CN103610506A - 一种具有仿生颞下颌关节的冗余驱动咀嚼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有仿生颞下颌关节的咀嚼机器人，包括机器人机械本体结构和控制系统两部分，属于仿生机器人技术领域。本发明在充分研究人类颞下颌关节的结构、功能及其运动形式的基础上，提出采用点接触高副结构设计仿生颞下颌关节，并采用6条PUS支链模拟咀嚼肌肉对下颌的驱动，所形成的含有点接触高副结构的并联机构具有冗余驱动的特点，符合人体下颌系统的冗余特性。本发明的具有仿生颞下颌关节的咀嚼机器人具有高仿生、大刚度、少奇异等优点，其控制系统具有示教、食品评估和义齿测试三种工作模式，可实现咀嚼机器人在口腔医学和食品科学等多个学科的应用。

Description

一种具有仿生颞下颌关节的冗余驱动咀嚼机器人

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，涉及一种具有仿生颞下颌关节的冗余驱动咀嚼机器人。

背景技术

咀嚼机器人可以模拟人类下颌运动行为、再现其生物力学环境，其研究成果在口腔医学和食品科学等领域具有广阔应用前景。例如可用于义齿材料磨损实验、义齿疲劳寿命测试和医学教学等。另外，咀嚼机器人在食品科学领域也具有很大的应用价值，可以作为食品咀嚼动力学、食品机械特性等实验的测试平台。

人类下颌由咀嚼肌肉驱动，在颞下颌关节的约束下，相对上颌骨在三维空间内做复杂的开闭运动。作为人体最复杂的运动关节之一，颞下颌关节具有多个瞬时运动轴，其髁状突随下颌开口度的不同具有转动和滑动的复合运动形式。而现有的咀嚼机器人没有充分考虑颞下颌关节的结构、功能及其复合运动形式，因此在仿生性方面存在严重缺陷，不能真实再现下颌的运动和生物力学特征。

发明内容

本发明针对现有咀嚼机器人存在的问题，采用点接触高副结构设计仿生颞下颌关节，提出了一种具有仿生颞下颌关节的冗余驱动咀嚼机器人。该机器人所采用的PUS支链与点接触高副构成的冗余并联机构，既体现了人体下颌系统的冗余特性，又能够解决奇异性导致的并联机构运动精度降低、刚度减小和驱动关节无法实施控制等问题。与同类咀嚼机器人相比，该机器人具有高仿生、大刚度、少奇异等优点。咀嚼机器人主要应用于医学示教、食品评估、牙科测试等科学实验，而每种实验对机器人负载和运动形式的要求不同（如医学教学实验，机器人需满足低速和小负载的要求），因此一种控制模式不能满足多学科实验的要求。本发明根据需求设计了具有示教、食品评估、义齿测试三种工作模式的控制系统。

本发明采用的技术方案是：

该冗余驱动咀嚼机器人通过伺服驱动实现机器人在三维空间的运动，模拟人类下颌的运动和生物力学特征。

所述机械本体结构包括1:1颅骨模型、上颌静平台、仿生颞下颌关节、六组驱动装置、六条PUS支链和下颌动平台。

所述1:1颅骨模型，是以健康成年人颅骨的CT扫描实验结果为依据加工的，包括上颌骨模型和下颌骨模型。所述上颌骨模型和下颌骨模型通过内六角螺栓分别固定在上颌静平台和下颌动平台上。

所述上颌静平台，包括下支撑板、上支撑板、六根等长立柱、上颌骨模型安装座。下支撑板通过地脚螺栓固定在实验平台上。六根等长立柱两端分别与下支撑板和上支撑板通过内六角螺钉固定连接。六根等长立柱的安装位置根据咀嚼肌肉与上颌骨的连接位置确定，并通过销连接精确定位。所述上颌骨模型安装座由竖直板一、竖直板二、水平板、上弯板组成，通过内六角螺钉固定在上支撑板上，用于支撑上颌骨模型。上颌静平台可承载整个机器人的重量。

