纵钻井作业。它显示精度和刚度力效应所需的钻探用更少的振动和变形量(26,27]。图4(一)表明他完全设置汉斯机器人操作过程;然而,至关重要的是模型的刚度汉斯机器人当钻井来弥补错误,可能是由于外力的效应。建模的刚度效应是通过将雅可比矩阵原理应用于识别旋转接头和终端执行器运动之间的关系,如图4 (b)。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
汉斯机器人模型HREF 01 - ld010 - 1000 - si。
2.5.1。雅可比矩阵

这个矩阵 机器人用于确定联合旋转之间的关系 和终端执行器运动 (28]。机器人执行机构运动和力的关系上钻的标本可以获得如下: 在哪里 也可以表示为代表6 1(外力向量)机械手端点。 和关节力矩和计数器执行机构之间的关系说明了力/力矩稳定外力 在哪里 代表6×1的向量所需的力矩平衡外力在骨钻。 。

2.5.2。刚度模型

最终挠度 在外力造成的效应可以计算(29日]: 在关节的角位移作为吗 在哪里 笛卡尔坐标系刚度效应机械手和吗 代表了接头刚度。然而,偏微分方程(3)对 结果是

通过替换方程(5),关节僵硬的方程可以概要地写成

必须指出 机器人的免费刚度效应是由于装载或切削力的钻探,如上所述,克莱尔·杜马斯(29日),然后可以写成

这个概要地等于 在哪里 是关节刚度矩阵。

是机器人的动态操纵国效应模型刚度效应。通过进一步分析,刚度效应操纵者也可以改造的(30.]

假设 是6 然后在机器人钻力效应 这导致了偏转在钻井 用方程(6)方程(3),我们得到

上面的关系代表了一个小挠度效应在骨骼标本的钻井试验装置如图所示5。因此,关节僵硬 可以写成的组合刚度的伺服电机 ,齿轮轴 ,和谐波减速器 的效应。图6显示了运动链的原理图的代表汉斯机器人用于实验。


图5
流程图的钻井轨迹和刚度评估仿真系统。

图6
运动链的代表汉斯机器人HREF 01 - ld010 - 1000 - si。

参照 ,刚度矩阵随着钻井的改变而改变,这可以概括为数学

惯性切削力的方向加速度导致不平衡力的机器人系统影响刚度和可能给出错误或影响其精度。表4说明了机器人关节类型和组件的操作。

表4
组成部分的6自由度机器人的各关节的汉斯机器人。
2.6。钻井的分析力

六自由度机械臂的受力分析效应之间的关系,提出了转矩 电动机的力 生成的。不同的力量在麻花钻在图所示7,在那里 不完全造成的吗 切削力的组件 但部分造成的影响迫使削减横刃 。开发衍生品都依赖于这一事实直流电机转矩与电机功率成正比,电动机的转矩控制器驱动程序的传递函数 作为


图7
骨钻时麻花钻头的受力的骨骼标本。

从图5, 推导出的

在这里, 倾角武力吗 经验丰富的前沿的钻头,如图6,这是 在哪里 是钻头的角度。

转矩影响的因素钻直径和钻井的力量 在骨骼标本类型:

当使用一个更实质性的大小钻时,电动机转矩会更高,这将影响机器人的刚度效应和孔的质量。

2.7。振动分析

位移,y (t),由振动引起的骨骼造成位移,ye(t)振动仪的输出所附着在骨(31日]相对位移 作为跟随。

从运动方程, 在哪里y (t)和 骨头的位移振动和振动传感器的质量, 在方程(20.)的相对位移振动传感器质量的位移由振动引起的骨骼在钻探。方程解(20.)可以写成

假设频率的比值, 在哪里f振动的频率骨头和吗 的固有频率传感器连接到骨头。然后,给出了振动的骨头在钻井

2.8。数据分析

一组不同的实验进行评价钻井力,扭矩,和振动产生的骨骼标本,如图8和9,通过改变切削速度从1000转速/分钟到1500转速/分钟,所有的样品与常数饲料在特定的时间间隔。所有的原始数据都使用Microsoft Office Excel 2010和归一化处理与MATLAB 2015 b来确定最大和最小的力量,在分给主轴扭矩,在钻井和振动速度(32]。表5也显示了接头和角范围考虑。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图8
典型的数据1000年钻井在主轴转速转速/分钟1500转速/分钟为牛的力和力矩,猪,分别和人工股骨。(一)力1500转速/分钟和深度。(b)力在1500 /分钟牧师与深度。(c)扭矩在1000 rpm和深度。(d)扭矩在1500 /分钟牧师和深度。
(一)
(一)
(b)
(b)
图9
典型的振动数据的主轴转速钻井1000转速/分钟为牛1500转速/分钟,猪,分别和人工股骨。(一)扭矩在1000 rpm和时间。(b)在1500转速转矩/分钟和时间。
表5
每个共同考虑的变化范围。

3所示。结果

3.1。最大的力量

在两个选择主轴速度,结果表明,主轴转速的增加导致的平均力值减少牛,人工股骨和猪。以下20.07 N的最大切削力,5.62 N,在1000转速/分钟和11.25 N记录在每个标本的说:牛骨,人工股骨和猪。在1500转速/分钟,最大切削力大大降低到12.34 N, 3.86 N,和8.14 N牛骨头,人工股骨和猪,分别如表所示6。这个结果达23.85%(牛),22.85%(猪)和16%(人工股骨)下降,如图8。这是进一步指出,牛骨拥有最高的切削力是由于其机械和材料性能。

