CN1857180A - 激光并联机构牙颌模型测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种激光并联机构牙颌模型测量装置，用于牙颌模型非接触式数字扫描测量，其结构主要包括机架、激光扫描器、并联机构和放置牙颌模型的旋转托盘，所述并联机构由固定平台、动平台和联接固定平台与动平台之联接腿构成，并联机构通过其固定平台安置在机架上，牙颌模型托盘安装在并联机构动平台上，在并联机构和旋转托盘运动的共同作用下，使牙颌模型相对激光扫描器运动，实现模型的数字化扫描。该装置具有结构简单、刚性好、精度高、能够有效地消除扫描盲区和阴影等优点。

Description

激光并联机构牙颌模型测量装置

一、技术领域

本发明属于牙颌模型测量技术领域，更具体地说是涉及一种激光牙颌模型测量装置，特别适用于牙颌模型激光三维数字化扫描。

二、背景技术

在牙科临床医学中，牙颌模型的轮廓数据和特征数据是进行诊断和修复的重要依据。传统的手工测量在测量内容和能力方面都受到限制，难以对牙颌模型表面复杂的三维几何形态作出全面、精确的定量描述与分析。目前，采用计算机进行牙颌模型的测量和数字化图像处理成为研究热点，国外自60年代起即开始探讨使用近景立体摄影、莫尔云纹及特殊镜面成像等测量方法对牙颌模型进行测量，但限于测量精度和设备成本等方面的问题而受到限制。近年来学者们也开始采用激光非接触式三维测量技术对牙颌模型进行测量的应用研究，其中较典型的技术是沿三个相互垂直方向作独立直线运动的测量系统。这种系统的缺点非常明显：其一，由于这种串联机构的误差叠加，因此其测量精度低；其二，为了满足要求的测量精度，系统进行测量的时间长达数小时，数据量很大，冗余数据多；其三，由于牙颌模型为非规则的复杂曲面，采用该系统对牙颌模型进行激光扫描测量，进行激光扫描时无法消除阴影。基于上述原因，该测量系统很难胜任对牙颌模型进行测量的工作。

三、发明内容

针对现有技术的激光扫描牙颌模型测量装置存在的不足，本发明提供的激光并联机构牙颌模型测量装置旨在解决以下技术问题：

1、增大系统刚度、消除误差叠加，使系统测量精度高；

2、在对牙颌模型进行激光扫描测量过程中有效地消除阴影；

3、结构简单，紧凑，优化系统结构，实现桌面数字化激光扫描测量。

为了解决本发明提出的上述技术问题，本发明的基本思想是通过设计一种基于并联机构的三维数字化激光扫描装置，用并联机构来实现牙颌模型测量所需的运动，有效地消除激光扫描时的阴影存在，使测量工作能够顺利完成。采用并联机构，保证了系统具有刚度大、误差不叠加的特性，以提高系统测量精度。系统结构简单紧凑，优化了系统结构，对牙颌模型的测量实现桌面数字化激光扫描测量，便于在牙科实践中推广应用。

本发明提供的激光并联牙颌模型测量装置的具体技术方案如下：

激光并联机构牙颌模型测量装置，主要包括机架、激光扫描器、并联机构、牙颌模型旋转托盘，所说的并联机构为由固定平台、动平台和两端分别联接着固定平台与动平台的联接腿构成的并联机构，联接腿设计有移动副和移动副驱动装置，并联机构安装在机架上，牙颌模型旋转托盘安装在并联机构的动平台上，由一伺服驱动系统驱动作旋转运动，并联机构与旋转托盘组成一种串并联式的测量运动机构，带动扫描对象牙颌模型相对于与牙颌模型旋转托盘对应设置的激光扫描器运动。

所述并联机构为三支路并联机构，由固定平台、动平台和两端分别联接着固定平台与动平台的三条联接腿构成。

在联接固定平台与动平台的三条联接腿中，其一条腿与固定平台为刚性固联，与动平台通过虎克铰相联，另两条腿与动平台之间通过球铰相联，与固定平台之间通过虎克铰相联。

所述移动副驱动装置可为液压伺服油缸驱动装置，也可为伺服驱动电机和传动丝杆螺母构成的驱动装置。

在联接固定平台与动平台的三条联接腿中，一端与固定平台固联的一条联接腿，其移动副为内移动副，另外两条联接腿的移动副可以是内移动副，也可为外移动副，即可为内移动副与外移动副中的一种。

在联接固定平台与活动平台的三条联接腿中，一端与固定平台刚性固联，另一端与动平台通过虎克铰相联的一条腿设计成内移动副的伸缩结构杆，移动副驱动装置可为伺服电机，另外两条腿可设计成带外移动副的定长结构杆，一端通过虎克铰与滑块相联，再通过滑块导轨与固定平台相联，滑块由伺服电机带动的传动丝杆螺母驱动，另一端通过球铰与动平台相联。

