CN101850184B - 一种柔索驱动的冗余并联咀嚼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿生机器人技术领域，涉及一种柔索驱动的冗余并联咀嚼机器人。该机器人由机架、电机、减速器、索轮、柔索、人类下颌骨模型和颅骨牙齿模型组成。机架为整个机器人的支撑平台，安装有可移动横梁，电机通过电机座固定在横梁上。电机通过减速器与索轮相连，索轮上缠有柔索，柔索另一端与下颌骨模型相连，驱动下颌骨模型实现三维空间内的咀嚼运动。颅骨牙齿模型通过机架的固定支架固定。本发明采用的柔索驱动具有对肌肉模拟更真实、柔顺性更好等特点，整体结构相对紧凑，工作空间大，冗余机构也更符合人类咀嚼系统的实际情况。

Description

一种柔索驱动的冗余并联咀嚼机器人

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，涉及一种柔索驱动的冗余并联咀嚼机器人。

背景技术

咀嚼机器人是一类可以模拟人类咀嚼行为的机器人。它可以真实的复现人类的咀嚼动作并采集分析咀嚼的信息，包括咀嚼力、速度、振动等内容。咀嚼机器人是集轨迹规划、感知系统、实时控制系统及生物模拟于一体的综合仿生机器人系统，可应用于牙科训练、食品评估、语言医疗等领域。

对咀嚼机器人的研究，国内尚属空白；国外研究的较早，也取得了一定的成果。但是现有的咀嚼机器人机构中，大部分采用刚性构件作为传动机构，某些采用了柔索驱动技术的机构自由度数目又少于6自由度，这就存在着对人类咀嚼系统的模拟不够真实、柔顺性差、结构复杂及工作空间小等问题。

发明内容

本发明在对咀嚼系统生理结构及生物力学特性分析基础上提出了一种柔索驱动的冗余并联机构，即10输入的6自由度冗余并联机构。柔索驱动具有对肌肉模拟的更真实、更好的柔性等特点，结构相对紧凑，工作空间大，冗余机构也更符合咀嚼系统的实际情况。

本发明的技术方案是：该咀嚼机器人由机架、10组驱动模块、柔索、下颌骨模型和颅骨牙齿模型组成，电机通过柔索驱动下颌骨实现3维空间内的咀嚼运动。机架上设置有可移动横梁，横梁上有电机座的安装槽。电机安装在电机座内，电机座固定在横梁上。电机通过减速器与索轮相连，索轮上缠有柔索。柔索另一端与下颌骨模型相连驱动下颌骨的运动。上颅骨的牙齿部分通过机架的固定支架固定。

其特征是机器人机架为长方体框体结构，前面、后面及顶面的组成边上有U型滑道。机架上安装有5根横梁，前面和顶面各两根，后面一根。横梁两端有孔，中间有U型滑道，通过螺栓固定在机架的滑道上，位置可调整。电机座通过螺栓连接到横梁的滑道上，位置也可调整。机架底面有一固定支架用于固定颅骨牙齿模型。

机器人驱动模块包括电机座、电机、减速器和索轮。电机座上有螺纹孔用于和横梁滑道连接，电机安装孔用于安装驱动电机，导向孔引导柔索的方向。电机一端固定在电机座上，一端与减速器相连，减速器另一端连接索轮，索轮上缠有柔索，柔索通过导向孔后连接到下颌骨模型。

机器人柔索数目为10条，分别与各组驱动模块连接，以下颌骨模型为中心左右对称分布。柔索一端和索轮连接，一端与下颌骨模型通过销钉固定连接。连接点的位置及柔索方向的确定参考了人类咀嚼肌肉群的生理数据，分别模拟了咬肌、颞肌、翼内肌、翼外肌及开口肌群5组咀嚼肌。机器人下颌骨模型的形状参数取自正常成年男子的下颌骨扫描数据，材料为环氧树脂，模型上有连接孔与柔索通过销钉连接。颅骨部分两侧有固定孔，通过固定支架固定。牙齿材料采用有机陶瓷材料，分别固定在下颌骨与颅骨上。

本发明的有益效果是：

1、本发明从人类咀嚼系统的生理结构出发，构建了咀嚼机器人的机构模型，柔索驱动的位置和分布与咀嚼肌一致，这更符合咀嚼系统的生物力学特性，对咀嚼的模拟更真实。

2、本发明采用柔索驱动，与刚性驱动相比更接近人体肌肉的材料特性，柔顺性更好，工作空间更大且结构相对简单。

3、由于本发明机架横梁位置及电机的安装位置可调，该系统还可以做为柔索并联机构的试验台，具有空间布局的可重构性。

4、本发明采用冗余机构，相对于之前的6自由度或更少自由度的咀嚼机器人更符合咀嚼系统的实际情况。

附图说明

图1a是机器人总装前视图。

图1b是机器人总装左视图。

图1c是机器人总装俯视图。

图2是机架与驱动模块的装配图。

图3是机器人驱动模块的装配图。

图4是横梁与机架的连接示意图。

图中：1机架；2横梁；3固定支架；4电机座；5电机；6减速器；7索轮；8柔索；9销钉；10下颌骨模型；11颅骨牙齿模型；12螺栓；13螺母。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

