CN109719709A - 一种小型仿人类下颌运动装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种小型仿人类下颌运动装置，包括平动机构、升降机构、空间连杆并联机构、下颌仿真模型和驱动控制系统，平动机构用于驱动下颌仿真模型在平面内做任意方向和速度的平面运动；升降机构用于驱动下颌仿真模型在竖直方向做任意速度的直线运动；空间连杆并联机构包括两组翻转驱动装置，两组翻转驱动装置分别固定在下颌仿真模型的两侧，并与下颌仿真模型传动连接，下颌仿真模型固定在万向节上，万向节设置在下颌仿真模型后侧面中央位置，两组翻转驱动装置相互协调，通过空间连杆驱动万向节实现下颌仿真模型绕冠状轴、垂直轴两个方向的旋转运动。该种仿人类下颌运动装置结构紧凑、连接可靠，占用空间小，可用于医学教学、语言障碍治疗。

Description

一种小型仿人类下颌运动装置

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体的说是一种小型仿人类下颌运动装置。

背景技术

仿人类下颌运动装置，是一种能够模拟人类下颌骨运动行为的仿生装置，它可以应用于医学教学、食品质地评估以及牙科材料测试等领域，还可以用于研究人类的语言表达、表情变化。目前，仿下颌运动装置大多采用典型Stewart平台及其变形机构，然而并联机构运动控制较为复杂，且占用空间较大，不适合用于医学教学、语言障碍治疗等需要小型灵活的设备的工作场合。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种小型仿人类下颌运动装置，该种仿人类下颌运动装置结构紧凑、连接可靠，占用空间小，可用于医学教学、语言障碍治疗。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种小型仿人类下颌运动装置，其特征是：包括平动机构、升降机构、空间连杆并联机构、下颌仿真模型和驱动控制系统，所述的平动机构用于驱动下颌仿真模型在平面内做任意方向和速度的平面运动；所述的升降机构用于驱动下颌仿真模型在竖直方向做任意速度的直线运动；所述的空间连杆并联机构包括两组翻转驱动装置，两组翻转驱动装置分别固定在下颌仿真模型的两侧，并与下颌仿真模型传动连接，下颌仿真模型固定在万向节上，所述的万向节设置在下颌仿真模型后侧面中央位置，两组翻转驱动装置相互之间协调，通过空间连杆驱动万向节实现下颌仿真模型绕冠状轴、垂直轴两个方向的旋转运动。所述的平动机构包括由上至下依次设置的上板、中板、下板，所述的中板的上表面固定安装有第一齿条，所述的第一齿条上方与第一齿轮啮合，所述的第一齿轮与第一电机的输出轴固定连接，所述的第一电机固定安装在上板的下表面；

所述的下板的上表面固定安装有第二齿条，所述的第二齿条上方与第二齿轮啮合，所述的第二齿轮与第二电机的输出轴固定连接，所述的第二电机固定安装在中板的下表面；

所述的上板和中板之间滑动连接，上板和中板的相对滑动方向与第一齿条的延伸方向相同，所述的中板和下板之间滑动连接中板和下板的相对滑动方向与第二齿条的延伸方向相同；

所述的第一齿条和第二齿条相互垂直。

第一直线导轨两端通过螺钉固定安装在上板的下表面，第一滑块与第一直线导轨通过直线轴承滑动连接，所述的第一滑块固定安装在中板的上表面；第二直线导轨两端通过螺钉固定安装在中板的下表面，第二滑块与第二直线导轨通过直线轴承滑动连接，所述的第二滑块固定安装在下板的上表面，所述的第一直线导轨和第二直线导轨相互垂直。

所述的升降机构包括第三电机，所述的第三电机固定安装在下板下表面，第三电机的输出轴端部固定安装有主动锥齿轮，所述的下板下方设置有挡板，所述的挡板通过若干根导向柱固定安装在下板下表面，所述的挡板和下板之间设置有垂向运动平台，所述的导向柱穿过垂向运动平台，螺纹导杆垂直穿过垂向运动平台，螺纹导杆与垂向运动平台螺纹连接，螺纹导杆两端分别嵌入下板和挡板内，所述的螺纹导杆相对下板和挡板可自由转动，所述的螺纹导杆上固定安装有传动锥齿轮，所述的传动锥齿轮与主动锥齿轮啮合传动连接。