所述仿生颞下颌关节，采用的是一种点接触高副结构，包括关节面安装板、两个仿生关节面、两个仿生髁状突。所述关节面安装板通过内六角螺钉固定在上颌骨模型安装座中的水平板上。所述两个仿生关节面分别固定在关节面安装板的两侧，其关节面的曲面是通过对健康成年人颞下颌关节面的尺寸数据进行拟合得到的。所述仿生髁状突为圆柱状，上端为半球状，下部有螺纹。仿生髁状突通过螺纹连接固定在下颌动平台上，在下颌动平台运动过程中，上端始终沿着仿生关节面运动，可实现转动和滑动的复合运动形式。采用点接触高副结构的仿生颞下颌关节能够模拟人类颞下颌关节的功能及其复合运动形式。

所述驱动装置，包括电机、联轴器、滚珠丝杠、丝杠螺母、工作台、连接板、滑块、导轨、角接触球轴承和轴承座。电机固定在上颌静平台的支撑板上，并通过联轴器与滚珠丝杠连接；滚珠丝杠的下轴头通过两个角接触球轴承与轴承座固定连接，轴承座通过螺钉固定在上颌静平台的等长立柱上；丝杠螺母与工作台通过内六角螺钉固定连接，工作台通过连接板与导轨上的滑块固定连接，导轨固定连接在等长立柱上。

所述PUS支链，包括斜块、关节连接块、万向节、连杆、球副。斜块通过螺钉固定连接在驱动装置的工作台上。通过关节连接块，将斜块与万向节固定连接。所述连杆一端设有销孔，另一端加工有螺纹，分别通过销、螺纹与万向节和球副连接。连杆的长度和安装角度根据咀嚼肌肉的长度和作用线方向确定。电机通过滚珠丝杠驱动工作台在竖直方向运动，工作台带动PUS支链运动，最终PUS支链驱动下颌动平台运动。

所述下颌动平台，包括六个球副安装块、左侧板、中间板、下弯板、右侧板。左侧板和右侧板通过销和内六角螺钉对称安装在中间板上。六个球副安装块通过内六角螺钉对称固定在左侧板和右侧板上，其分布根据人类咀嚼肌肉与下颌骨的连接位置确定。PUS支链末端的球副通过球副安装块连接到下颌动平台上。左侧板和右侧板的顶部设有螺纹孔，用于安装仿生颞下颌关节的两个仿生髁状突。下弯板通过螺钉固定在中间板上。在左侧板和右侧板上还留有螺栓孔，用于固定下颌骨模型。下弯板和上颌静平台上弯板的相对位置，是机器人安装和调试的重要参数。

将六组驱动装置和六条PUS支链通过相同的方式组装，共同连接机器人的上颌静平台和下颌动平台，完成具有仿生颞下颌关节的冗余驱动咀嚼机器人的组装。

上述的咀嚼机器人的控制系统，包括上位机控制模块、串口通信、网络化可编程控制器、传感模块和伺服控制器，该控制系统具有示教、食品评估、义齿测试三种工作模式。上位机控制模块内嵌针对三种工作模式的控制算法，并具有基于GUI（图形用户接口）的人机交互界面，可进行工作模式的选择和控制参数的调整。串口通信模块用于上位机控制模块与网络化可编程控制器间的数据传输。网络化可编程控制器接收上位机控制模块发出的控制指令，并输出高速脉冲给伺服控制器，还负责传感模块信号的读入与输出。传感模块采集机器人咀嚼力和位置信息；伺服控制器实现对伺服电机的闭环控制。

在示教模式下，采用轨迹规划控制机器人的运动，精确模拟人类下颌的咀嚼运动，尤其是颞下颌关节的运动形式。针对食品科学的应用场合，机器人需要对不同质地的食品进行机械特性测试，而且在咀嚼过程中咀嚼力会随着食品的变化而变化，因此在食品评估模式下，采用自适应控制方法实现机器人的协调稳定控制。在义齿测试工作模式下，机器人需要进行长时间的咀嚼运动，对机器人的可靠性具有很高的要求，采用可同时控制力和位置的柔顺控制方法。

