(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210936098.6 (22)申请日 2022.08.05 (71)申请人 东北大学 地址 110819 辽宁省沈阳市和平区南湖街 道文化路三 号巷11号 (72)发明人 王林伟　刘宇　邹启磊　舒彬　 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 17/11(2006.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 基于反节点振动位移的超声骨切削力的间 接测量方法 (57)摘要 基于反节点振动位移的超声骨切削力的间 接测量方法， 包括： 确定超声骨刀节点位置， 得到 其简化模型； 建立压电换能器模型， 计算模型参 数， 获得其振动位移； 建立阶梯变幅杆模 型， 根据 特征值、 特征向量和能量守恒原则计算动力学参 数； 建立骨组织的力负载模型， 辨识模型参数； 基 于上述模型， 搭建Matlab ‑Simulink仿真程序； 在 此基础上， 利用数据驱动建模方法， 以反节点振 动位移x1的有效值x1rms、 振动频率fx1为输入， 输 出切削力的有效值Frms， 获得反节点振动位移与 切削力的关系； 利用传感器测量反节 点振动位移 的有效值x1rms及振动频率fx1， 根据上述步骤获得 的关系计算切削力Frms。 本发明提供了超声骨刀 ‑ 骨组织相互作用的一维数值计算模 型， 基于此提 供超声骨切削力的间接测量方法。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 115438533 A 2022.12.06 CN 115438533 A 1.基于反节点振动位移的超声骨切削力的间接测量方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1， 确定超声骨刀节点 位置， 得到超声骨刀的简化模型； 步骤2， 建立压电换能器模型， 计算模型参数， 获得压电换能器的振动位移； 步骤3， 建立阶梯变幅杆模型， 根据特 征值、 特征向量和能量守恒原则计算动力学参数； 步骤4， 建立骨组织的力负载模型， 辨识模型参数； 步骤5， 建立超声骨刀 ‑骨组织相互作用模型， 搭建Matlab ‑Simulink仿真程序； 步骤6， 基于Matlab ‑Simulink仿真程序， 利用数据驱动建模方法， 以反节点振动 位移x1 的有效值x1rms、 振动频率fx1为输入， 输出切削力的有效值Frms， 获得反节点振动位移x1与切 削力F的关系； 步骤7， 利用电涡流位移传感器测量反节点振动位移的有效值x1rms及振动频率fx1， 根据 步骤6获得的关系计算切削力的有效值Frms。 2.根据权利要求1所述的基于反节点振动位移的超声骨切削力的间接测量方法， 其特 征在于， 步骤1所述根据超声骨刀节点位置、 个数， 将超声骨刀简化为压电换能器模 型、 阶梯 变幅杆模型两 部分。 3.根据权利要求1所述的基于反节点振动位移的超声骨切削力的间接测量方法， 其特 征在于， 步骤2所述在不考虑压电材料的非线性的假设下， 利用线性关系来描述压电陶瓷的 电气和机 械行为之间的相互作用， 建立压电换能器模型。 4.根据权利要求1所述的基于反节点振动位移的超声骨切削力的间接测量方法， 其特 征在于， 步骤3所述根据Euler ‑Lagrange方程建立阶梯变幅杆模型， 根据特征值、 特征向量 和能量守恒原则计算 其动力学参数。 5.根据权利要求1所述的基于反节点振动位移的超声骨切削力的间接测量方法， 其特 征在于， 步骤4所述在 超声骨刀切削过程中， 刀具与骨组织之 间的相互作用会对振动系统产 生力负载， 其可以等效成一个弹性系数为k的线性弹簧和一个阻尼系数为c的阻尼器的模 型。 