非均匀材料钻孔操作中力和扭矩的测量外文翻译资料

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力学工程与自动化学报1（2011）139-146

非均匀材料钻孔操作中力和扭矩的测量

Mohd Hazny Aziz，Muhammad Azmi Ayub 和Roseleena Jaafar马来西亚沙阿兰40450机械工程学院，马来西亚

收到：2011年4月21日/接受：2011年5月25日/发布时间：2011年7月25日

摘要：本研究的目的是测量非均匀材料（骨）在钻孔过程中产生的力和力矩。在钻井过程中使用自动5 DoF CataLyst-5机器人，并将其集成到6个DoF力 - 力矩传感器中。采用Matlab Simulink环境中内置的力矩控制器来控制骨骼的钻孔过程。在骨钻孔操作的实验过程中使用不同的进料速率。传感器被校准以测量合力和扭矩的三轴方向。所获得的力和扭矩的轮廓由于骨密度的多样性而是非线性的。生成的剖面也表示骨的界面层的波动。

关键词：机器人辅助手术，骨钻，三轴力和扭矩测量。

1. 介绍

近年来，机器人辅助手术已在商业上用于医疗领域。能够进行不同种类的重要手术来取代手术手术，其中一例重要手术为矫形外科手术。这种手术涉及铣削，锯切，铰孔和钻孔等各种操作。然而，最常进行的手术是钻孔过程，其发生在近95％的创伤后治疗和干预措施中，涉及安装用于骨折固定和使用牵引设备的螺钉【1】。这些过程将产生需要测量的力和扭矩，用于外科手术的精确和精确的运动控制。

研究人员已经尝试准确地测量这些力和扭矩，从而可以获得可以导致最小侵入性手术的工具的轨迹规划的最小偏差。据Allotta等[1]报道，他们的研究工作涉及在骨钻探实验测试中使用双向力传感器。另一项研究工作【2】中，使用推力传感器和钻孔电机扭矩传感器开发了采用猪骨的实验装置。使用钻杆机器人辅助的脊柱融合手术使用6个DoF力传感器来测量钻井作业中的力【3】。

慕尼黑技术大学还通过通用测试进行了钻井测试，并记录了ATI（ATI自动模型Nano 17）的六个组件传感器的切削力和扭矩【4】。

以往的研究人员还使用了其他测量钻井过程中的力和扭矩的方法。研究人员【5】使用直流电机消耗的电流作为感应信号。来自直流电机的电压降表示在钻孔过程中的力。如参考文献[6]所示，骨钻孔有几种不同的钻孔状态和过渡。这些状态和转移可以使用时域中的声音分析和使用频谱图进行显示。

力和扭矩的值在钻孔时早期检测骨组织之间的表面是很重要的。这是因为在骨层之间存在不同的密度。有两种主要或类型的骨，皮质和小梁，结构和密度不同【7】。皮质骨与细胞骨代表同义词，是一种致密的紧密形式的骨，位于大多数骨骼的外表面，如保护壳。由于小梁的多孔结构，小梁骨与海绵骨代谢密切相比，皮质骨密度较低【8】。因此，皮质骨和骨小梁的不同结构导致不同的机械性能。

论文组织如下：第二部分介绍机器人的软件和硬件技术；第三部分展示实验和测试；第四部分介绍结果和讨论；第五部分给出结论和展望未来的工作。

1. 机器人硬件和软件系统

2.1机器人硬件

在本研究实验中，使用了热电子 CataLyst-5机器人。热电子CataLyst一5机器人的基本部件包括CataLyst-5机器人手臂，C500C控制器和安装在机器人末端执行器上的6个DoF力矩传感器。机器人臂设有5个DoF接口。机器人的设置如图1所示。

图1 Catalyst-5机器人的基本组成部分【9】

位于机器人基座处的安装板将臂固定到固定的平台或轨道上。它可以轻松地将各种终端执行器（如抓爪或分配器）安装在工具法兰上。它具有每个关节的增量编码器，以提供有关电机位置的连续信息。CataLyst一5臂安装在轨道上，以便沿着额外的线性轴移动整个手臂。

C500C控制器为手臂提供安全电路，电源和控制。它驱动每个关节中的电机，通过编码器的反馈跟踪电机位置，计算轨迹并将机器人应用程序存储在存储器中。它还可以检测潜在的破坏性条件，例如严重的碰撞，位置反馈的丢失和通信中的错误。如果检测到这些情况之一，控制器立即触发紧急停机或关闭系统【9】。

