CN112190372A - 一种高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，通过研究人体口颌系统生理结构及冗余驱动特性，包括下颌肌肉、骨骼与颞下颌关节等，综合考虑咀嚼肌肉及颞下颌关节的特点，设计出一种高副约束的绳驱动的空间冗余驱动并联机构。其中六条UPS绳驱动支链模拟口颌系统起主要作用的六条肌肉，分别是左右两侧咬肌、颠肌、翼外肌。两个点接触高副代表颞下颌关节，结构左右对称，仿生度高。UPS绳驱动支链在运动过程中不会发生驱动支链的摆动问题，解决了其他驱动机构模拟肌肉易产生力作用线不一致的问题。同时电机放在支链之外减轻了直线驱动机构的重量和体积。本发明在牙科学、食品科学、生物力学与假肢修复等学科中具有很好的应用前景。

Description

一种高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人

技术领域

本发明涉及仿生机器人领域，具体涉及一种高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人。

背景技术

仿生口颌机器人既可以模拟下颌与颞下颌关节运动，又可以再现牙齿咬合力与颞下颌关节受力，并可以通过体外模拟方式对假体材料进行定量的测试，因此，仿生口颌机器人越来越多的应用于新材料、新设计的义齿和颞下颌关节假体性能测试中。在仿生口颌机器人设计与研究中，针对各自应用领域都采用了相应的机构完成所需功能，然而机构仍存在一定的仿生性缺陷，具体如下：

限于驱动与传动系统过于庞大笨重，驱动力的方向无法与咀嚼肌肉力作用线相一致，造成受力的仿生性下降；有些仿生口颌机器人虽然考虑了颞下颌关节结构，但主要是进行简单的结构模拟，人类口颌系统本身所具有的冗余驱动特性在已有机构中并没有体现，颞下颌关节的生理结构及其冗余驱动特性容易被忽略，导致颞下颌关节所起的力调节作用无法体现，颞下颌关节受力、咬合力与肌肉驱动力的相互作用无法体现，无法真实再现咀嚼运动过程中咬合力与颞下颌关节受力。

因此，如果需要更加仿生的下颌受力与运动，则需要对口颌系统驱动形式进行重新设计。

发明内容

本发明基于人体口颌系统生理结构和颞下颌关节运动特点，提出一种含有高副约束的、四自由度六驱动的、绳驱动的并联仿生口颌机器人。UPS绳驱动支链采用线性运动单元，使得动力单元(电机等)可以放在支链之外，减轻了传统直线驱动机构的重量，结构也更加紧凑，解决现有仿生口颌机器人模拟肌肉伸缩造成的摆动问题。

本发明的技术方案如下：

一种高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，包括：

上颌静平台，通过中间连接件与固定安装的关节面安装板连接；

下颌动平台，位于所述上颌静平台下方，下颌动平台的两侧对称设有下颌侧板；

以及三组UPS绳驱动支链，所述三组UPS绳驱动支链设于所述下颌动平台及上颌静平台的周围，用于分别模仿人体颞肌、咬肌和翼外肌三组肌肉，每组UPS绳驱动支链包括结构相同且安装位置对称的两条，每条所述UPS绳驱动支链的结构包括一可沿直线运动的驱动单元，每个驱动单元通过驱动绳连接有一动力单元；

对应于所述颞肌、咬肌的UPS绳驱动支链中的所述驱动单元，一端和与其对应侧的所述下颌侧板球副连接，另一端和固设于所述下颌动平台及上颌静平台周围的固定架转动连接；

对应于所述翼外肌的UPS绳驱动支链中的所述驱动单元，一端和与其对应侧的所述下颌侧板球副连接，另一端和所述上颌静平台转动连接。

还包括仿颞下颌结构的髁突高副(Higher kinematic pair，HKP)机构，其对称设置在所述下颌动平台的两侧，每侧的结构包括仿生髁突和仿生关节面，所述仿生髁突一端和所述仿生关节面点接触连接，另一端和与其对应侧的所述下颌侧板固定连接。

