CN106239480A - 一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及仿生机器人领域，尤其涉及一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人。本发明的目的在于提供一种柔顺性能好、结构紧凑的下颌咀嚼机器人。其技术方案：一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，包括支架，支架的竖板固定安装有上颌静平台，上颌静平台与支架的底板之间设置有下颌动平台；支架与下颌动平台之间连接有颞肌机构和翼肌机构；上颌静平台和下颌动平台之间连接有咬肌机构；颞肌机构、咬肌机构、翼肌机构均包括气动肌肉，气动肌肉通过气路连接有气动回路，气动回路电连接有控制系统。本发明适用于一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人。

Description

一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人

技术领域

本发明涉及仿生机器人领域，更具体的说是涉及一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人。

背景技术

咀嚼是咀嚼肌群依次收缩所组成的复杂的反射性活动。咀嚼肌的收缩使下颌向上下、左右及前方运动,这样上下牙列相互接触,将大块的食物切割、磨碎。颊肌和舌肌的收缩可将食物置于上下牙列之间,便于咀嚼。再加上舌的搅拌,食物与唾液充分混合,形成食团,便于吞咽,且有利于化学性消化的进行。咀嚼机器人是一类可以模拟人类咀嚼行为的机器人。它可以真实地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,广泛应用于牙科训练、食品评估、语言医疗等领域。

随着技术发展的越来越快，目前研究者们对机器人关节所应具有的运动柔顺性的要求越来越高，随之出现了很多增强关节柔顺性的设计，包括由弹簧为主要部件设计的柔顺性关节、由球齿轮相互啮合而设计的柔顺性关节、根据万向节而设计的柔顺性关节、以橡胶作为弹性材料而设计的柔顺性关节等。除了在关节的结构形式上的创新来增强关节的柔顺性以外，研究者们还通过采取不同的驱动形式来进一步增强关节的柔顺性，因为以传统的电机驱动与纯刚性杆件组合的机构不具备柔顺性，所以近年来国内外已出现了很多具有柔顺性的驱动方式，柔索式驱动、特殊功能材料驱动等。虽然依目前的科技水平无法完全达到生物体所具有的柔性躯体构型，但能在最大程度上模拟和逼近生物的结构和运动特性一直是国内外研究人员的追求目标。咀嚼机器人近年来飞速发展，国内大连理工大学、吉林大学、江南大学在咀嚼机器人方面做出巨大努力也取得了一定成就。

专利申请号为CN201310602874.X的发明专利公布了“一种具有仿生颞下颌关节的冗余驱动咀嚼机器人”，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。

该咀嚼机器人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，通过并联机构反解，可以较好的完成运动三维轨迹。但是， 滚珠丝杠机构和PUS支链均为刚性结构，无论引入多少机械零件来提高咀嚼机器人的性能都无法模拟真实的咀嚼肌肉，其柔顺性较差。反而，由于引入过多机械零件，该咀嚼机器的结构复杂、紧凑性较差，安装非常不方便，并且成本很高。

气动肌肉是一种将气体压力转化为机械拉力的驱动器，由编织网、柔性橡胶管、两端刚性连接件组成。由于气动肌肉收缩位移在25％到30％之间，与人类肌肉位移接近，有应用于仿生机器人的前景。气动肌肉长度可以根据具体实用裁剪，在使用时，能简化了设计。气动肌肉主要由橡胶和细的金属格栅网组成产品，重量轻结构简单，输出力/自重比大，其初始输出力是同缸径气缸初始输出力的10倍。现有技术中，没有将气动肌肉应用于咀嚼机器人的先例。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种柔顺性能好、结构紧凑的下颌咀嚼机器人，解决了现有咀嚼机器人仿生性差、结构复杂的问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，包括支架，支架为半工字形，支架的竖板固定安装有上颌静平台，上颌静平台位于支架的顶板与底板之间，上颌静平台与支架的底板之间设置有下颌动平台；支架与下颌动平台之间连接有颞肌机构和翼肌机构，颞肌机构的一端通过球铰连接于支架的顶板，颞肌机构的另一端通过球铰连接于下颌动平台内侧，翼肌机构的一端通过球铰连接于支架的竖板，翼肌机构的另一端通过球铰连接于下颌动平台内侧；上颌静平台和下颌动平台之间连接有咬肌机构，咬肌机构的一端通过球铰连接于上颌静平台的中部，咬肌机构的另一端通过球铰连接于下颌动平台的中部；颞肌机构、咬肌机构、翼肌机构均包括气动肌肉，气动肌肉通过气路连接有气动回路，气动回路电连接有控制系统；颞肌机构、咬肌机构、翼肌机构均为两组，且两组颞肌机构、两组咬肌机构、两组翼肌机构均分别对称设置于支架的左右两侧。

