CN110849651B - 一种用于义齿性能测试的仿生咀嚼机器人及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于义齿性能测试的仿生咀嚼机器人及使用方法，属于仿生机器人技术领域。本发明包括机器人机械本体结构和控制系统两部分，其中咀嚼机器人机械本体包括主体支架、支架外部左右对称布置的6条规格一致的驱动支链、支架内部前下方的下颌结构、支架内部前上方的上颌结构以及支架内部后方的恒温唾液滴注系统组成。本发明可提供一种仿生颞下颌关节具有弹性、牙模夹具定位夹紧可靠、恒温唾液加湿充分、牙模测试部分可拆换、控制系统集成度高的咀嚼机器人，满足义齿性能测试规范对测试装备提出的要求。
Description
技术领域
本发明属于仿生机器人技术领域，涉及一种用于义齿性能测试的仿生咀嚼机器人及使用方法。
背景技术
义齿性能测试规范要求测试装备能够提供仿生度尽可能高的咀嚼轨迹、咬合力和口腔环境，而咀嚼机器人就是一种用于模仿人类咀嚼行为的专用机器人，因此，服务于义齿性能测试领域已成为咀嚼机器人场景应用的热点。咀嚼机器人主要由驱动机构、牙模及其夹具、仿生口腔环境和控制系统等组成。当面向不同的应用场景时，咀嚼机器人需要对系统各组成部件进行针对性优化设计，义齿性能测试场景亦不例外。
近年来，仿生颞下颌关节的设计成为咀嚼机器人机构优化设计的热点。目前主要有双面刚性约束与单面刚性约束两种方式。双面刚性约束是将髁突简化为球体，将颞骨关节面简化为贯通式滑道。此时滑道上曲面或下曲面为对运动不起独立限制作用的虚约束。尽管虚约束能在不影响机构运动的前提下增加机构的刚性，改善其受力状况，但是由于虚约束对机构的几何条件要求较高，对机构的加工和装配精度提出了较高的要求。单面刚性约束导致髁突易于脱离颞骨关节面。以上情况均容易造成关节受力与整机功率的非规律性波动。
义齿测试过程中要求牙模能够准确地定位与夹紧。目前，关于牙模夹具的公开专利集中在牙模的三维测量领域。专利《一种便于拆装的牙齿扫描仪牙模夹具安装结构》(申请号：201220414223.9)所述夹具底座的中心设有定位凸台与牙模中增设的定位孔套相配合，起安装定位作用，并通过多个磁铁紧紧吸住牙模。但对于义齿测试领域而言，测试过程中牙模受力较大，因此并不适合采用磁力吸附的方式。专利《一种牙颌模型测量装置》(申请号：201110088369.9)由于牙模自身侧面缺少准确的定位平面，增加方形的牙模底座，将对牙模的侧面定位夹紧问题转换为对牙模底座的侧面定位夹紧，但是牙模厚度也因此增加了近一倍。因此，现有咀嚼机器人的牙模定位装置难以在不增设底座的情况下实现牙模可靠定位夹紧。
口腔内温湿度条件是影响义齿力学性能的重要因素。目前，仿生口腔环境一般通过水浴式、喷射式和滴注式等方式实现对牙模的加湿，同时使用温度控制器、升温装置和降温装置进行口腔温度的自动控制。专利《一种模拟口腔消化的装置及使用方法》(申请号：201310607162.7)使用蠕动泵将唾液输送至模拟口腔消化的反应器中，反应器置于水浴锅中。当采用水浴方案时，由于唾液是非循环式的，所以需要直接在水浴池内进行唾液温度控制，这就要求水浴池内唾液达到一定的容积要求，对于咀嚼机器人紧凑且处于运动状态的下颌结构而言，难以提供满足容积要求的水浴池。专利《口腔环境模拟试验机》(申请号：201210306950.8)使用液压泵结合扇形喷嘴实现唾液的喷射，同时使用空气加热棒和微型制冷压缩机构成唾液温度控制控制单元。然而，喷射方案要求附加液压泵、喷射液回收装置和封闭喷射空间。当喷射空间较小时，易于产生较明显的喷射冲击，从而影响义齿表面测试结果的客观性；当喷射空间较大时，测试结束后将花费较长的清洁时间。专利《基于耦合仿生的食品脆性测试仪及测试方法》(申请号：201310568107.1)使用蠕动泵和刺有小孔的输液管进行唾液的滴注，同时使用口腔内温度传感器检测温度，反馈至温度控制器，由其输出指令，控制自动控温带的温度。尽管采用了滴注的方案，但是依然缺少唾液回收装置，未能形成唾液循环系统，同时温度控制的对象为下颌骨而非唾液，意味着下颌骨中的牙模与唾液之间将存在温差，产生影响牙科材料性能的热冲击。因此，现有口腔环境模拟装置并不能为义齿测试提供满足要求的温湿度环境。
义齿性能测试涉及进行多次重复性实验，这要求咀嚼机器人在实验对象的处理与控制流程的自动化上做出针对性的设计。一方面，牙模非义齿测试牙位存在制造浪费；另一方面，对控制系统的简便性和集成度提出要求。然而，目前咀嚼机器人的运动控制器、唾液温度控制器和唾液流量控制器等之间缺乏联系。其中，蠕动泵与温度控制器主要依靠手动启停和手动设置温度与流量，未能实现全自动化。
