基于系统谐振电流的超声骨切割力间接测量方法及其在机器人骨科手术中的应用研究

本文提出一种基于超声系统谐振电流间接测量骨切割力的创新方法，通过建立负载-频率-电流的映射模型（含机电转换特性分析），实现切割力实时预测（最大误差≤9.1%）。该方法规避了传统力传感器（dynamometer）在手术环境中的局限性，为机器人辅助超声骨切割（osteotomies）提供了无需外加传感器的力监测解决方案，显著提升手术安全性与控制精度。

　　

共振匹配机制（Resonance matching mechanism）

超声骨刀通常由夹心式压电换能器（piezoelectric transducer）、阶梯型变幅杆（stepped horn）和切割头组成。本研究选用典型半波长超声骨刀作为对象（结构见图1a）。当连接超声电源时，骨刀通过特定频率的交流电激励压电换能器，产生高频机械振动。

模型校准实验（Model calibration experiment）

为标定切割力预测模型中的待定参数，搭建了两组性能测试实验：分别检测超声骨刀的振幅输出和阻抗特性。通过激光位移传感器测量不同电流强度下的刀尖振动位移，以确定振幅系数X₀；通过电路相位检测获取系统阻抗特性，进一步计算等效阻抗参数。

超声骨切割过程中的电流特性分析（Analysis of current characteristics）

在机器人超声骨切割的实际操作中，存在三种典型切割状态：空载（idle）、侵入（intrusion）和水平切割（horizontal cutting）。实验过程中，机器人控制超声骨刀切割骨材料，每个切割周期包含侵入、水平切割和返回空载三个阶段。全程实时监测系统电流信号显示：侵入阶段电流随负载增加而上升，水平切割阶段电流保持相对稳定，返回空载后电流迅速回落至基线。该特性为切割力的间接测量提供了动态响应依据。

结论（Conclusions）

本研究提出的基于系统谐振电流的间接测量方法，可实时预测超声骨切割力。实验验证了该方法的有效性（最大测量误差≤9.1%），相较于传统传感器方案，显著提升了机器人骨科手术中的力感知便利性。具体结论包括：1）建立了负载-电流的定量映射模型；2）通过校准实验确定了关键参数；3）揭示了切割过程中电流的动态响应规律。