作为本发明的优选方案，所述上颌静平台和下颌动平台之间还连接有弹簧韧带，弹簧韧带的一端固定连接于上颌静平台的中部，弹簧韧带的另一端固定连接于下颌动平台的内侧，弹簧韧带为两组，两组弹簧韧带对称设置于支架的左右两侧。

作为本发明的优选方案，所述气动回路包括气泵，气泵上设置有电动开关，气泵的出口通过气路顺次连接有储气罐、气动三联件、单向阀、气压传感器、比例阀、电磁换向阀，气动肌肉与电磁换向阀通过气路连接，电磁换向阀上安装有消音器。

作为本发明的优选方案，所述控制系统包括工控机，工控机通过电连接有数据采集卡，气压传感器与数据采集卡的AD口电连接，数据采集卡的AD口还通过电连接有位移传感 器、角度传感器、陀螺仪；位移传感器为六组，六组位移传感器分别安装于六组气动肌肉上，角度传感器和陀螺仪安装于下颌动平台上；数据采集卡的DA口分别与气泵的电磁阀、比例阀、电磁换向阀电连接。

作为本发明的优选方案，气动肌肉的输出力f(x)和伸长量l满足以下关系式：

其中，P_th是克服橡胶管膨胀时的径向弹性力所需压力的临界值，K_P凡是反映橡胶管和编织网的剪切力的一个线性弹性常数,K是现有伸长量占伸长总量的比例参数，nl(L)是因气动肌肉为非理想圆柱体而附加的一个非线性项，(L-L0)为伸长量，l为原长，lmin为极限位置的长度，P为输入压强。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明使用气动肌肉作为咀嚼机器人的驱动机构，将气体压力转化为机械拉力的驱动器，橡胶管的收缩膨胀很好地模拟了真实肌肉的生物特性。本发明的驱动机构的刚度就是非线性变化的，力-位移输出的连续函数与真实的咀嚼肌肉动作相似，该驱动机构具有刚性结构无法比拟的柔顺性，使咀嚼机器人的仿生性大大提高。

2、本发明在没有引入过多机械零件的基础上，实现了下颌动平台的6个自由度，相较于目前存在的传统并联咀嚼机器人大大提高了机构的紧凑性，使安装更加方便、机构的成本更低。

3、气动肌肉主要由橡胶和细的金属格栅网组成产品，重量轻结构简单，输出力/自重比大。因此，使用气动肌肉的咀嚼机器人的重量相应减轻，输出力/自重比大，使用方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的左视图；

图3为气动回路布置图；

图4为控制系统示意图。

图中，1-支架，2-上颌静平台，3-下颌动平台，4-颞肌机构，5-翼肌机构，6-咬肌机构，7-弹簧韧带，8-气动肌肉，91-气泵，92-电动开关，93-储气罐，94-气动三联件，95-单向阀，96-气压传感器，97-比例阀，98-电磁换向阀，99-消音器。

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。

实施例一

一种基于人体仿生学的人工肌肉咀嚼机器人，使用气动肌肉8替代人体主要三类咀嚼肌。下颌骨作为动平台与各气动肌肉8配合。该机器人是在下颌骨结构和咀嚼肌肉的生物力学模型上建立的。咀嚼过程分为开口与闭口两大过程，由于开口过程有重力作用，而且是为闭合咀嚼做准备，并没有做有用功，因此，我们将重点对闭口肌群(咬肌、颞肌、翼状肌)以及颞下颌关节韧带进行仿生设计。主要考虑的闭口肌群包括了咬肌、翼肌、颞肌。该咀嚼机器人是由线性执行器——气动肌肉8进行驱动的。肌肉之间的连接模型化为球铰链连接，提高了各关节的自由度,依据人体解剖学，每一个驱动器的运动方向都与所肌肉力的方向一致。机器人的尺寸和人类尺寸基本一致。

