CN108717818B - 多自由度口腔运动模拟机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度口腔运动模拟机器人，其包括底板、XY工作平台、上颌动平台支柱、上颌动平台、下颌固定板、下颌动平台支柱、下颌动平台、直线驱动装置和微型压力传感器。本发明的多自由度口腔运动模拟机器人在使用时，可以控制XY工作平台使下颌动平台获得在水平面内的两个运动自由度，并且通过三个直线驱动装置和鱼眼杆端关节轴承为下颌动平台提供矢状轴、冠状轴和垂直轴三个方向的旋转自由度，可以模拟矢状轴、冠状轴和垂直轴三个方向的旋转和移动，再现人类真实的咀嚼运动轨迹。

Description

多自由度口腔运动模拟机器人

技术领域

本发明涉及一种多自由度口腔运动模拟机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

口腔运动模拟机器人是根据仿生原理对人类口颌系统进行仿生设计与制造，再现人类下颌运动与咀嚼力的设备装置，采用传感器对咀嚼系统与咀嚼过程的主要参数进行测量和分析，进行不易于在人类真实口腔进行的科学实验。在牙科学、食品科学、生物力学与医疗康复等领域获得广泛关注。口腔运动模拟机器人研究是包括机构学、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。

目前口腔运动模拟机器人在机械结构和控制方面，对咀嚼运动多采用并联机构或典型的斯图尔特平台及其变形机构；例如公开日为2016年11月9日、公开号为CN201610408044.7、发明名称为“一种用于义齿及食品检测仿生咀嚼机器人”的专利申请，它提出了一种驱动链式结构，实现了下颌动平台的矢状面移动，具有结构简单，控制运算简便的优点。但是，这种仿生咀嚼机器人只能实现平面移动和矢状面移动，不能满足冠状面移动的自由度驱动需求，不能使下颌动平台实现六自由度运动，在下颌运动轨迹上并不能达到真实接近人类口腔咀嚼运动。

发明内容

为了解决现有仿生咀嚼机器人中存在的问题，本发明提供了一种多自由度口腔运动模拟机器人。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种多自由度口腔运动模拟机器人，其包括底板、XY工作平台、上颌动平台支柱、上颌动平台、下颌固定板、下颌动平台支柱、下颌动平台、直线驱动装置和微型压力传感器；

所述底板水平设置，所述XY工作平台设置于所述底板上；所述XY工作平台上设置有下颌固定板；

所述底板上沿竖直方向设置有两个上颌动平台支柱，并且所述上颌动平台上开设有两个上颌螺纹孔；所述两个上颌螺纹孔之间相互平行，并且每一个上颌螺纹孔内均固定有带螺纹的连杆；所述带螺纹的连杆通过十字固定块将所述上颌动平台固定于所述上颌动平台支柱的上端；

所述下颌固定板水平设置，并且所述下颌固定板上设置有两个下颌动平台支柱，所述下颌动平台支柱竖直设置；

所述下颌动平台包括下颌动平台上固定板、下颌动平台下固定板和下颌动平台连接板；所述下颌动平台连接板上开设有仿生空间，所述下颌动平台上固定板通过螺钉固定于所述下颌动平台连接板的上表面上，所述下颌动平台下固定板通过螺钉固定于所述下颌动平台连接板的下表面上；

所述下颌动平台连接板的固定面上开设有四个螺纹孔，通过连接块和鱼眼杆端关节轴承的杆部固定；所述鱼眼杆端关节轴承的鱼眼端插入连接杆；所述连接杆的两端分别通过十字固定块固定于所述下颌动平台支柱的上端；

所述下颌动平台的形状为向外凸出的圆弧状，所述下颌固定板上开设有三个安装孔，在每一个安装孔内均设置一个直线驱动装置；并使得一个直线驱动装置位于两个切牙的中点，以及另外两个直线驱动装置位于分别位于两侧的第一磨牙和第三磨牙的中点；