所述的垂向运动平台的下表面安装有万向节，所述的万向节为十字万向节，所述的下颌仿真模型的两侧与十字万向节的十字轴通过轴承连接。

所述的下颌仿真模型与十字轴的连接处设置有小阻尼铰链，所述的小阻尼铰链包括弹簧、垫片和调节螺母，所述的垫片紧贴下颌仿真模型外侧壁，所述的调节螺母与十字轴端部通过螺纹连接，调节螺母和垫片之间设置有弹簧，所述的弹簧处于压缩状态。

所述的两组翻转驱动装置分别设置在垂向运动平台下表面两侧，每组驱动装置包括驱动电机、曲柄、连杆和球铰链，所述的曲柄一端与驱动电机的输出轴固定连接，另一端与连杆的一端以球铰链连接，连杆的另一端与下颌仿真模型同样以球铰链连接，两组翻转驱动装置对称设置。

所述的第一电机与第一电机支座固定连接，所述的第一电机支座通过螺钉固定安装在上板的下表面，所述的第二电机与第二电机支座固定连接，所述的第二电机支座通过螺钉固定安装在中板的下表面；

所述的第三电机与第三电机支座固定连接，所述的第三电机支座固定安装在下板的下表面；

两组驱动电机均通过电机固定座固定安装在垂向运动平台的下表面。

驱动控制系统包括上位机、串口通信模块、主控芯片、高精度运动控制器、电机驱动模块、编码器，上位机通过USB转串口连接主控芯片，主控芯片分别通过运动控制器与第一电机的电机驱动模块、第二电机的电机驱动模块、第三电机的电机驱动模块以及驱动电机的电机驱动模块信号连接，编码器分别安装在电机的输出轴上，所述的编码器与上位机信号连接。

该种小型仿人类下颌运动装置能够产生的有益效果为：本装置采用齿轮齿条传动的方式实现下颌模型在X轴方向和Y轴方向的移动，保证了下颌仿真模型在水平面内的任意方向的位移，本装置采用螺纹杆与内螺纹的配合来实现下颌仿真模型在Z轴方向的移动，本装置采用两组并联的空间连杆机构驱动十字轴万向节实现下颌仿真模型绕冠状轴、垂直轴两个方向的旋转运动。通过空间五个自由度的运动控制，实现对人类下颌前伸运动、开闭口运动、侧方运动的仿真。

另外，本装置采用小型直流电机作为动力源，整个装置结构紧凑，占用空间小，适用于医学教学、语言障碍治疗等对装置大小有要求的场合。用户可通过在上位机设定运动参数，由于每个直流电机均设置有独立的闭环控制系统，大大提高了装置在仿真过程中的定位精度。

附图说明

图1为本发明一种小型仿人类下颌运动装置的结构示意图。

图2为本发明一种小型仿人类下颌运动装置平动机构的主视图。

图3为本发明一种小型仿人类下颌运动装置平动机构的侧视图。

图4为本发明一种小型仿人类下颌运动装置升降机构的结构示意图。

图5为本发明一种小型仿人类下颌运动装置空间连杆并联机构的结构示意图。

图6为本发明一种小型仿人类下颌运动装置驱动控制系统的总体框图。

图7为本发明一种小型仿人类下颌运动装置中任一电机控制回路的硬件结构图。

附图标记：1、平动机构；2、升降机构；3、空间连杆并联机构；4、下颌仿真模型；11、上板；12、中板；13、下板；14、第一电机；15、第一电机支座；16、第一齿轮；17、第一齿条；18、第一直线导轨；19、第二电机；110、第二电机支座；111、第二齿轮；112、第二齿条；113、第二直线导轨；114、螺钉；21、第三电机；22、第三电机支座；23、主动锥齿轮；24、传动锥齿轮；25、螺纹导杆；26、导向柱；27、垂向运动平台；28、挡板；31、驱动电机；32、电机固定座；33、曲柄；34、球铰链；35、连杆；36、万向节；37、弹簧；38、垫片；39、调节螺母。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种小型仿人类下颌运动装置，其特征是：包括平动机构1、升降机构2、空间连杆并联机构3、下颌仿真模型4和驱动控制系统，所述的平动机构1用于驱动下颌仿真模型4在平面内做任意方向和速度的平面运动；所述的升降机构2用于驱动下颌仿真模型4在竖直方向做任意速度的直线运动；所述的空间连杆并联机构3包括两组翻转驱动装置，两组翻转驱动装置分别固定在下颌仿真模型4的两侧，并与下颌仿真模型4传动连接，下颌仿真模型4固定在万向节36上，所述的万向节36设置在下颌仿真模型4后侧面中央位置，两组翻转驱动装置相互之间协调，通过空间连杆驱动万向节实现下颌仿真模型绕冠状轴、垂直轴两个方向的旋转运动。