其具体结构为：一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，包括支架1，支架1为半工字形，支架1的竖板固定安装有上颌静平台2，上颌静平台2位于支架的顶板与底板之间，上颌静平台2与支架1的底板之间设置有下颌动平台3；支架1与下颌动平台3之间连接有颞肌机构4和翼肌机构5，颞肌机构4的一端通过球铰连接于支架1的顶板，颞肌机构4的另一端通过球铰连接于下颌动平台3内侧，翼肌机构5的一端通过球铰连接于支架1的竖板，翼肌机构5的另一端通过球铰连接于下颌动平台3内侧；上颌静平台2和下颌动平台3之间连接有咬肌机构6，咬肌机构6的一端通过球铰连接于上颌静平台2的中部，咬肌机构6的另一端通过球铰连接于下颌动平台3的中部；颞肌机构4、咬肌机构6、翼肌机构5均包括气动肌肉8，气动肌肉8通过气路连接有气动回路，气动回路电连接有控制系统；颞肌机构4、咬肌机构6、翼肌机构5均为两组，且两组颞肌机构4、两组咬肌机构6、两组翼肌机构5均分别对称设置于支架1的左右两侧。

本发明使用气动肌肉8作为咀嚼机器人的驱动机构，将气体压力转化为机械拉力的驱动器，橡胶管的收缩膨胀很好地模拟了真实肌肉的生物特性。本发明的驱动机构的刚度就是非线性变化的，力-位移输出的连续函数与真实的咀嚼肌肉动作相似，该驱动机构具有刚性结构无法比拟的柔顺性，使咀嚼机器人的仿生性大大提高。本发明在没有引入过多机械零件的基础上，实现了下颌动平台3的6个自由度，相较于目前存在的传统并联咀嚼机器人大大提高了机构的紧凑性，使安装更加方便、机构的成本更低。气动肌肉主要由橡胶和细的金属 格栅网组成产品，重量轻结构简单，输出力/自重比大。因此，使用气动肌肉的咀嚼机器人的重量相应减轻，输出力/自重比大，使用方便。

实施例二

一种基于人体仿生学的人工肌肉咀嚼机器人，使用气动肌肉8替代人体主要三类咀嚼肌。下颌骨作为动平台与各气动肌肉8配合。使用弹簧代替颞下颌关节的韧带的阻尼作用。该机器人是在下颌骨结构和咀嚼肌肉的生物力学模型上建立的。咀嚼过程分为开口与闭口两大过程，由于开口过程有重力作用，而且是为闭合咀嚼做准备，并没有做有用功，因此，我们将重点对闭口肌群(咬肌、颞肌、翼状肌)以及颞下颌关节韧带进行仿生设计。主要考虑的闭口肌群包括了咬肌、翼肌、颞肌。该咀嚼机器人是由线性执行器——气动肌肉8进行驱动的。肌肉之间的连接模型化为球铰链连接，提高了各关节的自由度,依据人体解剖学，每一个驱动器的运动方向都与所肌肉力的方向一致。机器人的尺寸和人类尺寸基本一致。

其具体结构为：一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，包括支架1，支架1为半工字形，支架1的竖板固定安装有上颌静平台2，上颌静平台2位于支架的顶板与底板之间，上颌静平台2与支架1的底板之间设置有下颌动平台3；支架1与下颌动平台3之间连接有颞肌机构4和翼肌机构5，颞肌机构4的一端通过球铰连接于支架1的顶板，颞肌机构4的另一端通过球铰连接于下颌动平台3内侧，翼肌机构5的一端通过球铰连接于支架1的竖板，翼肌机构5的另一端通过球铰连接于下颌动平台3内侧；上颌静平台2和下颌动平台3之间连接有咬肌机构6，咬肌机构6的一端通过球铰连接于上颌静平台2的中部，咬肌机构6的另一端通过球铰连接于下颌动平台3的中部；颞肌机构4、咬肌机构6、翼肌机构5均包括气动肌肉8，气动肌肉8通过气路连接有气动回路，气动回路电连接有控制系统；颞肌机构4、咬肌机构6、翼肌机构5均为两组，且两组颞肌机构4、两组咬肌机构6、两组翼肌机构5均分别对称设置于支架1的左右两侧。所述上颌静平台2和下颌动平台3之间还连接有弹簧韧带7，弹簧韧带7的一端固定连接于上颌静平台2的中部，弹簧韧带7的另一端固定连接于下颌动平台3的内侧，弹簧韧带7为两组，两组弹簧韧带7对称设置于支架1的左右两侧。