本发明的效果和益处是：

1、本发明针对人类颞下颌关节的结构、功能及其复合运动形式，采用点接触高副结构设计仿生颞下颌关节，这对人类下颌系统的模拟更加真实，大大提高了咀嚼机器人的仿生性能。

2、本发明采用六条PUS支链模拟咀嚼肌肉对下颌的驱动，而且存在点接触高副结构，因此本发明采用的并联机构具有冗余驱动的特点。既体现了人体下颌系统的冗余特性，又进一步提高了咀嚼机器人的运动性能。

3、本发明采用的含有点接触高副结构的6-PUS冗余并联机构是一种新型的机构形式。这种机构形式拓宽了并联机器人学的构型方法，丰富了机器人机构学。

4、本发明的控制系统具有示教、食品评估和义齿测试三种控制模式，可实现咀嚼机器人在多个学科的应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的侧视图。

图3是本发明的1:1颅骨模型示意图。

图4是本发明的上颌静平台结构图。

图5是本发明的上颌骨模型安装座示意图。

图6是本发明的仿生颞下颌关节结构图。

图7是本发明的驱动装置结构图。

图8是本发明的PUS支链结构图。

图9是本发明的下颌动平台结构图。

图10是本发明的控制系统示意图。

图中：I1:1颅骨模型；Ⅱ上颌静平台；Ⅲ仿生颞下颌关节；Ⅳ驱动装置；ⅤPUS支链；Ⅵ下颌动平台

1上颌骨模型；2下颌骨模型；3下支撑板；4上支撑板；5等长立柱；6上颌骨模型安装座；61竖直板一；62竖直板二；63水平板；64上弯板；7关节面安装板；8仿生关节面；9仿生髁状突；10电机；11联轴器；12滚珠丝杠；13丝杠螺母；14工作台；15连接板；16滑块；17导轨；18角接触球轴承；19轴承座；20斜块；21关节连接块；22万向节；23连杆；24球副；25球副安装块；26左侧板；27中间板；28下弯板；29右侧板。

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。

如图1和图2所示，本发明所述的具有仿生颞下颌关节的冗余驱动咀嚼机器人包括机械本体结构和控制系统两部分。机器人机械本体结构包括1:1颅骨模型I、上颌静平台Ⅱ、仿生颞下颌关节Ⅲ、六组驱动装置Ⅳ、六条PUS支链Ⅴ和下颌动平台Ⅵ六部分，采用伺服驱动实现下颌动平台在三维空间的运动。机器人控制系统包括上位机控制模块、串口通信、网络化可编程控制器、传感模块和伺服控制器，具有示教、食品评估、义齿测试三种工作模式。

机器人机械本体结构的具体安装过程

1:1颅骨模型I安装：上颌骨模型1上加工有两个螺栓孔，通过螺栓将上颌骨模型1固定在上颌骨模型安装座6上。下颌动平台Ⅵ的左侧板26和右侧板29上分别设有两个螺栓孔，在下颌骨模型2上加工有安装孔，通过螺栓将下颌骨模型2固定在下颌动平台Ⅵ上。

上颌静平台Ⅱ安装：通过地脚螺栓将下支撑板3固定在实验平台上，用于固定导轨17的等长立柱5两端分别与下支撑板3和上支撑板4采用销定位、螺钉固定的组合方式连接。采用螺栓将上颌骨模型安装座6固定在上支撑板4的底面上。上颌骨模型安装座6中的竖直板一61、竖直板二62、水平板63、上弯板64之间均采用螺钉固定连接。

仿生颞下颌关节Ⅲ安装：关节面安装板7通过螺钉固定在水平板63上，两个仿生关节面8固定安装在关节面安装板7的两侧。两个仿生髁状突9上端与仿生关节面8接触，下端通过螺纹分别固定在下颌动平台Ⅵ的左侧板26和右侧板29顶面上。

