CN110051445A - 一种正畸弓丝弯制机器人及弯丝运动映射模型建立方法 - Google Patents

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Abstract

一种正畸弓丝弯制机器人及弯丝运动映射模型建立方法，它涉及正畸弓丝弯制技术领域。本发明通过分析和总结人手弯丝运动和机器人弯丝运动的共有特点即正畸弓丝的弯制都是由若干个弯制运动单元组成，机器人末端的执行器与人手操控的正畸钳具有相同的运动轨迹来实现弯制操作，建立弯丝运动映射模型。通过模型的建立，为仿人手正畸弓丝弯制机器人结构的设计提供指导，对正畸弓丝的数字化弯制具有重要意义。

Description

一种正畸弓丝弯制机器人及弯丝运动映射模型建立方法
技术领域：
本发明专利涉及一种正畸弓丝弯制机器人及弯丝运动映射模型建立方法，属于正畸弓丝弯制技术领域。
背景技术：
正畸弓丝在牙齿矫正方面有着广泛的应用，而目前正畸弓丝的弯制主要以正畸医师手工弯制为主，因为人的灵活性好，医生通过两手的配合可以顺利完成各种复杂的弯制运动。
近些年来，机器人技术在正畸治疗方面的应用越来越多，为了能让机器人像人手一样灵活弯制各种正畸弓丝，需要分析人手弯制正畸弓丝的运动将人手弯丝轨迹特征用模型表示，并且分析和建立机器人弯丝的模型，将人手弯丝和机器人弯丝之间建立运动映射模型，有助于机器人按照人手弯制正畸弓丝的过程完成正畸弓丝的弯制，方便后续对正畸弓丝弯制机器人的控制。
发明专利内容
针对上述问题，本发明提出一种正畸弓丝弯制机器人及弯丝运动映射模型建立方法，本发明为解决上述问题所采取的方案为：
一种弯丝运动映射模型建立方法，本方法应用于一种正畸弓丝弯制机器人；
一种弯丝运动映射模型建立方法，所述方法的具体实现过程为：
步骤一、建立人手弯丝的轨迹特征模型坐标系：
在正畸弓丝坐标系OiXiYiZi的XiOiYi平面内，以离散的几何单元在二维平面内，建立弯制过程中正畸弓丝的数学模型。将正畸弓丝看成若干个直线段、圆弧段的几何单元的排列组合，直线段、圆弧段的表达式分别为L1、L2、…和M1、M2、…，则弯制过程中正畸弓丝未成形部分的弯制后形态的表达式为f＝f{L1，L2，M1，...}，函数f{L1，L2，M1，...}表示L1、M1、L2等几何单元的首尾顺次连接，在进行坐标变换计算时需要将f转换成坐标点矩阵的形式。因此，在几何单元的数字化表达上也采用坐标点的形式，直线段Li的长度表达用两个端点坐标表示Li＝(xi+1-xi，yi+1-yi，zi+1-zi)，圆弧段的表达是利用微分的原理将连续的圆弧曲线转化成离散的有限若干点的形式，由此得出在第i+1个弯制点处的人手弯丝运动轨迹特征模型的坐标矩阵[Fi+1]为：
式中，Mi+1为将弓丝圆弧段以t＝n·Δt(0＜t＜θi+1)分成n个点(t表示局部圆弧段，Δt表示圆弧上被划分的每个小圆弧段)，n个点的坐标矩阵为[Mi+1]；
步骤二、建立机器人弯丝的轨迹特征模型的坐标系：
采用与人手弯丝运动轨迹坐标系相同的建立方式，建立机器人弯丝的轨迹特征模型的坐标系，以第i-1、i、i+1个弯制点构建弯制第i+1个弯制点的机器人弯制过程的正畸弓丝三维姿态的圆柱坐标系Oi-ρθZ，以第i+1个弯制的为原点Oi，以第i个点到第i+1个弯制点的直线方向θ＝0的位置，以第i-1、i、i+1个弯制点为确定弯制平面为极坐标系Oiρθ所在的平面，为机器人弯丝过程的正畸弓丝三维姿态仍采用若干离散的几何单元首尾顺次拼接的形似表达，机器人弯制过程正畸弓丝三维姿态的表达式如式(2)所示：
步骤三、人手弯制运动轨迹信息转换为机器人弯丝运动轨迹信息：
将人手弯丝的运动轨迹信息转化成机器人弯丝运动轨迹信息，主要实现从直角坐标系OiXYZ下的坐标转成圆柱坐标系Oi-ρθZ下的坐标。因为在建立坐标系时二者之间具有一定联系，故推导出两个坐标系的坐标变换公式，如式(3)所示：
步骤四、弯丝运动映射模型的建立：