仿生关节面与所述关节面安装板固定连接，仿生关节面上开有导向曲面滑槽，仿生髁突上设有与所述导向曲面滑槽配合的圆球端。

所述中间连接件一端与所述关节面安装板中部连接，另一端沿竖直方向安装所述上颌静平台，所述下颌动平台上表面设有对接于所述上颌静平台下方的仿生下颌骨。

三组UPS绳驱动支链分别包括两条颞肌绳驱动支链、两条翼外肌绳驱动支链和两条咬肌绳驱动支链，且每组的两条绳驱动支链的驱动单元关于下颌动平台及上颌静平台对称设置。

所述驱动单元采用绳驱动装置，其两端分别设有球副连接轴和万向节，所述动力单元采用驱动电机。

每条颞肌绳驱动支链的绳驱动装置的安装结构为：一端的球副连接轴与固设于下颌侧板上部的连接块一球副连接，另一端的万向节通过一连接块四与用于安装对应驱动电机的第一电机支撑台连接；

每条咬肌绳驱动支链的绳驱动装置的安装结构为：一端的球副连接轴与固设于下颌侧板下部的连接块二球副连接，另一端的万向节通过一连接块四与用于安装对应驱动电机的第二电机支撑台连接；

每条翼外肌绳驱动支链的绳驱动装置的安装结构为：一端的球副连接轴与固设于下颌侧板上部的连接块三球副连接，另一端的万向节通过一连接块四与上颌静平台连接。

每个驱动电机的输出端通过联轴器连接有线轮。

所述第一电机支撑台通过支撑斜板安装在所述第二电机支撑台上。

与两条翼外肌绳驱动支链的绳驱动装置连接的两个驱动电机，分别安装在第三电机支撑台和第四电机支撑台上，所述第三电机支撑台通过支撑斜板安装在所述第四电机支撑台上。

本发明采用的“UPS绳驱动支链”中“UPS”为仿生机器人技术领域中专用名词，表示具有U、P、S三种形式自由度的驱动链结构。

本发明采用的线性运动单元的内部结构和工作原理，在本申请人在先专利申请“一种低惯量高刚度绳索驱动直线运动装置”(公开号CN110862035A)中已经充分公开，具有重量轻、惯性低、刚度高的优点。

本发明技术方案的有益效果如下：

本发明的仿生口颌机器人利用UPS绳驱动支链在运动过程中不会发生驱动支链的摆动问题，解决了其他驱动机构模拟肌肉易产生力作用线不一致的问题，从而极大地提高了仿生度。同时，本发明还具有如下优点：

设计了三组共6条UPS支链模拟口颌系统起主要作用的6组肌肉，能更好的模拟人体口颌系统运动情况。UPS绳驱动支链采用线性运动单元，使得电机可以放在支链之外，不仅解决现有仿生口颌机器人模拟肌肉伸缩造成的摆动问题，而且减轻了传统直线驱动机构的重量，结构也更加紧凑；考虑颞下颌关节的生理结构及其冗余驱动特性，设计了点接触高副髁突结构，即将颞下颌关节所起的力调节作用纳入机器人结构中，体现出颞下颌关节受力、咬合力与肌肉驱动力的相互作用，从而可模拟人类颞下颌关节对下颌受力和运动轨迹的影响，达到更好的仿生效果。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明下颌动平台、上颌静平台以及髁突高副机构的安装结构示意图。

图3为本发明单侧颞肌绳驱动支链、咬肌绳驱动支链的安装结构示意图。

图4为本发明翼外肌绳驱动支链的安装结构示意图。

图中：s1、颞肌绳驱动支链；s2、翼外肌绳驱动支链；s3、咬肌绳驱动支链；1、第二电机支撑台；2、第三电机支撑台；3、第四电机支撑台；4、电机支撑腿；5、高副支撑腿；6、仿生髁突；7、仿生关节面；8、上颌静平台；9、下颌动平台；10、关节面安装板；11、连接块三；12、连接块一；13、中间连接件；14、下颌侧板；15、连接块二；16、仿生下颌骨；17、线轮；18、连接块四；19、万向节；20、绳驱动装置；21、球副连接轴；22、联轴器；23、驱动电机；24、第一电机支撑台；61、圆球端；71、导向曲面滑槽。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，本实施例的高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，包括：

