CN108742889B - 激光备牙机器人中的光斑轨迹调控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光备牙机器人中的光斑轨迹调控装置，它包括驱动组件、光路组件、牙齿定位组件，驱动组件中，X振镜摆动电机安装在X振镜电机座上，Y振镜摆动电机安装在Y振镜电机座上，两个振镜驱动组件固定在滑板上，滑板驱动组件安装在基板上；光路组件中，X振镜安装在X振镜摆动电机上，Y振镜安装在Y振镜摆动电机上，聚焦透镜固定在滑板的透镜固定座上；牙齿定位组件中，牙齿找准器采用平移型传动机构，牙齿定位器通过与牙齿找准器的配合进行定位。本发明实现了对光斑轨迹的调控，且解决了现有技术中剥离式切削过程中的挡光和牙齿定位器自身的定位问题，提高了牙体预备的效率和精度。

Description

激光备牙机器人中的光斑轨迹调控装置

技术领域

本发明涉及口腔手术器械技术领域，具体涉及一种激光备牙机器人中的光斑轨迹调控装置。

背景技术

目前，在牙科口腔治疗中，有时需要对牙齿硬组织进行定量的切削。目前常用的牙体预备手术工具有牙科手机。牙科手机的工作原理是通过手机中高速旋转的车针来对牙齿各面进行磨削去除，以达到临床的要求。牙体预备的全过程都是由医生手持进行的，其预备后的形态也由医生通过经验来进行判断。这种方式存在明显缺点，其一，口腔空间狭小，操作需靠操作者视觉和手定位控制，常出现牙体预备过量或不足，甚至造成牙龈、唇、颊、舌黏膜的医源性损伤；其二，高速涡轮机易产生尖锐噪音，使患者及医师感到不适。

近年来，随着技术的进步，人们尝试使用激光切削装置进行牙体的预备，市场上出现了商品化的牙科激光设备。商品化的牙科激光设备切割牙体硬组织具有无噪声、无振动等优势，受到了越来越多的患者(特别是儿童患者)的认可和接受，但目前的商品化牙科激光器尚没实现数字化，需要医生进行操作，无法提高备牙的精度，缩短治疗的时间。

专利号为201310671482.9的专利公布了一种口腔内微型自动牙体预备切削装置。此装置采用动光式结构，两个摆动电机分别驱动X/Y振镜，实现X/Y两个方向上的高速扫描切割运动，直线电机驱动聚焦透镜，实现Z方向的运动，通过牙齿定位器统一牙齿的坐标系与激光工作头的坐标系。此种激光轨迹控制方法可以实现牙体的三维切削，但有明显的缺点：一是由于激光聚焦以后才能进行切削，存在着聚合角，当激光接近垂直的角度入射到牙体表面，随着切削深度的增加，会出现挡光现象，无法实现剥离式切削，切削效率低下；二是牙齿定位器自身难以定位，在实际临床中，当患者牙齿不整齐，定位器Z轴方向就可能与牙体长轴方向不一致，当定位器Z轴方向与牙体长轴夹角大于5°时，将会导致切削不能满足牙体预备的精度要求。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种激光备牙机器人中的光斑轨迹调控装置。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种激光备牙机器人中的光斑轨迹调控装置，包括光路组件、驱动组件和牙齿定位组件；

所述光路组件包括用于光斑X方向扫描的X振镜、用于光斑Y方向扫描的Y振镜、用于产生聚焦光斑的聚焦透镜、用于将激光光源反射至X振镜上的第一反射镜；所述第一反射镜产生的反射光通过所述X振镜和所述Y振镜后由所述聚焦透镜聚焦，通过导光组件传输至所述牙齿定位组件端，用于对牙齿的处理；

所述驱动组件包括X振镜驱动组件、Y振镜驱动组件以及Z方向驱动结构，所述X振镜驱动组件用于驱动所述X振镜在X方向的扫描，所述Y振镜驱动组件用于驱动所述Y振镜在Y方向的扫描，所述Z方向驱动结构使所述X振镜、Y振镜和聚焦透镜整体平移，从而实现光斑Z方向上的扫描。

