CN110567825B - 一种用于测试的仿生口腔结构及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于测试的仿生口腔结构及其应用，其能解决现有的仿生口腔结构实际测试还有待改善的技术问题。一种用于测试的仿生口腔结构，其包括上颌、下颌、驱动单元、传感器和控制器，其特征在于：牙龈为软质弹性材料制得，牙龈的基体设有穿孔、自穿孔上端开口向上延伸形成的盖帽部，牙齿包括均由硬质材料制得的磨牙和种植体，种植体的上端贯穿牙龈的穿孔后伸入盖帽部，牙龈和种植体均可拆卸地固定于安装板上，传感器为柔性传感器，柔性传感器覆盖盖帽部，磨牙底部设有沉孔，磨牙安装于牙龈上，由柔性传感器、盖帽部和种植体的上端构成的整体嵌入沉孔内并且与沉孔为紧配合。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机械技术领域，具体涉及一种用于测试的仿生口腔结构及其应用。
背景技术
现有的仿生口腔结构包括上牙、下牙和相应的传感器，上牙安装于机架上部，下牙固定于容器的腔体内并位于上牙下方，容器固定于动平台并且其上部设有开口；咀嚼驱动装置连接动平台，用于将动平台向上提升，使得下牙相对上牙运动，并对驱动不同控制，实现上下咬合、左右磨切、门齿切断等多种动作，达到仿生咀嚼的目的。
虽然现有的仿生口腔结构已经达到仿生咀嚼的目的，但是其实际测试还有待改善。中国专利201010255196.0公开了食物物性仿生检测机器人，该机器人也具备仿生口腔结构，其在上牙、下牙表面设置压力传感器，收集食物作用于牙齿的力的数据信息，以体现不同咀嚼程度下食物物性。但是，传统压力传感器的体积较大，安装于牙齿表面将会影响牙齿表面构造，进而影响仿生咀嚼的目的，同时，在对义齿疲劳强度进行检测时，由于压力传感器一般是通过牙齿变形实现相应检测，而义齿强度很高，变形很小，难以实现精确检测。
发明内容
本发明提供了一种用于测试的仿生口腔结构及其应用，其能解决现有的仿生口腔结构实际测试还有待改善的技术问题。
其技术方案是这样的，一种用于测试的仿生口腔结构，其包括上颌、下颌、驱动单元、传感器和控制器，所述上颌和所述下颌均包括牙齿、牙龈和安装板，所述上颌的牙齿、牙龈、安装板安装于静平台，所述静平台安装于机架，所述下颌的牙齿、牙龈、安装板安装于动平台，所述动平台连接驱动装置并且能在驱动单元的作用下沿上下方向、左右方向运动，所述驱动单元、所述传感器分别与所述控制器电控连接；其特征在于：
所述牙龈为软质弹性材料制得，所述牙龈的基体设有自上而下设置的穿孔、自穿孔上端开口向上延伸形成的盖帽部，所述牙齿包括均由硬质材料制得的磨牙和种植体，所述种植体的上端贯穿所述牙龈的穿孔后伸入盖帽部，所述牙龈和所述种植体均可拆卸地固定于安装板上，所述传感器为柔性传感器，所述柔性传感器覆盖所述盖帽部，所述柔性传感器至少设有1个与所述盖帽部的顶部相对的感应单元、至少设有2个以上围绕所述盖帽部的侧部均匀分布的感应单元，所述磨牙底部设有沉孔，所述磨牙安装于所述牙龈上，由所述柔性传感器、所述盖帽部和所述种植体的上端构成的整体嵌入所述沉孔内并且与所述沉孔为紧配合，所述磨牙、所述柔性传感器、所述盖帽部和所述种植体依次紧密贴合设置。
进一步的，所述牙龈采用硅胶制得，在非测试状态下，所述盖帽部在所述磨牙紧配合的作用下处于弹性压缩状态并且能够在外力的作用下进一步压缩。
