CN108469322A - 一种咀嚼力综合测试机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机器人技术领域，公开了一种咀嚼力综合测试机器人，用于解决现有技术由于无法横向咀嚼运动导致功能单一的问题。本发明包括静平台，所述静平台上上下对应设置有上颌运动平台和下颌运动平台，上颌运动平台包括用于安装上颌牙齿模型的上颌安装平台，上颌安装平台的上端球铰接有球副连接推力杆，球副连接推力杆的一端与上颌安装平台铰接，球副连接推力杆的另一端与静平台上端的万向节连接，上颌安装平台还配设有两个轴连接推力杆，轴连接推力杆的一端与上颌安装平台轴连接，轴连接推力杆的另一端与安装在静平台上的推杆安装套筒铰接，推杆安装套筒套设在安装在静平台下端的转动轴上。

Description

一种咀嚼力综合测试机器人
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种咀嚼力综合测试机器人，应用于食品质构检测以及口腔保健等领域。
背景技术
口腔咬合压力试验机(机器人)是一类可以模拟人类口腔咬合运动行为，从而达到对食品质构和对口腔保健提供可靠性参数的一种设备，它是集机构学、运动学、动力学、感知系统、运动控制以及机械电子等多项技术于一体的工程科学。
目前国内在口腔咀嚼运动机器人领域的研究很少，而人口老龄化现象背后所体现出来的口腔问题也日益突出，急迫需要一种能够真实的运用于牙科学、食品科学的机器人。专利号为201310602874.X的一种具有仿生颞下颌关节的冗余驱动咀嚼机器人，公开了一种具有仿生颞下颌关节的咀嚼机器人，包括机器人的机械本体结构和控制系统，其控制系统具有示教、食品评估和义齿检测三种模式，并安装了1:1颅骨模型，其上颅骨模型固定在上颌静平台，下颌骨安装在下颌动平台。此设备虽然能够模拟下颌咀嚼，具有仿生性，但结构复杂，不够稳定；并且加上运动过程中容易出现较大误差，且待测食品无法安置，导致实用性较低，对于实际的食品检测评估以及口腔保健等难以提供可靠的参数。
针对该问题，本专利申请人提出了一种应用于食品及牙科检测的单自由度咬合机器人，该专利解决了现有技术中存在的结构复杂、运行不稳定的技术问题，能够提供一定的可靠的参数，用于食品质构检测以及口腔保健等。
但是经过后续研究发现，该专利应用于食品及牙科检测的单自由度咬合机器人由于只能测量牙齿各部位的咬合力，无法横向咀嚼运动，功能单一，使得无法对咬合力进行综合性评判。
发明内容
本发明为了解决现有技术由于无法横向咀嚼运动导致功能单一的问题，而提供一种咀嚼力综合测试机器人，可以实现人类口腔的咬合和横向碾碎咀嚼，从而获得牙齿各关键部位咀嚼咬合的数据信息，具有非常高的仿生性和高准确可靠性，用于对食品质构检测和口腔保健提供全面的数据。
为解决技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种咀嚼力综合测试机器人，包括静平台，所述静平台上上下对应设置有上颌运动平台和下颌运动平台，其特征在于，所述上颌运动平台包括用于安装上颌牙齿模型的上颌安装平台，上颌安装平台的上端球铰接有球副连接推力杆，球副连接推力杆的一端与上颌安装平台铰接，球副连接推力杆的另一端与静平台上端的万向节连接，上颌安装平台还配设有两个轴连接推力杆，轴连接推力杆的一端与上颌安装平台轴连接，轴连接推力杆的另一端与安装在静平台上的推杆安装套筒铰接，推杆安装套筒套设在安装在静平台下端的转动轴上。
所述上颌安装平台配设有限位板，限位板上开设有两个限位孔，静平台上的两根相互平行的限位杆分别穿过限位孔对限位板进行限位，球副连接推力杆经球副安装底座与限位板连接，上颌安装平台和球副连接推力杆分别位于限位板的上下两侧，上颌安装平台经限位板和球副安装底座与球副连接推力杆连接；所述限位板的左右两侧连接有推杆连接板，轴连接推力杆铰接在推杆连接板上。