所述直线驱动装置包括驱动电机、梯形丝杠、丝杠螺母、导向杆和支撑杆；

所述驱动电机的壳体固定于所述下颌固定板上，并位于所述下颌固定板的下方，所述驱动电机的转子穿过所述安装孔位于所述下颌固定板的上方；

所述驱动电机的转子同轴连接有梯形丝杠，所述梯形丝杠上套设有丝杠螺母，所述丝杠螺母上形成有两个导向块；在所述下颌固定板上竖直设置有两个导向杆，所述导向杆上均沿竖直方向开设有导向槽，所述导向块与所述导向槽配合，使得丝杠螺母沿所述导向杆上下滑动；所述丝杠螺母上固定有支撑杆，所述支撑杆为管状，所述梯形丝杠能够运动至所述支撑杆的内部；所述支撑杆的下端固定有所述丝杠螺母；

所述支撑杆的上端设置有直线球头杆端关节轴承，所述直线球头杆端关节轴承的杆部固定于所述支撑杆的上端，所述直线球头杆端关节轴承的球窝与所述下颌动平台接触；

所述下颌动平台连接板上开设有第一凹槽至第七凹槽，在所述第一凹槽至第七凹槽内均安装有微型压力传感器，所述第一凹槽圆心与两切牙中点重合，位于下颌动平台仿生空间最底端；第二凹槽和第三凹槽圆心分别与左右两侧尖牙中点重合，所述第二凹槽和第三凹槽的下表面高于所述第一凹槽的下表面；第四凹槽和第五凹槽圆心分别与左右两侧第一磨牙中点重合，所述第四凹槽和第五凹槽的下表面高于所述第二凹槽的下表面；第六凹槽和第七凹槽圆心分别与左右两侧第三磨牙中点重合，所述第六凹槽和第七凹槽的下表面高于所述第四凹槽的下表面。

可选的，所述XY工作平台可以包括X轴运动平台以及设置于所述X轴运动平台上，并且沿垂直于X轴运动平台的移动方向的Y轴运动平台。

可选的，所述下颌固定板设置于所述XY工作平台的Y轴运动平台的滑块上。

可选的，每一个带螺纹的连杆通过一个十字固定块固定于一个上颌动平台支柱的上端。

可选的，两个下颌动平台支柱均位于两个下颌动平台支柱之间。

可选的，所述直线球头杆端关节轴承的球窝与所述下颌动平台的下颌动平台下固定板接触。

可选的，七个微型压力传感器分别被安装在第一凹槽至第七凹槽内。

本发明具有如下有益效果：本发明的多自由度口腔运动模拟机器人在使用时，可以控制XY工作平台使下颌动平台获得在水平面内的两个运动自由度，并且通过三个直线驱动装置和鱼眼杆端关节轴承为下颌动平台提供矢状轴、冠状轴和垂直轴三个方向的旋转自由度，可以模拟矢状轴、冠状轴和垂直轴三个方向的旋转和移动，再现人类真实的咀嚼运动轨迹。

附图说明

图1为本发明的多自由度口腔运动模拟机器人的结构示意图(去除上颌动平台和下颌动平台)；

图2为本发明的XY工作平台的结构示意图；

图3为本发明的多自由度口腔运动模拟机器人的结构示意图；

图4为图3的右视图；

图5为本发明的下颌动平台的结构示意图；

图6为本发明的直线驱动装置的结构示意图；

图7为本发明的下颌动平台连接板的结构示意图；

图8为本发明的微型压力传感器的安装位置结构示意图；

图中标记示意为：1-底板；2-XY工作平台；21-X轴运动平台；22-Y轴运动平台；3-上颌动平台支柱；4-上颌动平台；5-下颌固定板；6-下颌动平台支柱；7-下颌动平台；71-下颌动平台上固定板；72-下颌动平台连接板；73-下颌动平台下固定板；8-直线驱动装置；81-驱动电机；82-梯形丝杠；83-丝杠螺母；84-导向杆；85-支撑杆；9-微型压力传感器；10-带螺纹的连杆；15-十字固定块；16-中间连接杆；17-鱼眼杆端关节轴承；18-连接块；19-连接杆；20-中间过渡杆；25-直线球头杆端关节轴承；26-下颌假牙支撑柱；27-上颌假牙支撑柱；31-第一凹槽；32-第二凹槽；33-第三凹槽；34-第四凹槽；35-第五凹槽；36-第六凹槽；37-第七凹槽。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