上颌静平台8，通过中间连接件13与固定安装的关节面安装板10连接；

下颌动平台9，位于上颌静平台8下方，下颌动平台9的两侧对称设有下颌侧板14；

以及三组UPS绳驱动支链，三组UPS绳驱动支链设于下颌动平台9及上颌静平台8的周围，用于分别模仿人体颞肌、咬肌和翼外肌三组肌肉，每组UPS绳驱动支链包括结构相同且安装位置对称的两条，每条UPS绳驱动支链的结构包括一可沿直线运动的驱动单元，每个驱动单元通过驱动绳连接有一动力单元；

具体地，下颌动平台9和上颌静平台8是由成年男子颞下颌关节尺寸确定的。

对应于颞肌、咬肌的UPS绳驱动支链中的驱动单元，一端和与其对应侧的下颌侧板14球副连接，另一端和固设于下颌动平台9及上颌静平台8周围的固定架转动连接；

对应于翼外肌的UPS绳驱动支链中的驱动单元，一端和与其对应侧的下颌侧板14球副连接，另一端和上颌静平台8转动连接。

三组UPS绳驱动支链分别包括两条颞肌绳驱动支链s1、两条翼外肌绳驱动支链s2和两条咬肌绳驱动支链s3，且两条颞肌绳驱动支链s1、两条翼外肌绳驱动支链s2和两条咬肌绳驱动支链s3分别关于下颌动平台9及上颌静平台8对称设置。

各驱动支链采用的驱动单元的结构以及与驱动单元连接的动力单元的结构均可采用相同的结构和工作方式。

驱动单元采用绳驱动装置20，其两端分别设有球副连接轴21和万向节19，动力单元采用驱动电机23。

每条颞肌绳驱动支链s1的绳驱动装置20的安装结构为：一端的球副连接轴21与固设于下颌侧板14上部的连接块一12球副连接，另一端的万向节19通过一连接块四18与用于安装对应驱动电机23的第一电机支撑台24连接；

每条咬肌绳驱动支链s3的绳驱动装置20的安装结构为：一端的球副连接轴21与固设于下颌侧板14下部的连接块二15球副连接，另一端的万向节19通过一连接块四18与用于安装对应驱动电机23的第二电机支撑台1连接；

每条翼外肌绳驱动支链s2的绳驱动装置20的安装结构为：一端的球副连接轴21与固设于下颌侧板14上部的连接块三11球副连接，另一端的万向节19通过一连接块四18与上颌静平台8连接。

每个驱动电机23的输出端通过联轴器22连接有线轮17。

具体地，如图3所示，以其中一条颞肌绳驱动支链s1为例，由驱动电机23通过联轴器22与线轮17连接，线轮17通过钢丝绳驱动线性运动单元20做直线伸缩运动，线性运动单元20通过球副连接到固设于下颌侧板14上部的连接块一12，线性运动单元20通过万向节19与连接块四18连接，连接块四18与第一电机支撑台24通过螺栓固定，电机23通过电机支座24用螺栓固定在第一电机支撑台24上，对应的驱动电机23通过线轮17用钢丝绳连接驱动线性运动单元20输出运动，驱动电机23通过安装支架直接用螺栓固定在第一电机支撑台24上。

具体地，如图4所示，以一条翼外肌绳驱动支链s2为例，线性运动单元20一端球副连接到与上颌侧板14固定的连接块三11，另一端万向节19也通过连接块四18固定在上颌静平台8上。左右两条翼外肌绳驱动支链s2的驱动电机23分别通过安装支架固定在第三电机支撑台2和第四电机支撑台3上；与两条翼外肌绳驱动支链s2的线性运动单元20的万向节19连接的两个接块四18对称连接在上颌静平台8上。

