本發(fā)明涉及金屬骨骼打磨，尤其是涉及一種人造金屬骨骼的打磨軌跡規(guī)劃方法。

背景技術：

1、人造金屬骨骼是廣泛應用于醫(yī)療領域的關鍵部件，常用于替代人體的骨骼結構，安裝在身體內部以恢復功能或矯正結構。其表面光滑度和精度直接影響與人體組織的接觸摩擦、耐久性和患者的舒適感。但現(xiàn)有技術中：

2、1、金屬骨骼的打磨主要依賴于人工操作或簡單的自動化打磨設備。人工打磨通過操作人員手持打磨工具，對骨骼表面進行打磨拋光，以消除表面瑕疵，提高光潔度。盡管這種方式具有一定的靈活性，但其打磨效果極大地依賴于操作人員的經驗和技術，難以保證表面精度和一致性，易產生人為誤差，導致表面粗糙或不均勻，無法滿足高精度醫(yī)療產品的需求。

3、2、為提高打磨的精度和一致性，行業(yè)中引入了離線編程的自動化打磨方法，通過預設軌跡控制機械臂和打磨工具進行表面處理。該方法通過在離線狀態(tài)下對金屬骨骼進行測量和路徑規(guī)劃，生成固定的打磨軌跡，由設備自動執(zhí)行。然而，這種預設軌跡的打磨方法缺乏對實際打磨過程的實時反饋，難以動態(tài)調整軌跡，尤其在面對金屬骨骼復雜的曲面時，容易出現(xiàn)局部打磨不充分或打磨過度的問題，影響最終的表面質量。

4、3、為了進一步提高加工精度，部分技術方案嘗試引入3d視覺傳感器獲取骨骼表面的形態(tài)數(shù)據(jù)，并基于點云數(shù)據(jù)生成打磨軌跡。雖然視覺感知技術可以獲取更準確的表面數(shù)據(jù)，但在實際操作中僅依靠視覺反饋難以實時感知打磨過程中的接觸力變化，無法根據(jù)接觸狀況即時調整打磨路徑和姿態(tài)。這導致了在復雜曲面或不規(guī)則表面打磨時，打磨力不均勻，造成打磨不均和表面損傷，仍然無法滿足金屬骨骼的高精度需求。

5、以及，現(xiàn)有技術中也有嘗試使用力傳感器進行恒力控制打磨，以保持接觸力的穩(wěn)定性。然而，力傳感器單一的觸覺反饋無法充分反映打磨表面的幾何特征，僅靠力傳感難以對復雜形狀的骨骼表面進行精確的軌跡調整，打磨過程中缺乏自適應調整能力。這種方法在面對骨骼形態(tài)復雜、局部變化多樣的情況下，往往會出現(xiàn)加工效率低、打磨效果不理想的問題，不能完全解決現(xiàn)有技術中的局限。

6、因此，如何實現(xiàn)對復雜金屬骨骼表面的自適應精細打磨和實時動態(tài)控制，成了本發(fā)明所要解決的技術問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術中存在的缺陷，提供一種人造金屬骨骼的打磨軌跡規(guī)劃方法，以解決上述背景技術中提出的金屬骨骼打磨精度不足、表面一致性差、缺乏實時反饋與調整能力的問題。

2、為解決上述技術問題，本發(fā)明采取的技術方案如下：

3、一種人造金屬骨骼的打磨軌跡規(guī)劃方法，包括以下步驟：

4、步驟1：使用離線編程軟件生成打磨軌跡并進行初始打磨；

5、步驟2，使用視野較大的線激光傳感器掃描目標物體，獲取全局點云數(shù)據(jù)，并將全局點云數(shù)據(jù)和骨骼模型進行配準，得到相對位姿矩陣tlow；

6、步驟3，使用視野較小的高精度線激光傳感器掃描局部區(qū)域，獲取高精度點云數(shù)據(jù)；使用上一步中獲得的相對位姿tlow以及機械臂掃描位姿，將高精度點云和基準模型進行粗配準，然后使用icp算法將高精度點云和基準模型進行精配準，計算得到待打磨區(qū)域和高度差；