本发明使用气动肌肉8作为咀嚼机器人的驱动机构，将气体压力转化为机械拉力的驱动器，橡胶管的收缩膨胀很好地模拟了真实肌肉的生物特性。本发明的驱动机构的刚度就是非线性变化的，力-位移输出的连续函数与真实的咀嚼肌肉动作相似，该驱动机构具有刚性结构无法比拟的柔顺性，使咀嚼机器人的仿生性大大提高。本发明在没有引入过多机械零件的基础上，实现了下颌动平台3的6个自由度，相较于目前存在的传统并联咀嚼机器人大大提高了机构的紧凑性，使安装更加方便、机构的成本更低。气动肌肉主要由橡胶和细的金属 格栅网组成产品，重量轻结构简单，输出力/自重比大。因此，使用气动肌肉的咀嚼机器人的重量相应减轻，输出力/自重比大，使用方便。由于咀嚼和闭口时，口腔韧带会对咀嚼肌肉起一定阻尼作用，因此使用弹簧代替颞下颌关节的韧带能很好地提高咀嚼机器人的仿生性。

实施例三

一种基于人体仿生学的人工肌肉咀嚼机器人，使用气动肌肉8替代人体主要三类咀嚼肌。下颌骨作为动平台与各气动肌肉8配合。使用弹簧代替颞下颌关节的韧带的阻尼作用。该机器人是在下颌骨结构和咀嚼肌肉的生物力学模型上建立的。咀嚼过程分为开口与闭口两大过程，由于开口过程有重力作用，而且是为闭合咀嚼做准备，并没有做有用功，因此，我们将重点对闭口肌群(咬肌、颞肌、翼状肌)以及颞下颌关节韧带进行仿生设计。主要考虑的闭口肌群包括了咬肌、翼肌、颞肌。该咀嚼机器人是由线性执行器——气动肌肉8进行驱动的。肌肉之间的连接模型化为球铰链连接，提高了各关节的自由度,依据人体解剖学，每一个驱动器的运动方向都与所肌肉力的方向一致。机器人的尺寸和人类尺寸基本一致。

其具体结构为：一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，包括支架1，支架1为半工字形，支架1的竖板固定安装有上颌静平台2，上颌静平台2位于支架的顶板与底板之间，上颌静平台2与支架1的底板之间设置有下颌动平台3；支架1与下颌动平台3之间连接有颞肌机构4和翼肌机构5，颞肌机构4的一端通过球铰连接于支架1的顶板，颞肌机构4的另一端通过球铰连接于下颌动平台3内侧，翼肌机构5的一端通过球铰连接于支架1的竖板，翼肌机构5的另一端通过球铰连接于下颌动平台3内侧；上颌静平台2和下颌动平台3之间连接有咬肌机构6，咬肌机构6的一端通过球铰连接于上颌静平台2的中部，咬肌机构6的另一端通过球铰连接于下颌动平台3的中部；颞肌机构4、咬肌机构6、翼肌机构5均包括气动肌肉8，气动肌肉8通过气路连接有气动回路，气动回路电连接有控制系统；颞肌机构4、咬肌机构6、翼肌机构5均为两组，且两组颞肌机构4、两组咬肌机构6、两组翼肌机构5均分别对称设置于支架1的左右两侧。所述上颌静平台2和下颌动平台3之间还连接有弹簧韧带7，弹簧韧带7的一端固定连接于上颌静平台2的中部，弹簧韧带7的另一端固定连接于下颌动平台3的内侧，弹簧韧带7为两组，两组弹簧韧带7对称设置于支架1的左右两侧。