实施例

该咀嚼机器人由机架、驱动模块、柔索、下颌骨模型和颅骨牙齿模型组成。机器人的机架部分如图1a所示，机器人机架1为长方体框体结构，左右两侧面为正方形，其余为长方形。机架的前面、后面及顶面的组成边框上有U型滑道，底面有一固定支架3。机架上安装有5根横梁2，前面和顶面各两根，后面一根。横梁2两端有孔，中间有U型滑道，通过螺栓12和螺母13固定在机架的滑道上如图7所示，位置可根据不同情况调整。横梁上的滑道用于安装电机座4，位置也可调整。固定支架3为两个L形结构的伸出梁，一端固定在机架底部，一端有螺纹孔通过螺栓固定颅骨牙齿模型11。

如图3所示的机器人驱动模块，包括电机座4、电机5、减速器6和索轮7。电机座4为长方体箱体结构，四壁上加工有与其他模块连接的孔和槽，是驱动部分的支架。电机座两端凸出部分上有螺纹孔与横梁滑道配合连接。电机安装孔用于安装驱动电机，导向孔控制引导柔索8的方向。此外，为减轻重量，两侧加工了减重槽。电机5一端固定在电机座上，一端与减速器6相连，减速器另一端连接索轮7，索轮上缠有柔索8，柔索通过导向孔后连接到下颌骨模型。

如图1b所示，机器人柔索8数目为10条，以下颌骨模型10为中心左右对称分布。柔索一端通过导向孔和索轮7连接，一端与下颌骨模型10通过销钉9固定连接。连接点的位置及柔索方向的确定参考了人类咀嚼肌肉群的生理数据，分别模拟了咬肌、颞肌、翼内肌、翼外肌及开口肌群5组咀嚼肌。

详细数据如下表所示：

模拟的咀嚼肌	正面角	侧面角	插入点位置(距肌肉后端距离)
				咬肌	10.0°	42.1°	1.2cm
颞肌	11.3°	13.6°	1.5cm
				翼内肌	12.5°	12.8°	0.8cm
翼外肌	72.5°	70.8°	0.6cm
				开口肌群	86.5°	3.6°	0.3cm

通过电机5的驱动，柔索8牵引下颌骨模型10可实现空间内的前后、上下、左右平移及旋转运动。机器人下颌骨模型10和颅骨牙齿模型的形状参数取自正常成年男子的下颌骨扫描数据，材料为环氧树脂，模型上有连接孔与柔索8通过销钉9连接。颅骨部分两侧有固定孔，通过螺母固定在固定支架3上。牙齿材料采用有机陶瓷材料，分别粘结固定在下颌骨与颅骨上。

Claims (3)

1.一种柔索驱动的冗余并联咀嚼机器人，包括机架(1)、10组驱动模块、柔索(8)、下颌骨模型(10)和颅骨牙齿模型，其特征在于：

机架(1)为长方体框体结构，前面、后面及顶面的组成边上有U型滑道；机架上安装有5根横梁(2)，前面和顶面各两根，后面一根；横梁(2)两端有孔，中间有U型滑道，通过螺栓(12)和螺母(13)固定在机架(1)的滑道上，位置可调整；机架(1)底面有一固定支架(3)用于固定颅骨牙齿模型；

每组驱动模块包括电机座(4)、电机(5)、减速器(6)和索轮(7)；电机座(4)上有螺纹孔、电机安装孔和导向孔，螺纹孔用于和横梁(2)的U型滑道连接，电机安装孔用于固定电机(5)，导向孔用于引导柔索(8)的方向；电机(5)一端固定在电机座(4)上，另一端与减速器(6)相连，减速器(6)另一端连接索轮(7)，索轮(7)上缠有柔索(8)，柔索(8)通过导向孔后连接到下颌骨模型(10)；

柔索(8)数目为10条，分别与10组驱动模块连接，以下颌骨模型(10)为中心左右对称分布；柔索(8)一端缠绕于驱动模块的索轮(7)上，一端与下颌骨模型(10)通过销钉连接固定；

下颌骨模型(10)和颅骨牙齿模型的形状参数取自正常成年男子的下颌骨扫描数据，下颌骨模型(10)上有连接孔与柔索(8)通过销钉连接；颅骨牙齿模型两侧有固定孔，通过固定支架(3)固定。

2.如权利要求1所述的一种柔索驱动的冗余并联咀嚼机器人，其特征在于：柔索(8)与下颌骨模型(10)连接点位置的确定和柔索(8)方向的确定参考了人类咀嚼肌肉群的生理数据，分别模拟了咬肌、颞肌、翼内肌、翼外肌及开口肌群5组咀嚼肌。

3.如权利要求1或2所述的一种柔索驱动的冗余并联咀嚼机器人，其特征在于：下颌骨模型(10)和颅骨牙齿模型材料为环氧树脂，牙齿材料采用有机陶瓷材料。

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