CN102841028B - 口腔环境模拟试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种口腔环境模拟试验机，由口颌两自由度运动单元、口内液体喷射单元、口内温度调节单元和控制单元构成，所述的口颌两自由度运动单元、口内液体喷射单元和口内温度调节单元分别与控制单元连接,并均安装在试验机整体框架中,口颌两自由度运动单元处于试验机整体框架的前端，以窗口的形式供试验者观察口颌两自由度咬合运动的模拟情况，口内唾液喷射单元放置在试验机整体框架的后端和下端；口内温度调节单元位于试验机整体框架的前端；控制单元放置于口颌两自由度运动单元和口内液体喷射单元之间。本发明实现在模拟真实口腔环境下进行口外义齿和天然牙之间的摩擦磨损、疲劳测试和寿命预测试验的口腔环境模拟。

Description

口腔环境模拟试验机

技术领域

本发明属于可应用在模拟真实口腔环境下进行口外义齿和天然牙之间的摩擦磨损、疲劳测试和寿命预测试验的装置，特别是一种口腔环境模拟试验机。

背景技术

    义齿在口内代替天然牙长期行使咬合功能，不可避免的会产生与天然牙或义齿本身之间磨损。无论是天然牙被磨损，还是义齿被磨损都会影响修复效果。同时，容易引发咀嚼功能失效、齿间间隙增大、咬合垂直距离减小等问题，甚至会对人体的咀嚼肌造成一定的影响。特别是义齿和天然牙间的磨损匹配问题是近年来口腔医生和科研人员关注的焦点。由于口腔内生物环境、牙齿（包括义齿和天然牙）形貌及牙齿运动轨迹的复杂性，导致牙齿的磨损性能与普通零件有着本质区别。因此，国内外学者就复杂口腔环境下的牙齿磨损机理等问题展开了深入研究。

目前国内外学者对牙齿磨损机理的研究主要基于两种手段：一是口内试验，二是体外模拟磨损试验。前者是通过患者口腔的直接观察和临床经验，或通过修复表面复型等间接测量及分析获得牙齿和义齿的磨损信息。尽管这是获得牙齿磨损第一手信息的最直接方法，也是评估新型义齿材料的最终评估方法，但它本身具有严重的局限性，如周期长，试验过程中非可控因素多，受个体差异影响较大，且缺乏重复试验的可能。到目前为止，以这种方法所获得的有关于牙齿磨损的数据极为有限。因此，有效、可靠的体外模拟磨损试验对研究牙齿磨损机理起着极其重要的作用。因而，拥有一台能真实、合理模拟口腔环境的口腔环境模拟试验机就显得尤为重要，同时也是体外模拟摩擦磨损试验开展的前提和基础。

目前，国内外已有众多专家和技术人员对能适合体外模拟磨损试验的试验机进行了设计。De Gee和Pallav（参考文献：Occlusal wear simulation with the ACTA wear machine）设计的ACTA摩擦磨损试验机能通过两轮转动时相对转速差来调节两轮间食物介质的厚度,较好地模拟了咀嚼食物时对牙齿表面的三体磨损；Delong和Douglans（参考文献：An artificial oral environment for testing dental materials）使用液压伺服设计了采用两个自驱动执行机构来产生模拟人类咀嚼运动所需要的力循环运动系统，该系统对除上、下颌运动接触介质和接触形式之外的口腔环境因素模拟较全面。国外设计的试验机，有的对口腔环境因素，如唾液环境、温度等考虑较少，有的考虑较全面，但是，对上、下颌运动的接触介质和接触形式的模拟考虑较少，很少有直接采用已加工义齿和天然牙直接进行摩擦磨损实验，多采用义齿材料和合金钢或其他材质的磨料进行摩擦磨损实验，通过中间摩擦介质去判断义齿材料的摩擦磨损特性。