根据圆柱坐标系Oi-ρθZ下，由正畸弓丝三维姿态信息表示的机器人弯丝的运动轨迹信息，推导出机器人各自由度的运动信息，β表示弯制点弯折运动钳Ⅰ弯折旋转角度和位置调整时钳Ⅱ沿Z轴方向旋转的角度。r表示弯制点处钳Ⅱ的曲率半径，可以用于推导出钳Ⅱ沿z轴方向移动的距离。坐标点(ρ0，0，0)可以推导出位置调整时钳Ⅰ在沿极径方向移动的距离。根据机器人弯丝运动轨迹信息推导出关于机器人各自由度的运动信息表达式，即为弯丝运动映射模型如式(4)所示：
式中，g(β)表示弯制角度为β时的回弹角度值，h是钳Ⅱ沿Z轴方向移动的成常量值，r0和h0分别表示正畸钳头圆锥体的最大底面半径和高。
本发明的有益效果为：
1、本发明分析了人手弯制正畸弓丝的运动，将正畸弓丝抽象为直线段和圆弧段的各种组合，即对正畸弓丝进行离散化处理，有利于对正畸弓丝进行数学方式的表达，进而有利于机器人对弓丝以数据的方式进行存储和处理。
2、本发明构建了正畸弓丝弯制机器人的坐标系，为确定机器人仿人手弯制正畸弓丝的动作运动方式提供指导。
3、本发明将人手弯制正畸弓丝运动模型和机器人弯制正畸弓丝运动模型进行了坐标系的转化，将人手弯丝和机器人弯丝进行了映射，使机器人可以按照人手弯丝的方式灵活弯制各种正畸弓丝。
附图说明：
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为弓丝弯制过程三维姿态的坐标系建立；
图2为柱正畸弓丝弯制机器人结构总体示意图；
图3为钳Ⅰ结构轴侧图；
图4为钳Ⅰ夹头分解示意图；
图5为钳Ⅱ结构轴侧图；
图6为钳Ⅱ内部结构示意图；
图7为钳Ⅱ分解示意图；
图8为柱坐标系转台内部结构示意图；
图9为正畸弓丝弯制机器人主体外壳示意图；
图10为正畸弓丝弯制机器人坐标系建立简图；
图11为正畸弓丝弯制机器人结构简图的坐标系建立。
图中：1、钳Ⅰ；2、钳Ⅱ；3、柱坐标系转台；4、机器人主体外壳；5、弓丝；1-1、钳Ⅰ丝杠导轨滑台；1-2、钳Ⅰ丝杠；1-3、钳Ⅰ旋转主动齿轮；1-4、钳Ⅰ锥形夹头；1-4-1、夹头外壳；1-4-2、夹头夹芯；1-4-3、夹头主轴；1-5、钳Ⅰ夹紧被动齿轮；1-6、钳Ⅰ夹紧主动齿轮；1-7、挡圈；1-8、弹簧；1-9、拨叉；1-10、推杆；1-11、钳Ⅰ直线电机推杆；1-12、滑动挡圈；1-13、钳Ⅰ夹紧电机；1-14、钳Ⅰ旋转被动齿轮；1-15、钳Ⅰ支架；1-16、钳Ⅰ旋转电机；1-17、钳Ⅰ丝杠电机；1-18、钳Ⅰ丝杠螺母；1-19、钳Ⅰ旋转主轴；1-20、钳Ⅰ夹紧主轴；1-21、送丝入口；2-1、钳Ⅱ可动钳口；2-1-1、可动楔形滑块；2-2、钳Ⅱ固定钳口；2-3、夹紧滑块；2-3-1、夹紧楔形滑块；2-4、钳Ⅱ直线电机推杆；2-5、直线电机；2-6、钳Ⅱ旋转被动齿轮；2-7、钳Ⅱ外壳；2-8、钳Ⅱ丝杠；2-9、钳Ⅱ丝杠电机；2-10、钳Ⅱ丝杠螺母；2-11、钳Ⅱ旋转主动齿轮；2-12、钳Ⅱ旋转电机；2-13、复位弹簧；3-1、转台电机；3-2、转台主动齿轮；3-3、转台；3-4、转台被动齿轮；4-1、底座；4-2、环形拉门；4-3、环形外壳；4-4、主体支撑；4-5、外壳支柱；4-6、连接底盘；4-7、外壳顶部；5、正畸弓丝。
具体实施方式：
为使本发明专利的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明专利，但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明专利的范围，此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明专利的概念。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11所示，本具体实施方式采用以下技术方案：