驱动装置Ⅳ安装：在上颌静平台Ⅱ的上支撑板4上留有电机10安装孔，电机10固定在上支撑板4上，并通过联轴器11与滚珠丝杠12连接。工作台14的三个面上留有安装孔，分别用于和连接板15、PUS支链Ⅴ的斜块20以及丝杠螺母13的固定连接。连接板15和滑块16通过螺钉固定连接，滑块16安装在导轨17上，导轨17固连在等长立柱上5上。滚珠丝杠12的下轴头通过两个角接触球轴承18和轴承座19安装连接。轴承座19固定在等长立柱5上。

PUS支链Ⅴ安装：斜块20与关节连接块21采用螺钉固定连接，关节连接块21与万向节22上端通过螺纹连接在一起。连杆23两端分别通过销、螺纹与万向节22下端和球副24上端连接。球副24通过螺纹连接固定在下颌动平台Ⅳ的球副安装块25上。

下颌动平台Ⅵ安装：左侧板26和右侧板29通过螺钉、销对称安装在中间板27上。六个球副安装块25通过螺钉固定安装在左侧板26和右侧板29上，采用螺钉将上弯板28固连在中间板27。

将六个驱动装置Ⅳ和六条PUS支链Ⅴ以相同方式组装，并通过角接触球轴承18与上颌静平台Ⅱ连接，通过球副安装块25与下颌动平台Ⅵ相连，完成具有仿生颞下颌关节的冗余驱动咀嚼机器人的组装。

本发明控制系统的实施方式

根据咀嚼机器人的应用领域，在上位机控制模块的GUI界面上选择机器人控制系统的工作模式，并输入合理的控制参数。上位机控制模块通过串口通信模块将控制指令发送给网络化可编程控制器，网络化可编程控制器对控制指令进行逻辑处理，向伺服控制器发送高速脉冲，而伺服控制器控制伺服电机。网络化可编程控制器读取传感模块采集的机器人咀嚼力和位置信息，并反馈给上位机控制模块，用于调整控制指令。

本发明的整体运行过程

本发明的具有仿生颞下颌关节的冗余驱动咀嚼机器人可应用于医学示教、食品评估和义齿测试。首先，根据要进行的科学实验，选择相应的控制模式，控制系统控制伺服电机的转动。其次，伺服电机10将转动通过联轴器11传递给滚珠丝杠12，滚珠丝杠12带动丝杠螺母13直线运动，工作台14固定在丝杠螺母13上，实现工作台14在导轨17上作直线运动。由于PUS支链Ⅴ两端分别固定在工作台14和下颌动平台Ⅳ的球副安装块25上，最终可实现将六个工作台14沿导轨17在竖直方向的直线运动转化为下颌动平台Ⅵ在三维空间内的运动。

Claims (3)

1.一种具有仿生颞下颌关节的冗余驱动咀嚼机器人，其特征在于：

该咀嚼机器人包括1:1颅骨模型（I）、上颌静平台（Ⅱ）、仿生颞下颌关节（Ⅲ）、六组驱动装置（Ⅳ）、六条PUS支链（Ⅴ）和下颌动平台（Ⅵ），仿生颞下颌关节（Ⅲ）采用点接触高副结构形式，咀嚼机器人具有四个自由度六个驱动，符合人体下颌系统的冗余特性。

2.如权利要求1所述的具有仿生颞下颌关节的咀嚼机器人，其特征在于：

1:1颅骨模型（I）是以健康成年人颅骨的CT扫描为依据加工的，包括上颌骨模型（1）和下颌骨模型（2）；上颌骨模型（1）固定在上颌静平台（Ⅱ）上，下颌骨模型固定在下颌动平台（Ⅵ）上；

上颌静平台（Ⅱ）包括下支撑板（3）、上支撑板（4）、等长立柱（5）、上颌骨模型安装座（6）；六根等长立柱（5）的两端分别与下支撑板（3）和上支撑板（4）采用销定位、内六角螺钉固定的方式连接，六根等长立柱（5）的安装位置根据咀嚼肌作用线方向与咀嚼肌作用点位置确定；上颌骨模型安装座（6）由竖直板一（61）、竖直板二（62）、水平板（63）、上弯板（64）组成，采用螺钉固定在上支撑板（4）上；下支撑板（3）通过地脚螺栓固定在实验平台上；