国内现有技术的口腔环境模拟试验机主要是由通用摩擦试验机改制而成，基本不能够模拟口内的唾液润湿、酸性和温度环境。虽然，也有不少专用于体外摩擦磨损试验的试验机，但其运动形式一般为直线往复式、针-盘式、球-盘式等，通常采用平面接触和球面接触，上、下试件为义齿材料和合金钢磨头，不能模拟出口内真实环境中义齿和天然牙的复杂形貌对磨损机理的影响。林宝山等设计的咀嚼模拟疲劳试验机（实用新型专利号：200420073080.5），采用砝码固定加载，同时能提供冷热水循环，但其开放式的结构很难保证上下试件接触区域的温度与口内实际温度相符，该试验机采用简单的直线往复运动，同时自动化程度低，对运动参数、冷热水循环的控制不便。李金存设计了一种牙齿磨耗试验机（发明专利号：200610042738.X），主要用于检测人造牙齿材料和义齿填充物的磨损性能研究，没有考虑口内环境因素的影响。仝美娟（参考文献：牙齿磨耗试验机的设计）设计了一种牙齿磨耗试验机，主要用于牙齿三体磨损研究，不能开展义齿和天然牙之间的摩擦磨损研究。亓莉莉等（参考文献：口腔修复体疲劳抗性测试机的研制）设计了一种口腔修复体疲劳抗性测试机，该测试机能开展修复体的疲劳性能研究，采用开放式设计，不能模拟口内的唾液润湿、酸性和温度环境，自动化程度较低。同时此类试验机都不是直接采用义齿与天然牙进行摩擦磨损实验，而是通过中间磨料介质来考察义齿的摩擦磨损特性。好的口腔环境模拟试验机必定是基于口腔医学知识的机电系统，但往往由于从事义齿和天然牙摩擦磨损研究的科研人员缺乏专业的机械和控制知识，导致对咬合运动形式模拟的真实性不够，不能直接采用义齿与天然牙进行摩擦磨损研究，自动化程度不高的缺点；同时由于缺乏现成的义齿加工设备（价格昂贵），绝大多数试验机无法直接开展义齿和天然牙直接接触的摩擦磨损试验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可应用在模拟真实口腔环境下进行口外义齿和天然牙之间的摩擦磨损、疲劳测试和寿命预测试验的口腔环境模拟试验机。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种口腔环境模拟试验机，由口颌两自由度运动单元、口内液体喷射单元、口内温度调节单元和控制单元构成，所述的口颌两自由度运动单元、口内液体喷射单元和口内温度调节单元分别与控制单元连接，并均安装在试验机整体框架中，口颌两自由度运动单元处于试验机整体框架的前端，以窗口的形式供试验者观察口颌两自由度咬合运动的模拟情况，口内唾液喷射单元放置在试验机整体框架的后端和下端；口内温度调节单元位于试验机整体框架的前端；控制单元放置于口颌两自由度运动单元和口内液体喷射单元之间，当试验机工作时，控制单元接收试验者输入的试验机的运动参数、液体喷射参数和温度参数，对输入的参数自动进行分析和处理，并输出相应的控制信号，控制试验机的口颌两自由度运动、口内的唾液喷射和口内的温度，从而使口颌两自由度运动、口内的唾液喷射和口内的温度与试验者输入的参数相符，从而达到模拟真实口腔环境的目的。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）注重模拟对义齿和天然牙摩擦磨损性能有主要影响的咬合接触形式、液体湿润环境和温度三种因素，避免试验机过于复杂；（2）直接采用天然牙与已加工的义齿进行摩擦磨损研究，接触形式完全符合口内天然牙与义齿之间摩擦的真实情况，因而能够反映出义齿复杂表面形貌、义齿加工表面/亚表面裂纹、义齿加工表面粗糙度等对摩擦磨损的影响，能更真实的探讨天然牙和义齿之间的磨损机理；（3）通过在上颌义齿基座上增减上颌义齿的数目以及在下颌天然牙基座上增减下颌天然牙的数目，既能进行单颗义齿与天然牙之间的摩擦磨损研究，又能开展多颗义齿与天然牙的摩擦磨损研究；（4）对竖直往复运动的运动频率、摆动往复运动频率、复合运动频率，复合运动次数、咬合力大小、喷射液体类型切换周期、单种液体喷射周期、单次喷射时间以及系统温度参数采用输入面板直接输入，通过主控芯片自动分析处理后，来控制口颌两自由度运动、液体喷射和温度，自动化程度高、操作简单；（5）具有模拟的口腔环境真实合理、自动化程度高、采用模块化和封闭化设计的特点，整个试验机分为四个单元，即口颌两自由度运动单元、口内液体喷射单元、口内温度调节单元和控制单元，模块化设计；供试验者可以通过工作室的有机透明玻璃前板观察封闭工作室内的上下颌咬合模拟情况，形成了结构封闭化的设计，方便温度控制和喷射液体的回收；（6）既可模拟口内正常的咬合力（48N）、唾液润湿和温度(37℃)基本恒定的口腔环境，又可模拟口内环境的极限状态（大咬合力(200N)、酸性液体和高低温交变(5℃--55℃)等）。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为口腔环境模拟试验机的三维实体模型图。

图2为口颌两自由度运动单元局部放大图。

图3为主要结构的安装位置图。

图4为牙齿（义齿/天然牙）安装示意图。

图5为供试验者观察的工作室位置图。

图6为试验机的整体控制框图。

具体实施方式

结合图1，本发明口腔环境模拟试验机，由口颌两自由度运动单元、口内液体（唾液、菌液、碳酸饮料等）喷射单元、口内温度调节单元和控制单元构成,所述的口颌两自由度运动单元、口内液体喷射单元和口内温度调节单元分别与控制单元连接，并均安装在试验机整体框架54中，口颌两自由度运动单元处于试验机整体框架54的前端，以窗口的形式供试验者观察口颌两自由度咬合运动的模拟情况，口内唾液喷射单元放置在试验机整体框架54的后端和下端；口内温度调节单元位于试验机整体框架54的前端；控制单元放置于口颌两自由度运动单元和口内液体喷射单元之间，当试验机工作时，控制单元接收试验者输入的试验机的运动参数、液体喷射参数和温度参数，对输入的参数自动进行自动分析和处理，并输出相应的控制信号，控制试验机的口颌两自由度运动、口内的唾液喷射和口内的温度，从而使口颌两自由度运动、口内的唾液喷射和口内的温度与试验者输入的参数相符，从而达到模拟真实口腔环境的目的。