所述的一种正畸弓丝弯制机器人，由钳Ⅰ1、钳Ⅱ2、柱坐标系转台3、机器人主体外壳4四部分组成，其特征在于：所述钳Ⅰ1中的钳Ⅰ丝杠导轨滑台1-1通过螺栓与柱坐标系转台3中转台3-3的相连接，柱坐标系转台3的转台3-3通过螺栓与机器人主体外壳4内部的连接底盘4-6相连接，钳Ⅱ2通过螺栓连接固定在机器人主体外壳4外部的外壳顶部4-7；所述的钳Ⅰ1，它包括：钳Ⅰ丝杠导轨滑台1-1、钳Ⅰ丝杠1-2、钳Ⅰ旋转主动齿轮1-3、钳Ⅰ锥形夹头1-4、夹头外壳1-4-1、夹头夹芯1-4-2、夹头主轴1-4-3、钳Ⅰ夹紧被动齿轮1-5、钳Ⅰ夹紧主动齿轮1-6、挡圈1-7、弹簧1-8、拨叉1-9、推杆1-10、钳Ⅰ直线电机推杆1-11、滑动挡圈1-12、钳Ⅰ夹紧电机1-13、钳Ⅰ旋转被动齿轮1-14、钳Ⅰ支架1-15、钳Ⅰ旋转电机1-16、钳Ⅰ丝杠电机1-17、钳Ⅰ丝杠螺母1-18、钳Ⅰ旋转主轴1-19、钳Ⅰ夹紧主轴1-20、送丝入口1-21，钳Ⅰ丝杠1-2通过轴孔装配安装在钳Ⅰ丝杠导轨滑台1-1中，钳Ⅰ丝杠螺母1-18与钳Ⅰ丝杠1-2通过螺纹相连接，钳Ⅰ丝杠电机1-17通过钳Ⅰ丝杠导轨滑台1-1安装在钳Ⅰ丝杠1-2的末端，以驱动钳Ⅰ丝杠1-2的绕钳Ⅰ丝杠电机1-17的电机轴旋转，使得钳Ⅰ丝杠螺母1-18实现沿钳Ⅰ丝杠1-2的轴向左右移动，钳Ⅰ支架1-15的下底面通过螺栓与钳Ⅰ丝杠螺母1-18相连接，钳Ⅰ旋转电机1-16通过钳Ⅰ支架1-15与钳Ⅰ旋转主动齿轮1-3完成装配，以驱动钳Ⅰ旋转主动齿轮1-3绕钳Ⅰ旋转电机1-16的电机轴旋转，钳Ⅰ旋转被动齿轮1-14、钳Ⅰ夹紧被动齿轮1-5和钳Ⅰ锥形夹头1-4均安装在钳Ⅰ旋转主轴1-19上，钳Ⅰ旋转主轴1-19为空心轴，其中钳Ⅰ旋转被动齿轮1-14安装在钳Ⅰ支架1-15内部，与钳Ⅰ旋转主动齿轮1-3相啮合，形成一对啮合齿轮，钳Ⅰ夹紧被动齿轮1-5和钳Ⅰ锥形夹头1-4安装在钳Ⅰ支架1-15外部，送丝入口1-21位于钳Ⅰ旋转主轴1-19的左侧，正畸弓丝5通过送丝入口1-21穿过钳Ⅰ旋转主轴1-19的内部，可以将待弯制的正畸弓丝5送至位于钳Ⅰ旋转主轴1-19末端的钳Ⅰ锥形夹头1-4，完成机器人的送丝环节，其中钳Ⅰ锥形夹头1-4由夹头外壳1-4-1、夹头夹芯1-4-2、夹头主轴1-4-3组成，夹头外壳1-4-1通过螺纹与夹头主轴1-4-3相连接，夹头夹芯1-4-2位于旋转夹头外壳1-4-1和夹头主轴1-4-3的中间，当顺时针旋转夹头外壳1-4-1时，夹头外壳1-4-1与夹头主轴1-4-3之间的空间缩小，此时夹头夹芯1-4-2受到夹头外壳1-4-1的挤压，使得夹头夹芯1-4-2保持夹紧状态，以实现了对正畸弓丝5的夹紧，反之，逆时针旋转夹头夹芯1-4-2实现了对正畸弓丝5的松开；钳Ⅰ夹紧被动齿轮1-5与钳Ⅰ夹紧主动齿轮1-6相啮合，形成一对啮合齿轮，钳Ⅰ夹紧电机1-13通过螺纹连接安装在钳Ⅰ支架1-15的上顶面，钳Ⅰ夹紧电机1-13的主轴与钳Ⅰ夹紧主轴1-20相连接，以驱动钳Ⅰ夹紧主轴1-20绕轴向旋转，拨叉1-9、滑动挡圈1-12、弹簧1-8、挡圈1-7和钳Ⅰ夹紧主动齿轮1-6通过轴孔装配从左至右依次的被安装在钳Ⅰ夹紧主轴1-20上，拨叉1-9通过螺栓与滑动挡圈1-12相连接，弹簧1-8被镶嵌在滑动挡圈1-12和挡圈1-7中，挡圈1-7通过螺栓与钳Ⅰ夹紧主动齿轮1-6相连接，钳Ⅰ夹紧主轴1-20远离电机主轴方向的末端设有轴肩，用于限定钳Ⅰ夹紧主轴1-20上已装配零件的位置，推杆1-10末端安装有钳Ⅰ直线电机推杆1-11，推杆1-10与推杆1-10垂直下方的拨叉1-9相连接，钳Ⅰ直线电机推杆1-11安置在钳Ⅰ夹紧电机1-13上，当钳Ⅰ直线电机推杆1-11推动或拉回推杆1-10时，与推杆1-10相连接的拨叉1-9可带动滑动挡圈1-12、弹簧1-8、挡圈1-7和钳Ⅰ夹紧主动齿轮1-6沿钳Ⅰ夹紧主轴1-20轴向左右移动，进而控制钳Ⅰ夹紧主动齿轮1-6与钳Ⅰ夹紧被动齿轮1-5的啮合情况，另外，钳Ⅰ夹紧电机1-13可驱动钳Ⅰ夹紧被动齿轮1-5绕钳Ⅰ夹紧主轴1-20旋转，从而控制了与钳Ⅰ夹紧被动齿轮1-5相连的钳Ⅰ锥形夹头1-4的顺时旋转或逆时旋转，最终实现了对正畸弓丝5的夹紧与松开。
