未来骨科医工融合—文献集萃（十八）无传感器条件下切削功率估计与钻头磨损分析

发布日期： 2025-01-03 13:49:01 阅读量： 2

尚华清（中国科学院深圳先进技术研究院）

摘要

本文提出了一种基于无力/扭矩传感器的钻头切削功率估算方法，以评估牙科手术中的钻头磨损。利用扰动观测器（DOB）提取切削力，该系统通过内部传感器（如电流传感器和位移编码器）进行切削力和功率的估算。实验结果显示，磨损钻头需要更高的切削力和功率，这导致手术中操作负担增加。该方法在无需外部传感器的情况下，实现了切削功率监测，为手术安全性提供了支持。

方法

研究利用扰动观测器（DOB）结合角速度和进给速度控制，进行切削功率的无传感器估算。通过角速度和位移编码器获取速度响应，并在无载条件下识别粘性摩擦系数。切削力由DOB估算，将其转化为切削功率和剪切角的估算。实验对比了新钻头与磨损钻头在切削功率和扭矩上的表现。

总结

实验验证了该方法可通过内部传感器准确估算切削力与切削功率，磨损钻头的切削功率较新钻头高出50 kJ/s。研究表明，此无传感器系统在牙科手术中的应用有效减少了设备的复杂性和成本，同时提供了磨损监测的高精度解决方案。

创新点

1. **无传感器切削功率估算**：利用内部传感器（电流传感器和编码器）结合扰动观测器实现了切削力和功率的估算，无需高成本的外部传感器。

2. **粘性摩擦系数识别**：通过恒速测试实验精确识别系统的粘性摩擦系数，优化了切削力的计算。

3. **实时钻头磨损监测**：实验结果表明，磨损钻头的切削力和切削功率显著增加，使医生能通过功率变化识别磨损状态，提高了手术安全性。

4. **低成本实现**：由于不需要外部传感器，该系统能够以更低的成本实现复杂的切削监测，适合广泛应用于牙科和其他手术场景。