[发明专利]脊柱手术力反馈骨锥的加载系数标定装置及标定方法

权利要求书

1.脊柱手术力反馈骨锥的加载系数标定装置，包括标定平台底板、立柱、砝码、钢丝绳、竖直固定支架、滑轮组件、骨锥夹具和夹具支架，其特征在于：还包括水平旋转支架、垫块、应变片和数据采集卡；所述的应变片共八片，四片应变片为一组组成一个惠斯通电桥，两个惠斯通电桥的输出端分别经信号放大器与数据采集卡连接；所述的夹具支架固定在标定平台底板上；立柱固定设置在标定平台底板的三个安装位置中的其中一个安装位置处；水平旋转支架和两个竖直固定支架均通过螺钉固定在立柱上；两个竖直固定支架上下布置，水平旋转支架设置在两个竖直固定支架之间；水平旋转支架的两个滑槽与其中两块垫块的通孔分别通过螺栓及螺母固定连接；两个竖直固定支架的滑槽与另外两块垫块的通孔分别通过螺栓及螺母固定连接；所述的骨锥夹具通过螺钉固定在夹具支架上；所述的滑轮组件包括滑轮、螺栓和滑轮支架；滑轮与通过螺纹固定连接在滑轮支架上的螺栓的光滑面构成转动副；每块垫块上设有两个滑轮组件，滑轮组件的滑轮支架与垫块固定；所有滑轮组件的滑轮轴线均水平且平行设置，与水平旋转支架或竖直固定支架的滑槽布置方向也均平行；四根钢丝绳一端均固定有砝码。

2.根据权利要求1所述脊柱手术力反馈骨锥的加载系数标定装置，其特征在于：所述的立柱与标定平台底板各安装位置的固定方式为：立柱底部的四个通孔与标定平台底板各安装位置的四个螺纹孔分别通过螺钉连接。

3.根据权利要求1所述脊柱手术力反馈骨锥的加载系数标定装置，其特征在于：所述的骨锥夹具包括基座、夹紧块和螺钉；基座固定在夹具支架上，相对设置的两块夹紧块的通孔与基座的两个螺纹孔分别通过螺钉连接，相对设置的另两块夹紧块的通孔与基座的两个滑槽分别通过螺栓及螺母连接；相对设置的每两块夹紧块中，一块夹紧块的通孔与另一块夹紧块的螺纹孔通过螺钉连接。

4.根据权利要求1、2或3所述脊柱手术力反馈骨锥的加载系数标定装置的标定方法，其特征在于：该方法具体如下：

将力反馈骨锥一端通过骨锥夹具夹紧固定，四根钢丝绳未固定砝码的一端缠绕固定在力反馈骨锥另一端的同一横截面位置处，且将第一根钢丝绳绕过水平旋转支架一端两个滑轮组件的滑轮，第二根钢丝绳绕过水平旋转支架另一端两个滑轮组件的滑轮，第三根钢丝绳绕过其中一个竖直固定支架上两个滑轮组件的滑轮，第四根钢丝绳绕过另一个竖直固定支架上两个滑轮组件的滑轮；四根钢丝绳通过砝码同时施加力对力反馈骨锥实现加载；然后，在力反馈骨锥的矩形截面轴段的每个侧面上均粘贴两片应变片，矩形截面轴段的每两个对称侧面上的四片应变片组成一个惠斯通电桥；最后，对力反馈骨锥的多个横截面位置处进行多个方向力的加载系数标定：

步骤一、通过设置四根钢丝绳的四个端部处的砝码质量来进行四个主方向的力加载、偏向力加载以及电压信号采集，具体如下：

1.1将四根钢丝绳上砝码质量设置为初始的最小值，即四根钢丝绳的四个端部处均设置一个质量相等的砝码；将立柱设置在标定平台底板上最远离力反馈骨锥的安装位置处；将水平旋转支架调整为水平设置；调节各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置，使两根钢丝绳作用在力反馈骨锥上的四个力方向分别为四个主方向，即竖直向上、竖直向下以及水平面上垂直于力反馈骨锥的两个相反的方向；数据采集卡采集随各应变片变化而改变的电压信号；

1.2采用n种砝码质量设定方案来改变四根钢丝绳的四个端部处的砝码质量，从而改变两根钢丝绳对力反馈骨锥施加的力大小，数据采集卡采集随各应变片变化而改变的电压信号，n≥8；各种砝码质量设定方案中，四根钢丝绳的四个端部处的砝码质量均不完全相等；各种砝码质量设定方案相比，砝码最少的方案砝码质量与砝码最多的方案砝码质量相差不超过1Kg；