所述上颌安装平台上经上颌预紧螺栓连接有上颌牙齿挡块，上颌安装平台与上颌牙齿挡块之间形成用于夹持上颌牙齿模型的空间，上颌预紧螺栓穿过上颌安装平台上的通孔与上颌牙齿挡块螺纹连接。通过旋转上颌预紧螺栓，带动上颌牙齿挡块进行移动，从而将上颌牙齿模型夹紧。
所述下颌运动平台包括安装在静平台上的下颌平台底板，下颌平台底板上安装有下颌转动轴芯，下颌转动轴芯套设有下颌安装平台底板，下颌安装平台底板上安装有下颌安装平台，下颌安装平台上经下颌预紧螺栓连接有下颌牙齿挡块，下颌预紧螺栓穿过下颌安装平台上的通孔与下颌牙齿挡块螺纹连接。通过旋转下颌预紧螺栓，带动下颌牙齿挡块进行移动，从而将下颌牙齿模型夹紧。
下颌安装平台底板上安装有用于调节下颌牙齿模型位置的升降螺栓。
所述下颌转动轴芯上开设有环槽，所述环槽内设置有用于防止下颌安装平台底板轴向位置的卡簧。
所述下颌运动平台配设有检测控制系统，所述检测控制系统包括安装在下颌牙齿模型上的多个压力传感器，所述压力传感器通过串口通信模块电连接有控制芯片，控制芯片电连接有上位机，上位机控制向控制芯片发出指令控制轴连接推力杆和球副连接推力杆完成牙齿咬合和咀嚼运动，压力传感器接收到压力信息后传回至上位机，并通过上位机输出输出多个压力传感器随时间变化的压力应变曲线图。
所述压力传感器设置在下颌牙齿模型上的下牙齿切牙、下牙齿尖牙、下牙齿前磨牙和下牙齿磨牙处。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明上下对应设置的上颌运动平台和下颌运动平台，并且上颌运动平台上的上颌牙齿模型与下颌运动平台上的下颌牙齿模型上下相对设置，并结合限位板和限位杆，使咬合咀嚼运动的幅度控制在满足人类口腔运动特征的范围内，即是说通过球副连接推力杆和轴连接推力杆、以及限位板和限位杆的共同作用能够模拟口腔牙齿的咬合和四自由度咀嚼动作，从而获得牙齿各关键部位咀嚼咬合的数据信息，具有非常高的仿生性和高准确可靠性，用于对食品质构检测和口腔保健提供全面的数据。相比现有技术中上、下颌牙齿模型单一的上下运动，本发明能够提供多自由度运动与咀嚼综合力测试，参数更全面。
在多个压力传感器的测试数据基础上，本发明提出的综合咀嚼力F的计算模型为
其中Fi为各个压力传感器测得的最大力，n为传感器个数，通过该计算模型和压力传感器的位置设计，能够表达整个口腔的综合咀嚼力。
本发明的下颌牙齿模型能够在下颌安装平台底板上进行转动，以满足不同情况的咬合和咀嚼情况的测试，使得本发明获得参数更加准确和全面。同时本发明下颌牙齿模型的紧固位置还能够通过升降螺栓进行高度位置调节，同时使得本发明能够测试不同尺寸牙齿模型的参数，具有多自由度咀嚼的功能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2是本发明的静平台的结构示意图。
图3是本发明的上颌运动平台的结构示意图。
图4是本发明的上颌运动平台的另一角度的结构示意图；
图5是本发明的下颌运动平台的结构示意图；
图6是本发明的下颌运动平台的另一角度的结构示意图；
图中标记：Ⅰ、静平台，Ⅱ、上颌运动平台，Ⅲ、下颌运动平台，1、三角固定板，2、支撑板，3、底板，4、置物平台，5、弹簧夹，6、弹簧夹安装片，7、轴座支撑，8、轴承座，9、轴承，10、推杆安装套筒，11、上支撑板，12、限位杆，13、球副安装底座，14、球副安装压盖，15、限位板，16、推杆连接板，17、球副连接推力杆，18、轴连接推力杆，19、上颌预紧螺栓，20、上颌安装平台，21、上颌牙齿模型，22、万向节，23、转动轴，24、下颌牙齿挡块，25、上颌牙齿挡块，26、下颌牙齿模型，27、左侧通孔支撑，28、下颌平台底板，29、下颌安装平台底板，30、右侧螺纹孔支撑，31、升降螺栓，32、下颌预紧螺栓，33、下颌安装平台，34、下颌转动轴芯，35、卡簧。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