因此，现有咀嚼机器人在仿生颞下颌关节、牙模及其夹具、口腔环境、控制系统集成等方面存在问题，缺乏针对性的设计，不能很好地满足义齿性能测试的需要。
发明内容
本发明针对现有仿生咀嚼机器人存在的问题，提供一种颞下颌关节结构具备弹性、牙模夹具定位夹紧可靠、恒温唾液加湿充分、牙模测试部分可拆换、控制系统集成度高的咀嚼机器人。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于义齿性能测试的仿生咀嚼机器人，包括咀嚼机器人机械本体和控制系统两部分。
所述的咀嚼机器人机械本体包括主体支架1、支架外部左右对称布置的6条规格一致的驱动支链2、支架内部前下方的下颌结构3、支架内部前上方的上颌结构4、支架内部后上方的恒温唾液滴注系统5和上下颌结构3、4之间的牙模组件6。
所述的主体支架1包括水平底板101、侧面布置的6个支撑板102和水平顶板103。底板101分别与驱动支链2的电机安装板202和减速箱组件204之间进行连接。支撑板102与驱动支链2的单轴组件206背部相连接。顶板103从后至前依次与蠕动泵吊装组件503、唾液瓶吊装组件506与上颌主体吊装板401之间进行连接。
所述的驱动支链2包括水平朝向的电机201及其安装板202、联轴器A203、用于改变传动方向的锥齿轮减速箱组件204、联轴器B205、垂直朝向的单轴组件206、滑块转接件207、胡克铰208、杆件209和杆端关节轴承210。驱动支链合计六组，分别为右侧咬肌驱动支链、左侧咬肌驱动支链、右侧颞肌驱动支链、左侧颞肌驱动支链、右侧翼外肌驱动支链、左侧翼外肌驱动支链。电机201输出旋转运动与扭矩，与安装板202之间固定连接。联轴器A203两侧分别与电机输出轴、减速箱组件204输入轴固定连接。联轴器B205两侧分别与减速箱组件204输出轴、单轴组件206输入轴固定连接。滑块转接件207与单轴组件206的滑块固定连接的同时，与胡克铰208的一端固定连接。胡克铰208的另一端与杆件209的一端固定连接。杆件209的另一端与杆端关节轴承210固定连接。
所述的下颌结构3包括主体结构件301、咬肌连接块302、颞肌连接块303、翼外肌连接块304、弹性元件305和髁杆306。对于右侧咬肌驱动支链，所述主体结构件301的右侧板通过咬肌连接块302与驱动支链2的杆端关节轴承210连接，同理，右侧颞肌驱动支链为右侧板与颞肌连接块303，右侧翼外肌驱动支链为右侧板与翼外肌连接块304，左侧驱动支链为左侧板与各连接块。左右侧板上方设置有弹性髁突结构，由弹性元件305和髁杆306组成，与颞骨关节窝结构402共同构成新型的弹性颞下颌关节结构。所述髁杆306由上部半球体、中部圆盘与下部细长轴组成，髁杆306半球体与颞骨关节窝结构402形成点接触高副；细长轴与下颌主体结构件301左右侧板顶面开孔形成导向机构；弹性元件305套于髁杆306细长轴，弹性元件305两端受髁杆306中部圆盘与侧板顶面挤压。所述主体结构件301上方前端安装有牙模组件6，下方连接有惯性测量单元702。
所述的上颌结构4包括主体吊装板401、颞骨关节窝结构402、力传感器过渡板403。所述主体吊装板401底面前部与六维力传感器703安装面连接，后部与颞骨关节窝结构402连接。所述力传感器过渡板403上表面与六维力传感器703工具面连接，下表面与牙模组件6连接。
所述的牙模组件6包括牙模非测试件601、牙模测试件602、牙模夹具基座603、牙模夹具活动件604和紧定螺钉605。对标准牙模的三维几何模型进行预处理，沿牙弓舌侧切割出夹紧a面，唇颊侧切割出定位b面。其中，后牙区切割出平面，前牙区切割出弧面。在a面与b面过渡的区域切割出非功能性的c面。在模型底部水平切割出定位d面。围绕待测牙位，将牙模几何模型拆分为非测试件601与测试件602，使用3D打印技术进行制造，两者之间采用自攻螺钉连接。所述牙模夹具基座603为一块近似半圆形平板，在弧线段设置两处与牙模b面相适应的方形凸起，提供牙模定位面B1与B2；在直线段设置第三处方形凸起，并于侧面开螺纹孔，拧入紧定螺钉605，用于向弧线段方向提供牙模夹紧力。所述牙模夹具梯形活动件604位于牙弓内侧，梯形斜边平面A1与A2，分别与牙模牙弓内侧平面a面接触，紧定螺钉605与梯形长边平面接触。
