CN111551408B - 自适应组织切削系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应组织切削系统及方法，包括监测模块，用于对样本的特性参数进行实时监测；切削参数匹配模块，用于根据当前所监测到的样本的特性参数匹配相适应的切削频率；切削模块，包括相连接的切削组件及频率调节组件，频率调节组件用于根据切削参数匹配模块输出的频率要求进行调整并输出切削频率，切削组件用于采用频率调节组件相应的输出频率对样本进行切削。其目的在于解决针对同一种组织不同解剖区域生物力学特性不同或不同器官力学特性存在差异，需要在切削的过程中实时改变切削参数以获得较好切削断面的技术问题。

Description

自适应组织切削系统及方法

技术领域

本发明属于生物医学领域，更具体地，涉及一种自适应组织切削系统及方法。

背景技术

自适应组织切削方法主要是针对非均匀组织以及不同器官的切削，非均匀组织主要是指组织力学特性如粘弹性参数在整个组织中的分布存在差异；不同器官如大脑、心脏、肝脏、脾脏、肾脏等，其力学特性也存在明显差异。自适应组织切削方法主要包括根据组织各个部位组织力学特性的差异制定合适的切削参数，在现有的切削方式中，一般是通过枚举实验确定适合某一组织的切削频率，然后观察整体效果。这种方式对于同一个样本来说，不管组织是否均匀，在切削中只采用了一个固定的切削参数，而忽略掉组织的不均匀特性。但实际完整器官比如鼠脑等，不同脑区的生物力学特性是不同的，在切削时需要实时改变切削参数来匹配不同特性的组织，如果仅仅使用同一切削参数进行切削会导致切削过程中对于不匹配该切削参数的区域很难有好的切削效果。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，为了解决针对同一种组织不同区域生物力学特性不同或不同器官力学特性存在差异，需要在切削的过程中实时改变切削参数以获得较好切削断面的技术问题，本发明提供了一种自适应组织切削系统及方法。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种自适应组织切削系统，包括：

监测模块，用于对样本的特性参数进行实时监测；

切削参数匹配模块，用于根据当前所监测到的所述样本的特性参数匹配相适应的切削频率；

切削模块，包括相连接的切削组件及频率调节组件，所述频率调节组件用于根据所述切削参数匹配模块输出的频率要求进行调整并输出切削频率，所述切削组件用于采用所述频率调节组件相应的输出频率对所述样本进行切削。

优选地，所述特性参数为粘弹性，所述监测模块为粘弹性监测仪，所述切削参数匹配模块包括粘弹性与切削频率的映射关系获取模块。

优选地，所述粘弹性与切削频率的映射关系获取模块包括：

粘弹性测试单元，用于对测试样本的粘弹性进行监测并做记录；

平整度测试单元，用于对所述测试样本切削后的断面粗糙度进行测量，判断该断面粗糙度是否处于要求范围内，若是则停止更换切削频率并记录此时切削频率，若否则更换切削频率直至获取所述样本的断面粗糙度处于要求范围时停止更换切削频率并记录此时的切削频率，依次完成所有所述测试样本对应的切削频率的记录；

映射单元，用于将所述测试样本的粘弹性与切削频率进行一一映射。

优选地，所述特性参数为切削力，所述监测模块为力传感器，所述切削参数匹配模块包括切削频率与切削力实时调整模块。

优选地，所述切削频率与切削力实时调整模块包括：

切削力判断单元，用于判断当前监测的所述切削力是否大于预设切削力并超出所允许的误差范围，若是，则输出调频信号，若否，则保持当前切削频率；

频率重设单元，用于先根据所述调频信号以一定增幅逐渐增大切削频率并输出，当出现切削频率增大且切削力增大的情况时，则将当前频率以一定减幅减小切削频率并输出，直至调整后的所述切削力不大于所述预设切削力或虽大于所述预设切削力但不超过所允许的误差范围。

优选地，所述切削组件包括：

弹簧质量系统，所述弹簧质量系统包括柔性板簧及与所述柔性板簧相连接的刀具组件；

驱动组件，用于给弹簧质量系统提供驱动力；所述驱动组件与所述弹簧质量系统相连。

优选地，所述频率调节组件包括预载荷施加模块、预载荷引导模块，所述预载荷引导模块与所述柔性板簧相连，所述预载荷施加模块与所述预载荷引导模块相配合，以改变所述弹簧质量系统的刚度进而改变所述切削组件的振动频率。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种自适应组织切削方法，包括如下步骤：