结合附图1—6，本发明的咀嚼力综合测试机器人，包括静平台Ⅰ，所述静平台Ⅰ上上下对应设置有上颌运动平台Ⅱ和下颌运动平台Ⅲ，所述上颌运动平台Ⅱ包括用于安装上颌牙齿模型21的上颌安装平台20，上颌安装平台20的上端球铰接有球副连接推力杆17，其中，球副连接推力杆17的一端与上颌安装平台20铰接，球副连接推力杆17的另一端与静平台Ⅰ上端的万向节22连接，上颌安装平台20还配设有两个轴连接推力杆18，轴连接推力杆18的一端与上颌安装平台20轴连接，轴连接推力杆20的另一端与安装在静平台Ⅰ上的推杆安装套筒10铰接，推杆安装套筒10套设在安装在静平台Ⅰ下端的转动轴23上。
作为本发明一种优选的方式，所述上颌安装平台20配设有限位板15，限位板15上开设有两个限位孔，限位孔与限位杆12之间具有活动空间，便于限位板15的运动；静平台Ⅰ上的两根相互平行的限位杆12分别穿过限位孔对限位板15进行限位，球副连接推力杆17经球副安装底座13与限位板15连接，上颌安装平台20和球副连接推力杆17分别位于限位板15的上下两侧，即是说上颌安装平台20经限位板15和球副安装底座13与球副连接推力杆17连接，其中球副安装底座13还配设有球副安装压盖14；所述限位板15的左右两侧连接有推杆连接板16，轴连接推力杆18铰接在推杆连接板16上，即是说轴连接推力杆18的一端与先与推杆连接板16连接，推杆连接板16与限位板15连接，最终实现轴连接推力杆18带动上颌安装平台20运动，进而带动上颌牙齿模型21进行运动。
作为本发明一种优选的方式，两个轴连接推力杆18对称的连接在限位板15的两侧，并且在运动过程中，为了更加全方位模拟压合和横向咀嚼动作，轴连接推力杆18和球副连接推力杆17与限位板15之间均具有倾斜角度，并且通过万向节22、球副安装底座13以及铰接的方式使得轴连接推力杆18和球副连接推力杆17均有一定的活动空间，作为本发明一种优选的方式，球副连接推力杆17连接在两个轴连接推力杆18中间的限位板上，从而使得轴连接推力杆18和球副连接推力杆17形成一个三角架形状，从而保证限位板运动的稳定性。
本发明上下对应设置的上颌运动平台和下颌运动平台，并且上颌运动平台上的上颌牙齿模型与下颌运动平台上的下颌牙齿模型上下相对设置，并结合限位板和限位杆，使咬合咀嚼运动的幅度控制在满足人类口腔运动特征的范围内，即是说通过球副连接推力杆和轴连接推力杆、以及限位板和限位杆的共同作用能够模拟口腔牙齿的咬合和四自由度咀嚼动作，从而获得牙齿各关键部位咀嚼咬合的数据信息，具有非常高的仿生性和高准确可靠性，用于对食品质构检测和口腔保健提供全面的数据。相比现有技术中上、下颌牙齿模型单一的上下运动，本发明能够提供多自由度运动与咀嚼综合力测试，参数更全面。
作为本发明一种优选的方式，为了便于上颌牙齿模型的装夹，所述上颌安装平台20上经上颌预紧螺栓19连接有上颌牙齿挡块25，上颌安装平台20与上颌牙齿挡块25之间形成用于夹持上颌牙齿模型21的空间，上颌预紧螺栓19穿过上颌安装平台20上的通孔与上颌牙齿挡块25螺纹连接。通过旋转上颌预紧螺栓19，带动上颌牙齿挡块25进行移动，从而将上颌牙齿模型夹紧。