所述并联机构也可为两支路并联机构，由固定平台、动平台和两端分别联接着固定平台与动平台的两条联接腿构成。

在两支路并联机构之两条联接腿中，其一条联接腿与固定平台刚性固联，与动平台通过回转副相联，另一条腿与动平台通过球铰联接，与固定平台之间通过虎克铰相联。

两支路并联机构之两条联接腿中，一端与固定平台固联的一条联接腿设计成内移动副的伸缩结构杆，移动副驱动装置为伺服电机，另一条腿可以是内移动副的伸缩结构杆，也可为外移动副的定长结构杆。

所述两支路并联机构之两条联接腿中，一端与固定平台固联的一条联接腿，其移动副移动方向与联接动平台的回转副轴线相交，移动方向与回转副轴线不垂直的构成空间并联机构，移动方向与回转副轴线垂直的构成平面并联机构或空间并联机构两者中的一种。所述的平面并联机构，其一条腿的一端与固定平台刚性固联，另一端与动平台通过回转副相联，另一条腿与动平台和固定平台之间均通过回转副相联。

所述两支路空间并联机构之两条联接腿中，一端与固定平台刚性固联，另一端与动平台通过虎克铰相联的一条腿设计成内移动副的伸缩结构杆，移动副驱动装置可为伺服电机，另一条腿可设计成带外移动副的定长结构杆，一端通过虎克铰与滑块相联，再通过滑块导轨与固定平台相联，滑块由伺服电机带动的传动丝杆螺母驱动，另一端通过球铰与动平台相联。

本发明还采取了其他一些技术措施。

本发明与现有技术的激光牙颌模型测量装置相比，由于本发明的测量装置是一种基于并联机构的三维数字化激光扫描测量装置，用并联机构与旋转托盘组成的串并联式的测量运动机构来实现牙颌模型测量所需的运动，有效地消除了激光扫描中存在的盲区与阴影，使测量工作能够顺利完成。又由于运动机构采用并联机构，保证了系统具有刚度大、误差不叠加的特性，大大提高了系统测量精度，且系统结构简单、紧凑，优化了系统结构，对牙颌模型的测量实现了非接触式数字化激光扫描桌面测量，便于在牙科实践中推广应用。

四、附图简要说明

附图1为本发明实施例1总体结构示意图。

附图2为本发明实施例1的运动原理示意图。

附图3为本发明实施例2总体结构示意图。

附图4为本发明实施例3总体结构示意图。

附图5为本发明实施例3的运动原理示意图。

下面结合附图，详细介绍本发明的两种牙颌模型激光扫描装置的实施例的结构和工作原理。

实施例1：

实施例1的总体结构如图1所示，由机架13、三支路并联机构、回转托盘10、牙颌模型托盘11和激光器14组成。其中，三支路并联机构由安装回转托盘10的动平台8、用于将三支路并联机构安装在机架13上的固定平台12，以及分别与动平台8和固定平台12相链的三条联接腿组成，三条联接腿均设计成由外套杆2、5和内滑杆3、6构成的伸缩杆，含有内移动副，移动副驱动装置为伺服电机。在三条联接腿中，其中一条联接腿的一端与固定平台12刚性固联，另一端与动平台8通过虎克铰7相联，另外两条联接腿，一端通过球铰4与动平台相联，另一端通过虎克铰与固定平台相联。回转托盘10安装在动平台8上，牙颌模型托盘11安装在回转托盘10上，由伺服电机9驱动回转托盘10并带动模型托盘11转动。激光器14安装在模型托盘11上方的机架13顶部，与牙颌模型相对应。

附图2为本实施例的运动原理示意图。A1、A2、A3构成的平面为并联机构的固定平台，B1、B2、B3构成的平面为并联机构的动平台，并联机构由固定平台A1、A2、A3，动平台B1、B2、B3和联接动平台与固定平台的三条伸缩结构的联接腿构成。其中一条腿的一端与固定平台的A3点刚性固联，另一端通过虎克铰B3与动平台相联。另外两条腿与动平台之间通过球铰B1、B2相联，与固定平台之间通过虎克铰A1、A2相联，改变三条腿的伸缩量，可以实现动平台绕X轴和绕Y轴的转动及沿Z轴方向的位移。

本实施例的激光并联机构牙颌模型测量装置的工作原理：被测模型放置于模型托盘11上，扫描开始时激光束处于模型的中心位置处，伺服电机9旋转，旋转托盘10带动模型托盘11旋转，当模型托盘旋转一周后，并联机构在伺服电机驱动下，三条腿作伸缩运动，实现Z方向的移动，开始第二次扫描，如此循环直到扫描结束。由于牙颌模型表面为复杂曲面，扫描过程中可采用并联机构在伺服电机驱动下动平台的两个转动进行调整，从而能有效地消除盲区和阴影，获得高品质的扫描图像。

实施例2：

实施例2总体结构如图3所示。其总体结构大致与实施例1相同，不同之处在于，实施例1中的结构相同的由外套杆2和内滑杆3构成的两条联接腿，在本实施例中被定长结构杆17所取代。其中定长结构杆17的一端通过虎克铰16与滑块15相联，另一端通过球铰18与动平台8相联。滑块15可在伺服电机20带动的丝杆21的驱动下沿导轨19直线移动，两副导轨19分别固定安装在机架的底壁和侧壁上。