力矩传感器直接安装在机械臂的工具凸缘上。当连接的末端执行器与物体接触时，力传感器内的压敏装置将测量所施加的力和扭矩，并将该信息传送到控制器。力传感器对信号进行数字化，并将其转换为发送到控制器的力和转矩【10】。

2.2机器人控制器闭路和开放架构软件

CataLyst一5机器人能够以两种不同的模式运行，即作为封闭架构或开放架构控制器。在封闭架构模式下，该系统集成到具有工业机器人所有功能以及RAPL3编程语言的C500C控制器，以教导机器人执行特定任务。C500C控制器包含6个比例积分，微分（PID）反馈控制器，用于每个电动机，其结构不能被修改。关于每个电动机及其结构的控制器不能被修改。对于开放架构模式，控制器设计为发送电流直接到电机。用户负责实施稳定的反馈系统。设计的CataLyst-5开放式架构控制器可以无缝切换成闭路结构控制器。

封闭架构系统由图2底部的两个阴影框表示。如虚线所示，C500C从电位器传感器获得来自增量编码器和伺服夹具位置的电机位置测量值。电位器电压信号由板上模数转换器处理。

机器人目标中的五台电机，线性跟踪电机和伺服夹钳电机均由C500C控制器的功率放大器驱动。当用户使用Teach Pendant或Robeomm3软件命令某个联合位置时，C500C控制器中的嵌入式PID反馈回路根据用户指令的位置计算合适的电流来驱动关节。最后，由于C500C机组只有一个模拟输入，因此力传感器不能与伺服夹具相似【11】。

在开放式设计模式下，编码器和电位计传感器以及系统中的执行器连接到Quanser Q8数据采集板，如图2所示，由实线黑线表示。而不是在C500C系统中使用内置控制器，而是使用Simulink设计的电脑控制器算法，并使用WinCon实现。WinCon从Simulink模型生成实时代码，并将其指向PC处理器。即使系统处于开放架构模式下，C500C控制器的安全功能仍可使用【11】。

图2封闭和开放架构系统【11】

2.3力矩传感器模型

在力矩传感器Simulink模型中，如图3所示，由CataLyst-5反向运动学，CataLyst一5位置控制器，力矩传感器和力矩传感器转换组成的几个子系统构成，使用 校准力和扭矩。另外还有另外两个子系统，即CataLyst一5接管和抓地位置控制。CataLyst一5接管用于在打开和关闭架构模式之间切换，而夹爪位置控制用于控制CataLyst-5机器人伺服夹具的位置。

CataLyst一5反向运动学和CataLyst一5位置控制器的子系统与相对世界命令一起用于使用世界坐标系来控制终端效应器的位置。相对世界命令通过滑块增益块改变，滑块增益块由末端执行器的X，Y和Z位置以及其俯仰和滚动旋转组成。CataLyst-5反向运动学是计算达到世界指挥所需要的关节角度。

图3 Simulink模型【11】

而CataLyst一5位置控制器用于控制CataLyst一5机器人关节和机器人在线性轨迹上的位置。范围可以查看指令和测量的电机，接头，轨迹和世界坐标位置【11】。

1. 实验设置

图4所示的机器人骨钻孔过程实验系统的设置包括CataLyst一5机器人，Maxon DC电机（型号RE 206508），电机支架组件，钻头卡盘，联轴器和高速钢钻头（ 直径6mm），ATI 6 DoF力矩传感器和保持装置。两种不同的材料用于钻孔操作，即聚苯乙烯和动物（牛）骨。在进行动物骨标本的实际测试之前，使用聚苯乙烯的目的是作为初始测试样本来测试CataLyst一5机器人的钻井条件。本项目使用的动物骨骼为牛骨（胫骨），如图5所示。它表示不均匀的材料，样品的性质总结在表1中。

使用Maxon 直流电机进行钻孔测试，该马达使用马达支架连接到CataLyst一5机器人的末端执行器。钻头连接到钻头卡盘，该钻头卡盘连接到直流马达。马达的速度直接通过交流电源进行控制，而钻孔过程的进给速度由机器人运动沿轨道的速度和加速度来控制。

钻井操作涉及到几个步骤。第一步是将钻孔样品放在固定装置上。然后机器人系统切换到开放架构模式。下一步是设置CataLyst一5机器人的位置。CataLyst一5机器人关节的位置以及机器人在轨道上的位置通过Force-Torque Simulink模型进行控制。该步骤通过设置电机转速或切削速度以及钻孔操作的进给速度来继续。对于聚苯乙烯和骨样品，钻孔速度保持恒定在5000rpm，但是具有不同的进料速率。表2显示了CataLyst一5机器人指定切割条件下的电机转速和进给速度。