所述下颌运动平台Ⅲ包括安装在静平台Ⅰ上的下颌平台底板28，下颌平台底板28经过螺栓固定在静平台Ⅰ的底板3上，下颌平台底板28上安装有下颌转动轴芯34，下颌转动轴芯34套设有下颌安装平台底板29，下颌安装平台底板29上安装有下颌安装平台33，下颌安装平台33上经下颌预紧螺栓32连接有下颌牙齿挡块24，下颌预紧螺栓32穿过下颌安装平台33上的通孔与下颌牙齿挡块24螺纹连接，下颌安装平台33与下颌牙齿挡块24之间形成用于夹持下颌牙齿模型26的空间。通过旋转下颌预紧螺栓，带动下颌牙齿挡块24进行移动，从而将下颌牙齿模型26夹紧。下颌安装平台底板29上安装有用于调节下颌牙齿模型26位置的升降螺栓31，通过旋转升降螺栓31，从而调节下颌安装平台底板29与下颌平台底板28之间的角度，进而带动下颌安装平台底板29在下颌转动轴芯34上进行转动，以满足不同情况的咬合和咀嚼情况的测试，使得本发明获得参数更加准确和全面；同时本发明下颌牙齿模型的紧固位置还能够通过升降螺栓进行高度位置调节，同时使得本发明能够测试不同尺寸牙齿模型的参数，具有使用范围广的特点。
作为本发明一种优选的方式，下颌平台底板28上安装有左侧通孔支撑27和右侧螺纹孔支撑30，左侧通孔支撑27和右侧螺纹孔支撑30分别通过螺栓安装在下颌平台底板28的左侧和右侧，下颌转动轴芯34根部有螺纹，从右侧螺纹孔支撑30穿过，穿过下颌安装平台底板29上的通孔，末端置于左侧通孔支撑27中。下颌转动轴芯34有一个环槽，卡簧安装在环槽处，用以限制下颌安装平台底板29的轴向位移，下颌转动轴芯34和下颌安装平台底板29通孔间隙配合，卡簧25也与下颌安装平台底板29左侧间隙配合，以使下颌安装平台底板29能够相对下颌转动芯轴34转动。通过卡簧35和下颌转动芯轴上的螺纹共同限制下颌安装平台底板29的轴向位移。
本发明的下颌牙齿模型能够在下颌安装平台底板上进行转动，以满足不同情况的咬合和咀嚼情况的测试，使得本发明获得参数更加准确和全面。同时本发明下颌牙齿模型的紧固位置还能够通过升降螺栓进行高度位置调节，同时使得本发明能够测试不同尺寸牙齿模型的参数，具有多自由度咀嚼的功能。
优选的，下颌平台底板28上还安装有置物平台4，弹簧夹安装片6通过螺钉安装在置物平台4右侧，弹簧夹5插进弹簧夹安装片6的孔内。
本发明的静平台Ⅰ主要起到一个固定和支撑的作用，只要保证静平台Ⅰ平稳固定即可，其结构形式也比较多，例如结合附图2，作为本发明一种选择的方式，静平台Ⅰ包括四个三角固定板1、两个支撑板2、底板3、两根限位杆12、上支撑板11、两个轴座支撑7、两个轴承座8、两个轴承9、两个推杆安装套筒10、转动轴23、万向节22。其中两个支撑板2通过螺栓固定在底板3两侧，四个三角固定板1通过螺栓两个一组，分别固定在两个支撑板2上，上支撑板11通过螺栓固定在四个三角固定板1上，两根限位杆12分别穿过上支撑板11的通孔，两个轴座支撑7通过螺栓分别固定在底板3的两角，两个轴承座8通过螺栓分别固定在两个轴座支撑7上，转动轴23通过两个轴承9固定在轴承座8上，转动轴23有两个销孔，两个推杆安装套筒10分别通过两个销轴固定在转动轴23上，万向节22通过四个螺栓固定在上支撑板11的底侧。
所述下颌运动平台配设有检测控制系统，所述检测控制系统包括安装在下颌牙齿模型26上的多个压力传感器，所述压力传感器26通过串口通信模块电连接有控制芯片，控制芯片电连接有上位机，上位机控制向控制芯片发出指令控制轴连接推力杆18和球副连接推力杆17完成牙齿咬合和咀嚼运动，压力传感器接收到压力信息后传回至上位机，并通过上位机输出输出多个压力传感器随时间变化的压力应变曲线图，也可以查看多个传感器数据整合分析后的咬合力变化曲线。
所述压力传感器设置在下颌牙齿模型26上的下牙齿切牙、下牙齿尖牙、下牙齿前磨牙和下牙齿磨牙处，在多个传感器的测试数据基础之上，由上位机得到综合咀嚼力F，
其中Fi为各个压力传感器测得的最大力，n为传感器个数，在多个压力传感器的测试数据基础上，通过该计算模型和压力传感器的位置设计，能够表示整个口腔的综合咀嚼力。
下面，结合具体数据列举具体实施例对本发明做进一步解释和说明。
具体实施
结合以上具体实施内容和附图，控制芯片采用STM32F407，成年人口腔下颌前后和左右的位移量约为5mm，设置两个限位杆12的直径为5mm，两个限位杆12下端抵在置物平台4上，限位板15上的两个限位孔宽度均为10mm，长度为10mm，初始位置时限位杆位于限位孔正中处。