所述的恒温唾液滴注系统5包括回流蠕动泵501、进流蠕动泵502、蠕动泵吊装组件503、透明唾液瓶504、筒式加热棒505、唾液瓶吊装组件506、进流软管507、回流软管508、软管末段固定板509、下颌唾液槽510。所述蠕动泵501、502通过泵头旋转不断挤压软管内唾液向泵头旋转方向输送。所述蠕动泵吊装组件503与顶板103固定连接，沿垂直方向开矩形孔，套住回流蠕动泵501与进流蠕动泵502的外周，并使用卡扣进行固定。所述唾液瓶504采用开有均匀四孔的瓶盖，分别用于布置温度传感器704、筒式加热棒505、进流软管507、回流软管508。所述筒式加热棒505浸入唾液内，对其进行升温。所述唾液瓶吊装组件506由矩形托盘和固定于托盘四周的吊装板组成，矩形托盘安放唾液瓶504，吊装板与顶板103固定连接。所述进流软管507从唾液瓶504引出，经过进流蠕动泵502和软管末段固定板509，指向下颌唾液槽510。所述回流软管508从唾液槽510引出，经过软管末段固定板509、回流蠕动泵501，回到唾液瓶504。两者构成完整的唾液回路。所述软管末段固定板509与下颌主体结构件301底板固定连接，开两个孔，分别穿过进流软管507和回流软管508。所述下颌唾液槽510为塑料材质，包裹下颌牙模组件6。
所述的咀嚼机器人控制系统包括上位机、多轴运动控制器、电机驱动器、温度控制器、中间继电器、与机械本体相连接的传感模块。所述传感模块包括与电机201尾部相连的电机编码器701，与下颌主体结构件301底板相连的惯性测量单元702，安装于上颌主体吊装板401和力传感器过渡板403之间的六维力传感器703，置于唾液瓶504内的温度传感器704。上位机与多轴运动控制器、惯性测量单元702连接。多轴运动控制器与电机驱动器、温度控制器、电机编码器701、六维力传感器703、回流蠕动泵501、进流蠕动泵502相连。电机驱动器与电机编码器701、电机201相连，电机编码器与电机201连接。温度控制器与中间继电器、温度传感器704连接。中间继电器与筒式加热棒505连接。对于机械本体而言，电机驱动器控制电机201，温度控制器控制筒式加热棒505，多轴运动控制器控制回流蠕动泵501、进流蠕动泵502。
一种基于上述仿生咀嚼机器人进行义齿性能测试的方法，包括以下步骤：
首先，根据义齿性能测试的实验对象和实验方法，完成测试前的准备工作。根据实验对象对义齿的要求，更换所需的上下颌牙模测试件602，与非测试件601固定连接。将牙模放置于牙模夹具中，保证各定位面可靠接触，拧紧紧定螺钉605。
其次，在完成以上牙模装夹工作之后，进行恒温唾液滴注系统唾液回路的连通。下颌唾液槽510中唾液在回流蠕动泵501的输送下沿回流软管508回流至唾液瓶504内。唾液瓶504内唾液在进流蠕动泵502的输送下沿进流软管507滴注至唾液槽510内。由上位机控制多轴运动控制器，继而控制温度控制器、进流蠕动泵502和回流蠕动泵501的启动、温度设定与转速设定。开启温度控制器，设定唾液实验温度。温度传感器704向温度控制器实时反馈唾液瓶504内唾液温度，当检测值低于设定值时，温度控制器自动通过中间继电器驱动筒式加热棒505对唾液瓶504内唾液进行加热。当检测温度达到设定值后，执行唾液流量的控制。顺序开启回流蠕动泵501与进流蠕动泵502，并将进流蠕动泵502转速(对应唾液流量)设置低于回流蠕动泵501，保证唾液槽510内唾液不溢出。
再次，面对不同测试方案，通过上位机对多轴运动控制器设定下颌运动轨迹和咬合力，启动咀嚼机器人的运动控制。多轴运动控制器向六个处于位置控制模式电机驱动器发送位置信号，驱动器进一步驱动电机201。电机编码器701分别向驱动器与多轴运动控制器反馈电机201实际位置信号，形成电机位置闭环控制。电机201通过联轴器A203将轴线水平的转动传递给锥齿轮减速箱组件204输入轴，通过减速箱组件204将传动方向改变90°。减速箱组件输出轴204通过联轴器B205带动单轴组件206丝杠轴的转动，通过滚珠丝杠将转动变为滑块转接件207的上下移动，依次带动胡克铰208、杆件209、杆端关节轴承210的运动。六个杆端关节轴承的运动带动仿生下颌结构的整体运动。同时，弹性颞下颌关节在点接触高副、导向机构和弹性元件305的共同作用下，产生对颞骨关节窝结构402持续的稳定挤压力。上下颌牙模组件发生咬合接触时，六维力传感器703实时检测咬合力大小，将其反馈至多轴运动控制器，形成咬合力闭环控制。在位置闭环与咬合力闭环的作用下使下颌结构形成实验所设定的咀嚼轨迹和咬合力。此外，惯性测量单元702向上位机反馈下颌运动的实时数据。
最后，实验结束后，通过多轴运动控制器首先结束咀嚼机器人的运动控制程序，然后依次自动关闭进流蠕动泵502、回流蠕动泵501、温度控制器。
本发明的效果和益处是：
