整体硬度建模和评估一个整形外科手术机器人,以提高切割手术性能
Heqiang Tian1, Mengke Zhang1, Jiezhong Tan1
1College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China.
Biomimetics (Basel, Switzerland)
|June 25, 2025
概括
这项研究为骨科手术机器人引入了刚性建模框架,提高了切割精度和稳定性. 经过验证的模型提高了机器人手术的安全性和准确性.
科学领域:
- 机器人技术 机器人技术 机器人技术
- 整形外科手术 整形外科手术
- 生物医学工程 生物医学工程
背景情况:
- 骨科手术机器人需要精确的控制才能准确切割骨头.
- 现有的手术机器人硬度模型缺乏全面的整合和验证.
- 刚度的变化可能会损害手术精度和机器人的稳定性.
研究的目的:
- 开发和验证整合性硬度建模和评估框架,用于骨科手术机器人.
- 为了提高机器人骨科手术的切割精度和操作稳定性.
- 为度意识控制和轨迹规划提供基础.
主要方法:
- 开发了一个全面的刚性模型,包括端效应器,切削工具和力传感器.
- 使用虚拟关节方法和雅科比矩阵计算的终端效应器刚度.
- 通过激光追踪仪测量和最小方形拟合,通过实验确定了关节刚性.
- 通过对猪大腿骨进行模拟和切割实验来验证模型.
主要成果:
- 获得的关节刚度估计误差低于1.5%和位移误差低于0.3mm.
- 与之前的研究相比,证明了优越的硬度统一性 (变化<50%).
- 实验验证显示预测误差一般低于5%,关键方向误差在切割任务中低于1%.
- 刚度感知控制将切割偏差降低高达10%,并将工作空间的稳定性提高了30%.
结论:
- 拟议的综合刚性模型已被验证,并且对骨科手术机器人具有高度准确性.
- 该框架弥合了模拟和临床应用之间的差距,提高了安全性和精度.
- 这项研究为机器人手术中先进的度意识规划和控制提供了坚实的基础.