Claims (8)

1.一种咀嚼力综合测试机器人，包括静平台(Ⅰ)，所述静平台(Ⅰ)上上下对应设置有上颌运动平台(Ⅱ)和下颌运动平台(Ⅲ)，其特征在于，所述上颌运动平台(Ⅱ)包括用于安装上颌牙齿模型(21)的上颌安装平台(20)，上颌安装平台(20)的上端球铰接有球副连接推力杆(17)，球副连接推力杆(17)的一端与上颌安装平台(20)铰接，球副连接推力杆(17)的另一端与静平台(Ⅰ)上端的万向节(22)连接，上颌安装平台(20)还配设有两个轴连接推力杆(18)，轴连接推力杆(18)的一端与上颌安装平台(20)轴连接，轴连接推力杆(18)的另一端与安装在静平台(Ⅰ)上的推杆安装套筒(10)铰接，推杆安装套筒(10)套设在安装在静平台(Ⅰ)下端的转动轴(23)上。
2.根据权利要求1所述的咀嚼力综合测试机器人，其特征在于，所述上颌安装平台(20)配设有限位板(15)，球副连接推力杆(17)经球副安装底座(13)与限位板(15)连接，上颌安装平台(20)和球副连接推力杆(18)分别位于限位板(15)的上下两侧，上颌安装平台(20)经限位板(15)和球副安装底座(13)与球副连接推力杆(17)连接；所述限位板(15)的左右两侧连接有推杆连接板(16)，轴连接推力杆(18)铰接在推杆连接板(16)上。
3.根据权利要求2所述的咀嚼力综合测试机器人，其特征在于，所述上颌安装平台(20)上经上颌预紧螺栓(19)连接有上颌牙齿挡块(25)，上颌安装平台(20)与上颌牙齿挡块(25)之间形成用于夹持上颌牙齿模型(21)的空间，上颌预紧螺栓(19)穿过上颌安装平台(20)上的通孔与上颌牙齿挡块(21)螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的咀嚼力综合测试机器人，其特征在于，所述下颌运动平台(Ⅲ)包括安装在静平台(Ⅰ)上的下颌平台底板(28)，下颌平台底板(28)上安装有下颌转动轴芯(34)，下颌转动轴芯(34)套设有下颌安装平台底板(29)，下颌安装平台底板(29)上安装有下颌安装平台(33)，下颌安装平台(33)上经下颌预紧螺栓(32)连接有下颌牙齿挡块(24)，下颌安装平台(33)与下颌牙齿挡块(24)之间形成用于夹持下颌牙齿模型(26)的空间，下颌预紧螺栓(32)穿过下颌安装平台(33)上的通孔与下颌牙齿挡块(24)螺纹连接。
5.根据权利要求4所述的咀嚼力综合测试机器人，其特征在于，所述下颌安装平台底板(29)上安装有用于调节下颌牙齿模型(26)位置的升降螺栓(31)。
6.根据权利要求4所述的咀嚼力综合测试机器人，其特征在于，所述下颌转动轴芯(34)上开设有环槽，所述环槽内设置有用于防止下颌安装平台底板(29)轴向位置的卡簧(35)。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的咀嚼力综合测试机器人，其特征在于，所述下颌运动平台配设有检测控制系统，所述检测控制系统包括安装在下颌牙齿模型上的多个压力传感器，所述压力传感器通过串口通信模块电连接有控制芯片，控制芯片电连接有上位机，上位机控制向控制芯片发出指令控制轴连接推力杆和球副连接推力杆完成牙齿咬合和咀嚼运动，压力传感器接收到压力信息后传回至上位机，并通过上位机输出输出多个压力传感器随时间变化的压力应变曲线图。
8.根据权利要求7所述的咀嚼力综合测试机器人，其特征在于，所述压力传感器设置在下颌牙齿模型(26)上的下牙齿切牙、下牙齿尖牙、下牙齿前磨牙和下牙齿磨牙处，在多个传感器的测试数据基础之上，由上位机得到综合咀嚼力F，
其中Fi为各个压力传感器测得的最大力，n为传感器个数。
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