进一步的，所述的钳Ⅱ2，它包括：钳Ⅱ可动钳口2-1、可动楔形滑块2-1-1、钳Ⅱ固定钳口2-2、夹紧滑块2-3、夹紧楔形滑块2-3-1、钳Ⅱ直线电机推杆2-4、直线电机2-5、钳Ⅱ旋转被动齿轮2-6、钳Ⅱ外壳2-7、钳Ⅱ丝杠2-8、钳Ⅱ丝杠电机2-9、钳Ⅱ丝杠螺母2-10、钳Ⅱ旋转主动齿轮2-11、钳Ⅱ旋转电机2-12、复位弹簧2-13，以钳Ⅱ可动钳口2-1垂直向下为参考方向，钳Ⅱ丝杠电机2-9安装在钳Ⅱ外壳2-7的顶部，以驱动钳Ⅱ丝杠2-8，其中钳Ⅱ丝杠2-8与钳Ⅱ丝杠螺母2-10通过螺纹连接配合，通过钳Ⅱ丝杠电机2-9驱动钳Ⅱ丝杠2-8可以实现钳Ⅱ丝杠螺母2-10沿钳Ⅱ丝杠2-8轴线方向上下移动；直线电机2-5、钳Ⅱ旋转被动齿轮2-6、钳Ⅱ旋转主动齿轮2-11以及钳Ⅱ旋转电机2-12均安装在钳Ⅱ丝杠螺母2-10内，其中钳Ⅱ旋转电机2-12与钳Ⅱ旋转主动齿轮2-11通过轴孔配合相连接，钳Ⅱ旋转主动齿轮2-11与钳Ⅱ旋转被动齿轮2-6相啮合，形成一对啮合齿轮，以实现钳Ⅱ旋转被动齿轮2-6的旋转，另外，直线电机2-5通过轴孔配合被安装在钳Ⅱ旋转被动齿轮2-6中，钳Ⅱ直线电机推杆2-4安装在直线电机2-5中，在直线电机2-5和钳Ⅱ旋转被动齿轮2-6的作用下，钳Ⅱ直线电机推杆2-4即可实现绕钳Ⅱ旋转被动齿轮2-6的轴线进行旋转，又可沿钳Ⅱ旋转被动齿轮2-6的轴线进行平移；夹紧滑块2-3通过螺栓连接固定在钳Ⅱ直线电机推杆2-4上，夹紧滑块2-3上装有夹紧楔形滑块2-3-1，而钳Ⅱ可动钳口2-1上装有可动楔形滑块2-1-1，当钳Ⅱ直线电机推杆2-4被直线电机2-5推出时，夹紧楔形滑块2-3-1与可动楔形滑块2-1-1发生挤压，推动钳Ⅱ可动钳口2-1向钳Ⅱ固定钳口2-2方向移动，实现了钳Ⅱ2对正畸弓丝5的夹紧，当钳Ⅱ直线电机推杆2-4被直线电机2-5拉回时，夹紧楔形滑块2-3-1与可动楔形滑块2-1-1发生分离，复位弹簧2-13将钳Ⅱ可动钳口2-1推离钳Ⅱ固定钳口2-2，实现了钳Ⅱ2对正畸弓丝5的松开。
进一步的，所述的柱坐标系转台3包括：转台电机3-1、转台主动齿轮3-2、转台3-3、转台被动齿轮3-4，转台电机3-1通过轴孔装配与转台主动齿轮3-2相连接，以驱动转台主动齿轮3-2绕转台电机3-1的电机轴旋转，转台主动齿轮3-2与转台被动齿轮3-4相啮合，形成一对啮合齿轮，转台3-3与转台被动齿轮3-4通过螺栓连接相互固定，以实现转台被动齿轮3-4带动转台3-3绕转台3-3中心旋转。
进一步的，所述的机器人主体外壳4包括：底座4-1、环形拉门4-2、环形外壳4-3、主体支撑4-4、外壳支柱4-5、连接底盘4-6、外壳顶部4-7，连接底盘4-6通过螺栓连接安装在机器人主体外壳4的内部，外壳顶部4-7通过螺栓连接安装在机器人主体外壳4的外部，通过环形拉门4-2可实现机器人主体外壳4的开合，以保护操作人员与正畸弓丝弯制机器人；主体支撑4-4和外壳支柱4-5用于支撑机器人主体外壳4。
进一步的，当自动送丝任务完成时，需要正畸弓丝机器人完成弓丝弯制任务的具体实施方式为：首先，根据弯制弓丝的类型有所不同，因此，正畸弓丝机器人的具体实施顺序可能有所差异，本实施方式主要对于该正畸弓丝机器人的弯制功能进行附加说明；自动送丝任务执行完成后，开始执行弓丝弯制任务，此时，正畸弓丝5被安置在钳Ⅰ旋转主轴1-19中且已送至正畸弓丝机器人的工作区域内，钳Ⅰ1的钳Ⅰ锥形夹头1-4对于正畸弓丝5处于松开状态，钳Ⅱ2对于正畸弓丝5处于夹紧状态，在弯制弓丝的过程中，需要将钳Ⅰ1的钳Ⅰ锥形夹头1-4调整为夹紧且旋转的状态，因此，首先控制钳Ⅰ直线电机推杆1-11将推杆1-10推出，经过拨叉1-9、滑动挡圈1-12、弹簧1-8和挡圈1-7之间的力传递，使得钳Ⅰ夹紧主动齿轮1-6与钳Ⅰ夹紧被动齿轮1-5处于啮合状态，此时，启动钳Ⅰ夹紧电机1-13使得钳Ⅰ夹紧主动齿轮1-6逆时针旋转，与钳Ⅰ夹紧主动齿轮1-6外啮合的钳Ⅰ夹紧被动齿轮1-5顺时针旋转，使得与钳Ⅰ夹紧被动齿轮1-5相固定的钳Ⅰ锥形夹头1-4同样处于顺时针旋转状态，进而夹头外壳1-4-1与夹头主轴1-4-3之间的空间缩小，此时夹头夹芯1-4-2受到夹头外壳1-4-1的挤压，使得夹头夹芯1-4-2保持夹紧状态，以实现对正畸弓丝5的夹紧，为机器人绕弯弯制弓丝做准备，此时，启动钳Ⅰ旋转电机1-16且按逆时针方向旋转，驱动钳Ⅰ旋转主动齿轮1-3与相外啮合的钳Ⅰ旋转被动齿轮1-14，使得钳Ⅰ旋转主轴1-19按顺时针旋转，实现了正畸弓丝5在弯制过程中可绕自身旋转，因此，钳Ⅰ夹紧电机1-13和钳Ⅰ旋转电机1-16的启动，使得钳Ⅰ1实现了对正畸弓丝5的旋转和夹紧，此时，根据不同弯制需求，对于钳Ⅰ1的控制顺序有可能存在不同，当发生正畸弓丝弯制过程中干涉现象时，通过启动柱坐标系转台3中的转台电机3