为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：

根据本发明的一个实施方案，使所述X振镜、Y振镜和聚焦透镜整体平移的Z 方向驱动结构采用滑板驱动组件，所述滑板驱动组件包括滑板和滑板驱动电机，所述X振镜、Y振镜和聚焦透镜设置于所述滑板上，所述滑板设置于一基板上，所述滑板驱动电机能够驱动所述滑板相对所述基板移动。

根据本发明的另一个实施方案，所述滑板和所述基板之间通过设置的直线导轨及直线导轨滑块进行滑动连接；

所述滑板驱动电机为音圈直线电机。

根据本发明的另一个实施方案，还包括设置一用于检测所述滑板位置的滑板位置检测组件。

根据本发明的另一个实施方案，所述滑板位置检测组件以光栅传感器作为检测元件，所述光栅传感器的光栅尺设置于所述滑板一侧，所述基板一侧设置用于读取所述光栅尺数据的光栅传感器读数头。

根据本发明的另一个实施方案，所述牙齿定位组件包括牙齿找准器与牙齿定位器，所述牙齿找准器通过夹钳夹紧所需切削的牙齿的外轮廓进行牙齿的定位；所述牙齿定位器通过与牙齿找准器的配合进行定位，定位完成后，取走牙齿找准器。

根据本发明的另一个实施方案，所述牙齿找准器采用平移型传动机构。

根据本发明的另一个实施方案，所述牙齿定位器侧面设置抽气管接口。

本发明还可以是：

根据本发明的另一个实施方案，所述导光组件包括导光臂、导光弯头、第二反射镜和反射镜镜片座，所述导光臂轴线与所述聚焦透镜中心和所述Y振镜中心位于同一直线上，所述导光弯头连接在所述导光臂一端，所述第二反射镜设置于所述反射镜镜片座上，所述反射镜镜片座设置于所述导光弯头上。

根据本发明的另一个实施方案，所述第二反射镜与所述导光臂轴线成45°夹角。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：

本发明的一种激光备牙机器人中的光斑轨迹调控装置，具有：

1)能解决剥离式切削过程中的挡光问题，实现剥离式切削，缩短了切削的时间，提高了牙体预备的效率。根据几何光学的原理，此光斑调控装置产生的光斑是以一定的倾斜角度入射到加工表面，此角度与光斑和光轴的距离r、聚焦透镜的焦距f以及扫描镜的转轴与聚焦透镜的光心距离有关，当r和f一定时，扫描镜转轴与聚焦透镜的光心距离越小，倾斜角度越大。当倾斜的角度大于聚焦圆锥的圆锥角的一半时，就可以避免剥离式切削过程中的挡光现象，从而实现剥离式切削。

2)Y振镜的转动轴线与聚焦透镜的光心距离L以及X振镜转轴与Y振镜转轴距离M在切削过程中保持不变，这意味着聚焦光线的倾斜角度不会随着切削深度发生变化，这提高了切削的精度。

3)解决了牙齿定位器自身不能定位的问题，牙齿找准器通过所需切削牙齿的外轮廓确定牙体长轴的方向以及牙齿的中心，牙齿定位器通过与牙齿找准器的配合实现自身的定位，保证了牙体定位器Z轴方向与牙体长轴方向的一致。从而保证了牙体预备的精度。

4)此光斑轨迹调整装置采用抽气的方式进行吸热，可以同时把激光切削过程中产生的等离子和小颗粒吸走，避免小颗粒污染镜片以及口腔，提升了患者的舒适感，提高了本装置长期工作的可靠性。

附图说明

为了更清楚的说明本申请文件实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。

图1为本发明一实施例的光斑轨迹调整装置的整体结构示意图。

图2为本发明一实施例的驱动组件立体示意图。

图3为本发明一实施例的驱动组件侧面示意图。

图4为本发明一实施例的光路组件结构示意图。

图5A和图5B为本发明一实施例的牙齿找准器结构示意图。

图6为本发明一实施例的定位组件示意图。

图7为本发明一实施例的牙齿剥离式切削示意图。

图8为本发明一实施例的系统工作光路图。

图9为本发明另一实施例的滑板驱动组件示意图。

其中，附图中的附图标记所对应的名称为：

10-驱动组件，11-X振镜驱动组件，111-X振镜摆动电机，112-X振镜电机座，12-Y振镜驱动组件，121-Y振镜摆动电机，122-Y振镜电机座，13-滑板驱动组件，131-直线导轨，132-直线导轨滑块，133-滑板，134-滑板驱动电机， 135-直线电机座，136-直线电机，14-滑板位置检测组件，141-光栅尺，142-光栅传感器读数头，143-L型板，20-光路组件，21-第一反射镜，22-X振镜，23- Y振镜，24-聚焦透镜，25-导光臂连接板，26-导光臂，27-导光弯头，28-第二反射镜，29-反射镜镜片座，30-牙齿定位组件，31-牙齿定位器，311-抽气管接口，32-牙齿找准器，321-夹钳，322-弹簧，323-找准器机架，324-斜楔，325- 旋紧螺栓，4-基板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