1)本发明仿照颞下颌关节内关节盘缓冲吸振的生物力学特点，髁突结构引入弹性元件，既使得仿生颞骨关节面与髁突之间由于弹性元件预载荷的原因不会发生脱离。此外，引入的弹性单元使得咀嚼机器人整体呈现出并联弹性驱动的特点，该类机构特点在于能够通过设置弹性单元参数，实现对于关节尖峰载荷的消除以及驱动功率的优化。
2)本发明采用3D打印技术制造牙模，提供定位夹紧更加可靠的牙模夹具。预先对牙模几何文件唇侧以去除材料的方式剪切出定位平面，在保证夹具定位准确的同时，避免了增设附属牙模基座以提供定位平面带来的模型增大的问题。进一步，牙模舌侧材料的去除使得机械夹紧力施加在测试载荷集中的后牙区域，保证了夹具夹紧可靠。
3)本发明采用恒温唾液滴注系统提供满足测试条件的温湿度环境。使用双蠕动泵实现了唾液在唾液瓶与下颌唾液槽之间的循环流动，避免唾液槽内出现唾液溢出。下颌唾液槽将唾液污染区域限缩在牙模组件，避免对其他下颌结构产生不利影响。直接对唾液瓶内唾液进行加热，恒温唾液在循环过程中实现对牙模的接触传热，逐渐实现和维持唾液与牙模之间的热平衡，避免了两者之间的热冲击。将透明唾液瓶布置在蠕动泵前方，有利于实验人员观察瓶内唾液的消耗、流动与加热情况。
4)本发明对牙模采用分体3D打印，将其分为非测试件与测试件。牙模舌侧材料的去除使得测试区与非测试区易于实现分离。当面临重复性的义齿测试任务时，提前备好需要更换的测试区，避免了对非测试区的重复打印，节省了3D打印的成本，提高了重复性实验的经济性。同时较小的测试区体积有利于降低后期实验结果分析时间与经济成本，如一次性对多个测试区表面形貌进行电镜观察。
5)本发明采用单个多轴运动控制器同时执行运动程序，蠕动泵与温度控制器的启停与参数设定程序，实现了对于电机驱动器、蠕动泵与温度控制器的集成控制。一方面避免了紧急情况时蠕动泵与温度控制器手动启停时存在的延时，保证了实验的安全性；另一方面，提高了测试流程的自动化程度。
附图说明
图1是本发明的整体结构测试图；
图2是本发明的整体结构俯视图；
图3是本发明的支架结构示意图；
图4是本发明的驱动支链示意图；
图5是本发明的下颌结构示意图；
图6是本发明的上颌结构示意图；
图7是本发明的弹性颞下颌关节结构示意图；
图8是本发明的牙模结构俯视图；
图9是本发明的牙模结构侧视图；
图10是本发明的牙模夹具的俯视图；
图11是本发明的口腔唾液滴注系统示意图；
图12是本发明的下颌唾液槽示意图；
图13是本发明的控制系统示意图；
图14是本发明的义齿测试流程示意图；
图中：1主体支架；2驱动支链；3下颌结构；4上颌结构；5恒温唾液滴注系统；6牙模组件；
101水平底板；102支撑板；103水平顶板；201电机；202电机安装板；203联轴器A；204减速箱组件；205联轴器B；206单轴组件；207滑块转接件；208胡克铰；209杆件；210杆端关节轴承；301下颌主体结构件；302咬肌连接块；303翼外肌连接块；304翼外肌连接块；305弹性元件；306髁杆；401上颌主体吊装板；402颞骨关节窝结构；403力传感器过渡板；501回流蠕动泵；502进流蠕动泵；503蠕动泵吊装组件；504唾液瓶；505筒式加热棒；506唾液瓶吊装组件；507进流软管；508回流软管；509软管末段固定板；510下颌唾液槽；601牙模非测试件；602牙模测试件；603牙模夹具基座；604牙模夹具活动件；605紧定螺钉；701电机编码器；702惯性测量单元；703六维力传感器；704温度传感器
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
如图1-13所示，一种用于义齿性能测试的仿生咀嚼机器人包括咀嚼机器人机械本体和控制系统两部分。
咀嚼机器人机械本体包括主体支架1、支架外部左右对称布置的6条规格一致的驱动支链2、支架内部前下方的下颌结构3、支架内部前上方的上颌结构4、支架内部后上方的恒温唾液滴注系统5和上下颌结构3和4之间的牙模组件6组成。
主体支架1包括水平底板101、侧面布置的6个支撑板102和水平顶板103。底板101分别与驱动支链2的电机安装板202和减速箱组件204之间进行连接。支撑板102与驱动支链2的单轴组件206背部相连接。顶板103从后至前依次与蠕动泵吊装组件503、唾液瓶吊装组件506与上颌主体吊装板401之间进行连接。