S1、以输出的切削频率对样本进行切削；

S2、监测所述样本的特性参数；

S3、根据所述特性参数匹配相适应的切削频率；

S4、将切削频率调整到相适应的所述切削频率并输出；

S5、重复所述步骤S1-S4直至完成整个样本的切削。

优选地，所述特性参数为粘弹性，则所述步骤S3具体为根据粘弹性与切削频率的映射关系获取相适应的切削频率，所述粘弹性与切削频率的映射关系的获得方法为：

对测试样本的粘弹性进行监测并做记录；

对所述测试样本切削后的断面粗糙度进行测量，判断该断面粗糙度是否处于要求范围内，若是则停止更换切削频率并记录此时切削频率，若否则更换切削频率直至获取所述样本的断面粗糙度处于要求范围时停止更换切削频率并记录此时的切削频率，依次完成所有所述测试样本对应的切削频率的记录；

将所述测试样本的粘弹性与切削频率进行一一映射。

优选地，所述特性参数为切削力，所述步骤S3具体为根据切削力实时调整切削频率，实时调整的具体方法为：

判断当前监测的所述切削力是否大于预设切削力并超出所允许的误差范围，若是，则输出调频信号，若否，则保持当前切削频率；

先根据所述调频信号以一定增幅增大切削频率并输出，当出现切削频率增大且切削力增大的情况时，则将当前频率以一定减幅减小切削频率并输出，直至调整后的所述切削力不大于所述预设切削力或虽大于所述预设切削力但不超过所允许的误差范围。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供了一种自适应组织切削系统及方法，能自适应地根据不同特性的样本匹配相适应的切削参数进行切削，以获得更好的切削效果。

附图说明

图1是本发明提供的一种实施例下的自适应组织切削系统的结构示意图；

图2是特性参数为粘弹性时自适应组织切削系统的结构示意图；

图3是本发明提供的获得粘弹性与切削频率的映射关系的具体方法流程图；

图4是采用图3的方法获得的粘弹性与切削频率的映射关系图；

图5是根据图4中的映射关系进行的自适应组织切削方法的流程图；

图6是特性参数为切削力时自适应组织切削系统的结构示意图

图7是特性参数为切削力时根据切削力实时调整切削频率的自适应组织切削方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明公开了一种自适应组织切削系统，包括：监测模块1，用于对样本的特性参数进行实时监测；切削参数匹配模块2，用于根据当前所监测到的样本的特性参数匹配相适应的切削频率；切削模块3，包括相连接的切削组件301及频率调节组件302，频率调节组件用于根据切削参数匹配模块输出的频率要求进行调整并输出切削频率，切削组件用于采用频率调节组件相应的输出频率对样本进行切削。通过该自适应组织切削系统，能自适应地根据不同特性的组织区域匹配相适应的切削参数进行切削，以获得更好的切削效果。

作为另一种实施例，特性参数为粘弹性，如图2所示，监测模块1为粘弹性监测仪101，该粘弹性监测仪101可以为纳米压痕仪或超声弹性成像系统，切削参数匹配模块2包括粘弹性与切削频率的映射关系获取模块，通过该模块可以获取粘弹性与切削频率的映射关系，由此映射关系及粘弹性监测仪101监测到的样本的粘弹性匹配相适应的切削频率。

进一步地，粘弹性与切削频率的映射关系获取模块包括：粘弹性测试单元201，用于对测试样本的粘弹性进行监测并做记录；平整度测试单元202，用于对测试样本切削后的断面粗糙度进行测量，判断该断面粗糙度R_z是否处于要求范围内(例如R_z<2μm)，若是则停止更换切削频率并记录此时切削频率，若否则更换切削频率直至获取样本的断面粗糙度处于要求范围时停止更换切削频率并记录此时的切削频率，依次完成所有测试样本对应的切削频率的记录；映射单元203，用于将测试样本的粘弹性与切削频率进行一一映射。