-1以驱动转台主动齿轮3-2和相外啮合的转台被动齿轮3-4，进而旋转转台3-3，可实现钳Ⅰ1整体机构绕旋转中心旋转0°至360°，完成了对正畸弓丝5的灵活弯制，另外，如需要沿正畸弓丝5送丝方向的平移时，可启动钳Ⅰ丝杠电机1-17，以驱动钳Ⅰ丝杠1-2，完成钳Ⅰ1整体机构沿正畸弓丝5方向的平移，因此，在正畸弓丝弯制机器人完成弯制任务时，钳Ⅰ1可实现对正畸弓丝5的旋转和夹紧，另外钳Ⅰ1也可实现绕旋转中心旋转以及沿正畸弓丝5送丝方向的平移，提高了弯制的灵活性，在钳Ⅰ1整体机构作用下，可实现正畸弓丝5的进给和位姿的调整；在弯制过程中，钳Ⅱ2除了能够完成对正畸弓丝5的夹紧，还能通过启动钳Ⅱ旋转电机2-12，驱动钳Ⅱ旋转主动齿轮2-11与相外啮合的钳Ⅱ旋转被动齿轮2-6，以实现钳Ⅱ可动钳口2-1和钳Ⅱ固定钳口2-2整体旋转，当发生正畸弓丝弯制过程中干涉现象时，设定钳Ⅱ可动钳口2-1和钳Ⅱ固定钳口2-2整体机构的旋转角度，避免了钳Ⅰ1和钳Ⅱ2发生碰撞，完成对正畸弓丝5上某一弯制点的弯制；因此，结合送丝任务中钳Ⅱ2的执行方式，钳Ⅱ2可实现沿正畸弓丝5垂直方向的移动以及对于正畸弓丝5的夹紧和松开，通过设定旋转角度可避免弓丝弯制过程中的干涉现象；
综上，所述的正畸弓丝弯制机器人中的钳Ⅰ1可实现正畸弓丝5的进给和位姿的调整，其中的钳Ⅱ2可实现正畸弓丝5的夹紧，同时用于避免正畸弓丝弯制过程中干涉现象，在钳Ⅰ1和钳Ⅱ2相互配合下，钳Ⅱ2通过钳Ⅱ可动钳口2-1和钳Ⅱ固定钳口2-2对正畸弓丝5的夹紧，再通过钳Ⅰ1对正畸弓丝5位姿的调整，可使得正畸弓丝5绕钳Ⅱ可动钳口2-1和钳Ⅱ固定钳口2-2完成弯制，进而使弓丝成形。
一种弯丝运动映射模型建立方法，本方法应用于一种正畸弓丝弯制机器人；
一种弯丝运动映射模型建立方法，所述方法的具体实现过程为：
步骤一、建立人手弯丝的轨迹特征模型坐标系：
在正畸弓丝坐标系OiXiYiZi的XiOiYi平面内，以离散的几何单元在二维平面内，建立弯制过程中正畸弓丝的数学模型。将正畸弓丝看成若干个直线段、圆弧段的几何单元的排列组合，直线段、圆弧段的表达式分别为L1、L2、…和M1、M2、…，则弯制过程中正畸弓丝未成形部分的弯制后形态的表达式为f＝f{L1，L2，M1，...}，函数f{L1，L2，M1，...}表示L1、M1、L2等几何单元的首尾顺次连接，在进行坐标变换计算时需要将f转换成坐标点矩阵的形式。因此，在几何单元的数字化表达上也采用坐标点的形式，直线段Li的长度表达用两个端点坐标表示Li＝(xi+1-xi，yi+1-yi，zi+1-zi)，圆弧段的表达是利用微分的原理将连续的圆弧曲线转化成离散的有限若干点的形式，由此得出在第i+1个弯制点处的人手弯丝运动轨迹特征模型的坐标矩阵[Fi+1]为
式中，Mi+1为将弓丝圆弧段以t＝n·Δt(0＜t＜θi+1)分成n个点(t表示局部圆弧段，Δt表示圆弧上被划分的每个小圆弧段)，n个点的坐标矩阵为[Mi+1]；
步骤二、建立机器人弯丝的轨迹特征模型的坐标系：
采用与人手弯丝运动轨迹坐标系相同的建立方式，建立机器人弯丝的轨迹特征模型的坐标系，以第i-1、i、i+1个弯制点构建弯制第i+1个弯制点的机器人弯制过程的正畸弓丝三维姿态的圆柱坐标系Oi-ρθZ，以第i+1个弯制的为原点Oi，以第i个点到第i+1个弯制点的直线方向θ＝0的位置，以第i-1、i、i+1个弯制点为确定弯制平面为极坐标系Oiρθ所在的平面，为机器人弯丝过程的正畸弓丝三维姿态仍采用若干离散的几何单元首尾顺次拼接的形似表达，机器人弯制过程正畸弓丝三维姿态的表达式如式(2)所示：
步骤三、人手弯制运动轨迹信息转换为机器人弯丝运动轨迹信息：
将人手弯丝的运动轨迹信息转化成机器人弯丝运动轨迹信息，主要实现从直角坐标系OiXYZ下的坐标转成圆柱坐标系Oi-ρθZ下的坐标。因为在建立坐标系时二者之间具有一定联系，故推导出两个坐标系的坐标变换公式，如式(3)所示：
步骤四、弯丝运动映射模型的建立：