本发明使用气动肌肉8作为咀嚼机器人的驱动机构，将气体压力转化为机械拉力的驱动器，橡胶管的收缩膨胀很好地模拟了真实肌肉的生物特性。本发明的驱动机构的刚度就是非线性变化的，力-位移输出的连续函数与真实的咀嚼肌肉动作相似，该驱动机构具有刚性结构无法比拟的柔顺性，使咀嚼机器人的仿生性大大提高。本发明在没有引入过多机械零件的基础上，实现了下颌动平台3的6个自由度，相较于目前存在的传统并联咀嚼机器人大大 提高了机构的紧凑性，使安装更加方便、机构的成本更低。气动肌肉主要由橡胶和细的金属格栅网组成产品，重量轻结构简单，输出力/自重比大。因此，使用气动肌肉的咀嚼机器人的重量相应减轻，输出力/自重比大，使用方便。由于咀嚼和闭口时，口腔韧带会对咀嚼肌肉起一定阻尼作用，因此使用弹簧代替颞下颌关节的韧带能很好地提高咀嚼机器人的仿生性。

气动肌肉8的气动回路为：所述气动回路包括气泵91，气泵91上设置有电动开关92，气泵91的出口通过气路顺次连接有储气罐93、气动三联件94、单向阀95、气压传感器96、比例阀97、电磁换向阀98，气动肌肉8与电磁换向阀98通过气路连接，电磁换向阀98上安装有消音器99。

实施例四

一种基于人体仿生学的人工肌肉咀嚼机器人，使用气动肌肉8替代人体主要三类咀嚼肌。下颌骨作为动平台与各气动肌肉8配合。使用弹簧代替颞下颌关节的韧带的阻尼作用。该机器人是在下颌骨结构和咀嚼肌肉的生物力学模型上建立的。咀嚼过程分为开口与闭口两大过程，由于开口过程有重力作用，而且是为闭合咀嚼做准备，并没有做有用功，因此，我们将重点对闭口肌群(咬肌、颞肌、翼状肌)以及颞下颌关节韧带进行仿生设计。主要考虑的闭口肌群包括了咬肌、翼肌、颞肌。该咀嚼机器人是由线性执行器——气动肌肉8进行驱动的。肌肉之间的连接模型化为球铰链连接，提高了各关节的自由度,依据人体解剖学，每一个驱动器的运动方向都与所肌肉力的方向一致。机器人的尺寸和人类尺寸基本一致。

其具体结构为：一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，包括支架1，支架1为半工字形，支架1的竖板固定安装有上颌静平台2，上颌静平台2位于支架的顶板与底板之间，上颌静平台2与支架1的底板之间设置有下颌动平台3；支架1与下颌动平台3之间连接有颞肌机构4和翼肌机构5，颞肌机构4的一端通过球铰连接于支架1的顶板，颞肌机构4的另一端通过球铰连接于下颌动平台3内侧，翼肌机构5的一端通过球铰连接于支架1的竖板，翼肌机构5的另一端通过球铰连接于下颌动平台3内侧；上颌静平台2和下颌动平台3之间连接有咬肌机构6，咬肌机构6的一端通过球铰连接于上颌静平台2的中部，咬肌机构6的另一端通过球铰连接于下颌动平台3的中部；颞肌机构4、咬肌机构6、翼肌机构5均包括气动肌肉8，气动肌肉8通过气路连接有气动回路，气动回路电连接有控制系统；颞肌机构4、咬肌机构6、翼肌机构5均为两组，且两组颞肌机构4、两组咬肌机构6、两组翼肌机构5均分别对称设置于支架1的左右两侧。所述上颌静平台2和下颌动平台3之间还连接有弹簧韧带7，弹簧韧带7的一端固定连接于上颌静平台2的中部，弹簧韧带7的另一端固定连接于下颌动平台3的内侧，弹簧韧带7为两组，两组弹簧韧带7对称设置于支架1的左右两侧。