进一步的，在非测试状态下，所述沉孔的内侧壁、顶壁均与所述柔性传感器的非感应检测端紧密贴合，所述盖帽部的外侧壁、外顶壁均与所述柔性传感器的感应检测端紧密贴合，所述盖帽部的内侧壁、内顶壁均与所述种植体上端的外侧壁、外顶壁紧密贴合。
进一步的，所述上颌和下颌对应每颗牙齿分别设有电涡流传感器，上颌部分的电涡流传感器安装于种植体的正上方并间隔设置，下颌部分的电涡流传感器安装于种植体的正下方并间隔设置。
进一步的，所述驱动单元设有3对并且围绕所述动平台均布，所述驱动单元包括电机、丝杆、丝杆螺母、滑块、导柱、连杆和球铰，所述电机的输出端连接丝杆，所述丝杆、导柱两端分别支撑于支撑板并且均沿竖向设置，所述丝杆螺母与所述丝杆配合并且与所述滑块固定连接，所述滑块与导柱导向配合，所述连杆两端分别通过球铰与所述滑块、所述动平台连接，所述电机、所述支撑板固定于所述机架。
进一步的，所述种植体与所述安装板螺纹配合并且通过螺母紧固。
进一步的，所述基体的下端面与所述安装板贴合，所述种植体自下而上贯穿所述安装板和所述基体。
进一步的，所述下颌设有舌头，所述舌头由硅胶制得并且安装于所述安装板。
上述仿生口腔结构在食品物性检测中的应用。
上述仿生结构在义齿疲劳测试中的应用。
本发明仿生口腔结构有益效果如下：
（1）传感器和牙龈均采用柔性结构，牙龈增设了包覆种植体上端的盖帽部，柔性传感器设置于磨牙的沉孔内侧和盖帽部之间，同时，磨牙、柔性传感器、盖帽部和种植体依次紧密贴合设置，上、下牙与食品发生挤压作用或/和剪切作用后，力由磨牙、柔性传感器传递至牙龈的盖帽部，由于盖帽部与牙龈为一整体，均由软质弹性材料制得，并且外侧的磨牙、内部的种植体均为硬质材料制得，在力传递作用过程中，将于盖帽部发生明显的弹性变形，这种明显的弹性变形能够更为容易的被柔性传感器检测到并转换为所需采集的载荷的变化情况；
（2）柔性传感器置于磨牙的沉孔和牙龈的盖帽部之间，不会与食物接触、摩擦，一方面，避免影响仿生咀嚼，另一方面，确保柔性传感器的使用寿命；
（3）在食品质构检测实验中，需要对食品材料进行不同方式的咀嚼作用，比如上下咬合产生挤压作用，左右磨切产生剪切作用，采用覆盖盖帽部的柔性传感器可以同时检测挤压作用和剪切作用产生的不同方向的力进行检测，具体的，当盖帽部的顶部在上下咬合过程中发生进一步压缩后，柔性传感器覆盖顶部的部分就能反馈上下方向的受力情况，当盖帽部的侧部在左右磨切过程中发生进一步压缩后，柔性传感器覆盖顶部的部分就能反馈左右方向的受力情况，同时，受力情况是从与食物接触的各颗牙齿的柔性传感器直接反馈，检测到的载荷更加接近单颗牙的真实受载情况，从而使检测方式上更加符合仿生设计；
（4）在义齿疲劳测试实验中，需要对不同位置的各颗牙齿的种植体分别进行检测，本发明仿生口腔结构中，种植体与安装板、牙龈均为可拆卸的连接关系，方便对不同部位的各颗牙齿的种植体进行更换检测，种植体的应力阈值、断裂情况检测通过柔性传感器反馈，种植体松动后产生位移通过金属涡流传感器反馈，通过受力反馈与位移反馈准确地判断磨牙的应力阈值、断裂，损坏情况，使得检测更为精准。
附图说明
图1为本发明的仿生口腔结构的结构示意图。
图2为本发明的下颌的结构示意图，其中，部分牙齿未安装。
图3为本发明的牙齿、牙龈和安装板配合的剖视图。
图4为本发明的驱动单元的结构示意图。
具体实施方式