作为另一种实施例，特性参数为切削力，如图6所示，监测模块1为力传感器102，切削参数匹配模块2包括切削频率与切削力实时调整模块，通过该模块可以根据力传感器102监测到的样本的切削力实时调整切削频率。

进一步地，切削频率与切削力实时调整模块包括：切削力判断单元204，用于判断当前监测的切削力是否大于预设切削力并超出所允许的误差范围，若是，则输出调频信号，若否，则保持当前切削频率；频率重设单元205，用于先根据调频信号以一定增幅逐渐增大切削频率并输出，当出现切削频率增大且切削力增大的情况时，则将当前频率以一定减幅减小切削频率并输出，直至调整后的切削力不大于预设切削力或虽大于预设切削力但不超过所允许的误差范围。

作为另一种实施例，本发明提供了一种自适应组织切削方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、以输出的切削频率对样本进行切削；S2、监测样本的特性参数；S3、根据特性参数匹配相适应的切削频率；S4、将切削频率调整到相适应的切削频率并输出；S5、重复步骤S1-S4直至完成整个样本的切削。通过该方法，能自适应地根据不同特性的组织区域匹配相适应的切削参数进行切削，以获得更好的切削效果。

作为另一种实施例，特性参数为粘弹性，则步骤S3具体为根据粘弹性与切削频率的映射关系获取相适应的切削频率，粘弹性与切削频率的映射关系的获得方法为：对测试样本的粘弹性进行监测并做记录；对测试样本切削后的断面粗糙度进行测量，判断该断面粗糙度是否处于要求范围内，若是则停止更换切削频率并记录此时切削频率，若否则更换切削频率直至获取样本的断面粗糙度处于要求范围时停止更换切削频率并记录此时的切削频率，依次完成所有测试样本对应的切削频率的记录；将测试样本的粘弹性与切削频率进行一一映射。

作为另一种实施例，特性参数为切削力，步骤S3具体为根据切削力实时调整切削频率，实时调整的具体方法为：判断当前监测的切削力是否大于预设切削力并超出所允许的误差范围，若是，则输出调频信号，若否，则保持当前切削频率；先根据调频信号以一定增幅增大切削频率并输出，当出现切削频率增大且切削力增大的情况时，则将当前频率以一定减幅减小切削频率并输出，直至调整后的切削力不大于预设切削力或虽大于预设切削力但不超过所允许的误差范围。

实施例1

如图3所示，特性参数为粘弹性，粘弹性监测仪101为纳米压痕仪，获得测试样本的粘弹性与切削频率的映射关系的具体方法为：首先通过纳米压痕仪对某一测试样本的粘弹性进行监测并记录，然后以某一频率进行切削，并采用台阶仪测量切削后的断面，判断该断面粗糙度是否处于0～2μm内，若是则停止更换切削频率并记录此时切削频率；若否则更换切削频率，直至获取样本的断面粗糙度处于0～2μm内时停止更换切削频率并记录此时的切削频率。接着判断所有测试样本是否全部完成，若否则更换另一测试样本，重复上述步骤依次完成所有测试样本对应的切削频率的记录。最后将所有测试样本的粘弹性与切削频率进行一一映射，即可得到图4所示的测试样本的粘弹性与切削频率的映射关系。其中，采用的测试样本包括：同一类型样本的不同区域或不同类型(不同粘弹性)的样本。

采用粘弹性与切削频率的映射关系获取模块时，对待切削样本的自适应组织切削的方法具体如图5所示：以鼠脑为例，首先对待切削样本进行分区，对样本某一位置的粘弹性进行实时监测获得粘弹性数值，切削参数匹配模块针对监测到的该粘弹性依据图4提供的粘弹性与切削频率的映射关系获取(或匹配)相适应的切削频率，然后输出给频率调节组件。频率调节组件调整到相应的切削频率并输出给切削组件，切削组件再采用相应的输出频率对样本进行切削。完成一次切削后判断整个样本是否切削完成，若否，则更换样本区域，直至完成整个样本的切削。