本发明使用气动肌肉8作为咀嚼机器人的驱动机构，将气体压力转化为机械拉力的驱动器，橡胶管的收缩膨胀很好地模拟了真实肌肉的生物特性。本发明的驱动机构的刚度就是非线性变化的，力-位移输出的连续函数与真实的咀嚼肌肉动作相似，该驱动机构具有刚性结构无法比拟的柔顺性，使咀嚼机器人的仿生性大大提高。本发明在没有引入过多机械零件的基础上，实现了下颌动平台3的6个自由度，相较于目前存在的传统并联咀嚼机器人大大提高了机构的紧凑性，使安装更加方便、机构的成本更低。气动肌肉主要由橡胶和细的金属格栅网组成产品，重量轻结构简单，输出力/自重比大。因此，使用气动肌肉的咀嚼机器人的重量相应减轻，输出力/自重比大，使用方便。由于咀嚼和闭口时，口腔韧带会对咀嚼肌肉起一定阻尼作用，因此使用弹簧代替颞下颌关节的韧带能很好地提高咀嚼机器人的仿生性。

气动肌肉8的气动回路为：所述气动回路包括气泵91，气泵91上设置有电动开关92，气泵91的出口通过气路顺次连接有储气罐93、气动三联件94、单向阀95、气压传感器96、比例阀97、电磁换向阀98，气动肌肉8与电磁换向阀98通过气路连接，电磁换向阀98上安装有消音器99。

控制系统为：所述控制系统包括工控机，工控机通过电连接有数据采集卡，气压传感器96与数据采集卡的AD口电连接，数据采集卡的AD口还通过电连接有位移传感器、角度传感器、陀螺仪；位移传感器为六组，六组位移传感器分别安装于六组气动肌肉8上，角度传感器和陀螺仪安装于下颌动平台3上；数据采集卡的DA口分别与气泵91的电磁阀、比例阀97、电磁换向阀98电连接。

控制系统工作原理：

1、在工控机上LABVIEW控制界面上，通过USB建立与数据采集卡进行通信，收集数据采集卡AD口反馈回的气压信息。通过数据采集卡DA口来控制气泵91上的电磁阀动作，从而控制气泵91开闭及进气大小。

2、数据采集卡DA口控制电磁换向阀98阀的开闭和比例阀97的进气流量，进而达到对六组气动肌肉8进行不同顺序、不同压强的充放气，实现六组仿生肌肉运动。例如，简单的闭颌运动由对1号2号气动肌肉8充气完成颞肌提升作用。关闭电磁换向阀98放气，再对3号4号充气完成施加咀嚼力作用，再次对5号6号气动肌肉8充气完成翼肌左右运动。

3、安装于下颌的陀螺仪采集下颌的位置姿态信息，通过dsp进行并联机构姿态反解作为控制反馈量进行闭环控制，将新计算后得到各气动肌肉8所需要的流量反馈给数据采集卡。

4、上位机通过数据采集卡DA口控制比例阀97、电磁换向阀98动作，从而控制气动咀嚼机器人运动。同时，数据采集卡AD口将采集的角度传感器、压强传感器等检测信息反馈给 控制界面。

实施例五

一种基于人体仿生学的人工肌肉咀嚼机器人，使用气动肌肉8替代人体主要三类咀嚼肌。下颌骨作为动平台与各气动肌肉8配合。使用弹簧代替颞下颌关节的韧带的阻尼作用。该机器人是在下颌骨结构和咀嚼肌肉的生物力学模型上建立的。咀嚼过程分为开口与闭口两大过程，由于开口过程有重力作用，而且是为闭合咀嚼做准备，并没有做有用功，因此，我们将重点对闭口肌群(咬肌、颞肌、翼状肌)以及颞下颌关节韧带进行仿生设计。主要考虑的闭口肌群包括了咬肌、翼肌、颞肌。该咀嚼机器人是由线性执行器——气动肌肉8进行驱动的。肌肉之间的连接模型化为球铰链连接，提高了各关节的自由度,依据人体解剖学，每一个驱动器的运动方向都与所肌肉力的方向一致。机器人的尺寸和人类尺寸基本一致。