驱动支链2包括水平朝向的电机201及其安装板202、联轴器A203、用于改变传动方向的锥齿轮减速箱组件204、联轴器B205、垂直朝向的单轴组件206、滑块转接件207、胡克铰208、杆件209和杆端关节轴承210。驱动支链合计六组，分别为右侧咬肌驱动支链、左侧咬肌驱动支链、右侧颞肌驱动支链、左侧颞肌驱动支链、右侧翼外肌驱动支链、左侧翼外肌驱动支链。电机201输出旋转运动与扭矩，与安装板202之间螺钉连接。联轴器A203两侧分别与电机输出轴、减速箱组件204输入轴键连接。联轴器B205两侧分别与减速箱组件204输出轴、单轴组件206输入轴键连接。滑块转接件207与单轴组件206的滑块螺钉连接的同时，与胡克铰208的一端卡环连接。胡克铰208的另一端与杆件209的一端卡环连接。杆件209的另一端与杆端关节轴承210螺纹连接。
下颌结构3整体呈U型，包括主体结构件301、咬肌连接块302、颞肌连接块303、翼外肌连接块304、压缩弹簧305、髁杆306。对于右侧咬肌驱动支链，主体结构件301的右侧板通过咬肌连接块302与驱动支链2的杆端关节轴承210螺纹连接，同理，右侧颞肌驱动支链为右侧板与颞肌连接块303，右侧翼外肌驱动支链为右侧板与翼外肌连接块304，左侧驱动支链为左侧板与各连接块。左右侧板上方设置有弹性髁突结构，由压缩弹簧305和髁杆306组成，与颞骨关节窝结构402共同构成新型的弹性颞下颌关节结构。髁杆306由上部半球体、中部圆盘与下部细长轴组成，髁杆306半球体与颞骨关节窝结构402形成点接触高副；细长轴与下颌主体结构件301左右侧板顶面开孔形成导向机构；压缩弹簧305套于髁杆306细长轴，压缩弹簧305两端受髁杆306中部圆盘与侧板顶面挤压。主体结构件301上方前端安装有牙模组件6，下方连接有惯性测量单元702。
上颌结构4包括U型吊装板401、颞骨关节窝结构402、力传感器过渡板403。U型吊装板401底面前部与六维力传感器703安装面连接，后部与颞骨关节窝结构402连接。力传感器过渡板403上表面与六维力传感器703工具面连接，下表面与牙模组件6连接。
牙模组件6包括牙模非测试件601、牙模测试件602、牙模夹具基座603、牙模夹具活动件604和紧定螺钉605。对标准牙模的三维几何模型进行预处理，沿牙弓舌侧切割出夹紧a面，唇颊侧切割出定位b面。其中，后牙区切割出平面，前牙区切割出弧面。在a面与b面过渡的区域切割出非功能性的c面。在模型底部水平切割出定位d面。围绕待测牙位，将牙模几何模型拆分为非测试件601与测试件602，使用3D打印技术进行制造，两者之间在方面使用自攻螺钉连接。牙模夹具基座603为一块近似半圆形平板，在弧线段设置两处与牙模b面相适应的方形凸起，提供牙模定位面B1与B2；在直线段设置第三处方形凸起，并于侧面开螺纹孔，拧入紧定螺钉605，用于向弧线段方向提供牙模夹紧力。牙模夹具梯形活动件604位于牙弓内侧，梯形斜边平面A1与A2，分别与牙模牙弓内侧平面a面接触，紧定螺钉605与梯形长边平面接触。
恒温唾液滴注系统5包括回流蠕动泵501、进流蠕动泵502、蠕动泵吊装组件503、透明唾液瓶504、筒式加热棒505、唾液瓶吊装组件506、进流软管507、回流软管508、软管末段固定板509、下颌唾液槽510。蠕动泵501、502通过泵头旋转不断挤压软管内唾液向泵头旋转方向输送。蠕动泵吊装组件503与顶板103固定连接，沿垂直方向开矩形孔，套住回流蠕动泵501与进流蠕动泵502的外周，并使用卡扣进行固定。唾液瓶504采用开有均匀四孔的瓶盖，分别用于布置温度传感器704、筒式加热棒505、进流软管507、回流软管508。筒式加热棒505浸入唾液内，对其进行升温。唾液瓶吊装组件506由矩形托盘和固定于托盘四周的吊装板组成，矩形托盘安放唾液瓶504，吊装板与顶板103固定连接。进流软管507从唾液瓶504引出，经过进流蠕动泵502和软管末段固定板509，指向下颌唾液槽510。回流软管508从唾液槽510引出，经过软管末段固定板509、回流蠕动泵501，回到唾液瓶504。两者构成完整的唾液回路。软管末段固定板509与下颌主体结构件301底板固定连接，开两个孔，分别穿过进流软管507和回流软管508。下颌唾液槽510为塑料材质，包裹下颌牙模组件6。
咀嚼机器人控制系统包括上位机、多轴运动控制器、电机驱动器、温度控制器、中间继电器、与机械本体相连接的传感模块。传感模块包括与电机201尾部相连的电机编码器701，与下颌主体结构件301底板相连的惯性测量单元702，安装于上颌主体吊装板401和力传感器过渡板403之间的六维力传感器703，置于唾液瓶504内的温度传感器704。上位机与多轴运动控制器、惯性测量单元702连接。多轴运动控制器与电机驱动器、温度控制器、电机编码器701、六维力传感器703、回流蠕动泵501、进流蠕动泵502相连。电机驱动器与电机编码器701、电机201相连，电机编码器与电机201连接。温度控制器与中间继电器、温度传感器704连接。中间继电器与筒式加热棒505连接。对于机械本体而言，电机驱动器控制电机201，温度控制器控制筒式加热棒505，多轴运动控制器控制回流蠕动泵501、进流蠕动泵502。