如图2和图3所示，平动机构1包括由上至下依次设置的上板11、中板12、下板13，所述的中板12的上表面固定安装有第一齿条17，所述的第一齿条17上方与第一齿轮16啮合，所述的第一齿轮16与第一电机14的输出轴固定连接，所述的第一电机14固定安装在上板11的下表面；下板13的上表面固定安装有第二齿条112，所述的第二齿条112上方与第二齿轮111啮合，所述的第二齿轮111与第二电机19的输出轴固定连接，所述的第二电机19固定安装在中板12的下表面；上板11和中板12之间滑动连接，上板11和中板12的相对滑动方向与第一齿条17的延伸方向相同，所述的中板12和下板13之间滑动连接，中板12和下板13的相对滑动方向与第二齿条112的延伸方向相同；所述的第一齿条17和第二齿条112相互垂直。

第一直线导轨18两端通过螺钉固定安装在上板11的下表面，第一滑块与第一直线导轨18通过直线轴承滑动连接，所述的第一滑块固定安装在中板12的上表面；第二直线导轨113两端通过螺钉固定安装在中板12的下表面，第二滑块与第二直线导轨113通过直线轴承滑动连接，所述的第二滑块固定安装在下板13的上表面，所述的第一直线导轨18和第二直线导轨113相互垂直。

本实施例中，第一齿轮16与第一电机14的输出轴采用键连接，第二齿轮111与第二电机19的输出轴采用键连接，在工作过程中上板11被限位，当第一电机14转动时，通过第一齿轮16与第一齿条17的啮合带动中板12发生移动，上板11和中板12之间通过第一直线导轨18以及第一滑块进行限位，限定了除移动方向外的其他自由度方向的运动。同理，中板12和下板13之间的运动方式与上板11和中板12之间的运动方式相同。由于中板12和下板13之间的相对位移方向与上板11和中板12之间的相对位移方向垂直，实现了下颌仿真模型4在X轴方向和Y轴方向的位移。

如图4所示，升降机构2包括第三电机21，所述的第三电机21固定安装在下板13下表面，第三电机21的输出轴端部固定安装有主动锥齿轮23，所述的下板13下方设置有挡板28，所述的挡板28通过若干根导向柱26固定安装在下板13下表面，所述的挡板28和下板13之间设置有垂向运动平台27，所述的导向柱26穿过垂向运动平台27，螺纹导杆25垂直穿过垂向运动平台27，螺纹导杆25与垂向运动平台27螺纹连接，螺纹导杆25两端分别嵌入下板13和挡板28内，所述的螺纹导杆25相对下板13和挡板28可自由转动，所述的螺纹导杆25上固定安装有传动锥齿轮24，所述的传动锥齿轮24与主动锥齿轮23啮合传动连接。

第三电机21通过主动锥齿轮23和传动锥齿轮24的传动，进一步驱动螺纹导杆25的转动，由于螺纹导杆25与垂向运动平台27螺纹连接，因此，在垂向运动平台27其他自由度被导向柱26限定后，通过螺纹导杆25的转动能够控制垂向运动平台27在Z轴方向移动，并且在第三电机21不转动时能够实现定位，不会因为重力的作用导致下颌仿真模型4在Z轴发生位移。

如图5所示，垂向运动平台27的下表面安装有万向节36，所述的万向节36为十字万向节，所述的下颌仿真模型4的两侧与十字万向节的十字轴通过轴承连接。所述的下颌仿真模型4与十字轴的连接处设置有小阻尼铰链，所述的小阻尼铰链包括弹簧37、垫片38和调节螺母39，所述的垫片38紧贴下颌仿真模型4外侧壁，所述的调节螺母39与十字轴端部通过螺纹连接，调节螺母39和垫片38之间设置有弹簧37，所述的弹簧37处于压缩状态。所述的两组翻转驱动装置分别设置在垂向运动平台27下表面两侧，每组驱动装置包括驱动电机31、曲柄33、球铰链34和连杆35，所述的曲柄33一端与驱动电机31的输出轴固定连接，另一端与连杆35的一端以球铰链34连接，连杆35的另一端与下颌仿真模型4同样以球铰链34连接，两组翻转驱动装置对称设置。

下颌仿真模型4与十字轴的连接处与球铰链35的设置处不为一处，下颌仿真模型4与十字轴的连接处作为转动轴，球铰链35的设置处作为施力点，两组翻转驱动装置协调控制，可以为下颌仿真模型4提供冠状轴、垂直轴两个方向的旋转自由度。