如图1~图4所示，一种用于测试的仿生口腔结构，其包括上颌、下颌、驱动单元、传感器和控制器，上颌和下颌均包括牙齿4、牙龈5和安装板6，下颌还设有舌头7，上颌的牙齿4、牙龈5（即上牙、上牙龈）、安装板6安装于静平台1，静平台1安装于机架的上安装座3d，下颌的牙齿4、牙龈5（即下牙、下牙龈）、安装板6安装于动平台2，舌头7由硅胶制得并且安装于下颌的安装板6，动平台2连接驱动装置并且能在驱动单元的作用下沿上下方向、左右方向运动，驱动单元、传感器分别与控制器电控连接；
牙龈5为软质弹性材料制得，该实施例中为硅胶材质制得，牙龈包括一体成型的基体和盖帽部，基体5a的下端面与安装板6贴合，基体5a设有自上而下设置的穿孔、自穿孔上端开口向上延伸形成的盖帽部5b；
牙齿4包括均由硬质材料制得的磨牙和种植体8，种植体8的下端与安装板6螺纹配合并且通过螺母10紧固，种植体8的上端贯穿牙龈5的穿孔后伸入盖帽部5b，牙龈5和种植体8均可拆卸地固定于安装板6上，传感器为柔性传感器9，柔性传感器9覆盖盖帽部5b，柔性传感器设有1个与盖帽部的顶部相对的感应单元、设有2个以上围绕盖帽部的侧部均匀分布的感应单元，磨牙底部设有沉孔4a，磨牙安装于牙龈5上，由柔性传感器9、盖帽部5b和种植体8的上端构成的整体嵌入沉孔4a内并且与沉孔4a为紧配合，在非测试状态下，盖帽部5b在磨牙紧配合的作用下处于弹性压缩状态并且能够在外力的作用下进一步压缩，磨牙、柔性传感器9、盖帽部5b和种植体8依次紧密贴合设置，具体的，沉孔4a的内侧壁、顶壁均与柔性传感器9的非感应检测端（即外侧面、外顶壁）紧密贴合，盖帽部5b的外侧壁、外顶壁均与柔性传感器9的感应检测端（即内侧面、内顶壁）紧密贴合，盖帽部5b的内侧壁、内顶壁均与种植体8的上端的外侧壁、外顶壁紧密贴合。
驱动单元设有3对并且围绕动平台2均布，驱动单元包括电机11、丝杆12、丝杆螺母、滑块15、导柱13、连杆17和球铰18，电机11的输出端连接丝杆12，丝杆12、导柱13两端分别支撑于支撑板14并且均沿竖向设置，丝杆螺母与丝杆12配合并且与滑块15固定连接，滑块15与导柱13导向配合，连杆17两端分别通过球铰18与滑块侧部固定的连接支座16、动平台2连接，电机11、支撑板14固定于机架的下安装框3b。3对即6个驱动单元的设置，能够实现动平台六自由度运动，进而实现对人咀嚼时口腔下颌运动的模拟，并与安装在静平台上的上颌配合实现人完整口腔的模拟以及咬合、磨切运动。
其中，机架包括底板3a，底板3a上固定有与3对驱动单元一一对应的下安装框3b，各下安装框3b的上端通过环形的连接板3c连接，连接板3c上固定有上安装座3d。
上述实施例中的柔性传感器9覆盖盖帽部顶部和侧部的部分为一体成型，也可以采用分体式结构，即第一柔性传感器覆盖盖盖帽部顶部，第二柔性传感器覆盖盖盖帽部侧部。
使用上述仿生口腔结构检测食品物性时，传感器记录下食品在被咀嚼过程中的食品的变形、受力及时间的数据，绘制应力-时间曲线，以时间为横坐标，应力为纵坐标，压力传感器检测值为正，拉力传感器检测值为负；变形-时间曲线，以时间为横坐标，变形为纵坐标；应力-变形曲线，以变形为横坐标，以应力为纵坐标；根据这些曲线，相关物性数据检测方法如下。
咬劲(硬度)：应力-时间曲线上最大峰值所对应的力，数值越大，说明食品越硬，越有咬劲。
粘着性：应力-时间曲线上横坐标线以下的倒峰面积，表示食品的粘着性，该数值绝对值越大，表示食品粘性越强，食品口感粘牙。
弹性(拉断力)：应力-变形曲线上用最大峰值所对应的力与拉伸距离的乘积来表示，数值越大，拉伸距离越长，则食品弹性越好。