如图14所示，实施例的义齿测试流程如下：
根据义齿性能测试的实验对象和实验方法，完成测试前的准备工作。根据实验对象对义齿的要求，更换并固定上下颌牙模的测试件602。当面临重复性的义齿测试任务时，提前备好需要更换的测试件602，避免了对非测试区601的重复打印，节省了3D打印的成本，提高了重复性实验的经济性。同时较小的测试件602体积有利于降低后期实验结果分析时间与经济成本，如一次性对多个测试件602表面形貌进行电镜观察。将牙模放置于牙模夹具中，保证各定位面可靠接触，拧紧牙模夹具后方紧定螺钉605。3D打印技术制造牙模，预先对牙模几何文件唇侧以去除材料的方式剪切出定位平面，在保证夹具定位准确的同时，避免了增设附属牙模基座以提供定位平面带来的模型增大的问题。进一步，牙模舌侧材料的去除使得机械夹紧力施加在测试载荷集中的后牙区域，保证了夹具夹紧可靠。
在完成以上牙模装夹工作之后，进行恒温唾液滴注系统唾液回路的连通。下颌唾液槽510中唾液在回流蠕动泵501的输送下沿回流软管508回流至唾液瓶504内。唾液瓶504内唾液在进流蠕动泵502的输送下沿进流软管507滴注至唾液槽510内。下颌唾液槽将唾液污染区域限缩在牙模组件，避免对其他下颌结构产生不利影响。由上位机控制多轴运动控制器，继而控制温度控制器、进流蠕动泵502和回流蠕动泵501的启动、温度设定与转速设定。开启温度控制器，设定唾液实验温度。温度传感器704向温度控制器实时反馈唾液瓶504内唾液温度，当检测值低于设定值时，温度控制器自动通过中间继电器驱动筒式加热棒505对唾液瓶504内唾液进行加热。当检测温度达到设定值后，执行唾液流量的控制。顺序开启回流蠕动泵501与进流蠕动泵502，并将进流蠕动泵502转速(对应唾液流量)设置低于回流蠕动泵501，保证唾液槽510内唾液不溢出。直接对唾液瓶504内唾液进行加热，恒温唾液在循环过程中实现对牙模的接触传热，逐渐实现和维持唾液与牙模之间的热平衡，避免了两者之间的热冲击。将透明唾液瓶504布置在蠕动泵501、502前方，有利于实验人员观察瓶504内唾液的消耗、流动与加热情况。
面对不同测试方案，通过上位机对多轴运动控制器设定下颌运动轨迹和咬合力，启动咀嚼机器人的运动控制。多轴运动控制器向六个处于位置控制模式电机驱动器发送位置信号，驱动器进一步驱动电机201。电机编码器701分别向驱动器与多轴运动控制器反馈电机201实际位置信号，形成电机位置闭环控制。电机201通过联轴器A203将轴线水平的转动传递给锥齿轮减速箱组件204输入轴，通过减速箱组件204将传动方向改变90°。减速箱组件输出轴204通过联轴器B205带动单轴组件206丝杠轴的转动，通过滚珠丝杠将转动变为滑块转接件207的上下移动，依次带动胡克铰208、杆件209、杆端关节轴承210的运动。六个杆端关节轴承的运动带动仿生下颌结构的整体运动。同时，弹性颞下颌关节在点接触高副、导向机构和弹性元件305的共同作用下，产生对颞骨关节窝结构402持续的稳定挤压力。引入的压缩弹簧使得咀嚼机器人整体呈现出并联弹性驱动的特点，该类机构特点在于能够通过设置弹簧参数，实现对于关节尖峰载荷的消除以及驱动功率的优化。上下颌牙模组件发生咬合接触时，六维力传感器703实时检测咬合力大小，将其反馈至多轴运动控制器，形成咬合力闭环控制。在位置闭环与咬合力闭环的作用下使下颌结构形成实验所设定的咀嚼轨迹和咬合力。此外，惯性测量单元702向上位机反馈下颌运动的实时数据。
最后，实验结束后，通过多轴运动控制器结束咀嚼机器人的运动控制程序，然后依次自动关闭进流蠕动泵502、回流蠕动泵501、温度控制器。
义齿测试过程中，多轴运动控制器同时执行运动程序，蠕动泵与温度控制器的启停与参数设定程序，实现了对电机驱动器、蠕动泵与温度控制器的集成控制。一方面避免了紧急情况时蠕动泵与温度控制器手动启停时存在的延时，保证了实验的安全性；另一方面，提高了测试流程的自动化程度。
Claims (3)
1.一种用于义齿性能测试的仿生咀嚼机器人，其特征在于，所述的仿生咀嚼机器人包括咀嚼机器人机械本体和控制系统两部分；
所述的咀嚼机器人机械本体包括主体支架(1)、支架外部左右对称布置的6组规格一致的驱动支链(2)、支架内部前下方的下颌结构(3)、支架内部前上方的上颌结构(4)、支架内部后上方的恒温唾液滴注系统(5)和上下颌结构(3)、(4)之间的牙模组件(6)；