实施例3：

实施例3的总体结构如图4所示。由机架13、两支路并联机构、回转托盘10、牙颌模型托盘11和激光器14组成。其中，两支路并联机构由动平台8、用于将并联机构安装在机架13上的固定平台12和两端分别联接动平台8与固定平台12的两条联接腿组成。两条联接腿设计成由外套杆2和内滑杆3构成的伸缩杆，其中一条联接腿的一端与固定平台12刚性固联，另一端与动平台8通过回转副15相联，另一条联接腿的一端与固定平台12通过虎克铰1相联，另一端与动平台8通过球铰4相联。回转托盘10安装在动平台8上，牙颌模型托盘11安装在回转托盘10上，由伺服电机9驱动回转托盘10并带动模型托盘11转动。激光器14安装在模型托盘11上方的机架13顶部，与牙颌模型相对应。

本实施例的激光并联机构牙颌模型测量装置的工作原理：通过两条腿的伸缩运动，两支路并联机构实现一个转动和1个移动。伺服电机9旋转，旋转托盘10带动模型托盘11旋转，提供扫描时的旋转自由度，两支路并联机构的动平台直线运动提供扫描时的移动自由度，两支路并联机构的动平台绕回转副15旋转运动，用于调整模型在扫描时的姿态，从而有效地消除盲区和阴影。

本发明的具体实施方式不限于实施例所描述的形式，根据本发明公开的内容还可设计成其他具体实施方式。

Claims (10)

1、一种激光并联机构牙颌模型测量装置，主要包括机架、激光扫描器、并联机构、牙颌模型旋转托盘，其特征在于所说的并联机构为由固定平台、动平台和两端分别联接着固定平台与动平台的联接腿构成的并联机构，联接腿设计有移动副和移动副驱动装置，并联机构安装在机架上，牙颌模型旋转托盘安装在并联机构的动平台上，由一伺服驱动系统驱动作旋转运动，并联机构与旋转托盘组成一种串并联式的测量运动机构，带动扫描对象牙颌模型相对于与牙颌模型旋转托盘对应设置的激光扫描器运动。

2、根据权利要求1所述的激光并联机构牙颌模型测量装置，其特征在于所述并联机构为三支路并联机构，由固定平台、动平台和两端分别联接着固定平台与动平台的三条联接腿构成。

3、根据权利要求2所述的激光并联机构牙颌模型测量装置，其特征在于在三支路并联机构之联接固定平台与动平台的三条联接腿中，其一条腿与固定平台刚性固联，与动平台通过虎克铰相联，另两条腿与动平台之间通过球铰相联，与固定平台之间通过虎克铰相联。

4、根据权利要求3所述的激光并联机构牙颌模型测量装置，其特征在于三支路并联机构之三条联接腿中，一端与固定平台固联的一条联接腿的移动副为内移动副，另两条腿的移动副为内移动副与外移动副中的一种。

5、根据权利要求1所述的激光并联机构牙颌模型测量装置，其特征在于所述并联机构为两支路并联机构，由固定平台、动平台和两端分别联接着固定平台与动平台的两条联接腿构成。

6、根据权利要求5所述的激光并联机构牙颌模型测量装置，其特征在于所述两支路并联机构之两条联接腿中，其一条腿与固定平台刚性固联，与动平台通过回转副相联，另一条腿与动平台之间通过球铰相联，与固定平台之间通过虎克铰相联。

7、根据权利要求6所述的激光并联机构牙颌模型测量装置，其特征在于所述两支路并联机构之两条联接腿中，一端与固定平台固联的一条联接腿的移动副为内移动副，另一条腿的移动副可以是内移动副与外移动副中的一种。

8、根据权利要求7所述的激光并联机构牙颌模型测量装置，其特征在于所述两支路并联机构，一端与固定平台固联的一条联接腿，其移动副移动方向与联接动平台的回转副轴线相交，移动方向与回转副轴线不垂直的构成空间并联机构，移动方向与回转副轴线垂直的构成平面并联机构或空间并联机构两者中的一种。

9、根据权利要求4或7所述的激光并联机构牙颌模型测量装置，其特征在于所述的三支路并联机构或两支路并联机构，其移动副驱动装置为液压伺服油缸驱动装置或伺服驱动电机和传动丝杆螺母构成的驱动装置。

10、根据利要求2至8中的任一项权利要求所述的激光并联机构牙颌模型测量装置，其特征在于所述的三支路并联机构或两支路并联机构，其一端与固定平台刚性固联，另一端与动平台通过虎克铰相联的一条联接腿设计成带内移动副伸缩结构杆，移动副驱动装置为伺服电机，另外两条腿或一条腿设计成带外移动副的定长结构杆，一端通过虎克铰与滑块相联，再通过滑块导轨与固定平台相联，滑块由伺服电机带动的传动丝杆螺母驱动，另一端通过球铰与动平台相联。

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