CN108072582A - 并联式义齿摩擦试验机及测试摩擦磨损的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联式义齿摩擦试验机及测试方法，属于摩擦磨损测试领域，要解决的问题为目前的义齿摩擦磨损试验机不能模拟复杂的口腔下颌运动轨迹和口腔环境。其结构包括试验机体、多自由度并联机构、电动缸、唾液回收器和唾液喷头、力传感器与加速度传感器、义齿夹具、显示与控制单元。其方法为输入下颌运动轨迹函数，控制系统针对此运动轨迹反解出六个舵机的转动角度随时间的转动函数，并控制多自由度并联机构运动，带动两个试样之间进行模拟咀嚼的摩擦运动，并通过传感器采集加速度、力信号及数据处理输出摩擦系数、滑动速度等数据。

Description

并联式义齿摩擦试验机及测试摩擦磨损的方法

技术领域

本发明属于一种在模拟真实口腔运动情况下进行义齿与天然牙、义齿与义齿之间的摩擦磨损测试的装置及测试方法，特别是一种空间六自由度口腔咀嚼运动模拟摩擦磨损试验机。

背景技术

随着人们生活水平的提高，不管从耐磨性还是美观方面对义齿的要求越来越来高。如果修复材料与天然牙釉质磨损性能相差较大，比如磨损性强于天然牙釉质，会造成天然牙釉质过度损耗，天然牙严重磨损会对牙体硬组织、牙周组织、口颌系统肌肉组织以及颞颌关节造成损伤，在临床上会表现为牙本质过敏、牙髓炎、牙周炎症、食物嵌塞，甚至颞颌关系紊乱综合征；若磨损性低于天然牙釉质，又会使修复体在短期内磨损过多，失去咬合功能。理想的修复材料应具有与天然牙相近的磨损性。因此国内外学者就复杂口腔环境下义齿的磨损展开了深入研究。

目前国内外学者对义齿的耐磨性的研究主要基于体内评估和体外模拟磨损试验。前者通过患者口腔观察和临床经验，或者间接测量和分析义齿的磨损性能。但其本身具有严重的局限性，比如周期长、试验的控制性差、试验中不可控因素很多，且缺乏重复试验的可能。因此需要一种摩擦试验机评价临床上常用的几种材料，寻找摩擦性能最接近天然牙釉质的修复材料，为其临床提供相关理论依据。

国外已有众多专家和技术人员进行体外下颌运动模拟样机的设计。国外研究的Hanau颌架能完全模拟下颌运动，而模拟下颌运动轨迹比较接近实际下颌骨的运动轨迹。Hanau颌架通过上部的环形圈和紧固件螺钉固定上颌骨和下颌骨模型，以侧柱来调节侧方髁倒斜度，以切到盘、切导凹和切导针来调节切导斜度，以此实现模拟人体口腔下颌的运动。但Hanau颌架主要用于人体口腔生理学的研究，在临床上，大多数根据临床实践来做定性分析，如记录下颌运动的轨迹用来分析实验数据。但是很少有用来进行义齿和天然牙、义齿与义齿之间的摩擦磨损、疲劳测试和寿命预测，本产品主要针对在真实模拟口腔下颌运动的情况下进行摩擦磨损的测试。

国内现有的义齿摩擦试验机主要是摩擦试验机改造而成的，其运动形式主要为直线往复式、针-盘式、球-盘式、销盘式，虽然能简单的模拟口内的唾液湿润和温度环境，但是不能真实的模拟口腔的下颌运动和口腔复杂的环境。郑侃等设计的口腔环境模拟试验机发明专利号：201210306950.8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组成，采用偏心轮和减速器实现口颌两自由度运动，且能模拟口腔的温度和唾液湿润，但其运动较为单一，自动化程度很低，更不能很好的模拟人体口腔下颌的运动。宋晓菲等设计的三维口腔修复体体外磨削修复模拟试验机发明专利号：20061001368.1可以实现X方向、Y方向、Z方向的移动，此发明虽然有三个自由度但是不能很好的模拟人体口腔下颌的运动，且没有考虑人体口腔真实的复杂环境。

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下颌运动的情况下进行义齿和天然牙、义齿与义齿之间的摩擦磨损、疲劳测试和寿命预测试验的并联式义齿摩擦试验机。

为达到上述技术目的，本发明的技术解决方案为：并联式义齿摩擦试验机，由试验机体、多自由度并联机构、电动缸、唾液回收器和唾液喷头、力传感器与加速度传感器、义齿夹具、显示与控制单元构成。

