CN106093305B - 一种用于义齿及食品检测仿生咀嚼机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器人技术领域,具体涉及一种用于义齿及食品检测仿生咀嚼机器人,包括:XY工作平台、下颌动平台、上颌平台、颞下颌连接件、驱动控制系统、两条驱动链;两条驱动链对称设置于下颌动平台两侧,XY工作平台上方通过连杆连接下颌动平台,颞下颌连接件连接下颌动平台和上颌平台,下颌动平台与上颌平台上安装有义齿模型,驱动控制系统控制驱动链实现下颌动平台矢状面移动,并控制XY工作平台实现下颌动平台水平面移动;本发明结构部分采用XY工作台配合左右两侧舵机同时工作,模拟水平面及矢状面的咀嚼运动轨迹,克服并联机构,运动学反解及控制较复杂,机构比较庞大的问题,结构简单,控制运算简便。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域,具体涉及一种用于义齿及食品检测仿生咀嚼机器人。
背景技术
咀嚼机器人通过复现真实人类咀嚼食物的动作,并采集分析咀嚼过程的各种信息,包括下颌骨不同位姿、关节位移、咀嚼速度等内容。为分析食品材料咀嚼特性、牙科材料测试提供实验分析依据。咀嚼机器人研究是包含机构学、机械运动学及动力学、控制工程、食品科学、生物力学及机械电子学于一体的工程科学。目前咀嚼机器人在机械结构及控制方面,对咀嚼运动多采用单一压头替代下颌压缩机构或由电动缸、伺服电机驱动,运动控制卡控制的典型斯图尔特平台及其变形机构,使用并联机构,运动学反解及控制较复杂,机构也比较庞大。
发明内容
本发明的发明目的在于:针对现有技术存在的问题,提供一种用于义齿及食品检测仿生咀嚼机器人。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种用于义齿及食品检测仿生咀嚼机器人,其特征在于包括:一种用于义齿及食品检测仿生咀嚼机器人,其特征在于包括:XY工作平台、下颌动平台、上颌平台、颞下颌连接件、驱动控制系统、两条驱动链;两条驱动链对称设置于下颌动平台两侧,XY工作平台上方通过连杆连接下颌动平台,颞下颌连接件连接下颌动平台和上颌平台,下颌动平台与上颌平台上设置有义齿模型,驱动控制系统控制驱动链实现下颌动平台矢状面移动,并控制XY工作平台实现下颌动平台水平面移动。
进一步的,在于所述驱动链包括第一虎克铰、设于舵机固定板上的舵机、驱动轴、第二虎克铰;舵机的舵盘通过摇臂连接第一虎克铰,第一虎克铰通过驱动轴连接第二虎克铰,第二虎克铰通过轴承与下颌动平台连接,舵机连接驱动控制系统。舵机由驱动控制系统控制其运动角度大小和速度变化,舵机的舵盘通过摇臂第一虎克铰、驱动轴、第二虎克铰组成的驱动链,驱动下颌动平台,完成矢状面上闭颌动作。
进一步的,XY工作平台包括结构相同的X轴工作台和Y轴工作台,工作台均包括步进电机、联轴器、滚珠丝杠、动平台;步进电机的输出轴通过联轴器连接有滚珠杠,滚珠丝杠通过丝杠螺母套有在滚珠丝杠上移动的动平台;X轴工作台的动平台固定与Y轴工作台的动平台上,X轴工作台的步进电机与Y轴工作台步进电机方向垂直,步进电机与驱动控制系统连接。驱动控制系统依据运动数据驱动两个工作台的步进电机,控制动平台在水平面上的移动,动平台通过丝杠及颞下颌连接件,模拟人类下颌,水平面上的动作轨迹。
进一步的,工作台还包括电机固定架和圆柱导轨,圆柱导轨固定于工作台的导轨槽内,动平台套于圆柱导轨上,保证动平台工作的稳定性。
进一步的,驱动控制系统包括主控芯片、压力传感器、ADC模块、串口通信模块、步进电机驱动器、陀螺仪,步进电机驱动器包括X轴步进电机驱动器和Y轴步进电机驱动器,主控芯片连接步进电机驱动器、陀螺仪、串口通信模块、X轴步进电机驱动器和Y轴步进电机驱动器;压力传感器设置于义齿模型牙槽处与主控芯片连接;陀螺仪设置于下颌动平台上。压力传感器数据经ADC模块转换后通过主控芯片和串口通信模块向上位机打印压力值变化。于此同时,陀螺仪将位姿状态通过串口通信模块向上位机发送。主控芯片控制步进电机驱动器和舵机完成下颌动平台的运动。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
1、本专利结构部分采用XY工作台配合左右两侧舵机同时工作,模拟水平面及矢状面的咀嚼运动轨迹,可再现人类真实的齿面形状,并且依据在矢状面与水平面的真实运动轨迹,复原人类咀嚼动作,具有更好的仿生性具有更真实的感官性;通过调节步进电机电压及细分调整电机扭矩实现不同咀嚼力的变化;通过调整驱动器脉冲频率的方法,改变机构的咀嚼速度。在收集食品压力变化及下颌对应位置信号的同时,完成实时控制。
2、克服并联机构,运动学反解及控制较复杂,机构比较庞大的问题,结构简单,控制运算简便。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是本发明侧视图;
图3是XY平台图;
图4是下颌和上颌示意图;
图5是咀嚼机器人控制硬件框图。
图中:I-固定上平台;II-下颌动平台;III-XY工作平台;IV-底板;1-上颌固定板;2-L形连接片;3-舵机固定板;4-角铁a;5-角铁b;6-角铁c;7-动平台;9-步进电机;10-电机固定架;11-联轴器;12-圆柱导轨;13-滚珠丝杠;14-舵机;15-第一虎克铰;16-驱动轴;17-第二虎克铰;19-连杆;20-颞下颌连接件;21-上颌平台。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明作详细的说明。