图1为本发明一实施例的光斑轨迹调整装置的整体结构示意图，如图1所示，一种激光备牙机器人中的光斑轨迹调控装置，包括光路组件20、驱动组件 10、牙齿定位组件30和基板4；驱动组件10可以是由电机进行驱动的组件，一实施例的装置的主要工作原理可由电机驱动组件驱动两个光路组件20中的两个振镜摆动，实现光斑的X、Y方向的扫描。在一实施例中驱动组件10可采用音圈直线电机驱动滑板133，带动光路组件20中的两个振镜以及聚焦透镜24作往复直线运动，实现光斑Z方向上的运动。

如图2和图3所示的一实施例，驱动组件10可包括X振镜驱动组件11、Y 振镜驱动组件12、滑板驱动组件13以及滑板位置检测组件14。X振镜驱动组件 11可包括X振镜摆动电机111和X振镜电机座112，X振镜摆动电机111安装在 X振镜电机座112的电机安装孔内，通过紧固螺钉夹紧。Y振镜驱动组件12包括Y振镜摆动电机121和Y振镜电机座122，Y振镜摆动电机121的安装方式与 X振镜摆动电机111一致，不再复述。滑板驱动组件13包括直线导轨131、直线导轨滑块132、滑板133、滑板驱动电机134以及直线电机座135，滑板驱动电机134可优先采用音圈直线电机。直线导轨131可通过基板4上的定位槽进行定位，以及可通过螺钉紧固在基板4上，直线导轨滑块132与滑板133通过螺钉进行连接，滑板驱动电机134安装在直线电机座135上，直线电机座135 通过螺钉紧固在基板4上，直线导轨131与滑板驱动电机134最好处于同一直线上。X振镜电机驱动组件11与Y振镜驱动组件12可通过螺钉固定在滑板133 上，滑板驱动电机134可以驱动滑板133以及滑板上的振镜驱动组件在直线导轨131上做直线往复运动。滑板位置检测组件14包括光栅尺141、光栅传感器读数头142以及L型板143。光栅尺141可粘贴在滑板133侧面的定位槽内，L 型板143通过螺钉固定在基板4的定位槽内，光栅传感器读数头142通过螺钉固定在L型板143上，光栅传感器用于检测滑板133的位置。在一实施例中音圈直线电机的型号可优选VCAR0044-0249，性能参数如表1；振镜电机型号可以采用VA-NT1510Y，电机参数如表2；光栅传感器可采用MicroE公司的产品，具体型号位MTE-20，光栅传感器参数如表3。

表1 VCAR0044-0249电机参数

表2 VA-NT1510Y电机参数

表3 MTE-20传感器参数

传感器参数	精度	输出信号	最大速度
				数值	1μm	数字	7.2m/s

如图4所示的一实施例，光路组件20可包括第一反射镜21、X振镜22、Y 振镜23、聚焦透镜24、导光臂连接板25、导光臂26、导光弯头27、第二反射镜28以及反射镜镜片座29。聚焦透镜24的焦距为f，所述聚焦透镜的中心与Y 振镜23转轴距离L固定不变，并且小于1/3f。X振镜转轴与Y振镜转轴距离M 小于1/4f。在另一实施例中，聚焦透镜24的焦距可采用172mm，第一反射镜21 可粘贴在滑板133的镜片槽内，与入射光源成45°，用于把激光光源反射至X 振镜22上。X振镜22固定在X振镜摆动电机111上，Y振镜23固定在Y振镜摆动电机121上，Y振镜23的转轴与X振镜22的转轴距离可以为25mm。聚焦透镜24通过螺钉固定在滑板133的透镜固定座上，聚焦透镜24的中心与Y振镜23的转轴距离为35mm。导光臂连接板25通过螺钉固定在基板4前部，导光臂26通过螺钉固定在导光臂连接板25上，导光弯头27通过螺钉紧固在导光臂 26上，第二反射镜28粘贴在反射镜镜片座29的凹槽内，反射镜镜片座29通过螺钉固定在导光弯头27上。第二反射镜28与导光臂26轴线成45°夹角。导光臂26轴线，聚焦透镜24的中心，Y振镜23的中心在布置在同一直线上。