结合图2，所述的口颌两自由度运动单元由竖直往复运动机构11、摆动往复运动机构12、复用连杆结构13和上下颌咬合机构14组成，其中竖直往复运动机构11由竖直运动伺服电机111、竖直运动行星齿轮减速箱112、竖直运动偏心轮113、中间连杆114、升降平台115、滑块116和直线导轨117组成；摆动往复运动机构12由摆动伺服电机121、摆动行星齿轮减速箱122、摆动偏心轮123和摆动连杆124组成；复用连杆机构13由压缩弹簧131和复用连杆132组成；上下颌咬合机构14由上颌夹具141、上颌义齿基座142、上颌义齿143、下颌夹具144、下颌天然牙基座145和下颌天然牙146组成；竖直往复运动机构11由竖直运动伺服电机111提供驱动力，竖直运动伺服电机111输出轴与竖直运动行星齿轮减速箱112固联，竖直运动行星齿轮减速箱112输出轴与竖直运动偏心轮113连接，中间连杆114一端与竖直运动偏心轮113活动连接，另一端与升降平台115活动连接，升降平台115与滑块116固定连接可以通过螺钉连接，滑块116与直线导轨117构成滑动副，同时升降平台115与复用连杆132通过转动副连接；摆动往复运动机构12由摆动伺服电机121提供驱动力，摆动伺服电机121输出轴与摆动行星齿轮减速箱122固联，摆动行星齿轮减速箱122输出轴可以通过销钉与摆动偏心轮123连接，摆动连杆124一端通过滑动副与摆动偏心轮123连接，另一端可以通过类花键结构与复用连杆132连接；复用连杆机构13中的复用连杆132上端套着压缩弹簧131，复用连杆132可以通过螺栓与上下颌咬合机构14中的上颌夹具141固联，上颌夹具141与上颌义齿基座142进行连接，同时上颌义齿基座142上安装有上颌义齿143；下颌天然牙146固定在下颌天然牙基座145上，下颌天然牙基座145与下颌夹具144连接，下颌夹具144固定在收液槽24上；

竖直运动伺服电机111与竖直运动伺服电机座511固联，摆动伺服电机121连接在摆动伺服电机座512上，竖直运动伺服电机座511和摆动伺服电机座512安装在伺服电机支架52上，伺服电机支架52则安装在试验机中间隔板53上，中间隔板53与试验机整体框架54固定连接；前板551、后板552、口内液体喷射单元的收液槽24、左右侧板、上板构成一个封闭的工作室55，复用连杆132穿过上板。

本发明口腔环境模拟试验机的口内液体喷射单元由第一原液箱211、第二原液箱221、第一微型液压泵212、第二微型液压泵222、第一二位三通电磁阀213、第二二位三通电磁阀223、扇形喷嘴23、收液槽24、第一液体回收箱214和第二液体回收箱224组成，第一原液箱211、第一微型液压泵212、第一二位三通电磁阀213、第二二位三通电磁阀223、扇形喷嘴23、收液槽24和第一液体回收箱214构成第一液体喷射回路；第二原液箱221、第二微型液压泵222、第一二位三通电磁阀213、第二二位三通电磁阀223、扇形喷嘴23、收液槽24和第二液体回收箱224构成第二液体喷射回路；第一微型液压泵212、第二微型液压泵222、第一二位三通电磁阀213和第二二位三通电磁阀223都安装在中间隔板53上，第一原液箱211、第二原液箱221、第一液体回收箱214和第二液体回收箱224安装在试验机整体框架54上，扇形喷嘴23安装在工作室55的后板552上；

口内液体喷射单元工作时，当第一微型液压泵212从第一原液箱211中泵入液体，经过第一二位三通电磁阀213选通，再通过管路与扇形喷嘴23联通，液体从扇形喷嘴23喷出，而后由收液槽24收集，透过液压接头与第二二位三通电磁阀223输入端口相连联，第二二位三通电磁阀223选通，使液体流入第一液体回收箱214；当第二微型液压泵222从第二原液箱221中泵入液体，经过第一二位三通电磁阀213选通，再通过管路与扇形喷嘴23联通，液体从扇形喷嘴23喷出，而后由收液槽24收集，透过液压接头与第二二位三通电磁阀223输入端口相连联，第二二位三通电磁阀223选通，使液体流入第二液体回收箱224。

本发明口腔环境模拟试验机的口内温度调节单元由第一微型空气加热棒311、第二微型空气加热棒312和微型制冷压缩机32组成，第一微型空气加热棒311和第二微型空气加热棒312固定在工作室55的后板552上，微型制冷压缩机32的主体部分安装在中间隔板53上，微型制冷压缩机32的输出口则安装在工作室55的后板552上；当需要升高温度是，第一微型空气加热棒311和第二微型空气加热棒312同时工作；当需要降低温度时，微型制冷压缩机32工作。