图4骨骼钻孔系统设置

图5牛骨钻头位置

表1牛骨性状【12-13】

表2 Catalyst-5机器人的速度和加速度

在对试样进行钻孔处理之前，马达可以自由旋转。这是为了观察电机产生的振动力和转矩。使用力 - 扭矩传感器校准的一组力和力矩值的示例如图6所示。然而，对于牛骨，在开始钻孔过程之前必须首先执行初始指导。这是为了避免钻头在骨的钻孔过程中滑动，因为与聚苯乙烯样品表面相比，骨骼上的表面不光滑。

图6（a）在x方向上的力；（b）x方向的扭矩用于电机振动。

在每个范围内设置不同的缓冲时间范围。这是因为牛骨的钻孔过程比聚苯乙烯更长的时间。因此，用于钻牛骨的缓冲时间设定在60〜340秒的范围内。而对于聚苯乙烯，缓冲时间设置为40秒。所获得的力和扭矩的数据保存在Matlab M文件中，然后可以在Matlab环境中运行，以确定钻井过程中的力和扭矩。

1. 实践结果与讨论

在钻井操作期间获得的力和扭矩的校准数据的结果以图形方式绘制，示出力传感器读数与时间的关系。获得两组力矩和扭矩数据用于聚苯乙烯和牛骨的钻孔操作。比较力和扭矩结果以确定波动。还分析了不同进料速率的影响。

共有四个测试结果用于钻探聚苯乙烯样品。聚苯乙烯实验结果的一个例子如图7所示。进给速率的参数是速度（v）为10 mm / s，加速度（a）为10 mm / s。该图还示出了从时间间隔0至33秒，其指示钻孔过程之前的状态以及由电动机产生的力和扭矩振动的值。在33至35秒的间隔时间之间，可以观察到钻孔过程状态，并且力和扭矩值有增量。35秒后是后钻的过程状态，其中力和扭矩的值如前所述是恒定的。

图7（a）在x方向上的力；（b）速度为10 mm / s，加速度为10 mm / s的z方向转矩。

图8（a）x方向的力;（b）速度为0.01mm / s，加速度为0.07mm / s的x方向转矩。

通过五次测试对牛骨进行钻孔。图8显示了牛骨的实验结果。速度和加速度参数分别设定为0.0 1 mm / s和0.07 mm / s。该图还显示从起始时间到240秒是小梁骨的钻孔过程。力和扭矩在钻井过程中波动。240秒后，除了z轴的力和x轴的扭矩之外，力和转矩也增加，在这段时间内，这些值都在减小而不是增加。皮质骨结构的钻孔状态在240秒后进行。通过改变聚苯乙烯和牛骨参数的值来测量的力和扭矩的最大值示于表3中。

表3牛骨的最大钻井力和扭矩

从聚苯乙烯和牛骨样品的钻孔试验结果可以看出，与X轴相比，在Y轴上获得的力和扭矩都比z轴高。理论上，x轴上的力和扭矩的值应该更高，因为钻孔过程仅涉及在x轴上的运动。在自由钻井中产生的电动机振动的原因导致如图6所示的值的增加。当钻头穿透样品时，产生的振动将影响实际的钻孔过程。由于电动机的振动，钻头槽与孔的内表面之间将有很多接触。这将增加Y轴和z轴的力和扭矩。

电机转速和钻孔过程的进给速度是需要考虑的重要参数。在本项目中，电机转速或切割速度固定为5000转/分钟，进给速率因不同的钻孔试验而异。表3显示了最大力和扭矩的结果，无论是正值还是负值，聚苯乙烯和牛骨的进料速率不同。正值和负值仅表示力和转矩的方向。

从结果可以看出，随着两次钻井试验的进给速度的增加，力和扭矩都会增加。该结果由Elhachimi等人提出的钻井理论证实【14】，扭矩，推力和功率与进料成比例。然而，在聚苯乙烯钻孔时的力和扭矩稍低。这是因为聚苯乙烯比骨更柔软。观察到在实验过程中，即使电机不旋转，CRS机器人也能穿透聚苯乙烯。因此。 随着进料速率的增加，它需要强度和力矩来钻孔并穿透聚苯乙烯。对于x轴的扭矩值，如参考文献【15】所述，钻牛骨骨架减小，扭矩与转速成正比。

牛骨测试结果显示出波动的力和扭矩。这是因为骨骼由两种不同类型的骨组成，即骨皮质和骨小梁。这些骨骼的结构和密度不同，材料是异质的和各向异性的。比小骨密度大的皮质密度的差异导致当穿过不同层的骨骼时，力和力矩的值波动。

1. 结论和未来工作

大多数研究人员只考虑力和扭矩

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