如图5A和图5B所示的一实施例，所述牙齿找准器32采用斜楔平移结构，通过夹钳321夹紧所需切削的牙齿的外轮廓进行牙齿的定位。牙齿找准器32由 2个夹钳321、2个弹簧322、找准器机架323，斜楔324以及旋紧螺栓325组成，弹簧322安装在找准器机架323的弹簧孔内，夹钳321的导向柱与找准器机架 323的导向孔配合，旋紧螺栓325穿过斜楔324的中心孔后，与找准器机架323 的螺纹孔配合，旋紧螺栓325右旋时带动斜楔324向下运动，斜楔324推动两个夹钳321做水平夹紧的运动，夹紧牙齿以后，旋紧螺栓325产生自锁现象。

如图6所示的一实施例，定位器组件30可包括牙齿定位器31和牙齿找准器32。牙齿定位器31的中心圆孔与找准器机架323的圆柱面配合，从而实现牙齿定位器的定位。牙齿定位器31顶部设计有法兰，法兰旁有定位凸台，导光弯头27安装在牙齿定位器31的法兰上，并通过定位凸台定位，最后通过螺钉进行紧固。牙齿定位器31设计有抽气管接口311，用于外接抽气管，把切削过程中产生的热气、等离子以及小颗粒抽走。

如图7所示，图7中附图标记对应的含义：聚焦透镜24，透镜光轴71，垂直入射的聚焦激光72，不需切割部分73，预备后的牙齿形状74，聚焦激光入射点75，X轴扫描的距离76，倾斜入射的聚焦激光77，聚焦激光边缘光线出射点 78，聚焦激光边缘光线出射点与透镜光轴的距79。由于人体部分牙齿是上粗下细，牙体预备采用剥离式切削的方式时，突出的部分不需要切削，从而可以明显缩短备牙的时间，当聚焦激光垂直入射到加工表面时，有一部分激光会被未切削的部分遮挡，此时不能完成加工，当入射激光有一定的倾斜角度时，可以避免挡光的现象，从而实现剥离式切削。一实例中，当X振镜旋转1.26°时，X 轴扫描的距离为7.52mm，聚焦激光边缘光线出射点与透镜光轴的距离为4.35mm，此时聚焦激光中心光线与切削表面的法线夹角为1.8°，聚焦激光所形成的圆锥的半圆锥角为0.8°，因此聚焦激光与不需切割的牙齿壁尚有1°的夹角，不会发生挡光的现象。

如图8所示的一实施例，图8中增加的附图标记对应的含义：81、82和 83分别表示3条Y振镜扫描轨迹，84表示牙齿加工面。激光光源经第一反射镜 21反射后入射到X振镜22，经X振镜22反射后入射到Y振镜23，然后经聚焦透镜24进行聚焦，聚焦激光经过第二反射镜28改变方向入射到所需切削的牙齿的表面实现牙齿切削。X振镜22的转动实现光斑X方向的扫描，Y振镜23的转动实现Y方向上的扫描，聚焦透镜24以及两个振镜的整体平移实现光斑Z方向的运动，由图上可以看到，聚焦激光可以产生明显的倾斜角度。

如图9所示的一实施例，滑板驱动组件13可由滑板133与直线电机136组成，滑板133通过螺钉固定在直线电机136上，直线电机136通过螺钉固定在基板4上，直线电机136可以驱动滑板133做高精度的往复直线运动。

综上而言，本发明的激光备牙机器人中的光斑轨迹调整装置可以解决现有技术的挡光现象，实现剥离式切削，提高了牙体预备的效率；另一方面，通过增加牙齿找准器，解决了牙齿定位器自身定位的问题，提高了牙体预备的精度，最后，采用抽气的方法排走切削过程中产生的热量、等离子以及小颗粒，提升了患者的舒适感，并且提高了本申请装置长期工作的可靠性。