本实施例提供了一种多自由度口腔运动模拟机器人，包括底板、XY工作平台、上颌动平台支柱、上颌动平台、下颌固定板、下颌动平台支柱、下颌动平台、直线驱动装置和微型压力传感器。

所述XY工作平台设置于所述底板上，通过XY工作平台实现下颌动平台在水平面内的移动，即所述XY工作平台能够实现水平面内的二维运动。本实施例中，所述XY工作平台可以包括X轴运动平台以及设置于所述X轴运动平台上，并且沿垂直于X轴运动平台的移动方向的Y轴运动平台；本实施例中，所述X轴运动平台和Y轴运动平台均可以采用现有技术中常见的电机驱动滚珠丝杆实现，在此不再详述。

所述XY工作平台上设置有下颌固定板，例如，所述下颌固定板设置于所述XY工作平台的Y轴运动平台的滑块上，由此使得所述下颌固定板能够在XY工作平台的带动下，在水平面内运动。

所述底板上沿竖直方向设置有两个上颌动平台支柱，本实施例中，所述底板水平设置，从而使得所述上颌动平台支柱垂直于所述底板设置，并且所述上颌动平台上开设有两个上颌螺纹孔，所述两个上颌螺纹孔之间相互平行，并且每一个上颌螺纹孔内均固定有带螺纹的连杆，所述带螺纹的连杆通过十字固定块将所述上颌动平台固定于所述上颌动平台支柱的上端，即两个带螺纹的连杆分别通过一个十字固定块固定于中间连接杆的两端，所述中间连接杆的两端分别通过一个十字固定块固定于所述上颌动平台支柱的上端。

所述下颌固定板水平设置，并且所述下颌固定板上设置有两个下颌动平台支柱，所述下颌动平台支柱竖直设置，即垂直于所述下颌固定板设置；本实施例中，两个下颌动平台支柱均位于两个下颌动平台支柱之间。

所述下颌动平台通过鱼眼杆端关节轴承固定于所述下颌动平台支柱上，本实施例中，所述下颌动平台包括下颌动平台上固定板、下颌动平台下固定板和下颌动平台连接板；所述下颌动平台连接板上开设有仿生空间，本实施例中，所述下颌动平台上固定板通过螺钉固定于所述下颌动平台连接板的上表面上，所述下颌动平台下固定板通过螺钉固定于所述下颌动平台连接板的下表面上。

所述下颌动平台连接板的固定面上开设有四个螺纹孔，通过连接块和鱼眼杆端关节轴承的杆部固定；所述鱼眼杆端关节轴承的鱼眼端插入连接杆，以使得所述连接杆和鱼眼杆端关节轴承之间可以相互运动，并使得下颌动平台能够相对于所述连接杆转动和摆动。

所述连接杆的两端通过十字固定块固定于所述下颌动平台支柱的上端，从而实现连接杆位置的固定，并进一步地，限制所述下颌动平台的位置；本实施例中，所述连接杆的两端通过十字固定块分别固定于两个中间过渡杆的一端，所述两个中间过渡杆的另一端分别通过十字固定块固定于两个下颌动平台支柱的上端。

所述下颌固定板上开设有三个安装孔，在每一个安装孔内均设置一个直线驱动装置，本实施例中，所述直线驱动装置包括驱动电机、梯形丝杠、丝杠螺母、导向杆和支撑杆。

所述驱动电机的壳体固定于所述下颌固定板上，并位于所述下颌固定板的下方，所述驱动电机的转子穿过所述安装孔位于所述下颌固定板的上方，同时所述驱动电机的转子同轴连接有梯形丝杠，所述梯形丝杠上套设有丝杠螺母，本实施例中，所述丝杠螺母上形成有两个导向块，而且在所述下颌固定板上竖直设置有两个导向杆，所述导向杆上均沿竖直方向开设有导向槽，所述导向块与所述导向槽配合，从而使得丝杠螺母在梯形丝杠的驱动下，能够沿所述导向杆上下运动。

