基于声信号的骨科机器人椎板铣削深度控制
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TH781 TP242. 3

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国家自然科学基金 (61773223)项目资助


Milling depth control of lamina for orthopedic robot based on acoustic signals
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    摘要:

    为了实时监测和控制骨科机器人的椎板铣削深度,首先基于铣刀几何结构和椎板受迫振动方程,对椎板铣削过程进行 建模与分析,提出了一种基于声信号的铣削深度监测方法。 然后给出了基于快速傅里叶变换的骨铣削声信号处理方法,用于在 手术动力装置主轴旋转频率改变时,准确提取声信号中的主轴频率及其整倍数谐波的幅度值。 谐波幅度作为反馈信号,基于带 死区的比例微分控制器修正机器人的规划轴向进给速度来控制铣削深度。 最后,基于三自由度笛卡尔机器人系统对人造骨块 进行了铣削测试实验和铣削深度控制实验。 实验结果表明,基于铣削声信号谐波幅度能够在 0 ~ 1. 2 mm 的铣削深度安全测量 范围内以 0. 1 mm 的分辨率监测铣削深度,从而有效地控制骨面形变和位移时的椎板铣削深度。 所提方法可以提高骨科机器 人的椎板铣削操作精度和安全性。

    Abstract:

    This article aims to monitor and control the vertebral lamina′s milling depth of the orthopedic robot in real-time. First, based on the milling cutter′s geometric structure and the lamina′s forced vibration equation, the vertebral lamina milling process is modeled and analyzed. An acoustic signal-based monitoring method of milling depth is proposed. Then, a bone milling acoustic signal processing method based on the fast Fourier transform accurately extracts the harmonic amplitude whose frequency is an integer time of the surgery power device′s spindle rotation frequency when the frequency changes. The harmonic amplitude is used as a feedback signal. The robot′s planned axial feed rate is corrected based on the proportional-differential controller with a dead zone to control the milling depth. Finally, milling test experiments and milling depth control experiments are implemented on some artificial bone block based on a threedegree-of-freedom Cartesian robot system. Experimental results show that based on the milling acoustic signal′s harmonic amplitude, the milling depth is monitored with a resolution of 0. 1 mm within the safe measurement range of the milling depth of 0~ 1. 2 mm. Therefore, the method can effectively control the vertebral lamina′s milling depth during bone surface deformation and displacement. The proposed method can improve the accuracy and safety of the laminar milling operation of the orthopedic robot.

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    引证文献
引用本文

夏光明,代 煜,张建勋.基于声信号的骨科机器人椎板铣削深度控制[J].仪器仪表学报,2021,(2):144-154

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  • 在线发布日期: 2023-06-28
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