本说明书中各个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (9)

1.一种激光备牙机器人中的光斑轨迹调控装置，其特征在于包括光路组件（20）、驱动组件（10）和牙齿定位组件（30）；

所述光路组件（20）包括用于光斑X方向扫描的X振镜（22）、用于光斑Y方向扫描的Y振镜（23）、用于产生聚焦光斑的聚焦透镜（24）、用于将激光光源反射至X振镜（22）上的第一反射镜（21）；所述第一反射镜（21）产生的反射光通过所述X振镜（22）和所述Y振镜（23）后由所述聚焦透镜（24）聚焦，通过导光组件传输至所述牙齿定位组件（30）端，用于对牙齿的处理；

所述驱动组件（10）包括X振镜驱动组件（11）、Y振镜驱动组件（12）以及Z方向驱动机构，所述X振镜驱动组件（11）用于驱动所述X振镜（22）在X方向的扫描，所述Y振镜驱动组件（12）用于驱动所述Y振镜（23）在Y方向的扫描，所述Z方向驱动结构使所述X振镜（22）、Y振镜（23）和聚焦透镜（24）整体平移，从而实现光斑Z方向上的扫描；

所述X振镜（22）、Y振镜（23）和聚焦透镜（24）整体平移的所述Z方向驱动结构采用滑板驱动组件（13），所述滑板驱动组件（13）包括滑板（133）和滑板驱动电机（134），所述X振镜（22）、Y振镜（23）和聚焦透镜（24）设置于所述滑板（133）上，所述滑板（133）设置于一基板（4）上，所述滑板驱动电机（134）能够驱动所述滑板（133）相对所述基板（4）移动；

所述聚焦透镜（24）的焦距为f，所述聚焦透镜的中心与Y振镜（23）转轴距离L固定不变，并且小于1/3f，X振镜转轴与Y振镜转轴距离M小于1/4f。

2.根据权利要求1所述的激光备牙机器人中的光斑轨迹调控装置，其特征在于所述滑板（133）和所述基板（4）之间通过设置的直线导轨（131）及直线导轨滑块（132）进行滑动连接；所述滑板驱动电机（134）为音圈直线电机。

3.根据权利要求1或2所述的激光备牙机器人中的光斑轨迹调控装置，其特征在于还包括设置一用于检测所述滑板（133）位置的滑板位置检测组件（14）。

4.根据权利要求3所述的激光备牙机器人中的光斑轨迹调控装置，其特征在于所述滑板位置检测组件（14）以光栅传感器作为检测元件，所述光栅传感器的光栅尺（141）设置于所述滑板（133）一侧，所述基板（4）一侧设置用于读取所述光栅尺（141）数据的光栅传感器读数头(142)。

5.根据权利要求3所述的激光备牙机器人中的光斑轨迹调控装置，其特征在于所述牙齿定位组件（30）包括牙齿找准器（32）与牙齿定位器（31），所述牙齿找准器（32）通过夹钳（321）夹紧所需切削的牙齿的外轮廓进行牙齿的定位；所述牙齿定位器（31）通过与牙齿找准器（32）的配合进行定位，定位完成后，取走牙齿找准器（32）。

6.根据权利要求5所述的激光备牙机器人中的光斑轨迹调控装置，其特征在于所述牙齿找准器（32）采用平移型传动机构。

7.根据权利要求5所述的激光备牙机器人中的光斑轨迹调控装置，其特征在于所述牙齿定位器（31）侧面设置抽气管接口（311）。

8.根据权利要求1所述的激光备牙机器人中的光斑轨迹调控装置，其特征在于所述导光组件包括导光臂（26）、导光弯头（27）、第二反射镜（28）和反射镜镜片座（29），所述导光臂（26）轴线与所述聚焦透镜（24）中心和所述Y振镜（23）中心位于同一直线上，所述导光弯头（27）连接在所述导光臂（26）一端，所述第二反射镜（28）设置于所述反射镜镜片座（29）上，所述反射镜镜片座（29）设置于所述导光弯头（27）上。

9.根据权利要求8所述的激光备牙机器人中的光斑轨迹调控装置，其特征在于所述第二反射镜（28）与所述导光臂（26）轴线成45°夹角。

Images