所述丝杠螺母上固定有支撑杆，本实施例中，所述支撑杆为管状，并可以使得所述梯形丝杠运动至所述支撑杆的内部，此时，所述支撑杆的下端固定有所述丝杠螺母。

所述支撑杆的上端设置有直线球头杆端关节轴承，此时，所述直线球头杆端关节轴承的杆部固定于所述支撑杆的上端，所述直线球头杆端关节轴承的球窝可与所述下颌动平台接触，即与所述下颌动平台的下颌动平台下固定板接触。

本实施例中，所述下颌动平台的形状为向外凸出的圆弧状，在所述下颌动平台的圆弧顶点(中心点)处设置一个直线驱动装置，即使得该直线驱动装置位于两个切牙的中点，并且在所述圆弧的两个端点处设置分别设置一个直线驱动装置，即使得这两个直线驱动装置分别位于左右两侧的第一磨牙和第三磨牙的中点，以通过三个直线驱动装置的位置设置，使得所述下颌动平台处于不同的位置和具有不同的姿态，并且这三处是咬合力的主要加载点，从而保证下颌动平台中的义齿获得足够的咬合力。

本实施例中，所述下颌动平台连接板上开设有第一凹槽至第七凹槽，在所述第一凹槽至第七凹槽内均安装有微型压力传感器，并且，所述第一凹槽圆心与两切牙中点重合，位于下颌动平台仿生空间最底端；第二凹槽和第三凹槽圆心分别与左右两侧尖牙中点重合，呈对称分布，所述第二凹槽和第三凹槽的下表面高于所述第一凹槽的下表面；第四凹槽和第五凹槽圆心分别与左右两侧第一磨牙中点重合，呈对称分布，所述第四凹槽和第五凹槽的下表面高于所述第二凹槽的下表面；第六凹槽和第七凹槽圆心分别与左右两侧第三磨牙中点重合，呈对称分布，所述第六凹槽和第七凹槽的下表面高于所述第四凹槽的下表面。七个微型压力传感器分别被安装在七个传感器安装凹槽内，可以同时检测整体义齿受力情况和单颗义齿受力情况。

同时，所述下颌动平台上固定板上相对于所述第一凹槽至第七凹槽的位置处开设有对应的通孔，所述下颌假牙支撑柱设置于所述微型压力传感器上，并穿过所述下颌动平台上固定板，位于所述下颌动平台上固定板的上方，在使用时，可以在所述下颌假牙支撑柱上安装下颌假牙。

并且，所述上颌动平台上相对于所述下颌假牙支撑柱的位置设置有上颌假牙支撑柱，所述上颌假牙支撑柱的下端设置有上颌假牙，从而通过上颌假牙和下颌假牙的接触，模拟口腔运动。

本发明的多自由度口腔运动模拟机器人在使用时，可以控制XY工作平台使下颌动平台获得在水平面内的两个运动自由度，并且通过三个直线驱动装置和鱼眼杆端关节轴承为下颌动平台提供矢状轴、冠状轴和垂直轴三个方向的旋转自由度，可以模拟矢状轴、冠状轴和垂直轴三个方向的旋转和移动，再现人类真实的咀嚼运动轨迹。

通过对电机扭矩和电机转速的精确控制，从而实现不同咀嚼力和咀嚼速度的变化；在实现咀嚼运动的同时检测义齿整体受力情况和单颗义齿受力情况。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种多自由度口腔运动模拟机器人，其特征在于，包括底板、XY工作平台、上颌动平台支柱、上颌动平台、下颌固定板、下颌动平台支柱、下颌动平台、直线驱动装置和微型压力传感器；

所述底板水平设置，所述XY工作平台设置于所述底板上；所述XY工作平台上设置有下颌固定板；

所述底板上沿竖直方向设置有两个上颌动平台支柱，并且所述上颌动平台上开设有两个上颌螺纹孔；所述两个上颌螺纹孔之间相互平行，并且每一个上颌螺纹孔内均固定有带螺纹的连杆；所述带螺纹的连杆通过十字固定块将所述上颌动平台固定于所述上颌动平台支柱的上端；