依据本发明的实施例，提供一种并联义齿摩擦试验机，包括：

试验机体，为立式结构；

多自由度并联机构，安装在机体上；

电动缸，安装在机体上部；

唾液回收器和唾液喷头，安装在多自由度并联机构动平台上；

义齿夹具，安装在三向力传感器下部和三向加速度传感器上部；

三向力传感器，设置在电动缸末端；

三向加速度传感器，设置在唾液回收器上；

所述的并联式义齿摩擦试验机主传动机构为并联机构。

所述并联机构有6个自由度，可以模拟人咀嚼时复杂的下颌运动。

所述多自由度并联机构为混联式多自由度机械臂，且该混联式多自由度机械臂配置为：

静平台，构成所述座端，且该静平台的下表面平置在机体上；

并联运动单元，配有多个，并均置在静平台的上表面边缘；

动平台，构成所述上端，而联集并联单元的尾端；

其中，并联单元含有一个关节而形成并联单元内的并联臂的串联。

所述电动缸可实现垂直方向的直线运动，用于根据不同试样调节上夹具的位置。

唾液回收器分为两腔，一腔为原唾液腔，另一腔为回收唾液腔。

所述的唾液喷头采用锥形喷嘴，沿着导管与原液腔连接。

所述义齿夹具，其特征在于采用在卡盘爪上装有硬橡胶的三爪卡盘。

根据本发明的实施例，还提供了一种使用前述的并联式义齿摩擦试验机的对义齿摩擦磨损性能进行检测的方法，包括以下步骤：

1) 用义齿夹具加紧义齿或者天然牙；

2) 根据已知的下颌运动轨迹函数，对此试验机的控制系统输入并联机构在X、Y、Z方向的位移与时间的运动函数以及在X、Y、Z方向的转角与时间的运动函数，控制系统对此运动轨迹进行反解，解出六个舵机的转动角度随时间的转动函数，用此运动函数对舵机进行控制；

3) 启动电动缸，伸长到使两个义齿试样接触的位置，并保持位置不变；

4) 启动多自由度并联机构，两个试样之间进行模拟咀嚼的摩擦运动，并通过传感器采集加速度、力信号及数据处理输出摩擦系数、滑动速度等数据。

本发明与国内现有技术相比，由如下显著优点：1采用运动精度高、工作载荷高、反映速度快、刚度高、易于实现反馈控制的六自由度并联机构作为主传动机构，可较为真实地模拟下颌运动轨迹；2通过唾液回收器和唾液喷头可模拟口腔真实环境；3控制系统有完整的闭环系统，通过传感器的反馈，能精确的控制输入参数达到更真实的摩擦效果，自动化程度高，便于操作；4夹具采用三角卡盘加硬橡胶的形式，更换式样义齿方便，加持稳固。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为并联式义齿摩擦试验机主视图。

图2为主要传动机构及唾液回收器和唾液喷头放大图。

图3为唾液回收器内部结构图。

图4为义齿夹具三维模型图。

图5为试验机整体控制框图。

图6为摩擦系数计算示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明由试验机体8、多自由度并联机构1、唾液回收器和唾液喷头2、义齿夹具4、5、加速度传感器3与力传感器6、电动缸7、显示与控制单元构成，所述的多自由度并联机构、唾液回收器和唾液喷头分别与显示与控制单元连接，并均安装在试验机机体8上中，多自由度并联机构1处于机体8上，模拟人口腔下颌的运动，唾液回收器和唾液喷头位于并联机构1的动平台13上；三向加速度传感器3位于唾液回收器23上；下夹具4位于三向加速度传感器3上；可垂直伸缩的电动缸7与机体8上底板相连；三向力传感器6位于电动缸7的下面；夹具5与三向力传感器6连接。当试验机工作时，控制单元接收实验者输入的下颌运动轨迹的方程，控制系统对此方程进行反解，得到并联机构舵机转动角度随时间函数，以此求出不同时刻的舵机角度，然后对舵机14进行控制，以此便实现了轨迹的仿真；控制系统根据实验者输入的唾液喷射频率进行唾液喷射。

如图2所示，喷嘴支撑架21靠螺钉固定在动平台13边缘位置，微型液压水泵固定在原液箱里面，喷嘴22固定在支撑架21之上。

如图3所示，所述的唾液回收器23由原液箱231、微型液压水泵232、垂直中心管233、唾液回收箱234构成喷射回路。唾液回收器23靠螺钉固定在并联机构1的动平台13上。当试验机工作时，用夹具固定义齿与天然牙，按照输入的唾液供给量，由微型液压泵232从原液箱231中泵入唾液，经过水管由锥形喷嘴喷出，已使用的液体经空心管233流入唾液回收箱。

