[发明专利]一种基于机械模型的骨钻孔触觉交互方法

摘要

本发明适用于触觉模拟技术领域，公开了一种基于机械模型的骨钻孔触觉交互方法，包括确定基础力：法向力dF_n和摩擦力dF_f，确定局部力：切割力dF_c、轴向力dF_th及侧力dF_L，确定全局力：切向力dF_tang、侧力dF_Thrust及径向力dF_radial，确定钻头横刃受力模型。本发明所提供的一种基于机械模型的骨钻孔触觉交互方法，提出了触觉模拟骨钻孔过程中详细的机械力模型，将钻削力表示成为钻头几何形状与钻削条件的函数。在早前的研究工作中还未涉及这个问题，这项研究可以为基于机械力模型的骨钻孔触觉交互提供指导，有助于改善骨钻孔操作培训及练习过程，无传染相关疾病的风险，且成本比较低，便于应用。

主权项

一种基于机械模型的骨钻孔触觉交互方法，其特征在于，用于通过钻头在骨头上进行钻孔模拟，包括以下步骤：一、确定基础力：法向力dF_n和摩擦力dF_f，先将每个切割边缘都根据径向距离划分为许多切割单元以及这些单元中的基础力，u_n和u_f是实验中的已知参数，其中dF_n＝u_na，dF_f＝u_fa              (1)；当材料变形时，碎片面积a为碎片的负载或未切削的区域，它垂直于切削速度所在平面，其计算方法为：其中，r为径向距离，f_t＝f_r/2为每刃进给，f_r为每转走刀量，w_c为切削宽度，t_c为切削厚度，dy为沿着y轴方向切割边缘的宽度，λ(r)为倾斜角度，如公式(3)所示：其中，ω(r)为r与dy间的腹板偏移角，b_w为腹板厚度的一半，p为顶角的一半；二、确定局部力：切割力dF_c、轴向力dF_th及侧力dF_L，每个元素的局部力通过两个基础力dF_N,dF_f来计算，如下：dF_th垂直于切削刃线，dF_th也属于切削刃线的法向面，切削刃线法向面上，dF_th用切削参数表示的实际方向，dF_th、dF_L、dF_c两两相互垂直，每个元素的受力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是切削刃线与F_L所在平面V及F_L所成的倾角，η_c为切削流动角，它是切削流出速度V_c与切削面上切削刃线的垂线所形成的夹角，γ_n为法向前角，是切削面、平面V上的垂线与F_L形成的夹角η_c为λ的倾斜角度，法向前角γ_n表示为γ_n(r)＝γ_r‑ξ                   (7) 其中，γ_r为中间角、ξ为动态角；三、确定全局力：切向力dF_tang、侧力dF_Thrust及径向力dF_radial，侧力dF_Thrust沿着钻头中心轴，径向力dF_radial沿径向分布且指向钻头中心轴，切向力dF_tang等于切割力，其中dF_tang＝dF_c                           (11) 其中，r为径向距离，λ(r)为切削刃线、F_L所在平面V与F_L之间的倾角，p为顶角的一半，ω(r)为r与dy间的偏斜角；四、确定钻头横刃受力模型：将钻头横刃分割为内层和外层两个部分，内层为缩进区，外层为次切削刃，其中：缩进区域中半径的表达式如下所示滑移线场理论中缩进区的轴向力描述为：其中σ_y为骨质的屈服应力，ε为滑移线的解，表达式为：2|α_n|＝ε+cos^‑1(tan(π/4‑ε/2))               (15) 其中钻头边缘内层的法向前角α_n表达式为：φ为钻头角；二次切削刃表示为：dF_{T_sec}＝dF_nsin(γ_ch)‑dF_fcos(γ_ch)              (17) 每个元素的切削参数与正交切削过程中的动态的倾角γ_ch相似：