本发明口腔环境模拟试验机的控制单元由竖直运动伺服驱动器411、摆动伺服驱动器412、应变片42、温度传感器43、A/D转换器44、光电耦合器45、继电器46、输入面板47和主控芯48组成，应变片42粘结在复用连杆机构13的复用连杆132上，温度传感器43安装在工作室55的后板552上；A/D转换器44、光电耦合器45、继电器46和主控芯片48安装在中间隔板53的中间部位，输入面板47安装在试验机整体框架54的顶部，竖直运动伺服驱动器411和摆动伺服驱动器412安装在中间隔板53的中间；

应变片42、温度传感器43分别与A/D转换器44连接，A/D转换器44、输入面板47分别与主控芯48连接，该主控芯48分别与光电耦合器45、竖直运动伺服驱动器411、摆动伺服驱动器412连接，竖直运动伺服驱动器411与竖直运动伺服电机111连接，摆动伺服驱动器412与摆动伺服电机121连接，光电耦合器45与继电器46连接，该继电器46分别与第一微型液压泵212、第二微型液压泵222、微型制冷压缩机32、第一微型空气加热棒311和第二微型空气加热棒312连接。

其中主控芯片48选用ARM单片机，输入面板47能够输入竖直往复运动的运动频率（0.1Hz--5Hz）、摆动往复运动频率（0.5Hz—10Hz）、复合运动频率（0.1Hz—3Hz），复合运动次数（0--100000）、咬合力大小（20N—200N）、喷射液体类型切换周期（15min—45min）、单种液体喷射周期（1min—10min）、单次喷射时间（1s—30s）以及系统温度（5℃--55℃）。默认输入时，竖直往复运动的运动频率为0.5Hz，摆动往复运动频率为5Hz，复合运动0.25Hz，复合运动次数为10000次，咬合力大小为48N，喷射唾液类型切换周期为30min，单种液体喷射周期为5min，单次喷射时间为10s，系统温度为37℃。其中摆动往复运动频率、咬合力大小和系统温度的默认输入值依据人口腔内的实际数据直接得到，其他参数的默认输入值依据人口腔内实际数据以及体外试验的需要调整得到。

通过输入面板47输入上述参数之后，数据通过接口到达主控芯片48内，主控芯片48对输入的参数值自动进行分析和处理。其中，对输入的竖直往复运动频率值进行分析处理后，通过主控芯片48的输出接口向竖直运动伺服驱动器411发送命令，驱动竖直运动伺服电机111转动，转速的大小由输入的竖直往复运动频率确定；对输入的摆动往复运动频率值进行分析处理后，通过主控芯片48的输出接口向摆动伺服驱动器412发送命令，驱动摆动伺服电机121运动，转速的大小由输入的摆动往复运动频率确定；对输入的咬合力数值与通过应变片42采集，经A/D转换器44由输入接口输入的应力数据进行对比分析，当这两个数据值相等时，主控芯片48向竖直运动伺服驱动器411发送暂时停止转动的命令，从而暂停竖直运动伺服电机111的运动；对复合运动频率进行分析和处理，得出复合运动的周期值，根据该周期值和竖直往复运动的频率，计算出一个周期内摆动运动的停止时间，并将暂时停止摆动往复运动的命令发送至摆动伺服驱动器412，并由摆动伺服驱动器412控制摆动伺服电机121暂时停止转动；对复合运动次数值进行分析处理，得到整个试验的结束时间，当到达结束时间时，主控芯片48向竖直运动伺服驱动器411发送停止运动命令，竖直运动伺服驱动器411控制竖直运动伺服电机111停止运动，向摆动伺服驱动器412发送停止运动命令，摆动伺服驱动器412控制摆动伺服电机121停止运动，经过光电耦合器45，发送一个电平信号，使继电器46动作，此时由继电器46控制通断的第一微型液压泵212、第二微型液压泵222、第一微型空气加热器311、第二微型空气加热器312、微型制冷压缩机32都停止工作，整个试验机停止工作；对喷射液体类型切换周期值进行分析处理，根据该周期值，在一个周期开始时通过光电耦合器45向继电器46发送电平信号，给继电器46通电，通过继电器46启动第一微型液压泵212并控制第一二位三通电磁阀213和第二二位三通电磁阀223的选通，使盛放在第一原液箱211中的液体被第一微型液压泵212泵出，流经第一二位三通电磁阀213，并由扇形喷嘴23喷出，喷出的液体由收液槽24经液压接头流入第二二位三通电磁阀223输入端，第二二位三通电磁223选通，并由第二二位三通电磁阀223输出端流入第一液体回收箱214；在一个周期结束时，主控芯片48通过光电耦合器45向继电器46发送电平信号，使继电器46动作，使得第一微型液压泵212暂停工作，第二微型液压泵222开始工作，并控制第一二位三通电磁阀213和第二二位三通电磁阀223的选通，使盛放在第二原液箱中221的液体被第二微型液压泵222泵出，流经第一二位三通电磁阀213，并由扇形喷嘴23喷出，喷出的液体由矩液槽24经液压接头流入第二二位三通电磁阀（223）输入端，第二二位三通电磁阀223选通，并由第二二位三通电磁阀223输出端流入第二液体回收箱224；在每个喷射液体类型切换周期内，主控芯片48对输入的单种液体喷射周期和单次喷射时间进行分析，通过光电耦合器45，向继电器46发送电平信号，控制当前喷射液体类型切换周期内工作的第一微型液压泵212或第二微型液压泵222的单次工作时间和每两次工作之间的时间间隔；主控芯片48通过对输入的系统温度值与由温度传感器43采集，经A/D转换器44送入的实际测量温度值进行比较，如果输入值大于实测值，则主控芯片48通过光电耦合器45向继电器46发送电平信号，使得微型制冷压缩机32工作；如果输入值等于实测值，则主控芯片48不动作；如果输入值小于实测值，则主控芯片48通过光电耦合器45向继电器46发送电平信号，使得第一微型空气加热棒311和第二微型空气加热棒312工作。主控芯片48通过对竖直往复运动频率、摆动往复运动频率、复合运动频率，复合运动次数、咬合力大小、喷射液体类型切换周期、单种液体喷射周期、单次喷射时间以及系统温度进行协调控制，以实现模拟真实口腔环境的功能。

