【摘 要】
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全膝关节置换手术（Total Knee Arthroplasty,TKA）是20世纪骨外科手术最重大的创新之一。采用3D打印制成的人工关节假体替换存在损伤的膝关节,这是目前医治骨关节疾病最可靠有效的方法。TKA手术能够有效地减轻骨关节疾病患者的病痛,重新修复患者关节的正常生理功能。全膝关节置换切骨手术是耗时最长、操作步骤最繁琐的环节,其切骨平面位置精度直接决定了假体的安装精度,很大程度上决定了手术
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全膝关节置换手术（Total Knee Arthroplasty,TKA）是20世纪骨外科手术最重大的创新之一。采用3D打印制成的人工关节假体替换存在损伤的膝关节,这是目前医治骨关节疾病最可靠有效的方法。TKA手术能够有效地减轻骨关节疾病患者的病痛,重新修复患者关节的正常生理功能。全膝关节置换切骨手术是耗时最长、操作步骤最繁琐的环节,其切骨平面位置精度直接决定了假体的安装精度,很大程度上决定了手术的最终质量。本文设计了一款三自由度的全膝关节置换手术切骨执行器,以及8自由度的膝关节置换固定支具,专用执行器横轴行程长度:127.34mm;纵轴行程长度:127.65mm。工作半径≥100mm,测得额定速度:12.93mm/s,力反馈精度:2.32%,力反馈响应时间误差:0.03s,满足术中力反馈响应时间＜100ms要求。采用外部基准六点法对工具坐标系进行了标定,标定结果良好,TCP标定中投影最大误差0.67mm,满足手术骨切削要求。并基于虚拟导板的约束生成了切骨参考路径。为解决机器人切骨过程中摆锯与人腿骨相对位置以及人腿骨头刚度不确定性引起的误差问题,提出一种自适应阻抗控制方法,该方法能够跟踪膝关节置换手术切骨过程的动态力,进而补偿骨头刚度的不确定性。利用接触力作为基于位置的阻抗控制的反馈力,在不确定环境下主动跟踪动态期望力,通过跟踪误差在线调整阻抗参数,从而实现自适应阻抗控制。通过理论推导证明了自适应阻抗控制的稳定性和收敛性;通过仿真和实验,对恒定阻抗控制与自适应阻抗控制进行位置跟踪及力跟踪比较,该方法比恒定阻抗控制具有更好的力跟踪效果。最后进行膝关节置换手术机器人的尸体标本切骨实验,实验数据结果表明在切骨过程中力跟踪与位置跟踪效果良好,相比传统方法,新的切骨轨迹走刀形成的非骨质面积仅为传统方法的1.65%,可以实现膝关节置换手术机器人的柔顺控制要求。为了实现专用切骨摆锯自适应操作,将切骨执行器末端六维力传感器反馈的数据与手柄自定义按键相结合,实现在膝关节手术过程中根据反馈力数值来自动控制微型直线伺服驱动器,从而调节摆锯功率大小。最终实验表明,该方法可以较好地实现专用切骨摆锯的自适应操作。
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