所述的主体支架(1)包括水平底板(101)、侧面布置的6个支撑板(102)和水平顶板(103)；底板(101)分别与驱动支链(2)的电机安装板(202)和减速箱组件连接；支撑板(102)与驱动支链(2)的单轴组件(206)背部连接；顶板(103)从后至前依次与蠕动泵吊装组件(503)、唾液瓶吊装组件(506)、上颌主体吊装板(401)连接；
所述的驱动支链(2)包括水平朝向的电机(201)及其安装板(202)、联轴器A(203)、用于改变传动方向的锥齿轮减速箱组件(204)、联轴器B(205)、垂直朝向的单轴组件(206)、滑块转接件(207)、胡克铰(208)、杆件(209)和杆端关节轴承(210)；六组驱动支链(2)分别为右侧咬肌驱动支链、左侧咬肌驱动支链、右侧颞肌驱动支链、左侧颞肌驱动支链、右侧翼外肌驱动支链、左侧翼外肌驱动支链；所述的联轴器A(203)两侧分别与电机输出轴、减速箱组件(204)输入轴固定连接；所述的联轴器B(205)两侧分别与减速箱组件(204)输出轴、单轴组件(206)输入轴固定连接；所述的滑块转接件(207)与单轴组件(206)的滑块固定连接的同时，与胡克铰(208)一端固定连接；胡克铰(208)另一端与杆件(209)一端固定连接，杆件(209)另一端与杆端关节轴承(210)固定连接；
所述的下颌结构(3)包括主体结构件(301)、咬肌连接块(302)、颞肌连接块(303)、翼外肌连接块(304)、弹性元件(305)和髁杆(306)；对于右侧咬肌驱动支链，主体结构件(301)的右侧板通过咬肌连接块(302)与驱动支链(2)的杆端关节轴承(210)连接，同理，右侧颞肌驱动支链为右侧板与颞肌连接块(303)，右侧翼外肌驱动支链为右侧板与翼外肌连接块(304)，左侧驱动支链为左侧板与各连接块；左右侧板上方设置弹性髁突结构，包括弹性元件(305)和髁杆(306)，弹性元件(305)套于髁杆(306)细长轴，髁杆(306)与颞骨关节窝结构(402)构成弹性颞下颌关节结构；所述主体结构件(301)上方前端安装有牙模组件(6)，下方连接有惯性测量单元(702)；
所述的上颌结构(4)包括主体吊装板(401)、颞骨关节窝结构(402)、力传感器过渡板(403)；所述主体吊装板(401)底面前部与六维力传感器(703)安装面连接，后部与颞骨关节窝结构(402)连接；力传感器过渡板(403)上表面与六维力传感器(703)工具面连接，下表面与牙模组件(6)连接；
所述的牙模组件(6)包括牙模非测试件(601)、牙模测试件(602)、牙模夹具基座(603)、牙模夹具活动件(604)和紧定螺钉(605)；对标准牙模的三维几何模型进行预处理，沿牙弓舌侧切割出夹紧a面，唇颊侧切割出定位b面；其中，后牙区切割出平面，前牙区切割出弧面；在a面与b面过渡的区域切割出非功能性的c面；在模型底部水平切割出定位d面；围绕待测牙位，将牙模几何模型拆分为非测试件(601)与测试件(602)，使用3D打印技术制造，两者之间采用自攻螺钉连接；所述牙模夹具基座(603)为一块近似半圆形平板，在弧线段设置两处与牙模b面相适应的方形凸起，提供牙模定位面B1与B2；在直线段设置第三处方形凸起，并于侧面开螺纹孔，拧入紧定螺钉(605)，用于向弧线段方向提供牙模夹紧力；所述牙模夹具活动件(604)位于牙弓内侧，梯形斜边平面A1与A2，分别与牙模牙弓内侧平面a面接触，紧定螺钉(605)与梯形长边平面接触；
所述的恒温唾液滴注系统(5)包括回流蠕动泵(501)、进流蠕动泵(502)、蠕动泵吊装组件(503)、透明的唾液瓶(504)、筒式加热棒(505)、唾液瓶吊装组件(506)、进流软管(507)、回流软管(508)、软管末段固定板(509)、下颌唾液槽(510)；所述蠕动泵(501)、(502)用于挤压软管内唾液向泵头旋转方向输送；所述蠕动泵吊装组件(503)与顶板(103)固定连接，沿垂直方向开矩形孔，套住回流蠕动泵(501)与进流蠕动泵(502)的外周，并进行固定；所述唾液瓶(504)的瓶盖开有均匀四孔，分别用于布置温度传感器(704)、筒式加热棒(505)、进流软管(507)、回流软管(508)；所述筒式加热棒(505)浸入唾液内，对其进行升温；所述唾液瓶吊装组件(506)包括矩形托盘和固定于托盘四周的吊装板，矩形托盘放置唾液瓶(504)，吊装板与顶板(103)固定连接；所述进流软管(507)从唾液瓶(504)引出，经过进流蠕动泵(502)和软管末段固定板(509)，指向下颌唾液槽(510)；所述回流软管(508)从唾液槽(510)引出，经过软管末段固定板(509)、回流蠕动泵(501)，回到唾液瓶(504)；两者构成完整的唾液回路；所述软管末段固定板(509)与下颌主体结构件(301)底板连接，开两个孔，分别穿过进流软管(507)和回流软管(508)；所述下颌唾液槽(510)为塑料材质，包裹下颌牙模组件(6)；