竖直运动伺服电机111通过螺栓与竖直运动伺服电机座511固联，摆动伺服电机121通过螺栓连接在摆动伺服电机座512上，竖直运动伺服电机座511和摆动伺服电机座512通过螺栓安装在伺服电机支架52上，伺服电机支架52则安装在试验机中间隔板53上，中间隔板53与试验机整体框架54铆接；上下咬合机构14与四周的隔板形成一个封闭的工作室55，工作室55的前板551为透明的有机玻璃材料，试验者可以透过前板551观察上下咬合机构14的运动，在工作室55的后板552上安装有扇形喷嘴23；下颌天然牙基座145与下颌夹具144通过圆柱销连接，下颌夹具144则由螺钉固定在收液槽24上；第一微型液压泵212、第二微型液压泵222、第一二位三通电磁阀213和第二二位三通电磁阀223都安装在中间隔板53上。

第一微型空气加热棒311和第二微型空气加热棒312固定在工作室55的后板552上，微型制冷压缩机32的主体部分安装在中间隔板53上，微型制冷压缩机32的输出口则安装在工作室55的后板552上。

应变片42粘结在复用连杆机构13的复用连杆132上，温度传感器43安装在工作室55的后板552上；A/D转换器44、光电耦合器45、继电器46和主控芯片48安装在中间隔板53的中间部位，输入面板47安装在试验机整体框架54的顶部。

下面从工作原理角度对本发明作进一步说明。

当口腔环境模拟试验机开始工作时，首先通过输入面板47输入竖直往复运动频率、摆动往复运动频率、复合运动频率，复合运动次数、咬合力大小、喷射液体类型切换周期、单种液体喷射周期、单次喷射时间以及系统温度参数。输入的数据通过接口到达主控芯片48内，主控芯片48对输入的参数值自动进行分析和处理后，同步协调控制口颌两自由度运动、液体的喷射和系统的温度。