如图4所示，义齿夹具由卡盘爪31、夹具盘32、硬橡胶33组成。夹具盘32通过垂直空心柱和螺钉固定在三向加速度传感器3之上，卡盘爪31靠螺纹固定在夹具盘32上，硬橡胶33固定在卡盘爪31前段的凹口里。该夹具可装夹尺寸不一、形状不规则的义齿试样，且硬橡胶结构保证既稳固又能保护试样不被破坏。

如图5所示，中央处理器、伺服电机，舵机141-146、微型液压泵232、三向加速度传感器5、三向力传感器6、A/D转换器、D/A转换器共同构成了如图所示的控制系统的闭合回路。试验机前输入下颌运动函数，设置最大法向力，控制系统对此方程进行反解，得到并联机构舵机141-146转动角度随时间的函数。并对微型液压泵232设置唾液供给量。试验机工作时，并联机构舵机141-146按计算出的角度函数进行运动，与此同时，三向加速度传感器实时采集并联机构的运动信号，经A/D转换输入到中央处理器中，并计算出速度和位移，与理想路径进行对比，计算出其误差并对舵机141-146进行误差矫正；三向力传感器6采集力信号，经A/D转换输入到中央处理器中，中央处理器与力的设定值相比较，如果超过设定值，则控制伺服电机收缩电动缸7。中央处理器根据三向力传感器6的力信号数据，进行计算，输出实时摩擦系数。这种闭合的反馈控制系统可以模拟咀嚼时复杂的下颌运动，得到准确的实验结果。

摩擦系数的求解如图6所示，在义齿摩擦试验机工作时，两个义齿之间相互摩擦，沿义齿接触点相对运动速度方向的力为切向力F _t，垂直于相对运动速度的力为法向力F _n，F _n与竖直方向夹角为θ。三向力传感器测得三个方向的力分别为F _X、F _Y、F _Z由几何关系可得：

(1)

(2)

其中F为F _X、F _Y的矢量和。

则摩擦系数为：

(3)。

Claims (9)

1.一种并联义齿摩擦试验机，其特征在于，包括：

试验机体，为立式结构；

多自由度并联机构，安装在机体上；

电动缸，安装在机体上部；

唾液回收器和唾液喷头，安装在多自由度并联机构动平台上；

义齿夹具，安装在三向力传感器下部和三向加速度传感器上部；

三向力传感器，设置在电动缸末端；

三向加速度传感器，设置在唾液回收器上；

显示屏，设置在机体右部。

2.根据权利要求1所述的并联式义齿摩擦试验机，其特征在于试验机主传动机构为并联机构。

3.根据权利要求2所述的义齿摩擦试验机，其特征在于，所述并联机构有6个自由度，可以模拟人咀嚼时复杂的下颌运动。

4.根据权利要求1~3任一所述的义齿饰面瓷涂覆机器人，其特征在于，所述多自由度并联机构为混联式多自由度机械臂，且该混联式多自由度机械臂配置为：

静平台，构成所述座端，且该静平台的下表面平置在机体上；

并联运动单元，配有多个，并均置在静平台的上表面边缘；

动平台，构成所述上端，而联集并联单元的尾端；

其中，并联单元含有一个关节而形成并联单元内的并联臂的串联。

5.根据权利要求1所述的并联式义齿摩擦试验机，其特征在于，所述电动缸可实现垂直方向的直线运动，用于根据不同试样调节上夹具的位置。

6.根据权利要求1所述的并联式义齿摩擦试验机，其特征在于，所述唾液回收器分为两腔，一腔为原唾液腔，另一腔为回收唾液腔。

7.根据权利要求1所述的义齿摩擦试验机，其特征在于，所述的唾液喷头采用锥形喷嘴，沿着导管与原液腔连接。

8.根据权利要求1所述的并联式义齿摩擦试验机，其特征在于，所述义齿夹具，其特征在于采用在卡盘爪上装有硬橡胶的三爪卡盘。

9.一种使用权利要求1~8任一所述的并联式义齿摩擦试验机的对义齿的摩擦磨损性能的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1) 用义齿夹具加紧义齿或者天然牙；

2) 根据已知的下颌运动轨迹函数，对此试验机的控制系统输入并联机构在X、Y、Z方向的位移与时间的运动函数以及在X、Y、Z方向的转角与时间的运动函数，控制系统对此运动轨迹进行反解，解出六个舵机的转动角度随时间的转动函数，用此运动函数对舵机进行控制；

3) 启动电动缸，伸长到使两个义齿试样接触的位置，并保持位置不变；

4) 启动多自由度并联机构，两个试样之间进行模拟咀嚼的摩擦运动，并通过传感器采集加速度、力信号及数据处理输出摩擦系数、滑动速度等数据。