仿生颞下颌关节（Ⅲ）包括关节面安装板（7）、两个仿生关节面（8）、两个仿生髁状突（9）；关节面安装板（7）通过螺钉固定在水平板（63）上；仿生关节面（8）的曲面是通过对健康成年人颞下颌关节面的尺寸数据进行拟合得到的，两个仿生关节面（8）安装在关节面安装板（7）的两侧；仿生髁状突（9）上端可沿仿生关节面（8）运动，下端通过螺纹连接固定在下颌动平台（（Ⅵ）上；

驱动装置（Ⅳ）包括电机（10）、联轴器（11）、滚珠丝杠（12）、丝杠螺母（13）、工作台（14）、连接板（15）、滑块（16）、导轨（17）、角接触球轴承（18）和轴承座（19）；电机（10）固定在上支撑板（4）上，通过联轴器（11）与滚珠丝杠（12）连接；滚珠丝杠（12）的下轴头通过两个角接触球轴承（18）和轴承座（19）固定连接，轴承座（19）通过螺钉固定在等长立柱（5）上；丝杠螺母（13）与工作台（14）通过螺钉固定连接，工作台（14）通过连接板（15）与导轨（17）上的滑块固定连接，导轨（17）固定在等长立柱（5）上；

PUS支链（Ⅴ）包括斜块（20）、关节连接块（21）、万向节（22）、连杆（23）、球副（24）；斜块（20）通过螺钉固定连接在工作台（14）上，从而将PUS支链（Ⅴ）与驱动装置（Ⅳ）连接；关节连接块（21）将斜块（20）和万向节（22）固定连接；连杆（23）一端设有销孔，一端加工有螺纹，分别与万向节和球副连接；

下颌动平台（Ⅵ）包括六个球副安装块（25）、左侧板（26）、中间板（27）、下弯板（28）、右侧板（29）；左侧板（26）和右侧板（29）通过销、内六角螺钉对称安装在中间板（27）两侧，下弯板（28）固定在中间板（27）上平面；六个球副安装块（25）通过螺钉对称固定在左侧板（26）和右侧板（29）上，其分布根据咀嚼肌肉与下颌骨的连接位置确定；球副（24）固定在球副安装块（25）上，从而将PUS支链（Ⅴ）与下颌动平台（Ⅵ）连接；左侧板（26）和右侧板（29）的顶部和侧面分别设有螺纹孔，分别用于安装两个仿生髁状突（9）和下颌骨模型（2）；下弯板（28）和上弯板（64）的相对位置，是机器人安装和调试的重要参数；驱动装置（Ⅳ）通过PUS支链（Ⅴ）驱动下颌动平台（Ⅵ）的运动；

将驱动装置（Ⅳ）和PUS支链（Ⅴ）以相同方式组装成六组，并通过角接触球轴承（18）与上颌静平台（Ⅱ）相连，通过球副安装块（25）与下颌动平台（Ⅵ）相连，完成具有仿生颞下颌关节的咀嚼机器人的组装。

3.如权利要求1或2所述的咀嚼机器人，其特征在于：所述的咀嚼机器人的控制系统包括上位机控制模块、串口通信、网络化可编程控制器、传感模块和伺服控制器，该控制系统具有示教、食品评估、义齿测试三种工作模式；上位机控制模块内嵌针对三种工作模式的控制程序，并具有基于GUI的人机交互界面，进行工作模式的选择和控制参数的调整；串口通信用于上位机控制模块与网络化可编程控制器间的数据传输；网络化可编程控制器接收上位机控制模块发出的控制指令，并输出高速脉冲给伺服控制器，还负责传感模块信号的读入与输出；传感模块采集机器人咀嚼力和位置信息；伺服控制器实现对伺服电机的闭环控制。

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