连接块一12、连接块二15和连接块三11通过螺栓连接到下颌侧板14上，分别呈左右两侧对称分布。

考虑到布置空间的限制等因素，具体实施时，如图3和图4所示，第一电机支撑台24通过支撑斜板安装在第二电机支撑台1上，第二电机支撑台1底部两侧各通过一电机支撑腿4固定于位于关节面安装板10左侧的地面(或者其他固定基准面)，相应地，另一条颞肌绳驱动支链s1的布置形式相同，位于关节面安装板10右侧；与两条翼外肌绳驱动支链(s2)的绳驱动装置20连接的两个驱动电机23，分别安装在第三电机支撑台2和第四电机支撑台3上，第三电机支撑台2通过支撑斜板安装在第四电机支撑台3上，第三电机支撑台2通过支撑斜板安装在第四电机支撑台3上，第四电机支撑台3底部两侧各通过一电机支撑腿4固定于位于关节面安装板10后侧的地面上。

本实施例采用的线性运动单元20的内部结构和工作原理，在本申请人在先专利申请“一种低惯量高刚度绳索驱动直线运动装置”(公开号CN110862035A)中，具有沿线性运动单元20轴向直线运动的特点。

线性运动单元20上连接的球副连接轴21以及与球副连接轴21配合、安装与相应连接块上构成球副运动的连接件，以及万向节19等零部件均可采用市售标准件进行实施。

UPS绳驱动支链的运动原理：线性运动单元20内部随绳索运动的动滑轮，沿着直线轴承输出滑动轴的直线运动，线性运动单元20一端通过万向节19与固定的支撑台连接，另一端与下颌结构球副连接，进而将运动传递给下颌结构。

三组UPS绳驱动支链分别左右对称安装于机器人两侧，三组UPS绳驱动支链的力作用点和方向是通过对成人口颌肌肉进行了三维建模分析确定的，实现口颌肌肉的高度仿生，由此各UPS绳驱动支链的绳驱运动单元20的空间位置、长度因人体口颌肌肉仿生确定而有所变化，各驱动电机23的位置由钢丝绳对线性运动单元20上定滑轮的连接方式确定。

如图2所示，还包括仿颞下颌关节结构的髁突高副机构，髁突高副机构为两侧对称分布，用于模拟人体口颌运动时髁突的约束。

具体地，髁突高副机构对称设置在下颌动平台9的两侧，每侧的结构包括仿生髁突6和仿生关节面7，仿生髁突6一端和仿生关节面7点接触连接，另一端和与其对应侧的下颌侧板14固定连接。

具体地，高副支撑腿5固定在地面上，关节面安装板10通过螺栓与高副支撑腿5连接，仿生关节面7通过螺栓固定在关节面安装板10上，仿生髁突6通过螺栓固定在下颌侧板14上，仿生髁突6的圆球端61约束在仿生关节面7的导向曲面滑槽71内。

上颌静平台8通过中间连接件13固定在关节面安装板10上，下颌动平台9通过螺栓连接到下颌侧板14上，仿生下颌骨16通过螺栓固定在下颌动平台9上。中间连接件13一端与关节面安装板10中部连接，另一端沿竖直方向安装上颌静平台8，仿生下颌骨16对接于上颌静平台8下方；仿生髁突6上圆球端61尺寸来自CT扫描获得人体髁突大小，仿生关节面7内点接触高副的导向曲面槽71的曲面是由人体下颌窝块的下接触面的尺寸数据，通过对髁突中心运动轨迹进行拟合，具有高仿生性。髁突高副机构上仿生髁突6通过螺栓固定在下颌侧板14上，仿生关节面7通过螺栓固定在关节面安装板10上。

本发明的UPS绳驱动支链，采用线性运动单元，使得驱动电机可以放在支链之外，减轻了传统直线驱动机构的重量和体积，结构可以更加紧凑。UPS绳驱动支链在运动过程中不会发生传统驱动支链的摆动问题，解决了其他驱动机构模拟肌肉易产生力作用线不一致的问题，由此仿生口颌机器人的仿生度更高，在牙科学、食品科学、生物力学与假肢修复等学科中具有很好的应用前景。

Claims (10)