延伸性(拉伸时间)：变形-时间曲线上从开始拉伸到拉断食品所需时间，该值越大，延伸性越好。
韧性：应力-变形曲线上食品被咀嚼切断时，切断力与切断距离的乘积，即切断时所作的功；该数值越大，韧性就越好。
最大切断力：应力-变形曲线上最大峰值所对应的力，数值越大，切断食品时所用的力越大。上述仿生结构在义齿疲劳测试中的应用。
使用上述仿生口腔结构检测种植体疲劳强度，还需要对应每颗牙齿另外加载电涡流传感器19，以下颌为例，电涡流传感器19与下颌的安装板的沉头孔6a通过过盈配合连接（也可以直接固定安装于动平台上，并伸入沉头孔6a），调节电涡流传感器19探头的位置使其在非受力或者说非检测受力状态下正对种植体的下端面并间隔设置，距离约1mm，上颌部分的电涡流传感器的安装则与下颌部分的电涡流传感器的安装相反，即间隔安装于种植体的上方并与种植体的上端面对应。安装板和螺母模拟骨组织，松动一般发生在种植体与安装板的螺纹连接处，当种植体松动后，在咀嚼受力过程中会发生位移，例如种植体绕松动部位发生转动或者偏移，电涡流传感器19的探头与种植体底面距离也会随之变化，电涡流传感器19的阻抗大小也会发生变化，从而将位移信号转化成电信号。
使用上述仿生口腔结构检测种植体疲劳强度的方法，包括以下步骤：
（1）校准，具体如下
a、当动平台空载时，设置当前位置为初始位置，从初始位置出发垂直向上运动；
b、当上颌、下颌的牙齿接触后，动平台立即停止运动，记录下当前位移量S1；
c、动平台回到初始位置并放上食物样品；
d、动平台承载食物样品向上运动，当食物与静平台接触后停止运动，并记录此时位移量S2，食物样品厚度为S1-S2；
e、动平台回到零点。
（2）输入咀嚼操作的预设参数和模式，咀嚼操作的参数包括食物压缩比M、剪切位移坐标、预设的循环次数N等。
（3）循环执行咀嚼操作，直到测试满足预设循环结束条件。
咀嚼操作的模式包括压缩咀嚼操作和/或剪切咀嚼操作；
一个循环的压缩咀嚼操作具体为，
a、动平台垂直向上运动，位移量为S2；
b、动平台继续垂直向上运动，位移量为d，d为（S1-S2）M；
c、动平台垂直向下运动，位移量为d。
在剪切咀嚼操作和循环前，还包括压缩操作；
压缩操作具体为，
a、动平台垂直向上运动，位移量为S2；
b、动平台继续垂直向上运动，位移量为d，d为（S1-S2）M；
一个循环的剪切咀嚼操作具体为，
a、动平台水平移动至（x、y）；
b、动平台水平移动至（-x、-y）。
预设循环结束条件包括下述结束条件中的任意一种，
a、达到预设的循环次数；
b、超过预设的应力阈值；
c、超过预设的样品松动量；
d、样品折断。
若结束时，上述结束条件a符合，并且结束条件b、c、d均不符合，则待测种植体合格。在检测种植体疲劳强度的过程中，若不考虑食品的物性变化，则柔性传感器检测到的应力是稳定的，但当经过一定数量的循环检测后，种植体会发生断裂，应力会发生突变，超出稳定应力值，稳定应力值是根据最先几次循环记录得到，可以是平均值，应力阈值是在该平均值的基础上增加了5%-10%（也可以使其它值，与材料特性有关），当实测应力值超过预设的应力阈值，测结束循环，种植体判断为不合格。
样品折断与经过一定数量的循环检测后的样品断裂不同，一般发生在初次循环，与种植体内部缺陷有关，比方说有裂纹。
本发明中，