其具体结构为：一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，包括支架1，支架1为半工字形，支架1的竖板固定安装有上颌静平台2，上颌静平台2位于支架的顶板与底板之间，上颌静平台2与支架1的底板之间设置有下颌动平台3；支架1与下颌动平台3之间连接有颞肌机构4和翼肌机构5，颞肌机构4的一端通过球铰连接于支架1的顶板，颞肌机构4的另一端通过球铰连接于下颌动平台3内侧，翼肌机构5的一端通过球铰连接于支架1的竖板，翼肌机构5的另一端通过球铰连接于下颌动平台3内侧；上颌静平台2和下颌动平台3之间连接有咬肌机构6，咬肌机构6的一端通过球铰连接于上颌静平台2的中部，咬肌机构6的另一端通过球铰连接于下颌动平台3的中部；颞肌机构4、咬肌机构6、翼肌机构5均包括气动肌肉8，气动肌肉8通过气路连接有气动回路，气动回路电连接有控制系统；颞肌机构4、咬肌机构6、翼肌机构5均为两组，且两组颞肌机构4、两组咬肌机构6、两组翼肌机构5均分别对称设置于支架1的左右两侧。所述上颌静平台2和下颌动平台3之间还连接有弹簧韧带7，弹簧韧带7的一端固定连接于上颌静平台2的中部，弹簧韧带7的另一端固定连接于下颌动平台3的内侧，弹簧韧带7为两组，两组弹簧韧带7对称设置于支架1的左右两侧。

本发明使用气动肌肉8作为咀嚼机器人的驱动机构，将气体压力转化为机械拉力的驱动器，橡胶管的收缩膨胀很好地模拟了真实肌肉的生物特性。本发明的驱动机构的刚度就是非线性变化的，力-位移输出的连续函数与真实的咀嚼肌肉动作相似，该驱动机构具有刚性结构无法比拟的柔顺性，使咀嚼机器人的仿生性大大提高。本发明在没有引入过多机械零件的基础上，实现了下颌动平台3的6个自由度，相较于目前存在的传统并联咀嚼机器人大大提高了机构的紧凑性，使安装更加方便、机构的成本更低。气动肌肉主要由橡胶和细的金属格栅网组成产品，重量轻结构简单，输出力/自重比大。因此，使用气动肌肉的咀嚼机器人的 重量相应减轻，输出力/自重比大，使用方便。由于咀嚼和闭口时，口腔韧带会对咀嚼肌肉起一定阻尼作用，因此使用弹簧代替颞下颌关节的韧带能很好地提高咀嚼机器人的仿生性。

气动肌肉8的气动回路为：所述气动回路包括气泵91，气泵91上设置有电动开关92，气泵91的出口通过气路顺次连接有储气罐93、气动三联件94、单向阀95、气压传感器96、比例阀97、电磁换向阀98，气动肌肉8与电磁换向阀98通过气路连接，电磁换向阀98上安装有消音器99。

控制系统为：所述控制系统包括工控机，工控机通过电连接有数据采集卡，气压传感器96与数据采集卡的AD口电连接，数据采集卡的AD口还通过电连接有位移传感器、角度传感器、陀螺仪；位移传感器为六组，六组位移传感器分别安装于六组气动肌肉8上，角度传感器和陀螺仪安装于下颌动平台3上；数据采集卡的DA口分别与气泵91的电磁阀、比例阀97、电磁换向阀98电连接。

控制系统工作原理：

1、在工控机上LABVIEW控制界面上，通过USB建立与数据采集卡进行通信，收集数据采集卡AD口反馈回的气压信息。通过数据采集卡DA口来控制气泵91上的电磁阀动作，从而控制气泵91开闭及进气大小。

2、数据采集卡DA口控制电磁换向阀98阀的开闭和比例阀97的进气流量，进而达到对六组气动肌肉8进行不同顺序、不同压强的充放气，实现六组仿生肌肉运动。例如，简单的闭颌运动由对1号2号气动肌肉8充气完成颞肌提升作用。关闭电磁换向阀98放气，再对3号4号充气完成施加咀嚼力作用，再次对5号6号气动肌肉8充气完成翼肌左右运动。

3、安装于下颌的陀螺仪采集下颌的位置姿态信息，通过dsp进行并联机构姿态反解作为控制反馈量进行闭环控制，将新计算后得到各气动肌肉8所需要的流量反馈给数据采集卡。

4、上位机通过数据采集卡DA口控制比例阀97、电磁换向阀98动作，从而控制气动咀嚼机器人运动。同时，数据采集卡AD口将采集的角度传感器、压强传感器等检测信息反馈给控制界面。

