[發明專利]一種基于機械模型的骨鉆孔觸覺交互方法

在審

• 申請號: 201410857531.2
• 申請日: 2014-12-31
• 公開（公告）號: CN104933935A
• 公開（公告）日: 2015-09-23
• 發明（設計）人: 劉效仿;李建英;王瓊;孫寅紫;秦璟;劉禮初;王平安
• 申請（專利權）人: 佛山市中醫院;中國科學院深圳先進技術研究院
• 主分類號: G09B23/28
• 分類號: G09B23/28
• 代理公司: 深圳中一專利商標事務所 44237
• 代理人: 張全文

1.一種基于機械模型的骨鉆孔觸覺交互方法，其特征在于，用于通過鉆頭在骨頭上進行鉆孔模擬，包括以下步驟：

一、確定基礎力：法向力dF_n和摩擦力dF_f，先將每個切割邊緣都根據徑向距離劃分為許多切割單元以及這些單元中的基礎力，u_n和u_f是實驗中的已知參數，其中

dF_n＝u_na，dF_f＝u_fa??????????????(1)；

當材料變形時，碎片面積a為碎片的負載或未切削的區域，它垂直于切削速度所在平面，其計算方法為：

其中，r為徑向距離，f_t＝f_r/2為每刃進給，f_r為每轉走刀量，w_c為切削寬度，t_c為切削厚度，dy為沿著y軸方向切割邊緣的寬度，λ(r)為傾斜角度，如公式(3)所示：

其中，ω(r)為r與dy間的腹板偏移角，b_w為腹板厚度的一半，p為頂角的一半；

二、確定局部力：切割力dF_c、軸向力dF_th及側力dF_L，每個元素的局部力通過兩個基礎力dF_N,dF_f來計算，如下：

dF_th垂直于切削刃線，dF_th也屬于切削刃線的法向面，切削刃線法向面上，dF_th用切削參數表示的實際方向，dF_th、dF_L、dF_c兩兩相互垂直，每個元素的受力F_th、F_L、F_c如下：

dF_c＝dF_ncos(γ_n)cos(λ)+dF_f(sin(η_c)sin(λ)+sin(γ_n)cos(η_c)cos(λ))????????(4)?

dF_th＝-dF_nsin(γ_n)+dF_fcos(γ_n)cos(η_c)????????????????????(5)?

dF_L＝-dF_ncos(γ_n)sin(λ)+dF_f(sin(η_c)sin(λ)-sin(γ_n)cos(η_c)sin(λ))???????(6)?

其中，λ是切削刃線與F_L所在平面V及F_L所成的傾角，η_c為切削流動角，它是切削流出速度V_c與切削面上切削刃線的垂線所形成的夾角，γ_n為法向前角，是切削面、平面V上的垂線與F_L形成的夾角η_c為λ的傾斜角度，法向前角γ_n表示為

γ_n(r)＝γ_r-ξ???????????????????(7)?

其中，γ_r為中間角、ξ為動態角；

三、確定全局力：切向力dF_tang、側力dF_Thrust及徑向力dF_radial，側力dF_Thrust沿著鉆頭中心軸，徑向力dF_radial沿徑向分布且指向鉆頭中心軸，切向力dF_tang等于切割力，其中

dF_tang＝dF_c???????????????????????????(11)?

其中，r為徑向距離，λ(r)為切削刃線、F_L所在平面V與F_L之間的傾角，p為頂角的一半，ω(r)為r與dy間的偏斜角；

四、確定鉆頭橫刃受力模型：將鉆頭橫刃分割為內層和外層兩個部分，內層為縮進區，外層為次切削刃，其中：

縮進區域中半徑的表達式如下所示

滑移線場理論中縮進區的軸向力描述為：

其中σ_y為骨質的屈服應力，ε為滑移線的解，表達式為：

2|α_n|＝ε+cos^-1(tan(π/4-ε/2))???????????????(15)?

其中鉆頭邊緣內層的法向前角α_n表達式為：

φ為鉆頭角；

二次切削刃表示為：

dF_{T_sec}＝dF_nsin(γ_ch)-dF_fcos(γ_ch)??????????????(17)?

每個元素的切削參數與正交切削過程中的動態的傾角γ_ch相似：