在对口颌两自由度运动控制上，主控芯片48对输入的竖直往复运动频率、摆动往复运动频率、复合运动频率，复合运动次数和咬合力大小参数自动进行分析处理后，首先向竖直运动伺服驱动器411发送启动命令，通过竖直运动伺服驱动器411使竖直运动伺服电机111开始工作，竖直运动伺服电机111的转速由竖直往复运动频率确定，竖直运动伺服电机111启动后，通过竖直运动行星齿轮减速箱112减速后，经过竖直运动偏心轮113、中间连杆114将竖直运动伺服电机111的转动转变成升降平台115在直线导轨117上的竖直往复运动，升降平台115竖直往复运动的行程通过控制竖直于东偏心轮113的轴线到竖直运动减速箱112输出轴轴线的距离和中间连杆114的长度来调节，升降平台115带动复用连杆机构13上下运动，从而带动装夹在其上的上颌义齿基座142上下运动，固定在上颌义齿基座142上的上颌义齿143同时做上下往复运动，当上颌义齿143向下运动与固定在下颌天然牙基座145上的下颌天然牙146接触，并继续往下运动，在上颌义齿143和下颌天然牙146之间就会产生逐渐增大的咬合力，该咬合力通过粘贴在复用连杆301上的应变片42经A/D转换器44将力的大小反映给主控芯片48，通过将测量值与输入值进行实时比较，控制上颌义齿143继续往下运动，直到咬合力的测量值与输入值相等，此时，主控芯片48向竖直运动伺服驱动器411发送命令，使竖直运动伺服电机111停止工作，此时竖直运动伺服电机111处于通电自锁状态，确保实际咬合力的大小与输入值相等。与此同时，主控芯片48向摆动伺服驱动器412发送命令，使摆动伺服电机121开始工作，摆动伺服电机121的转速由摆动往复运动频率确定，摆动伺服电机121启动后，通过摆动行星齿轮减速箱122减速，再经摆动偏心轮123、摆动连杆123到复用连杆机构13，至此，将摆动伺服电机121的转动转换成复用连杆机构13的往复摆动，摆动的角度通过控制摆动偏心轮123轴线到摆动减速箱122输出轴轴线的距离和摆动连杆124的长度来调节，复用连杆机构13将往复摆动通过上颌夹具141传递给上颌义齿基座142，继而带动固定在其上的上颌义齿143往复摆动，往复的时间由主控芯片48控制，该时间与竖直往复运动频率和复合运动频率有关，当摆动往复运动时间结束时，主控芯片48向摆动伺服驱动器412发送命令，摆动伺服电机121停止工作，摆动停止，继而反向启动竖直运动伺服电机111，使得升降平台115开始往上运动，回到初始位置，至此，一个运动周期结束。而后，主控芯片48根据输入的复合运动次数控制上述周期运动执行的次数。当上颌义齿143与下颌天然牙146接触并存在大小等于输入的咬合力的竖直方向载荷时，上颌义齿143与下颌天然牙146发生相对摆动运动的同时上颌义齿143与下颌天然牙146的接触点随着摆动运动而不断变化，由于上颌义齿143和下颌天然牙146的表面形貌不规则，故每个时刻接触点的竖直高度不同，必然导致上颌义齿143在摆动的同时存在竖直方向的轻微波动，此时竖直运动伺服电机111通电自锁，升降平台115不存在竖直运动，此时复用连杆机构13开始发挥作用。复用连杆机构13中的复用连杆132上端与升降平台115间安装压缩弹簧131，并保持一定的预紧力，此预紧力用来保证服复用连杆机构13在竖直向下运动时与升降平台115连接紧密有效。当上颌义齿143与下颌天然牙146刚开始接触，升降平台115继续竖直向下运动，但复用连杆132停止运动，压缩弹簧131开始受压缩短，当咬合力实测值与输入值相同，升降平台115停止运动，并保持在该位置。当由于上颌义齿143的摆动产生接触点高度微小变化时，复用连杆132在竖直方向微小运动，压缩弹簧131随着复用连杆132的上下轻微运动而被微量压缩和伸长，导致实际咬合力也发生微量变化，但这恰恰与口内的实际咬合情况相符，即实际咬合力是在一定范围内变化的，不是保持恒定不变的，只要保证模拟咬合力的实际变化范围与真实口内咬合力的变化范围基本一致，即真实模拟了口内咬合力的大小，实际咬合力的变化范围通过咬合力的输入值和压缩弹簧131的比例系数进行控制，此处压缩弹簧131的比例系数选为4000N/m，接触点上下运动幅度约为正负2mm，故真实的咬合力为输入咬合力上下波动8N，完全符合口腔实际咬合情况。可以看出在咬合接触时直接采用下颌天然牙146与已加工的上颌义齿143进行摩擦磨损研究，接触形式完全符合口内天然牙与义齿之间摩擦的真实情况，因而能够反映出义齿复杂表面形貌、义齿加工表面/亚表面裂纹、义齿加工表面粗糙度等对摩擦磨损的影响，能更真实的探讨天然牙和义齿之间的磨损机理。

对口颌两自由度运动控制的同时， 主控芯片48根据输入的喷射液体类型切换周期、单种液体喷射周期和单次喷射时间对液体喷射进行控制，首先根据喷射液体类型切换周期值进行分析处理，根据该周期值，在一个周期开始时通过光电耦合器45向继电器46发送电平信号，给继电器46通电，通过继电器46启动第一微型液压泵212并控制第一二位三通电磁阀213和第二二位三通电磁阀223的选通，使盛放在第一原液箱211中的液体被第一微型液压泵212泵出，流经第一二位三通电磁阀213，并由扇形喷嘴23喷出，喷出的液体由收液槽24经液压接头流入第二二位三通电磁阀223输入端，第二二位三通电磁223选通，并由第二二位三通电磁阀223输出端流入第一液体回收箱214；在一个周期结束时，主控芯片48通过光电耦合器45向继电器46发送电平信号，使继电器46动作，使得第一微型液压泵212暂停工作，第二微型液压泵222开始工作，并控制第一二位三通电磁阀213和第二二位三通电磁阀223的选通，使盛放在第二原液箱中221的液体被第二微型液压泵222泵出，流经第一二位三通电磁阀213，并由扇形喷嘴23喷出，喷出的液体由收液槽24经液压接头流入第二二位三通电磁阀223输入端，第二二位三通电磁阀223选通，并由第二二位三通电磁阀223输出端流入第二液体回收箱224；在每个喷射液体类型切换周期内，主控芯片48对输入的单种液体喷射周期和单次喷射时间进行分析，通过光电耦合器45，向继电器46发送电平信号，控制当前喷射液体类型切换周期内工作的第一微型液压泵212或者第二微型液压泵222的单次工作时间和每两次工作之间的时间间隔。假如当前喷射液体类型切换周期内工作的为第一微型液压泵212，主控芯片48对但单次喷射时间进行分析，当第一微型液压泵212的单次实际工作时间与输入的单次喷射时间相等时，则主控芯片48通过光电耦合器45向继电器46发送电平信号，使第一微型液压泵212暂停工作；在第一微型液压泵212暂停工作时，主控芯片48对单种液体喷射周期值进行分析，确定第一微型液压泵212暂停的时间，当暂停时间结束时，主控芯片48通过光电耦合器45再次向继电器46发送电平信号，使第一微型液压泵212重新启动，至此单次循环接续，而后进入下一个循环。