该方法中切削频率依据待测样本不同区域的粘弹性与切削频率的映射关系获得，不同的粘弹性会采用不同的切削频率进行切削，因此，待测样本可获得较好的切削平整度。

实施例2

特性参数为切削力，监测模块1为力传感器102，采用切削频率与切削力实时调整模块，对待切削样本的自适应组织切削的方法具体如图7所示：以鼠脑为例，首先对样本以某一频率进行切削，采用力传感器监测切削力的大小，判断当前监测的切削力是否大于预设切削力并超出所允许的误差范围，若否，则保持当前切削频率，若是，则输出调频信号；输出调频信号后通过频率重设单元205，先以一定增幅逐渐增大切削频率并输出，判断切削力随着频率的增大是否也增大，若是即出现切削频率增大且切削力增大的情况时，则以一定减幅减小切削频率并输出，重新监测切削力大小直至调整后的切削力不大于预设切削力或虽大于预设切削力但不超过所允许的误差范围时为止；若以一定增幅逐渐增大切削频率并输出，判断出切削力随着频率的增大而没有增大时，再次监测切削力大小并重复上述过程直至调整后的切削力不大于预设切削力或虽大于预设切削力但不超过所允许的误差范围时为止。完成一次切削后判断整个样本是否切削完成，若否，则更换样本区域并维持当前切削频率，以当前切削频率继续进行切削直至完成整个样本的切削。

其中，预设切削力的大小及允许的误差范围可以根据需求而定，例如预设切削力大小为2N时，误差范围不超过0.5N即不超过预设切削力的25％。通过该实施例的自适应切削方法，对整个样本尽量采用同样的较小的切削力进行实时切削，因为切削力从一定程度上反映了切削质量，因此可获得整体一致性较好的样本切片。

上面给出了切削参数匹配模块2的两种不同的实施例，在实际情况中，切削参数匹配模块2可同时包括上述两种情况。可根据样本的实际情况，选择切削参数匹配模块2中是采用粘弹性与切削频率的映射关系获取模块还是切削频率与切削力实时调整模块，若选择使用粘弹性与切削频率的映射关系获取模块，则监测模块1、粘弹性与切削频率的映射关系获取模块、频率调节组件302及切削组件301相互联动；若选择使用切削频率与切削力实时调整模块，则监测模块1、切削频率与切削力实时调整模块、频率调节组件302、切削组件301相互联动，具体的联动关系上述已经阐述得较详细，此处不再赘述。

进一步地，本发明中的待切削样本可包含多个样本区，一般而言，划分的区域越细，自适应切削的效果越好；样本越大或者样本区域之间生物性质差别越大，自适应切削效果也越好。本发明的系统及方法也适用于均匀材料形成的只包含一个样本区的样本。

进一步地，切削组件包括：弹簧质量系统，弹簧质量系统包括柔性板簧及与柔性板簧相连接的刀具组件；驱动组件，用于给弹簧质量系统提供驱动力；驱动组件与弹簧质量系统相连。驱动组件提供所需频率的驱动力，通过柔性板簧传递给刀具组件实现样本切削。由于弹簧质量系统工作在共振模式下，因此，驱动组件提供的驱动力频率、切削频率和弹簧质量系统的固有频率相等。

进一步地，频率调节组件包括预载荷施加模块、预载荷引导模块，预载荷引导模块与柔性板簧相连，预载荷施加模块与预载荷引导模块相配合，以改变弹簧质量系统的刚度进而改变所述切削组件的振动频率。其中，预载荷施加模块用于对弹簧质量系统施加一定的预载荷力，从而改变弹簧质量系统的刚度K。具体为根据公式

可看出，通过改变刚度K即可改变频率。其中，f为弹簧质量系统的固有频率，m为弹簧质量系统的总质量。预载荷引导模块可以引导预载荷力的方向平行于柔性板簧并垂直于预载荷引导模块。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自适应组织切削系统，其特征在于，包括：

监测模块，用于对样本的特性参数进行实时监测；

切削参数匹配模块，用于根据当前所监测到的所述样本的特性参数匹配相适应的切削频率，所述特性参数为粘弹性；

切削模块，包括相连接的切削组件及频率调节组件，所述频率调节组件用于根据所述切削参数匹配模块输出的频率要求进行调整并输出切削频率，所述切削组件用于采用所述频率调节组件相应的输出频率对所述样本进行切削，所述切削参数匹配模块包括粘弹性与切削频率的映射关系获取模块，其包括：