所述下颌固定板水平设置，并且所述下颌固定板上设置有两个下颌动平台支柱，所述下颌动平台支柱竖直设置；

所述下颌动平台包括下颌动平台上固定板、下颌动平台下固定板和下颌动平台连接板；所述下颌动平台连接板上开设有仿生空间，所述下颌动平台上固定板通过螺钉固定于所述下颌动平台连接板的上表面上，所述下颌动平台下固定板通过螺钉固定于所述下颌动平台连接板的下表面上；

所述下颌动平台连接板的固定面上开设有四个螺纹孔，通过连接块和鱼眼杆端关节轴承的杆部固定；所述鱼眼杆端关节轴承的鱼眼端插入连接杆；所述连接杆的两端分别通过十字固定块固定于所述下颌动平台支柱的上端；

所述下颌动平台的形状为向外凸出的圆弧状，所述下颌固定板上开设有三个安装孔，在每一个安装孔内均设置一个直线驱动装置；并使得一个直线驱动装置位于两个切牙的中点，以及另外两个直线驱动装置位于分别位于两侧的第一磨牙和第三磨牙的中点；

所述直线驱动装置包括驱动电机、梯形丝杠、丝杠螺母、导向杆和支撑杆；

所述驱动电机的壳体固定于所述下颌固定板上，并位于所述下颌固定板的下方，所述驱动电机的转子穿过所述安装孔位于所述下颌固定板的上方；

所述驱动电机的转子同轴连接有梯形丝杠，所述梯形丝杠上套设有丝杠螺母，所述丝杠螺母上形成有两个导向块；在所述下颌固定板上竖直设置有两个导向杆，所述导向杆上均沿竖直方向开设有导向槽，所述导向块与所述导向槽配合，使得丝杠螺母沿所述导向杆上下滑动；所述丝杠螺母上固定有支撑杆，所述支撑杆为管状，所述梯形丝杠能够运动至所述支撑杆的内部；所述支撑杆的下端固定有所述丝杠螺母；

所述支撑杆的上端设置有直线球头杆端关节轴承，所述直线球头杆端关节轴承的杆部固定于所述支撑杆的上端，所述直线球头杆端关节轴承的球窝与所述下颌动平台接触；

所述下颌动平台连接板上开设有第一凹槽至第七凹槽，在所述第一凹槽至第七凹槽内均安装有微型压力传感器，所述第一凹槽圆心与两切牙中点重合，位于下颌动平台仿生空间最底端；第二凹槽和第三凹槽圆心分别与左右两侧尖牙中点重合，所述第二凹槽和第三凹槽的下表面高于所述第一凹槽的下表面；第四凹槽和第五凹槽圆心分别与左右两侧第一磨牙中点重合，所述第四凹槽和第五凹槽的下表面高于所述第二凹槽的下表面；第六凹槽和第七凹槽圆心分别与左右两侧第三磨牙中点重合，所述第六凹槽和第七凹槽的下表面高于所述第四凹槽的下表面；

所述XY工作平台可以包括X轴运动平台以及设置于所述X轴运动平台上，并且沿垂直于X轴运动平台的移动方向的Y轴运动平台；所述下颌固定板设置于所述XY工作平台的Y轴运动平台的滑块上。

2.根据权利要求1所述的多自由度口腔运动模拟机器人，其特征在于，每一个带螺纹的连杆通过一个十字固定块固定于一个上颌动平台支柱的上端。

3.根据权利要求2所述的多自由度口腔运动模拟机器人，其特征在于，两个下颌动平台支柱均位于两个下颌动平台支柱之间。

4.根据权利要求3所述的多自由度口腔运动模拟机器人，其特征在于，所述直线球头杆端关节轴承的球窝与所述下颌动平台的下颌动平台下固定板接触。

5.根据权利要求4所述的多自由度口腔运动模拟机器人，其特征在于，七个微型压力传感器分别被安装在第一凹槽至第七凹槽内。

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