根据圆柱坐标系Oi-ρθZ下，由正畸弓丝三维姿态信息表示的机器人弯丝的运动轨迹信息，推导出机器人各自由度的运动信息，β表示弯制点弯折运动钳Ⅰ弯折旋转角度和位置调整时钳Ⅱ沿Z轴方向旋转的角度。r表示弯制点处钳Ⅱ的曲率半径，用于推导出钳Ⅱ沿z轴方向移动的距离。坐标点(ρ0，0，0)可以推导出位置调整时钳Ⅰ在沿极径方向移动的距离。根据机器人弯丝运动轨迹信息推导出关于机器人各自由度的运动信息表达式，即为弯丝运动映射模型如式(4)所示：
式中，g(β)表示弯制角度为β时的回弹角度值，h是钳Ⅱ沿Z轴方向移动的成常量值，r0和h0分别表示正畸钳头圆锥体的最大底面半径和高。
以上显示和描述了本发明专利的基本原理和主要特征和本发明专利的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明专利不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明专利的原理，在不脱离本发明专利精神和范围的前提下，本发明专利还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明专利范围内。本发明专利要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种正畸弓丝弯制机器人，由钳Ⅰ(1)、钳Ⅱ(2)、柱坐标系转台(3)、机器人主体外壳(4)四部分组成，其特征在于：所述钳Ⅰ(1)中的钳Ⅰ丝杠导轨滑台(1-1)通过螺栓与柱坐标系转台(3)的转台(3-3)相连接，柱坐标系转台(3)的转台(3-3)通过螺栓与机器人主体外壳(4)内部的连接底盘(4-6)相连接，钳Ⅱ(2)通过螺栓固定在机器人主体外壳(4)外部的外壳顶部(4-7)；所述的钳Ⅰ(1)属于柱坐标式，它包括：钳Ⅰ丝杠导轨滑台(1-1)、钳Ⅰ丝杠(1-2)、钳Ⅰ旋转主动齿轮(1-3)、钳Ⅰ锥形夹头(1-4)、夹头外壳(1-4-1)、夹头夹芯(1-4-2)、夹头主轴(1-4-3)、钳Ⅰ夹紧被动齿轮(1-5)、钳Ⅰ夹紧主动齿轮(1-6)、挡圈(1-7)、弹簧(1-8)、拨叉(1-9)、推杆(1-10)、钳Ⅰ直线电机推杆(1-11)、滑动挡圈(1-12)、钳Ⅰ夹紧电机(1-13)、钳Ⅰ旋转被动齿轮(1-14)、钳Ⅰ支架(1-15)、钳Ⅰ旋转电机(1-16)、钳Ⅰ丝杠电机(1-17)、钳Ⅰ丝杠螺母(1-18)、钳Ⅰ旋转主轴(1-19)、钳Ⅰ夹紧主轴(1-20)、送丝入口(1-21)，钳Ⅰ丝杠(1-2)通过轴孔装配安装在钳Ⅰ丝杠导轨滑台(1-1)中，钳Ⅰ丝杠螺母(1-18)与钳Ⅰ丝杠(1-2)通过螺纹相连接，钳Ⅰ丝杠电机(1-17)通过钳Ⅰ丝杠导轨滑台(1-1)安装在钳Ⅰ丝杠(1-2)的末端，以驱动钳Ⅰ丝杠(1-2)绕钳Ⅰ丝杠电机(1-17)的电机轴旋转，使得钳Ⅰ丝杠螺母(1-18)实现沿钳Ⅰ丝杠(1-2)的轴向左右移动，钳Ⅰ支架(1-15)的下底面通过螺栓与钳Ⅰ丝杠螺母(1-18)相连接，钳Ⅰ旋转电机(1-16)通过钳Ⅰ支架(1-15)与钳Ⅰ旋转主动齿轮(1-3)完成装配，以驱动钳Ⅰ旋转主动齿轮(1-3)绕钳Ⅰ旋转电机(1-16)的电机轴旋转，钳Ⅰ旋转被动齿轮(1-14)、钳Ⅰ夹紧被动齿轮(1-5)和钳Ⅰ锥形夹头(1-4)均安装在钳Ⅰ旋转主轴(1-19)上，钳Ⅰ旋转主轴(1-19)为空心轴，其中钳Ⅰ旋转被动齿轮(1-14)安装在钳Ⅰ支架(1-15)内部，与钳Ⅰ旋转主动齿轮(1-3)相啮合，形成一对啮合齿轮，钳Ⅰ夹紧被动齿轮(1-5)和钳Ⅰ锥形夹头(1-4)安装在钳Ⅰ支架(1-15)外部，送丝入口(1-21)位于钳Ⅰ旋转主轴(1-19)的左侧，正畸弓丝(5)通过送丝入口(1-21)穿过钳Ⅰ旋转主轴(1-19)的内部，可以将待弯制的正畸弓丝(5)送至位于钳Ⅰ旋转主轴(1-19)末端的钳Ⅰ锥形夹头(1-4)，完成机器人的送丝，其中钳Ⅰ锥形夹头(1-4)由夹头外壳(1-4-1)、夹头夹芯(1-4-2)、夹头主轴(1-4-3)组成，夹头外壳(1-4-1)通过螺纹与夹头主轴(1-4-3)相连接，夹头夹芯(1-4-2)位于旋转夹头外壳(1-4-1)和夹头主轴(1-4-3)的中间，当顺时针旋转夹头外壳(1-4-1)时，夹头外壳(1-4-1)与夹头主轴(1-4-3)之间的空间缩小，此时夹头夹芯(1-4-2)受到夹头外壳(1-4-1)的挤压，使得夹头夹芯(1-4-2)保持夹紧状态，以实现对正畸