粘弹性测试单元，用于对测试样本的粘弹性进行监测并做记录；

平整度测试单元，用于对所述测试样本切削后的断面粗糙度进行测量，判断该断面粗糙度是否处于要求范围内，若是则停止更换切削频率并记录此时切削频率，若否则更换切削频率直至获取所述样本的断面粗糙度处于要求范围时停止更换切削频率并记录此时的切削频率，依次完成所有所述测试样本对应的切削频率的记录；

映射单元，用于将所述测试样本的粘弹性与切削频率进行一一映射。

2.根据权利要求1所述的自适应组织切削系统，其特征在于，所述监测模块为粘弹性监测仪。

3.一种自适应组织切削系统，其特征在于，包括：

监测模块，用于对样本的特性参数进行实时监测；

切削参数匹配模块，用于根据当前所监测到的所述样本的特性参数匹配相适应的切削频率，所述特性参数为切削力；

切削模块，包括相连接的切削组件及频率调节组件，所述频率调节组件用于根据所述切削参数匹配模块输出的频率要求进行调整并输出切削频率，所述切削组件用于采用所述频率调节组件相应的输出频率对所述样本进行切削，所述切削参数匹配模块包括切削频率与切削力实时调整模块，其包括：

切削力判断单元，用于判断当前监测的所述切削力是否大于预设切削力并超出所允许的误差范围，若是，则输出调频信号，若否，则保持当前切削频率；

频率重设单元，用于先根据所述调频信号以一定增幅逐渐增大切削频率并输出，当出现切削频率增大且切削力增大的情况时，则将当前频率以一定减幅减小切削频率并输出，直至调整后的所述切削力不大于所述预设切削力或虽大于所述预设切削力但不超过所允许的误差范围。

4.根据权利要求3所述的自适应组织切削系统，其特征在于，所述监测模块为力传感器。

5.根据权利要求1-4任一所述的自适应组织切削系统，其特征在于，所述切削组件包括：

弹簧质量系统，所述弹簧质量系统包括柔性板簧及与所述柔性板簧相连接的刀具组件；

驱动组件，用于给弹簧质量系统提供驱动力；所述驱动组件与所述弹簧质量系统相连。

6.根据权利要求5所述的自适应组织切削系统，其特征在于，所述频率调节组件包括预载荷施加模块、预载荷引导模块，所述预载荷引导模块与所述柔性板簧相连，所述预载荷施加模块与所述预载荷引导模块相配合，以改变所述弹簧质量系统的刚度进而改变所述切削组件的振动频率。

7.一种自适应组织切削方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、以输出的切削频率对样本进行切削；

S2、监测所述样本的特性参数；

S3、根据所述特性参数匹配相适应的切削频率，所述特性参数为粘弹性，具体为根据粘弹性与切削频率的映射关系获取相适应的切削频率，所述粘弹性与切削频率的映射关系的获得方法为：

对测试样本的粘弹性进行监测并做记录；

对所述测试样本切削后的断面粗糙度进行测量，判断该断面粗糙度是否处于要求范围内，若是则停止更换切削频率并记录此时切削频率，若否则更换切削频率直至获取所述样本的断面粗糙度处于要求范围时停止更换切削频率并记录此时的切削频率，依次完成所有所述测试样本对应的切削频率的记录；

将所述测试样本的粘弹性与切削频率进行一一映射；

S4、将切削频率调整到相适应的所述切削频率并输出；

S5、重复所述步骤S1-S4直至完成整个样本的切削。

8.根据权利要求7所述的自适应组织切削方法，其特征在于，所述特性参数为切削力，所述步骤S3具体为根据切削力实时调整切削频率，实时调整的具体方法为：

判断当前监测的所述切削力是否大于预设切削力并超出所允许的误差范围，若是，则输出调频信号，若否，则保持当前切削频率；

先根据所述调频信号以一定增幅增大切削频率并输出，当出现切削频率增大且切削力增大的情况时，则将当前频率以一定减幅减小切削频率并输出，直至调整后的所述切削力不大于所述预设切削力或虽大于所述预设切削力但不超过所允许的误差范围。

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