柔性传感器的电路部分安装如下：柔性传感器的信号输出端与放大电路相连接，通过放大电路调理后的模拟信号被送入A/D转换器，由A/D转换器转换成数字信号，最终传送到计算机上分析，柔性传感器的外接信号线可从牙龈基体部分走线。
电涡流传感器的电路部分安装如下：电涡流传感器接前置器，前置器接电涡流传感器电源输入端，输出线连接信号采集分析器的输入口，最后采集器的输出线与计算机的主机相连。
Claims (8)
1.一种用于测试的仿生口腔结构，其包括上颌、下颌、驱动单元、传感器和控制器，所述上颌和所述下颌均包括牙齿、牙龈和安装板，所述上颌的牙齿、牙龈、安装板安装于静平台，所述静平台安装于机架，所述下颌的牙齿、牙龈、安装板安装于动平台，所述动平台连接驱动装置并且能在驱动单元的作用下沿上下方向、左右方向运动，所述驱动单元、所述传感器分别与所述控制器电控连接；其特征在于：
所述牙龈为软质弹性材料制得，所述牙龈的基体设有自上而下设置的穿孔、自穿孔上端开口向上延伸形成的盖帽部，所述牙齿包括均由硬质材料制得的磨牙和种植体，所述种植体的上端贯穿所述牙龈的穿孔后伸入盖帽部，所述牙龈和所述种植体均可拆卸地固定于安装板上，所述传感器为柔性传感器，所述柔性传感器覆盖所述盖帽部，所述柔性传感器至少设有1个与所述盖帽部的顶部相对的感应单元、至少设有2个以上围绕所述盖帽部的侧部均匀分布的感应单元，所述磨牙底部设有沉孔，所述磨牙安装于所述牙龈上，由所述柔性传感器、所述盖帽部和所述种植体的上端构成的整体嵌入所述沉孔内并且与所述沉孔为紧配合，所述磨牙、所述柔性传感器、所述盖帽部和所述种植体依次紧密贴合设置；
在非测试状态下，所述沉孔的内侧壁、顶壁均与所述柔性传感器的非感应检测端紧密贴合，所述盖帽部的外侧壁、外顶壁均与所述柔性传感器的感应检测端紧密贴合，所述盖帽部的内侧壁、内顶壁均与所述种植体上端的外侧壁、外顶壁紧密贴合；
所述基体的下端面与所述安装板贴合，所述种植体自下而上贯穿所述安装板和所述基体。
2.根据权利要求1所述的一种用于测试的仿生口腔结构，其特征在于：所述牙龈采用硅胶制得，在非测试状态下，所述盖帽部在所述磨牙紧配合的作用下处于弹性压缩状态并且能够在外力的作用下进一步压缩。
3.根据权利要求1所述的一种用于测试的仿生口腔结构，其特征在于：所述种植体与所述安装板螺纹配合并且通过螺母紧固。
4.根据权利要求1所述的一种用于测试的仿生口腔结构，其特征在于：所述下颌设有舌头，所述舌头由硅胶制得并且安装于所述安装板。
5.根据权利要求1所述的一种用于测试的仿生口腔结构，其特征在于：所述上颌和下颌对应每颗牙齿分别设有电涡流传感器，上颌部分的电涡流传感器安装于种植体的正上方并间隔设置，下颌部分的电涡流传感器安装于种植体的正下方并间隔设置。
6.根据权利要求1所述的一种用于测试的仿生口腔结构，其特征在于：所述驱动单元设有3对并且围绕所述动平台均布，所述驱动单元包括电机、丝杆、丝杆螺母、滑块、导柱、连杆和球铰，所述电机的输出端连接丝杆，所述丝杆、导柱两端分别支撑于支撑板并且均沿竖向设置，所述丝杆螺母与所述丝杆配合并且与所述滑块固定连接，所述滑块与导柱导向配合，所述连杆两端分别通过球铰与所述滑块、所述动平台连接，所述电机、所述支撑板固定于所述机架。
7.权利要求1~6中任一所述仿生口腔结构在食品物性检测中的应用。
8.权利要求1~6任一所述仿生口腔结构在义齿疲劳测试中的应用。
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