弓丝(5)的夹紧，反之，逆时针旋转夹头夹芯(1-4-2)实现了对正畸弓丝(5)的松开；钳Ⅰ夹紧被动齿轮(1-5)与钳Ⅰ夹紧主动齿轮(1-6)相啮合，形成一对啮合齿轮，钳Ⅰ夹紧电机(1-13)通过螺纹连接安装在钳Ⅰ支架(1-15)的上顶面，钳Ⅰ夹紧电机(1-13)的主轴与钳Ⅰ夹紧主轴(1-20)相连接，以驱动钳Ⅰ夹紧主轴(1-20)绕轴向旋转，拨叉(1-9)、滑动挡圈(1-12)、弹簧(1-8)、挡圈(1-7)和钳Ⅰ夹紧主动齿轮(1-6)通过轴孔装配从左至右依次的被安装在钳Ⅰ夹紧主轴(1-20)上，拨叉(1-9)通过螺栓与滑动挡圈(1-12)相连接，弹簧(1-8)被镶嵌在滑动挡圈(1-12)和挡圈(1-7)中，挡圈(1-7)通过螺栓与钳Ⅰ夹紧主动齿轮(1-6)相连接，钳Ⅰ夹紧主轴(1-20)远离电机主轴方向的末端设有轴肩，用于限定钳Ⅰ夹紧主轴(1-20)上已装配零件的位置，推杆(1-10)末端安装有钳Ⅰ直线电机推杆(1-11)，推杆(1-10)与推杆(1-10)垂直下方的拨叉(1-9)相连接，钳Ⅰ直线电机推杆(1-11)安置在钳Ⅰ夹紧电机(1-13)上，当钳Ⅰ直线电机推杆(1-11)推动或拉回推杆(1-10)时，与推杆(1-10)相连接的拨叉(1-9)可带动滑动挡圈(1-12)、弹簧(1-8)、挡圈(1-7)和钳Ⅰ夹紧主动齿轮(1-6)沿钳Ⅰ夹紧主轴(1-20)轴向左右移动，进而控制钳Ⅰ夹紧主动齿轮(1-6)与钳Ⅰ夹紧被动齿轮(1-5)的啮合情况，另外，钳Ⅰ夹紧电机(1-13)可驱动钳Ⅰ夹紧被动齿轮(1-5)绕钳Ⅰ夹紧主轴(1-20)旋转，从而控制与钳Ⅰ夹紧被动齿轮(1-5)相连的钳Ⅰ锥形夹头(1-4)的顺时旋转或逆时旋转，最终实现了对正畸弓丝(5)的夹紧与松开；所述的钳Ⅱ(2)属于直角坐标式，它包括：钳Ⅱ可动钳口(2-1)、可动楔形滑块(2-1-1)、钳Ⅱ固定钳口(2-2)、夹紧滑块(2-3)、夹紧楔形滑块(2-3-1)、钳Ⅱ直线电机推杆(2-4)、直线电机(2-5)、钳Ⅱ旋转被动齿轮(2-6)、钳Ⅱ外壳(2-7)、钳Ⅱ丝杠(2-8)、钳Ⅱ丝杠电机(2-9)、钳Ⅱ丝杠螺母(2-10)、钳Ⅱ旋转主动齿轮(2-11)、钳Ⅱ旋转电机(2-12)、复位弹簧(2-13)，以钳Ⅱ可动钳口(2-1)垂直向下为参考方向，钳Ⅱ丝杠电机(2-9)安装在钳Ⅱ外壳(2-7)的顶部，以驱动钳Ⅱ丝杠(2-8)，其中钳Ⅱ丝杠(2-8)与钳Ⅱ丝杠螺母(2-10)通过螺纹连接配合，通过钳Ⅱ丝杠电机(2-9)驱动钳Ⅱ丝杠(2-8)可以实现钳Ⅱ丝杠螺母(2-10)沿钳Ⅱ丝杠(2-8)轴线方向上下移动；直线电机(2-5)、钳Ⅱ旋转被动齿轮(2-6)、钳Ⅱ旋转主动齿轮(2-11)以及钳Ⅱ旋转电机(2-12)均安装在钳Ⅱ丝杠螺母(2-10)内，其中钳Ⅱ旋转电机(2-12)与钳Ⅱ旋转主动齿轮(2-11)通过轴孔配合相连接，钳Ⅱ旋转主动齿轮(2-11)与钳Ⅱ旋转被动齿轮(2-6)相啮合，形成一对啮合齿轮，以实现钳Ⅱ旋转被动齿轮(2-6)的旋转，另外，直线电机(2-5)通过轴孔配合被安装在钳Ⅱ旋转被动齿轮(2-6)中，钳Ⅱ直线电机推杆(2-4)安装在直线电机(2-5)中，在直线电机(2-5)和钳Ⅱ旋转被动齿轮(2-6)的作用下，钳Ⅱ直线电机推杆(2-4)既可实现绕钳Ⅱ旋转被动齿轮(2-6)的轴线进行旋转，又可沿钳Ⅱ旋转被动齿轮(2-6)的轴线进行平移；夹紧滑块(2-3)通过螺栓连接固定在钳Ⅱ直线电机推杆(2-4)上，夹紧滑块(2-3)上装有夹紧楔形滑块(2-3-1)，而钳Ⅱ可动钳口(2-1)上装有可动楔形滑块(2-1-1)，当钳Ⅱ直线电机推杆(2-4)被直线电机(2-5)推出时，夹紧楔形滑块(2-3-1)与可动楔形滑块(2-1-1)发生挤压，推动钳Ⅱ可动钳口(2-1)向钳Ⅱ固定钳口(2-2)方向移动，实现了钳Ⅱ(2)对正畸弓丝(5)的夹紧，当钳Ⅱ直线电机推杆(2-4)被直线电机(2-5)拉回时，夹紧楔形滑块(2-3-1)与可动楔形滑块(2-1-1)发生分离，复位弹簧(2-13)将钳Ⅱ可动钳口(2-1)推离钳Ⅱ固定钳口(2-2)，实现了钳Ⅱ(2)对正畸弓丝(5)的松开。
