استفاده از روش تحليل حساسيت سوبل، مدلسازي و بهينه سازي آماري پارامترهاي مؤثر در رفتار نيرو در فرآيند سوراخكاري استخوان

Sobol Sensitivity Analysis, Modeling and Optimization Effective Parameters of Force in Bone Drilling Processes

يكي از مهمترين، حساس ­ترين و پركاربردترين فرآيندهاي ماشينكاري در حوزه جراحي ­ها و مهندسي پزشكي، فرآيند سوراخكاري استخوان مي ­باشد. سوراخكاري استخوان كاربرد عمده­اي در جراحي­ هاي ارتوپدي، درمان شكستگي­ ها و نمونه برداري ­هاي استخواني و همچنين دندان پزشكي دارد. استفاده از دريل ­هاي جراحي اتوماتيك و همچنين ربات­هاي جراح كنترل عددي سبب ايجاد تحولي شگرف در بهبود اين فرآيند شده است. در طول عمل سوراخكاري استخوان، اعمال نيروي بيش از حد به بافت استخوان سبب ايجاد شكست و ترك خوردگي و ايجاد آسيب جدي در بافت اسنخوان مي­ گردد و همچنين اين امكان وجود داردكه مته جراحي در داخل بافت استخوان دچار شكستگي گردد. در اين مقاله با درنظر گرفتن سرعت دوراني ابزار، نرخ پيشروي و قطر ابزار به عنوان مهمترين فاكتورهاي ورودي فرآيند ابتدا با استفاده از روش طراحي آزمايش­ ها و روش سطح پاسخ، نيروي اعمالي به بافت استخوان مدل سازي و معادله رگرسيون خطي مرتبه دوم حاكم بر مدل استخراج گرديده و از دقت آن اطمينان حاصل شده است. سپس با بهره گيري از روش تحليل حساسيت آماري سوبل كه نسبت به ساير روش ها داراي مزيت استخراج مقدار كمي تاثير پارامترهاست، به بررسي تأثير پارامترهاي ورودي بر روي پارامتر خروجي نيرو پرداخته شده و چگونگي تأثير هريك از پارامترهاي ورودي به دقت بررسي شده است و در انتها با بهينه­ سازي مدل حاكم بر فرآيند، مقادير بهينه هريك از پارامترهاي ورودي به منظور دستيابي به كمترين و بهترين مقدار نيروي ايجاد شده در حين سوراخكاري بافت استخوان ارائه گرديده است. نتايج بدست آمده بدين صورت است كه كمترين مقدار نيروي وارده بر بافت استخوان در قطرهاي كمتر، نرخ هاي پيشروي پايين تر و حداكثر سرعت دوران ابزار حاصل مي گردد. و از بين پارامترهاي ورودي با در نظر گرفتن تغييرات همزمان تمامي پارامترها در بازه آزمايش ­ها، به ترتيب سرعت دوراني ابزار، نرخ پيشروي و قطر ابزار بيشترين اثر را رفتار نيرو داشته ­اند.

Bone drilling process is indispensable in orthopedic surgeries and treating bone breakages. It is also very important in dentistry and bone sampling operations. Therefore, bone drilling is one of the most important, common and sensitive processes in biomedical engineering field. Orthopedic surgeries can be improved using robotic bone drilling systems and also mechatronic bone drilling process can be promoted using automatic drilling machines and surgery-assisting robots. Furthermore, imposing higher forces to bone might lead breaking or cracking and consequently serious damage in bone. In this paper a mathematical second order linear regression model is introduced to predict process force behavior during bone drilling process as a function of tool drilling speed, feed rate, tool diameter and effective interactions. Design of experiments using response surface methodology is followed. Then second linear governing equation is assigned to the model and its accuracy is evaluated. Later, Sobol Statistical sensitivity analysis is used to ascertain the effect of process input parameters on process force. Results show that among all effective input parameters tool rotational speed, feed rate and tool diameter have the highest influence on process force respectively. The behavior of each output parameters with variation in each input parameter is further investigated.