6.根据权利要求1所述的基于反节点振动位移的超声骨切削力的间接测量方法， 其特 征在于， 步骤5所述根据压电换能器模型、 阶梯变幅杆模型和力负载模型建立超声骨刀 ‑骨 组织相互作用模型， 搭建Matlab ‑Simulink仿真程序。 7.根据权利要求1所述的基于反节点振动位移的超声骨切削力的间接测量方法， 其特 征在于， 步骤6所述基于MATLAB ‑Simulink仿真程序， 建立以反节点振动位移x1的有效值 x1rms、 振动频率fx1为输入， 以切削力的有效值Frms为输出的数据集， 利用数据驱动建模 方法， 获得反节点振动位移x1与切削力F的关系。 8.根权利要求1所述的基于反节点振动位移 的超声骨切削力的间接测量方法， 其特征 在于， 步骤7所述反节点振动位移测量平台组成， 包括外壳， 电涡流位移传感器， 标记物， 变 幅杆， 安装有分析软件的计算机， 信号发生器， 功率放大器， 在变幅杆反节点x1位置安装标 记物， 标记物随变幅杆一起轴向方向往复振动， 在骨刀外壳安装电涡 流位移传感器， 外壳与 变幅杆节点连接， 无运动。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115438533 A 2基于反节点振动位移的超声骨切削力的间接测量方 法 [0001]发明名称 [0002]基于反节点振动位移的超声骨切削力的间接测量方法。 技术领域 [0003]本发明属于机器人超声骨刀加工应用领域， 具体涉及基于反节点振动位移的超声 骨切削力的间接测量方法。 背景技术 [0004]超声骨刀作为一种新型手术器械， 高频电信号通过磁致伸缩换能器或压电陶瓷换 能器转化为高频机械振动， 激起刀具 的高频纵向振动模态， 实现上百微米级振 幅的超声振 动进行切削。 相对于传统的骨切削工具， 超声骨刀具有低切削力、 低切削温度和组织选择性 等优点， 近年来一直作为手持工具被外科医生广泛应用于脊柱外科、 颌面外科、 整 形外科等 领域， 然而超声骨刀 在骨科机器人中的应用尚未见报道。 超声骨刀对末端切削力敏感， 切削 力的大小会影响切削稳定性(改变骨刀谐振频率、 振动幅值)、 切削质量， 进而影响手术效 果。 因此， 超声骨刀切削力的检测模型， 是超声骨刀应用在机器人辅助手术中的一个亟待解 决的问题， 对在手术过程中实现骨质层感知、 切削力控制具有重要意 义。 发明内容 [0005]针对现有技术存在的问题， 本发明提供基于反节点振动位移的超声骨切削力的间 接测量方法。 [0006]本发明的技 术方案是： [0007]基于反节点振动位移的超声骨切削力的间接测量方法， 包括以下步骤： [0008]步骤1： 确定超声骨刀节点 位置， 得到超声骨刀的简化模型。 [0009]步骤2： 建立压电换能器模型， 计算模型参数， 获得压电换能器的振动位移。 [0010]步骤3： 建立阶梯变幅杆模型， 根据特征值、 特征向量和能量守恒原则计算动力学 参数。 [0011]步骤4： 建立骨组织的力负载模型， 辨识模型参数。 [0012]步骤5： 建立超声骨刀 ‑骨组织相互作用模型， 搭建Matlab ‑Simulink仿真程序。 [0013]步骤6： 基于Matlab ‑Simulink仿真程序， 利用数据驱动建模方法， 以反节点振动位 移x1的有效值x1rms、 振动频率fx1为输入， 输出切削力的有效值Frms， 获得反节点振动位移x1与 切削力F的关系。 [0014]步骤7： 利用电涡流位移传感器测量反节点振动位移的有效值x1rms及振动频率fx1， 根据步骤6获得的关系计算切削力的有效值Frms。 [0015]有益效果 [0016]本发明将超声骨刀这一个复杂的连续系统(具有无限多个自由度)简化为一个2自 由度的离散系统， 该模型具有原始系统的属性， 同时可以用于仿 真。 开发的一维数值计算模说　明　书 1/5 页 3 CN 115438533 A 3