2.根据权利要求1所述的一种正畸弓丝弯制机器人，其特征在于：所述的柱坐标系转台(3)包括：转台电机(3-1)、转台主动齿轮(3-2)、转台(3-3)、转台被动齿轮(3-4)，转台电机(3-1)通过轴孔装配与转台主动齿轮(3-2)相连接，以驱动转台主动齿轮(3-2)绕转台电机(3-1)的电机轴旋转，转台主动齿轮(3-2)与转台被动齿轮(3-4)相啮合，形成一对啮合齿轮，转台(3-3)与转台被动齿轮(3-4)通过螺栓连接相互固定，以实现转台被动齿轮(3-4)带动转台(3-3)绕转台(3-3)中心旋转；所述的机器人主体外壳(4)包括：底座(4-1)、环形拉门(4-2)、环形外壳(4-3)、主体支撑(4-4)、外壳支柱(4-5)、连接底盘(4-6)、外壳顶部(4-7)，连接底盘(4-6)通过螺栓连接安装在机器人主体外壳(4)的内部，外壳顶部(4-7)通过螺栓连接安装在机器人主体外壳(4)的外部，通过环形拉门(4-2)可实现机器人主体外壳(4)的开合，以保护操作人员和柱坐标与直角坐标组合式正畸弓丝弯制机器人；主体支撑(4-4)和外壳支柱(4-5)用于支撑机器人主体外壳(4)。
3.一种弯丝运动映射模型建立方法，其特征在于：本方法应用于一种正畸弓丝弯制机器人。
4.一种弯丝运动映射模型建立方法，其特征在于：所述方法的具体实现过程为：
步骤一、建立人手弯丝的轨迹特征模型坐标系：
在正畸弓丝坐标系OiXiYiZi的XiOiYi平面内，以离散的几何单元在二维平面内，建立弯制过程中正畸弓丝的数学模型；将正畸弓丝看成若干个直线段、圆弧段的几何单元的排列组合，直线段、圆弧段的表达式分别为L1、L2、…和M1、M2、…，则弯制过程中正畸弓丝未成形部分的弯制后形态的表达式为f＝f{L1，L2，M1，...}，函数f{L1，L2，M1，...}表示L1、M1、L2等几何单元的首尾顺次连接，在进行坐标变换计算时需要将f转换成坐标点矩阵的形式；因此，在几何单元的数字化表达上也采用坐标点的形式，直线段Li的长度表达用两个端点坐标表示Li＝(xi+1-xi，yi+1-yi，zi+1-zi)，圆弧段的表达是利用微分的原理将连续的圆弧曲线转化成离散的有限若干点的形式，由此得出在第i+1个弯制点处的人手弯丝运动轨迹特征模型的坐标矩阵[Fi+1]为：
式中，Mi+1为将弓丝圆弧段以t＝n·Δt(0＜t＜θi+1)分成n个点(t表示局部圆弧段，Δt表示圆弧上被划分的每个小圆弧段)，n个点的坐标矩阵为[Mi+1]；
步骤二、建立机器人弯丝的轨迹特征模型的坐标系：
采用与人手弯丝运动轨迹坐标系相同的建立方式，建立机器人弯丝的轨迹特征模型的坐标系，以第i-1、i、i+1个弯制点构建弯制第i+1个弯制点的机器人弯制过程的正畸弓丝三维姿态的圆柱坐标系Oi-ρθZ，以第i+1个弯制的为原点Oi，以第i个点到第i+1个弯制点的直线方向θ＝0的位置，以第i-1、i、i+1个弯制点为确定弯制平面为极坐标系Oiρθ所在的平面，为机器人弯丝过程的正畸弓丝三维姿态仍采用若干离散的几何单元首尾顺次拼接的形似表达，机器人弯制过程正畸弓丝三维姿态的表达式如式(2)所示：
步骤三、人手弯制运动轨迹信息转换为机器人弯丝运动轨迹信息：
将人手弯丝的运动轨迹信息转化成机器人弯丝运动轨迹信息，主要实现从直角坐标系OiXYZ下的坐标转成圆柱坐标系Oi-ρθZ下的坐标；因为在建立坐标系时二者之间具有一定联系，故推导出两个坐标系的坐标变换公式，如式(3)所示：
步骤四、弯丝运动映射模型的建立：
根据圆柱坐标系Oi-ρθZ下，由正畸弓丝三维姿态信息表示的机器人弯丝的运动轨迹信息，推导出机器人各自由度的运动信息，β表示弯制点弯折运动钳Ⅰ弯折旋转角度和位置调整时钳Ⅱ沿Z轴方向旋转的角度；r表示弯制点处钳Ⅱ的曲率半径，用于推导出钳Ⅱ沿z轴方向移动的距离；坐标点(ρ0，0，0)可以推导出位置调整时钳Ⅰ在沿极径方向移动的距离；根据机器人弯丝运动轨迹信息推导出关于机器人各自由度的运动信息表达式，即弯丝运动映射模型如式(4)所示：
式中，g(β)表示弯制角度为β时的回弹角度值，h是钳Ⅱ沿Z轴方向移动的成常量值，r0和h0分别表示正畸钳头圆锥体的最大底面半径和高。
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