7、步驟4，判斷高度差是否滿足工藝要求；

8、步驟5，根據(jù)待打磨區(qū)域，通過實時計算，得到打磨軌跡，即打磨位置坐標，包括：

9、步驟5-1，獲取待打磨區(qū)域點云；

10、步驟5-2，對點云數(shù)據(jù)進行三角化處理，使用貪婪三角化算法生成面片模型；

11、步驟5-3，使用點云算法庫計算點云的軸對齊包圍盒，得到邊界框的長度和方向；

12、步驟5-4，構造切平面，并沿坐標軸方向循環(huán)切片，根據(jù)包圍盒的尺寸和方向，構造平行切平面；

13、步驟5-5，計算切平面和三角化后的點云模型交集，并將交集投影到二維平面，得到輪廓線；

14、步驟5-6，對輪廓線進行平滑處理，使用最小二乘法求出局部回歸線，并將輪廓點投影到回歸線上，生成平滑的輪廓線點集；

15、步驟5-7，按照預設間距等分平滑后的輪廓線，并計算打磨軌跡點在三維空間中的位置坐標。

16、步驟6：根據(jù)打磨位置坐標，計算打磨姿態(tài)；

17、步驟7：對打磨軌跡進行進一步變換，以適應機械臂手持工件到砂帶機打磨的工藝要求；

18、步驟8：將打磨軌跡下發(fā)至機械臂執(zhí)行打磨，同時通過末端的六維力傳感器實時感知接觸力，動態(tài)調整位置，實現(xiàn)恒力打磨。

19、作為本發(fā)明進一步的方案，通過局部鄰域準則逐步生成三角形，構建面片模型以便后續(xù)的幾何計算和交集求解。

20、作為本發(fā)明進一步的方案，其中，所述包圍盒的計算采用點云庫中的軸對齊算法，得到包圍盒的三條邊的長度及其方向，用于指導切平面的構造。

21、作為本發(fā)明進一步的方案，其中，所述切平面構造根據(jù)包圍盒的最長邊設定切片間距，并沿該方向切片，確保打磨軌跡的系統(tǒng)化處理。

22、作為本發(fā)明進一步的方案，其中，所述平滑輪廓線的步驟通過最小二乘法回歸，減少輪廓線中的噪聲和不規(guī)則性，提高軌跡的平順度和打磨的穩(wěn)定性。

23、作為本發(fā)明進一步的方案，其中，所述等分輪廓線的步驟按照預設間距等分生成點集，確保軌跡點之間的距離盡量相等，以獲得均勻的軌跡分布。

24、作為本發(fā)明進一步的方案，其中，所述計算打磨姿態(tài)包括：將軌跡點按切片位置劃分成若干集合，計算相鄰點之間的向量，確定打磨工具的偏轉角度。

25、作為本發(fā)明進一步的方案，其中，所述位姿估計通過對軌跡點周圍的局部點云進行剛性變換，實現(xiàn)坐標系重定義，確保打磨工具姿態(tài)的準確調整。

26、作為本發(fā)明進一步的方案，其中，所述六維力傳感器在打磨過程中實時感知接觸力，當接觸力偏離預設范圍時，自動調整機械臂的打磨路徑和姿態(tài)，確保恒力打磨。

27、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

28、1、視覺與觸覺多模態(tài)感知，實現(xiàn)對人造金屬骨骼的自適應動態(tài)控制：人造金屬骨骼通常植入人體內部，要求極高的表面精度和一致性，以避免摩擦、磨損等問題對患者造成影響。傳統(tǒng)打磨方法難以滿足這種復雜曲面和精細度的要求。本技術通過集成3d視覺(線激光傳感器)和觸覺感知(六維力傳感器)，實時感知骨骼表面的幾何形態(tài)和接觸力信息，結合多模態(tài)數(shù)據(jù)動態(tài)優(yōu)化打磨軌跡，確保打磨工具在處理復雜的骨骼表面時始終保持最佳路徑和力度，顯著提升打磨精度和一致性。

29、2、創(chuàng)新幾何計算與軌跡生成技術，精準應對人體內部安裝的金屬骨骼的復雜表面：人造金屬骨骼的表面不僅要求與人體結構完美貼合，還必須具備極高的表面光滑度，防止在長期使用中產生不必要的磨損。傳統(tǒng)打磨難以針對如此復雜和精細的表面進行有效處理。本技術通過貪婪三角化算法和切片構造技術，實現(xiàn)了對金屬骨骼復雜曲面的精準建模和軌跡生成，動態(tài)調整打磨路徑，確保打磨工具的運動與骨骼表面形態(tài)精準匹配，提供卓越的表面加工效果。

30、3、高級數(shù)據(jù)平滑與軌跡優(yōu)化，確保金屬骨骼表面打磨的平順穩(wěn)定：人體內部的金屬骨骼要求打磨軌跡高度平順，以減少摩擦和生物相容性風險。本技術通過最小二乘法平滑輪廓線，優(yōu)化打磨工具的運動路徑，確保軌跡的平滑性和穩(wěn)定性，避免表面粗糙或不連續(xù)，確保金屬骨骼在植入人體后，長期使用的安全性和穩(wěn)定性。

31、4、恒力控制與實時反饋結合，提升金屬骨骼打磨的表面質量與一致性：對于植入人體的金屬骨骼而言，恒定的接觸力至關重要，稍有不慎可能造成表面損傷或不均勻。本技術通過觸覺感知的恒力控制，實現(xiàn)了打磨過程中的實時反饋和調整，確保接觸力始終處于最佳范圍，有效防止傳統(tǒng)打磨中可能導致的表面不均與損傷問題，特別適用于骨骼關節(jié)面和其他高精度部位的打磨。

32、5、自適應軌跡規(guī)劃，顯著提升金屬骨骼打磨的生產效率和精準度：由于人造金屬骨骼需要根據(jù)個體的生理結構定制，傳統(tǒng)固定軌跡的打磨難以適應個體化的需求。本技術通過視覺和觸覺的多模態(tài)感知，結合自適應軌跡規(guī)劃技術，能夠快速調整打磨路徑，滿足不同形態(tài)金屬骨骼的精密加工需求，減少程序調整時間，大幅提升生產效率和個性化打磨的精度，確保每一件產品都能夠達到植入人體的高標準要求。

33、本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。