考虑到气动肌肉8具有非线性不利于直接进行控制的缺点，将气动肌肉8输出力与位移关系通过实验拟合成为一下公式。气动肌肉8的输出力f(x)和伸长量l满足以下关系式为：

其中，P_th是克服橡胶管膨胀时的径向弹性力所需压力的临界值，K_P凡是反映橡胶管和编 织网的剪切力的一个线性弹性常数,K是现有伸长量占伸长总量的比例参数，nl(L)是因气动肌肉8为非理想圆柱体而附加的一个非线性项，(L-L0)为伸长量，l为原长，lmin为极限位置的长度，P为输入压强。

Claims (5)

1.一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，其特征在于，包括支架(1)，支架(1)为半工字形，支架(1)的竖板固定安装有上颌静平台(2)，上颌静平台(2)位于支架的顶板与底板之间，上颌静平台(2)与支架(1)的底板之间设置有下颌动平台(3)；支架(1)与下颌动平台(3)之间连接有颞肌机构(4)和翼肌机构(5)，颞肌机构(4)的一端通过球铰连接于支架(1)的顶板，颞肌机构(4)的另一端通过球铰连接于下颌动平台(3)内侧，翼肌机构(5)的一端通过球铰连接于支架(1)的竖板，翼肌机构(5)的另一端通过球铰连接于下颌动平台(3)内侧；上颌静平台(2)和下颌动平台(3)之间连接有咬肌机构(6)，咬肌机构(6)的一端通过球铰连接于上颌静平台(2)的中部，咬肌机构(6)的另一端通过球铰连接于下颌动平台(3)的中部；颞肌机构(4)、咬肌机构(6)、翼肌机构(5)均包括气动肌肉(8)，气动肌肉(8)通过气路连接有气动回路，气动回路电连接有控制系统；颞肌机构(4)、咬肌机构(6)、翼肌机构(5)均为两组，且两组颞肌机构(4)、两组咬肌机构(6)、两组翼肌机构(5)均分别对称设置于支架(1)的左右两侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，其特征在于，所述上颌静平台(2)和下颌动平台(3)之间还连接有弹簧韧带(7)，弹簧韧带(7)的一端固定连接于上颌静平台(2)的中部，弹簧韧带(7)的另一端固定连接于下颌动平台(3)的内侧，弹簧韧带(7)为两组，两组弹簧韧带(7)对称设置于支架(1)的左右两侧。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，其特征在于，所述气动回路包括气泵(91)，气泵(91)上设置有电动开关(92)，气泵(91)的出口通过气路顺次连接有储气罐(93)、气动三联件(94)、单向阀(95)、气压传感器(96)、比例阀(97)、电磁换向阀(98)，气动肌肉(8)与电磁换向阀(98)通过气路连接，电磁换向阀(98)上安装有消音器(99)。

4.根据权利要求3所述的一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，其特征在于，所述控制系统包括工控机，工控机通过电连接有数据采集卡，气压传感器(96)与数据采集卡的AD口电连接，数据采集卡的AD口还通过电连接有位移传感器、角度传感器、陀螺仪；位移传感器为六组，六组位移传感器分别安装于六组气动肌肉(8)上，角度传感器和陀螺仪安装于下颌动平台(3)上；数据采集卡的DA口分别与气泵(91)的电磁阀、比例阀(97)、电磁换向阀(98)电连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，其特征在于，气动肌肉(8)的输出力f(x)和伸长量l满足以下关系式：

$f\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}K(P-P_{th})(l-l_{\min })+K_P(L-L_0)+nl\left(L\right),& P\&GreaterEqual;P_{th}\\ K_P(L-L_0)+nl\left(L\right),& P<P_{th}\end{array}\right.$

其中，P_th是克服橡胶管膨胀时的径向弹性力所需压力的临界值，K_p凡是反映橡胶管和编织网的剪切力的一个线性弹性常数,K是现有伸长量占伸长总量的比例参数，ml(L)是因气动肌肉(8)为非理想圆柱体而附加的一个非线性项，(L-L0)为伸长量，l为原长，lmin为极限位置的长度，P为输入压强。