所述的咀嚼机器人控制系统包括上位机、多轴运动控制器、电机驱动器、温度控制器、中间继电器、与机械本体相连接的传感模块，其中，电机驱动器用于控制电机(201)，温度控制器用于控制筒式加热棒(505)，多轴运动控制器用于控制回流蠕动泵(501)、进流蠕动泵(502)；所述传感模块包括与电机(201)尾部相连的电机编码器(701)，与下颌主体结构件(301)底板相连的惯性测量单元(702)，安装于上颌主体吊装板(401)和力传感器过渡板(403)之间的六维力传感器(703)，置于唾液瓶(504)内的温度传感器(704)；上位机与多轴运动控制器、惯性测量单元(702)连接；所述多轴运动控制器与电机驱动器、温度控制器、电机编码器(701)、六维力传感器(703)、回流蠕动泵(501)、进流蠕动泵(502)相连；电机驱动器与电机编码器(701)、电机(201)相连，电机编码器与电机(201)连接；所述温度控制器与中间继电器、温度传感器(704)连接；所述中间继电器与筒式加热棒(505)连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于义齿性能测试的仿生咀嚼机器人，其特征在于，所述髁杆(306)由上部半球体、中部圆盘与下部细长轴组成，髁杆(306)的半球体与颞骨关节窝结构(402)形成点接触高副；细长轴与下颌主体结构件(301)左右侧板顶面开孔形成导向机构；弹性元件(305)两端受髁杆(306)中部圆盘与侧板顶面挤压。
3.采用权利要求1或2所述的仿生咀嚼机器人进行义齿性能测试的方法，其特征在于，步骤：
首先，根据义齿性能测试的实验对象和实验方法，完成测试前的准备工作；根据实验对象对义齿的要求，更换所需的上下颌牙模测试件(602)，与非测试件(601)固定连接；将牙模放置于牙模夹具中，保证各定位面可靠接触，拧紧紧定螺钉(605)；
其次，在完成以上牙模装夹工作之后，进行恒温唾液滴注系统唾液回路的连通；下颌唾液槽(510)中唾液在回流蠕动泵(501)的输送下沿回流软管(508)回流至唾液瓶(504)内；唾液瓶(504)内唾液在进流蠕动泵(502)的输送下沿进流软管(507)滴注至唾液槽(510)内；由上位机控制多轴运动控制器，继而控制温度控制器、进流蠕动泵(502)和回流蠕动泵(501)的启动、温度设定与转速设定；开启温度控制器，设定唾液实验温度；温度传感器(704)向温度控制器实时反馈唾液瓶(504)内唾液温度，当检测值低于设定值时，温度控制器自动通过中间继电器驱动筒式加热棒(505)对唾液瓶(504)内唾液进行加热；当检测温度达到设定值后，执行唾液流量的控制；顺序开启回流蠕动泵(501)与进流蠕动泵(502)，并通过控制进流蠕动泵(502)转速保证唾液槽(510)内唾液不溢出；
再次，面对不同测试方案，通过上位机对多轴运动控制器设定下颌运动轨迹和咬合力，启动咀嚼机器人的运动控制；多轴运动控制器向六个处于位置控制模式电机驱动器发送位置信号，驱动器驱动电机(201)；电机编码器(701)分别向驱动器与多轴运动控制器反馈电机(201)实际位置信号，形成电机位置闭环控制；电机(201)通过联轴器A(203)将轴线水平的转动传递给锥齿轮减速箱组件(204)输入轴，通过减速箱组件(204)将传动方向改变90°；减速箱组件输出轴(204)通过联轴器B(205)带动单轴组件(206)丝杠轴的转动，通过滚珠丝杠将转动变为滑块转接件(207)的上下移动，依次带动胡克铰(208)、杆件(209)、杆端关节轴承(210)的运动；六个杆端关节轴承的运动带动仿生下颌结构的整体运动；同时，弹性颞下颌关节在点接触高副、导向机构和弹性元件(305)的共同作用下，产生对颞骨关节窝结构(402)持续的稳定挤压力；上下颌牙模组件发生咬合接触时，六维力传感器(703)实时检测咬合力大小，将其反馈至多轴运动控制器，形成咬合力闭环控制；在位置闭环与咬合力闭环的作用下使下颌结构形成实验所设定的咀嚼轨迹和咬合力；此外，惯性测量单元(702)向上位机反馈下颌运动的实时数据；
最后，实验结束后，通过多轴运动控制器首先结束咀嚼机器人的运动控制程序，然后依次自动关闭进流蠕动泵(502)、回流蠕动泵(501)、温度控制器。
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