调节螺母39在一端压迫弹簧37，处于压缩状态的弹簧37抵住垫片38，使得垫片38与人类下颌模型4之间产生摩擦，调节螺母39可以通过调节弹簧37的压缩量改变摩擦力的大小。装置未工作时，小阻尼铰链可以平衡下颌模型4重力引起的转矩，装置工作时，小阻尼铰链可以使下颌模型4的张合更加平稳，有利于驱动控制系统对旋转角度的精确控制。

本实施例中，第一电机14与第一电机支座15固定连接，所述的第一电机支座15通过螺钉114固定安装在上板11的下表面，所述的第二电机19与第二电机支座110固定连接，所述的第二电机支座110通过螺钉114固定安装在中板12的下表面；

所述的第三电机21与第三电机支座22固定连接，所述的第三电机支座22固定安装在下板13的下表面；

两组驱动电机31均通过电机固定座32固定安装在垂向运动平台27的下表面。

如图6和图7所示，驱动系统包括上位机、串口通信模块、主控芯片、高精度运动控制器、电机驱动模块、编码器，上位机通过USB转串口连接主控芯片，主控芯片分别通过运动控制器与第一电机14的电机驱动模块、第二电机19的电机驱动模块、第三电机21的电机驱动模块以及驱动电机31的电机驱动模块信号连接，编码器分别安装在电机的输出轴上，所述的编码器与上位机信号连接。

上位机包括传统的显示器、电脑主机、键盘和鼠标，用户可以利用鼠标和键盘在GUI界面中键入需要的运动参数，上位机程序验证输入数据的合理性后通过USB接口将其传输至主控芯片中。主控芯片负责与上位机通信并扩展共享的并行总线以承载五个独立的运动控制器，运动控制器负责输出控制电机驱动器的脉冲信号，电机驱动器驱动各个电机完成对应动作，各电机输出轴上的编码器为相应的运动控制器提供反馈信号，由此，可形成一个定位精度较高的闭环控制系统。每个运动控制器执行PID控制策略，以相应电机的转速误差为输入，各个电机形成相互独立的伺服控制回路。

本实施例中，第一电机14、第二电机19、第三电机21以及两组驱动电机31均采用直流电机，进一步的选用11W Maxon直流电机，主控芯片采用STM32F407ZGT6，五个独立的运动控制器均使用LM629-8高精度运动控制器，电机驱动模块采用L298N双H桥电机驱动模块，编码器选用龙邱512线mini增量式编码器。

人类下颌运动形式丰富，但通常可以分为三种基本运动，即前伸运动、开闭口运动、侧方运动，其余形式的下颌运动可以由这三种基本运动组合。本装置中，前后移动与上下移动配合可以模拟人类下颌的前伸运动，前后移动、上下移动及绕冠状轴旋转配合可以模拟人类下颌的开闭口运动，左右移动、前后移动及绕垂直轴旋转配合可以模拟人类下颌的侧方运动。人类下颌的其他运动均可通过前伸运动、开闭口运动、侧方运动的组合进行实现。故在驱动系统的协调控制下，本装置可以实现对人类下颌运动更为真实全面的模拟。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种小型仿人类下颌运动装置，其特征是：包括平动机构（1）、升降机构（2）、空间连杆并联机构（3）、下颌仿真模型（4）和驱动控制系统，所述的平动机构（1）用于驱动下颌仿真模型（4）在平面内做任意方向和速度的平面运动；所述的升降机构（2）用于驱动下颌仿真模型（4）在竖直方向做任意速度的直线运动；所述的空间连杆并联机构（3）包括两组翻转驱动装置，两组翻转驱动装置分别固定在下颌仿真模型（4）的两侧，并与下颌仿真模型（4）传动连接，下颌仿真模型（4）固定在万向节（36）上，所述的万向节（36）设置在下颌仿真模型（4）后侧面中央位置，两组翻转驱动装置相互协调，通过空间连杆驱动万向节实现下颌仿真模型（4）绕冠状轴、垂直轴两个方向的旋转运动。

2.根据权利要求1所述的一种小型仿人类下颌运动装置，其特征在于：所述的平动机构（1）包括由上至下依次设置的上板（11）、中板（12）、下板（13），所述的中板（12）的上表面固定安装有第一齿条（17），所述的第一齿条（17）上方与第一齿轮（16）啮合，所述的第一齿轮（16）与第一电机（14）的输出轴固定连接，所述的第一电机（14）固定安装在上板（11）的下表面；

所述的下板（13）的上表面固定安装有第二齿条（112），所述的第二齿条（112）上方与第二齿轮（111）啮合，所述的第二齿轮（111）与第二电机（19）的输出轴固定连接，所述的第二电机（19）固定安装在中板（12）的下表面；

