基于模态耦合颤振的骨切削机器人加工过程优化及控制策略研究

The project aims to explore new theories and methods of bone machining robots, and carry out the following studies based on the existing bone machining robot systems: (1) Study on the mechanism of robot bone cutting. It studies the effects of cutting parameters and dynamic characteristics parameter of robot structure on the bone fracture, temperature rise and tool breakage. In addition, the robot vibration limit, spindle power limit, bone fracture limit, thermal and necrotic limit, tool breakage limit and other constraints under the optimal feed parameters will be studied. (2) Study on the modal coupling chatter characteristics of robot bone machining, System modeling and stability problems of modal coupling chatter and bone cutting in asymmetric structure robot will be studied. (3) Study on the cutting trajectory optimization problem based on the orientation of the minimum stiffness of the robot. The feeding direction without modal coupling chatter is calculated theoretically according to the pose of robot during machining. (4) Study on multi-sensor feedback safety control algorithm of bone machining robot, including multi-sensor information fusion model, signal processing methods, etc. Combining the vibration of robot structure with the process of bone cutting, the study is helpful of key problems analysis in robot machining. This project will provide the core theory and key technology for the development of orthopedic robot, and promote its clinical application.

本项目以骨切削机器人新理论和新方法为目标，在现有骨切削机器人系统基础上开展如下研究：（1）机器人骨切削机理研究。研究切削参数、机器人结构动力学参数等对骨破裂、温度上升、刀具断裂等的影响；研究在机器人振动极限、主轴功率极限，骨破裂极限、热坏死极限，刀具断裂极限等多约束条件下的进给参数优化问题。（2）机器人骨切削中模态耦合颤振研究。研究非对称结构机器人模态耦合颤振与骨切削过程结合的系统建模、稳定性问题。（3）基于机器人最小刚度方向定向的切削轨迹优化问题的研究。通过机器人加工时的位姿，理论计算不发生模态耦合颤振的进给方向。（4）骨切削机器人多传感器反馈安全控制算法研究。包括多传感器信息融合模型，信号处理方法等。本项目是结合机器人结构振动和骨切削过程的研究，有助于正确分析机器人加工中的关键问题。本项目将为骨科机器人的研制提供核心理论和关键技术，推动骨科机器人的临床应用。

本项目执行主要进行了四个方面的研究。第一个是机器人骨切削机理研究，涵盖研究计划里的主要研究内容。搭建了机器人骨铣削实验平台，研究了切削参数对骨铣削过程中骨材料的切屑形成、表面质量、切削力、切削温度等的影响。主要研究成果是建立了基于正交切削分配法的皮质骨铣削力模型和建立了骨铣削温度预测模型和高速骨铣削温度扩散机理模型。第二个是机器人骨切削中模态耦合颤振研究。通过控制变量实验研究了机器人铣削加工稳定性的影响因素；从机器人三维动力学模型出发，结合机器人运动学并根据劳斯判据得到了稳定性条件；将可靠性概率方法引入到骨科手术机器人铣削模态耦合颤振预测中，进行可靠性建模。主要研究成果是提出了三维稳定性判据(该方法已申请国家发明专利)和模态耦合颤振可靠性圆图。第三个是基于机器人最小刚度方向定向的切削轨迹优化方法。研究了骨切削机器人最小刚度定向方法，在此基础上，研究了通过对最小刚度方向和进给方向定向，避免机器人模态耦合颤振的轨迹规划方法。主要研究成果是提出了一种机器人铣削无颤振路径优化算法。第四个是骨科手术机器人系统空间配准及铣削冗余度优化研究，该部分在研究计划中没有列出，根据需要进行了增加。开发了骨切削机器人系统，该系统包括 3D导航系统、计算机图像处理、机器人控制系统、机器人本体以及骨材料夹持装置，并且在西京医院进行了应用。主要研究成果是提出一种将三点法与迭代最近点算法相结合的配准策略和考虑颤振稳定性的机器人铣削冗余自由度优化方法。.在本项目的支持下，发表学术论文25篇，其中SCI 9篇，EI 5篇，核心论文2篇，申请发明专利1个，撰写著作1本，培养硕士研究生11名，培养博士研究生2名，成功申报了2022年度辽宁省自然科学基金项目1项。