表6
比较的实验结果与以前的实验数据对外科钻入人类和动物的骨头。
3.2。最大转矩

获得的扭矩数据,提高主轴转速从1000转到1500转,它给连续下降的最大转矩从41.2 N·毫米到24.2 N·毫米(牛),从37.0 N·毫米到21.6 N·毫米(猪)和13.6 N·毫米到6.7 N·毫米(人工),也表示在表6;所有这些概要地下降达25.99%(牛)和下降26.27%(猪),除了人工股骨,大约有33.99%的增长,如(图中所示8);增加可能是由于塑性材料组成的人工股骨。

3.3。最大振动

在主轴转速的增加从1000 /分钟到1500 /分钟牧师,牧师的振动振幅随时间增加33.99%(牛),22.48%(猪),分别为30.93%,人工股骨。这表明,主轴转速的增加影响机器人的刚度效应从而增加了振动速度由于反弹和更少的刚度值,如图9;这广泛增加人工股骨的振动也可能是由于温度梯度对材料成分的影响由于提高钻井速度。

3.4。标本质量/缺陷测试

彻底的微观缺陷进行了测试在所有骨样本,没有裂缝,没有坏死在测试前和后,和钻头也检查过度或不均匀磨损。

3.5。机器人刚度效应模拟

由于终端执行器的旋转运动,有一个刚度变化导致变形的差异。因此,重要的是要确定最终的空间刚度效应随钻骨标本和考虑钻井计划的优化路径。从方程(9),它的刚度值X和Y方向受到旋转关节1 - 3,而刚度值Z方向也与关节2和3。首先,我们的注意力是基于模拟的Z方向效应机械手关节稳定一个关节和其他两个旋转关节随钻观察效应刚度。然而,表5向我们展示的范围变化时各关节模拟。空间行为的刚度Z方向可以通过改变的价值评估 和 在效应随钻。机器人的刚度模拟效应如图10刚度,Z方向也会造成增加 导致一个正弦变化,如图11,波动幅度从2到15“N / mm N /毫米。这意味着这个正弦变化的相位和峰值的变化很敏感 ,如图12。


图10
机器人效应的僵硬Z方向由变化引起的 出现。 。

图11
机器人效应的僵硬Z方向的变化引起的。 。

图12
刚度行为Z方向的改变。 。

4所示。讨论

4.1。广泛的研究

实验调查和分析表明,最大力量得到1000转速/分钟的主轴转速和大幅下降的速度增加到1500转速/分钟。这些表明,速度越低,越高切削力和刀具破损等并发症的几率越高或微裂隙骨头。相反,速度的增加减少了转矩上看到所有的样品。从早期获得的数据,图在图8表明,动物和人工股骨给力大幅增加钻头进入骨。这类似于力和转矩波动响应模式据李et al。13,35,37]。主轴转速的变化从1000 /分钟到1500 /分钟牧师,牧师有一个急剧下降的平均价值最大钻井力的骨骼标本,从20.07下降到12.34 N,大约23.85%的牛,猪(11.25到8.14 N)与16.03%,和33.99%(3.86到5.62 N)人工股骨。的最大力矩平均值也从41.2减少到24.2 N·毫米(牛),37.0到21.6 N·毫米(猪)和13.6 - 6.7 N·毫米(人工股骨),分别由[接近结果13,36,38]。在主轴转速的增加从1000 /分钟到1500 /分钟牧师,牧师振动振幅随时间增加了33.99%的牛,猪为22.48%,分别为30.93%,人工股骨。这表明,主轴转速的增加影响机器人的刚度效应从而增加了振动速度,如图9。主轴转速的增加从1000转速/分钟到1500转速/分钟增加深度削减和降低削减所有的样品的时候,尽管减少的速度也取决于每个标本的材料属性。减少人工股骨的深度大大影响速度的增加是由于温度上升的钻头影响其化学和材料的塑性行为构成。一般来说,获得的不稳定的切削力和扭矩随钻可以归因于机器人的低刚度效应;这让小反弹空间在钻井和振动。然而,这些结果显示显著差异force-torque与牛的关系,人工股骨,猪和也用来比较相似的参数和属性,可以让他们作为实验替代人类的骨头。力的结果从牛股骨获得接近的范围发现李et al。(35),证实了人类骨骼相似的属性。从模拟、刚度Z方向可以通过改变的价值评估 和 在效应随钻;同时,增加了一点 可能会导致振动或不稳定效应机械手在钻探。所有的结果与之前的研究显示,相比机器人刚度即将对力的影响,在钻井扭矩、振动的骨头。

5。结论

进行的比较研究表明,猪和人工股骨样本有不同的力和力矩响应在不同的切削速度,不指定范围内的切削力和扭矩适用于钻井人类骨骼异常牛骨的力范围接近的发现(17]。这些差异表明有可能显著改变材料特性的猪和人工股骨和不能很好的代替人类骨骼与牛实验目的。然而,这种模拟处理的效果和行为联合旋转卡盘刚度在骨钻。仿真结果还表明严重的突变在关节旋转和顶点生成曲线。我们的研究仅限于效应刚度,考虑所有的关节都将过于复杂和模糊的研究;然而,评估结果可以被视为一个参考以后研究机器人刚度。我们所知,没有使用6自由度机器人实验效应评估和比较力量,力矩,和振动在牛,猪,和人工股骨钻探,在考虑刚度的效应,使得本研究作为基准进行进一步的实验和分析研究钻井骨头适当的整形手术。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金下的人民共和国授予51575100。