主控芯片48对系统的温度控制也是在同步进行的。主控芯片48通过对输入的系统温度值与由温度传感器43采集，经A/D转换器44送入的实际测量温度值进行比较，如果输入值大于实测值，则主控芯片48通过光电耦合器45向继电器46发送电平信号，使得微型制冷压缩机32工作；如果输入值等于实测值，则主控芯片48不动作；如果输入值小于实测值，则主控芯片48通过光电耦合器45向继电器46发送电平信号，使得第一微型空气加热棒311和第二微型空气加热棒312工作。

整个口腔环境模拟试验机通过输入面板47进行参数输入，由主控芯片48对输入的参数值与从应变片42和温度传感器43采集的数据自动进行分析处理，进而控制竖直运动伺服电机111、摆动伺服电机121、第一微型液压泵212、第二微型液压泵222、第一微型空气加热棒311、第二微型空气加热棒312和微型制冷压缩机32的启停，从而对口颌两自由度运动、液体的喷射和系统的温度的协调控制，整个过程自动化程度高，实现了对口腔环境进行真实合理的模拟。

Claims (4)

1.一种口腔环境模拟试验机，其特征在于由口颌两自由度运动单元、口内液体喷射单元、口内温度调节单元和控制单元构成,所述的口颌两自由度运动单元、口内液体喷射单元和口内温度调节单元分别与控制单元连接,并均安装在试验机整体框架（54）中,口颌两自由度运动单元处于试验机整体框架（54）的前端，以窗口的形式供试验者观察口颌两自由度咬合运动的模拟情况，口内唾液喷射单元放置在试验机整体框架（54）的后端和下端；口内温度调节单元位于试验机整体框架（54）的前端；控制单元放置于口颌两自由度运动单元和口内液体喷射单元之间，当试验机工作时，控制单元接收试验者输入的试验机的运动参数、液体喷射参数和温度参数，对输入的参数自动进行分析和处理，并输出相应的控制信号，控制试验机的口颌两自由度运动、口内的唾液喷射和口内的温度，从而使口颌两自由度运动、口内的唾液喷射和口内的温度与试验者输入的参数相符，从而达到模拟真实口腔环境的目的；

所述的口颌两自由度运动单元由竖直往复运动机构（11）、摆动往复运动机构（12）、复用连杆结构（13）和上下颌咬合机构（14）组成，其中竖直往复运动机构（11）由竖直运动伺服电机（111）、竖直运动行星齿轮减速箱（112）、竖直运动偏心轮（113）、中间连杆（114）、升降平台（115）、滑块（116）和直线导轨（117）组成；摆动往复运动机构（12）由摆动伺服电机（121）、摆动行星齿轮减速箱（122）、摆动偏心轮（123）和摆动连杆（124）组成；复用连杆机构（13）由压缩弹簧（131）和复用连杆（132）组成；上下颌咬合机构（14）由上颌夹具（141）、上颌义齿基座（142）、上颌义齿（143）、下颌夹具（144）、下颌天然牙基座（145）和下颌天然牙（146）组成；竖直往复运动机构（11）由竖直运动伺服电机（111）提供驱动力，竖直运动伺服电机（111）输出轴与竖直运动行星齿轮减速箱（112）固联，竖直运动行星齿轮减速箱（112）输出轴与竖直运动偏心轮（113）连接，中间连杆（114）一端与竖直运动偏心轮（113）活动连接，另一端与升降平台（115）活动连接，升降平台（115）与滑块（116）固定连接，滑块（116）与直线导轨（117）构成滑动副，同时升降平台（115）与复用连杆（132）通过转动副连接；摆动往复运动机构（12）由摆动伺服电机（121）提供驱动力，摆动伺服电机（121）输出轴与摆动行星齿轮减速箱（122）固联，摆动行星齿轮减速箱（122）输出轴与摆动偏心轮（123）连接，摆动连杆（124）一端通过滑动副与摆动偏心轮（123）连接，另一端与复用连杆（132）连接；复用连杆机构（13）中的复用连杆（132）上端套着压缩弹簧（131），复用连杆（132）与上下颌咬合机构（14）中的上颌夹具（141）固联，上颌夹具（141）与上颌义齿基座（142）进行连接，同时上颌义齿基座（142）上安装有上颌义齿（143）；下颌天然牙（146）固定在下颌天然牙基座（145）上，下颌天然牙基座（145）与下颌夹具（144）连接，下颌夹具（144）固定在收液槽（24）上；