1.一种高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，其特征在于，包括：

上颌静平台(8)，通过中间连接件(13)与固定安装的关节面安装板(10)连接；

下颌动平台(9)，位于所述上颌静平台(8)下方，下颌动平台(9)的两侧对称设有下颌侧板(14)；

以及三组UPS绳驱动支链，所述三组UPS绳驱动支链设于所述下颌动平台(9)及上颌静平台(8)的周围，分别用于模仿人体颞肌、咬肌和翼外肌三组肌肉，每组UPS绳驱动支链包括结构相同且安装位置对称的两条，每条所述UPS绳驱动支链的结构均包括一可沿直线运动的驱动单元，每个驱动单元通过驱动绳连接有一动力单元；

对应于所述颞肌、咬肌的UPS绳驱动支链中的所述驱动单元，一端和与其对应侧的所述下颌侧板(14)球副连接，另一端和固设于所述下颌动平台(9)及上颌静平台(8)周围的固定架转动连接；

对应于所述翼外肌的UPS绳驱动支链中的所述驱动单元，一端和与其对应侧的所述下颌侧板(14)球副连接，另一端和所述上颌静平台(8)转动连接。

2.根据权利要求1所述的高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，其特征在于，还包括仿颞下颌结构的髁突高副机构，其对称设置在所述下颌动平台(9)的两侧，每侧的结构包括仿生髁突(6)和仿生关节面(7)，所述仿生髁突(6)一端和所述仿生关节面(7)点接触连接，另一端和与其对应侧的所述下颌侧板(14)固定连接。

3.根据权利要求2所述的高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，其特征在于，仿生关节面(7)与所述关节面安装板(10)固定连接，仿生关节面(7)上开有导向曲面滑槽(71)，仿生髁突(6)上设有与所述导向曲面滑槽(71)配合的圆球端(61)。

4.根据权利要求3所述的高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，其特征在于，所述中间连接件(13)一端与所述关节面安装板(10)中部连接，另一端沿竖直方向安装所述上颌静平台(8)，所述下颌动平台(9)上表面设有对接于所述上颌静平台(8)下方的仿生下颌骨(16)。

5.根据权利要求1-4之一所述的高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，其特征在于，三组UPS绳驱动支链分别包括两条颞肌绳驱动支链(s1)、两条翼外肌绳驱动支链(s2)和两条咬肌绳驱动支链(s3)，且每组的两条绳驱动支链关于下颌动平台(9)及上颌静平台(8)对称设置。

6.根据权利要求5所述的高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，其特征在于，所述驱动单元采用绳驱动装置(20)，其两端分别设有球副连接轴(21)和万向节(19)，所述动力单元采用驱动电机(23)。

7.根据权利要求6所述的高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，其特征在于，每条颞肌绳驱动支链(s1)的绳驱动装置(20)的安装结构为：一端的球副连接轴(21)与固设于下颌侧板(14)上部的连接块一(12)球副连接，另一端的万向节(19)通过一连接块四(18)与用于安装对应驱动电机(23)的第一电机支撑台(24)连接；

每条咬肌绳驱动支链(s3)的绳驱动装置(20)的安装结构为：一端的球副连接轴(21)与固设于下颌侧板(14)下部的连接块二(15)球副连接，另一端的万向节(19)通过一连接块四(18)与用于安装对应驱动电机(23)的第二电机支撑台(1)连接；

每条翼外肌绳驱动支链(s2)的绳驱动装置(20)的安装结构为：一端的球副连接轴(21)与固设于下颌侧板(14)上部的连接块三(11)球副连接，另一端的万向节(19)通过一连接块四(18)与上颌静平台(8)连接。

8.根据权利要求7所述的高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，其特征在于，每个驱动电机(23)的输出轴通过联轴器(22)连接有线轮(17)。

9.根据权利要求7所述的高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，其特征在于，所述第一电机支撑台(24)通过支撑斜板安装在所述第二电机支撑台(1)上。

10.根据权利要求7所述的高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，其特征在于，与两条翼外肌绳驱动支链(s2)的绳驱动装置(20)连接的两个驱动电机(23)，分别安装在第三电机支撑台(2)和第四电机支撑台(3)上，所述第三电机支撑台(2)通过支撑斜板安装在所述第四电机支撑台(3)上。

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