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用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例
实施中,本发明包括:XY工作平台III、下颌动平台II、上颌平台21、颞下颌连接件20、驱动控制系统、两条驱动链;两条驱动链对称设置于下颌动平台II两侧控制其上下运动,XY工作平台III设于下颌动平台II下方并通过连杆19连接,颞下颌连接件20连接下颌动平台II和上颌平台21。
XY工作平台III固定于底板IV上,固定上平台I与XY工作平台III通过角铁a4固定,固定上平台I下方有上颌固定板1,上颌平台20通过L形连接片2固定于上颌固定板1上,下颌动平台II设于XY工作平台III上方,角铁b6与角铁c7通过螺栓连接在动平台7上,动平台7通过角铁b6、角铁c7与颞下颌连接件20固结带动下颌动平台II,颞下颌连接件20通过连杆19通过螺栓螺母连接XY工作平台顶层的动平台7。
滚珠丝杠13通过联轴器11与步进电机9连接,步进电机9通过螺纹孔及螺栓连接电机固定架10,圆柱导轨12固定导轨槽内,动平台7套于圆柱导轨12上。
驱动链包括第一虎克铰15、设于舵机固定板3上的舵机14、驱动轴16、第二虎克铰17;舵机14的舵盘连接第一虎克铰15,第一虎克铰15通过驱动轴16连接第二虎克铰17,第二虎克铰17通过轴承与下颌动平台II连接,舵机14连接驱动控制系统。舵机14由驱动控制系统控制其运动角度大小和速度变化,舵机14的舵盘带动第一虎克铰15、驱动轴16、第二虎克铰17组成的驱动链,驱动下颌动平台II,完成矢状面上动作。
驱动控制系统包括主控芯片、压力传感器、ADC模块、串口通信模块、步进电机驱动器、陀螺仪,步进电机驱动器包括X轴步进电机驱动器和Y轴步进电机驱动器,主控芯片连接步进电机驱动器、陀螺仪、串口通信模块、X轴步进电机驱动器和Y轴步进电机驱动器;压力传感器设置于义齿模型牙槽处,通过通过ADC模块与主控芯片连接;陀螺仪设置于下颌动平台上。压力传感器数据经ADC模块转换后通过主控芯片和串口通信模块向上位机打印压力值变化。于此同时,陀螺仪将位姿状态通过串口向上位机发送。主控芯片控制步进电机驱动器和舵机完成下颌动平台的运动。
步进电机驱动器使用TB6600,主控芯片使用stm32f407,压力传感器使用FSR4000.2"电阻式压力传感器,陀螺仪使用mpu6050陀螺仪,主控芯片通过通用定时器下PWM通道对应的IO口连接步进电机驱动器脉冲端、主控芯片通过IO口模拟的IIC连接mpu6050陀螺仪进行数据读写。
以上所述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 (3)
1.一种用于义齿及食品检测仿生咀嚼机器人,其特征在于包括:XY工作平台(III))下颌动平台(II)、上颌平台(21)颞下颌连接件(20))驱动控制系 统、两条驱动链;两条驱动链对称设置于下颌动平台(II)两侧,XY工作平台(III)上方通过连杆连接下颌动平台(II),颞下颌连接件(20)连接下颌动 平台(II)和上颌平台(21))下颌动平台(II)与上颌平台(21)上安装有义 齿模型,驱动控制系统控制驱动链实现下颌动平台(II)矢状面移动,并控制XY工作平台(III)实现下颌动平台(II)水平面移动;
所述驱动链包括第一虎克铰(15)、设于舵机固定板(3)上的舵机、驱动轴(16)、第二虎克铰(17);舵机的舵盘通过摇臂连接第一虎克铰(15),第一虎克铰(15)通过驱动轴(16)连接第二虎克铰(17),第二虎克铰(17)通过轴 承与下颌动平台(II)连接,舵机连接驱动控制系统;
所述XY工作平台(III)包括结构相同的X轴工作台和Y轴工作台,工作台均包括步进电机(9)、联轴器(11)、滚珠丝杠(13)、动平台(7);步进电机(9)的输出轴通过联轴器(11)连接有滚珠杠(13),滚珠丝杠(13)通过丝 杠螺母套有在滚珠丝杠(13)上移动的动平台(7);X轴工作台的动平台固定于 Y 轴工作台的动平台上,X 轴工作台的步进电机与 Y 轴工作台步进电机方向垂直, 步进电机(9)与驱动控制系统连接。
2.据权利要求 1所述的一种用于义齿及食品检测仿生咀嚼机器人,其特征在于 所述工作台还包括电机固定架(10)和圆柱导轨(12),圆柱导轨(12)固定于工作台的导轨槽内,动平台(7)套于圆柱导轨(12)上。
3.据权利要求1所述的一种用于义齿及食品检测仿生咀嚼机器人,其特征在于 所述驱动控制系统包括主控芯片、压力传感器、串口通信模块、步进电机驱动 器、陀螺仪,步进电机驱动器包括 X 轴步进电机驱动器和 Y 轴步进电机驱动器,主控芯片连接步进电机驱动器、陀螺仪、串口通信模块、X 轴步进电机驱动器和Y 轴步进电机驱动器;压力传感器设置于咀嚼机器人咬合面上与主控芯片连接;陀螺仪设置于下颌动平台(II)上。
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