1.3将四根钢丝绳上砝码质量减少为初始的最小值，调节立柱向靠近力反馈骨锥方向移动一个安装位置，数据采集卡采集随各应变片变化而改变的电压信号；然后重复一次步骤1.2；

1.4将四根钢丝绳上砝码质量减少为初始的最小值，调节立柱向靠近力反馈骨锥方向再移动一个安装位置，数据采集卡采集随各应变片变化而改变的电压信号；然后重复一次步骤1.2；

步骤二、通过改变各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置以及四根钢丝绳的四个端部处的砝码质量来进行偏向力加载和电压信号采集，具体如下：

2.1将四根钢丝绳上砝码质量设置为初始的最小值，立柱设置在标定平台底板上最远离力反馈骨锥的安装位置处；

2.2采用m种垫块位置设定方案来改变各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置，m≥8；各种垫块位置设定方案中，竖直向上的力、竖直向下的力以及水平面上垂直于力反馈骨锥的两个反向力中至少有一个发生变化；每种垫块位置设定方案执行后，重复一次步骤1.2；

2.3将四根钢丝绳上砝码质量减少为初始的最小值，调节立柱向靠近力反馈骨锥方向移动一个安装位置；调节各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置，使四根钢丝绳作用在力反馈骨锥上的四个力方向分别为四个主方向；然后重复一次步骤2.2；

2.4将四根钢丝绳上砝码质量减少为初始的最小值，调节立柱向靠近力反馈骨锥方向再移动一个安装位置；调节各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置，使四根钢丝绳作用在力反馈骨锥上的四个力方向分别为四个主方向；然后重复一次步骤2.2；

步骤三、通过改变水平旋转支架相对水平面的倾角、各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置以及四根钢丝绳的四个端部处的砝码质量来进行偏向力加载和电压信号采集，具体如下：

3.1将四根钢丝绳上砝码质量设置为初始的最小值，立柱设置在标定平台底板1上最远离力反馈骨锥的安装位置处；调节各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置，使四根钢丝绳作用在力反馈骨锥上的四个力方向分别为四个主方向；

3.2采用k种水平旋转支架倾角设定方案来改变水平旋转支架相对水平面的倾角，k≥8；每种水平旋转支架倾角设定方案执行后，重复一次步骤1.2；

3.3将四根钢丝绳上砝码质量减少为初始的最小值，调节立柱向靠近力反馈骨锥方向移动一个安装位置；将水平旋转支架调整为水平设置；然后重复一次步骤3.2；

3.4将四根钢丝绳上砝码质量减少为初始的最小值，调节立柱向靠近力反馈骨锥方向再移动一个安装位置；将水平旋转支架调整为水平设置；然后重复一次步骤3.2；

3.5将四根钢丝绳上砝码质量设置为初始的最小值，立柱设置在标定平台底板上最远离力反馈骨锥的安装位置处；将水平旋转支架调整为水平设置；

3.6采用k种水平旋转支架倾角设定方案来改变水平旋转支架相对水平面的倾角；每种水平旋转支架倾角设定方案执行后，重复一次步骤2.2；

3.7将四根钢丝绳上砝码质量减少为初始的最小值，调节立柱向靠近力反馈骨锥方向移动一个安装位置；将水平旋转支架调整为水平设置；调节各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置，使四根钢丝绳作用在力反馈骨锥上的四个力方向分别为四个主方向；然后重复一次步骤3.6；

3.8将四根钢丝绳上砝码质量减少为初始的最小值，调节立柱向靠近力反馈骨锥方向再移动一个安装位置；将水平旋转支架调整为水平设置；调节各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置，使四根钢丝绳作用在力反馈骨锥上的四个力方向分别为四个主方向；然后重复一次步骤3.6；

步骤四、将立柱在标定平台底板的安装位置、四根钢丝绳的四个端部处的砝码数量、各垫块在水平旋转支架和竖直固定支架的滑槽上的位置以及水平旋转支架相对水平面的倾角的不同组合方案和数据采集卡在不同组合方案下采集的随各应变片变化而改变的电压信号一一对应存储在工控机内；然后，工控机将不同组合方案下四个方向的力分解在四个主方向上得到四个主方向力；接着，选取其中两个相互垂直的主方向，将每个组合方案下四个方向的力分解得到的四个主方向力中相互平行的两对主方向力分别进行矢量求和，从而合并为在该两个相互垂直的主方向上的两个主方向力；最后，对力反馈骨锥的每个横截面位置，通过直线拟合方式拟合出各组合方案下合并得到的两个主方向力分别与反映相对应主方向应变的电压信号之间的线性关系，两条直线的斜率即分别为该两个相互垂直的主方向力相对应主方向的加载系数。