竖直运动伺服电机（111）与竖直运动伺服电机座（511）固联，摆动伺服电机（121）连接在摆动伺服电机座（512）上，竖直运动伺服电机座（511）和摆动伺服电机座（512）安装在伺服电机支架（52）上，伺服电机支架（52）则安装在试验机中间隔板（53）上，中间隔板（53）与试验机整体框架（54）固定连接；前板（551）、后板（552）、口内液体喷射单元的收液槽（24）、左右侧板、上板构成一个封闭的工作室（55），复用连杆（132）穿过上板。

2.根据权利要求1所述的口腔环境模拟试验机，其特征在于：口内液体喷射单元由第一原液箱（211）、第二原液箱（221）、第一微型液压泵（212）、第二微型液压泵（222）、第一二位三通电磁阀（213）、第二二位三通电磁阀（223）、扇形喷嘴（23）、收液槽（24）、第一液体回收箱（214）和第二液体回收箱（224）组成，第一原液箱（211）、第一微型液压泵（212）、第一二位三通电磁阀（213）、第二二位三通电磁阀（223）、扇形喷嘴（23）、收液槽（24）和第一液体回收箱（214）构成第一液体喷射回路；第二原液箱（221）、第二微型液压泵（222）、第一二位三通电磁阀（213）、第二二位三通电磁阀（223）、扇形喷嘴（23）、收液槽（24）和第二液体回收箱（224）构成第二液体喷射回路；第一微型液压泵（212）、第二微型液压泵（222）、第一二位三通电磁阀（213）和第二二位三通电磁阀（223）都安装在中间隔板（53）上，第一原液箱（211）、第二原液箱（221）、第一液体回收箱（214）和第二液体回收箱（224）安装在试验机整体框架（54）上，扇形喷嘴（23）安装在工作室（55）的后板（552）上；

口内液体喷射单元工作时，当第一微型液压泵（212）从第一原液箱（211）中泵入液体，经过第一二位三通电磁阀（213）选通，再通过管路与扇形喷嘴（23）联通，液体从扇形喷嘴（23）喷出，而后由收液槽（24）收集，透过液压接头与第二二位三通电磁阀（223）输入端口相连联，第二二位三通电磁阀（223）选通，使液体流入第一液体回收箱（214）；当第二微型液压泵（222）从第二原液箱（221）中泵入液体，经过第一二位三通电磁阀（213）选通，再通过管路与扇形喷嘴（23）联通，液体从扇形喷嘴（23）喷出，而后由收液槽（24）收集，透过液压接头与第二二位三通电磁阀（223）输入端口相连联，第二二位三通电磁阀（223）选通，使液体流入第二液体回收箱（224）。

3.根据权利要求1所述的口腔环境模拟试验机，其特征在于：口内温度调节单元由第一微型空气加热棒（311）、第二微型空气加热棒（312）和微型制冷压缩机（32）组成，第一微型空气加热棒（311）和第二微型空气加热棒（312）固定在工作室（55）的后板（552）上，微型制冷压缩机（32）的主体部分安装在中间隔板（53）上，微型制冷压缩机（32）的输出口则安装在工作室（55）的后板（552）上；当需要升高温度是，第一微型空气加热棒（311）和第二微型空气加热棒（312）同时工作；当需要降低温度时，微型制冷压缩机（32）工作。

4.根据权利要求1所述的口腔环境模拟试验机，其特征在于：控制单元由竖直运动伺服驱动器（411）、摆动伺服驱动器（412）、应变片（42）、温度传感器（43）、A/D转换器（44）、光电耦合器（45）、继电器（46）、输入面板（47）和主控芯片（48）组成，应变片（42）粘结在复用连杆机构（13）的复用连杆（132）上，温度传感器（43）安装在工作室（55）的后板（552）上；A/D转换器（44）、光电耦合器（45）、继电器（46）和主控芯片（48）安装在中间隔板（53）的中间部位，输入面板（47）安装在试验机整体框架（54）的顶部，竖直运动伺服驱动器（411）和摆动伺服驱动器（412）安装在中间隔板（53）的中间；

应变片（42）、温度传感器（43）分别与A/D转换器（44）连接，A/D转换器（44）、输入面板（47）分别与主控芯片（48）连接，该主控芯片（48）分别与光电耦合器（45）、竖直运动伺服驱动器（411）、摆动伺服驱动器（412）连接，竖直运动伺服驱动器（411）与竖直运动伺服电机（111）连接，摆动伺服驱动器（412）与摆动伺服电机（121）连接，光电耦合器（45）与继电器（46）连接，该继电器（46）分别与第一微型液压泵（212）、第二微型液压泵（222）、微型制冷压缩机（32）、第一微型空气加热棒（311）和第二微型空气加热棒（312）连接。

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