所述的上板（11）和中板（12）之间滑动连接，上板（11）和中板（12）的相对滑动方向与第一齿条（17）的延伸方向相同，所述的中板（12）和下板（13）之间滑动连接，中板（12）和下板（13）的相对滑动方向与第二齿条（112）的延伸方向相同；

所述的第一齿条（17）和第二齿条（112）相互垂直。

3.根据权利要求2所述的一种小型仿人类下颌运动装置，其特征在于：第一直线导轨（18）两端通过螺钉固定安装在上板（11）的下表面，第一滑块与第一直线导轨（18）通过直线轴承滑动连接，所述的第一滑块固定安装在中板（12）的上表面；第二直线导轨（113）两端通过螺钉固定安装在中板（12）的下表面，第二滑块与第二直线导轨（113）通过直线轴承滑动连接，所述的第二滑块固定安装在下板（13）的上表面，所述的第一直线导轨（18）和第二直线导轨（113）相互垂直。

4.根据权利要求2所述的一种小型仿人类下颌运动装置，其特征在于：所述的升降机构（2）包括第三电机（21），所述的第三电机（21）固定安装在下板（13）下表面，第三电机（21）的输出轴端部固定安装有主动锥齿轮（23），所述的下板（13）下方设置有挡板（28），所述的挡板（28）通过若干根导向柱（26）固定安装在下板（13）下表面，所述的挡板（28）和下板（13）之间设置有垂向运动平台（27），所述的导向柱（26）穿过垂向运动平台（27），螺纹导杆（25）垂直穿过垂向运动平台（27），螺纹导杆（25）与垂向运动平台（27）螺纹连接，螺纹导杆（25）两端分别嵌入下板（13）和挡板（28）内，所述的螺纹导杆（25）相对下板（13）和挡板（28）可自由转动，所述的螺纹导杆（25）上固定安装有传动锥齿轮（24），所述的传动锥齿轮（24）与主动锥齿轮（23）啮合传动连接。

5.根据权利要求4所述的一种小型仿人类下颌运动装置，其特征在于：所述的垂向运动平台（27）的下表面安装有万向节（36），所述的万向节（36）为十字万向节，所述的下颌仿真模型（4）的两侧与十字万向节的十字轴通过轴承连接。

6.根据权利要求5所述的一种小型仿人类下颌运动装置，其特征在于：所述的下颌仿真模型（4）与十字轴的连接处设置有小阻尼铰链，所述的小阻尼铰链包括弹簧（37）、垫片（38）和调节螺母（39），所述的垫片（38）紧贴下颌仿真模型（4）外侧壁，所述的调节螺母（39）与十字轴端部通过螺纹连接，调节螺母（39）和垫片（38）之间设置有弹簧（37），所述的弹簧（37）处于压缩状态。

7.根据权利要求5所述的一种小型仿人类下颌运动装置，其特征在于：所述的两组翻转驱动装置分别设置在垂向运动平台（27）下表面两侧，每组驱动装置包括驱动电机（31）、曲柄（33）、球铰链（34）和连杆（35），所述的曲柄（33）一端与驱动电机（31）的输出轴固定连接，另一端与连杆（35）的一端以球铰链（34）连接，连杆（35）的另一端与下颌仿真模型（4）同样以球铰链（34）连接，两组翻转驱动装置对称设置。

8.根据权利要求7所述的一种小型仿人类下颌运动装置，其特征在于：所述的第一电机（14）与第一电机支座（15）固定连接，所述的第一电机支座（15）通过螺钉（114）固定安装在上板（11）的下表面，所述的第二电机（19）与第二电机支座（110）固定连接，所述的第二电机支座（110）通过螺钉（114）固定安装在中板（12）的下表面；

所述的第三电机（21）与第三电机支座（22）固定连接，所述的第三电机支座（22）固定安装在下板（13）的下表面；

两组驱动电机（31）均通过电机固定座（32）固定安装在垂向运动平台（27）的下表面。

9.根据权利要求8所述的一种小型仿人类下颌运动装置，其特征在于：驱动控制系统包括上位机、串口通信模块、主控芯片、高精度运动控制器、电机驱动模块、编码器，上位机通过USB转串口连接主控芯片，主控芯片分别通过运动控制器与第一电机（14）的电机驱动模块、第二电机（19）的电机驱动模块、第三电机（21）的电机驱动模块以及驱动电机（31）的电机驱动模块信号连接，编码器分别安装在电机的输出轴上，所述的编码器与上位机信号连接。