【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于機器人領域，具體涉及一種基于虛擬剛度策略的骨科手術機器人骨鉆進給控制方法。
技術介紹
1、椎板磨削手術是骨科手術中常見的一類手術方式。但是該手術過程持續時間長且對醫生操作精度要求高，醫生使用骨鉆磨削椎板時，難以量化磨削力度，并且在磨穿椎板時，力度控制的不精確會導致損傷黃韌帶的風險。這是由于椎板與黃韌帶之間理化性質差異很大，磨削椎板時往往需要骨鉆施加很大的磨削壓力，在磨穿椎板的瞬間，由于椎板和黃韌帶之間剛度的變化突變，導致在過渡帶磨削力也會產生突變，瞬間的突變力導致醫生難以精確操控骨鉆，容易導致黃韌帶損傷。
技術實現思路
1、本專利技術提供一種于虛擬剛度策略的骨科手術機器人骨鉆進給控制方法，從而克服現有技術的不足。
2、本專利技術為實現上述目的所采用的技術方案是：
3、一種基于虛擬剛度策略的骨科手術機器人骨鉆進給控制方法，包括以下步驟：
4、1)獲得脊柱患處的ct投影數據，根據ct投影數據對脊柱患處進行三維重建；
5、2)對重建后的三維模型進行測量，分別測量出椎板和黃韌帶的厚度；
6、3)根據椎板和黃韌帶厚度，選擇虛擬剛度變化策略；
7、4)通過骨科手術機器人末端的六維力傳感器獲得鉆頭末端與椎板的接觸力，并對接觸力進行濾波處理，得到骨鉆末端受力；
8、5)根據確定的虛擬剛度變化策略、骨鉆末端受力情況，控制骨鉆與椎板面之間的接觸力。
9、所述步驟1)包括以下步驟：
11、1.2)使用濾波器對傅里葉變換后的投影數據進行卷積濾波；
12、1.3)將濾波后的投影進行反投影；
13、1.4)重復步驟1.1)～1.3)，將所有的反投影數據疊加，得到重建后的圖像。
14、所述一維傅里葉變換具體為：
15、
16、其中，g(w,θ)表示頻域中的一維傅里葉變換，w表示頻率變量，θ表示角度變量，ρ表示投影，g(ρ，θ)表示原始信號。
17、所述卷積濾波具體為：
18、
19、其中，h(w)為濾波器的頻域表示，c為頻域參數，m為常數參數。
20、所述步驟3)包括以下步驟：
21、3.1)根據實驗數據，確定椎板和黃韌帶的真實剛度k1和k2；
22、3.2)將椎板和黃韌帶作為一個整體，其長度l＝l1+l2，其中，l1、l2分別為椎板和黃韌帶的厚度；
23、3.3)將整體重新分為三部分，x1、x2和x3，其虛擬剛度分別為k1'，k2'，k3'，三個剛度均為真實剛度k1和k2之間變化的虛擬值。
24、所述步驟3.3)具體為：
25、將整體分為x1、x2和x3三段，使每段的虛擬剛度k1'，k2'，k3'滿足以下關系：
26、
27、
28、其中，f1表示骨鉆末端在x1段與椎板接觸面之間的接觸力，k表示鉆頭與椎板的接觸力在x2段下降的速率，f3表示骨鉆在x3段與黃韌帶之間的接觸力。
29、所述步驟4)具體為：
30、通過低通濾波對鉆頭末端與椎板的接觸力進行處理，具體為：
31、y(n)＝αx(n)+(1-α)y(n-1)
32、其中，α是濾波系數，x(n)是本次采樣值，y(n-1)是上次濾波輸出值，y(n)是本次濾波輸出值。
33、所述步驟5)具體為：
34、骨科手術機器人所使用的動力學方程為：
35、
36、其中，和q分別是機器人的關節角加速度、角速度和角度，md是阻抗矩陣，dd是阻尼矩陣，kd是剛度矩陣，τext是受到的外力，即在骨科手術中是骨鉆和椎板之間的磨削力；
37、δτ是末端安裝的六維力傳感器上收到的力和根據漸變剛度計算出的期望力的差值：
38、δτ＝τd-τext
39、手術機器人通過調整關節角來調整骨鉆的進給，進而調整和椎板之間的接觸力，對末端力的調整具體為：
40、
41、其中，qc表示機器人需要根據力偏差進行的關節角修正量。
42、本專利技術具有以下有益效果及優點：
43、本專利技術通過在椎板磨削手術中應用虛擬剛度的策略來控制骨鉆進給進而控制骨鉆末端的接觸力，減小了傳統情況下，骨鉆磨穿椎板時產生的風險，這一控制方法可以將骨科醫生從冗長繁重的椎板磨削手術中解放出來，又控制了由骨科手術機器人進行椎板磨削時帶來的風險。
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1.一種基于虛擬剛度策略的骨科手術機器人骨鉆進給控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于虛擬剛度策略的骨科手術機器人骨鉆進給控制方法，其特征在于，所述步驟1)包括以下步驟：
3.根據權利要求2所述的一種基于虛擬剛度策略的骨科手術機器人骨鉆進給控制方法，其特征在于，所述一維傅里葉變換具體為：
4.根據權利要求2所述的一種基于虛擬剛度策略的骨科手術機器人骨鉆進給控制方法，其特征在于，所述卷積濾波具體為：
5.根據權利要求1所述的一種基于虛擬剛度策略的骨科手術機器人骨鉆進給控制方法，其特征在于，所述步驟3)包括以下步驟：
6.根據權利要求5所述的一種基于虛擬剛度策略的骨科手術機器人骨鉆進給控制方法，其特征在于，所述步驟3.3)具體為：
7.根據權利要求1所述的一種基于虛擬剛度策略的骨科手術機器人骨鉆進給控制方法，其特征在于，所述步驟4)具體為：
8.根據權利要求1所述的一種基于虛擬剛度策略的骨科手術機器人骨鉆進給控制方法，其特征在于，所述步驟5)具體為：
【技術特征摘要】
1.一種基于虛擬剛度策略的骨科手術機器人骨鉆進給控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于虛擬剛度策略的骨科手術機器人骨鉆進給控制方法，其特征在于，所述步驟1)包括以下步驟：
3.根據權利要求2所述的一種基于虛擬剛度策略的骨科手術機器人骨鉆進給控制方法，其特征在于，所述一維傅里葉變換具體為：
4.根據權利要求2所述的一種基于虛擬剛度策略的骨科手術機器人骨鉆進給控制方法，其特征在于，所述卷積濾波具體為：
5.根...
【專利技術屬性】
技術研發人員：張峰，楊瑞，崔龍，王宏偉，劉釗銘，白寧，田申，
申請(專利權)人：中國科學院沈陽自動化研究所，
類型：發明
國別省市：
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