CN209682203U - 一种柔索驱动的仿生咀嚼装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种柔索驱动的仿生咀嚼装置，包括包括机架、六组柔索驱动装置、上颌静平台、下颌动平台和六个转向滑轮；机架为整个咀嚼装置的支撑平台，包括底座、支撑架、横梁和用于安装上颌静平台的T形支架；上颌静平台固定安装在T形支架上，上颌静平台下方开有两个球槽，下颌动平台通过球槽和弹性弹簧安装到上颌静平台下方，六组柔索驱动装置固定在机架上并通过柔索连接到下颌动平台上。本实用新型基于人类咀嚼系统的生理结构及运动形式，采用球槽和弹性弹簧模拟人类颞下颌关节对下颌的约束，采用柔索驱动模拟咀嚼肌对下颌的驱动，所形成的仿生咀嚼装置具有高仿生、工作空间大、柔顺性好等优点，可广泛应用于食品科学和口腔医学等领域。

Description

一种柔索驱动的仿生咀嚼装置

技术领域

本实用新型属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种柔索驱动的仿生咀嚼装置。

背景技术

仿生咀嚼装置是一类可以模拟人类咀嚼行为，再现人类咀嚼动作和咀嚼力的机械装置，其研究成果在食品科学和口腔医学等领域具有广阔的应用前景。食品科学领域中，仿生咀嚼装置可以作为食品咀嚼动力学、食品机械特性等实验的测试平台；口腔医学领域中，仿生咀嚼装置可以用于义齿材料磨损实验、义齿疲劳寿命测试和医学教学等方面。

人类下颌由咀嚼肌肉驱动,在颞下颌关节的约束下,相对上颌骨在三维空间内做复杂的开闭运动。作为人体最复杂的运动关节之一，颞下颌关节在下颌系统中发挥着重要的作用，它与咀嚼肌肉相互协调、相互约束，保证了人类下颌高效、柔顺、稳定的咀嚼运动。而现有的仿生咀嚼装置大多只考虑咀嚼肌对下颌的驱动作用，而没有考虑颞下颌关节对下颌运动的约束作用，因此在仿生性方面有所欠缺，不能充分地还原下颌的运动形式和生物力学特征。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种柔索驱动的仿生咀嚼装置，该仿生咀嚼装置从人类咀嚼系统的生理构造出发，采用球槽和弹簧模拟人类颞下颌关节对下颌的约束，采用柔索驱动模拟咀嚼肌对下颌的驱动，所形成的仿生咀嚼装置具有高仿生、工作空间大、柔顺性好等优点，可广泛应用于食品科学和口腔医学等领域。

为解决上述技术问题，本实用新型采取如下技术方案：本实用新型的一种柔索驱动的仿生咀嚼装置，其创新点在于：包括机架、六组柔索驱动装置、上颌静平台、下颌动平台和六个转向滑轮；

所述机架包括底座、支撑架、横梁和用于安装上颌静平台的T形支架；所述支撑架为长方体框架结构，且固定安装在所述底座上；在所述支撑架的四个侧面均水平设有一横梁，左右两侧的所述横梁设于同一水平面上，且与前后两侧的所述横梁均不在同一水平面，在左右两侧的所述横梁上还水平固定设有T形支架，所述T形支架与左右两侧的所述横梁垂直设置；

六组所述柔索驱动装置均设在所述底座上，且均布在所述支撑架的外侧四周；每一所述柔索驱动装置均包括电机、减速器、电机座、联轴器、卷筒、卷筒座和柔索；所述电机座为L形钢板，且固定设置在所述底座上；在所述电机座一侧固定连接有一减速器，且所述减速器与所述电机连接；在所述电机座的另一侧并列设有卷筒座，且所述卷筒座与所述电机座之间设有一定间隙；所述卷筒座固定设置在所述底座上，且在所述卷筒座上还转动连接有卷筒；所述减速器的输出轴延伸出所述电机座，并通过联轴器与所述卷筒联动；在所述卷筒上还绕有柔索；

所述上颌静平台水平固定设在所述T形支架的中间位置处，所述上颌静平台的前半部分呈半圆形，且其后半部分呈长方形，在所述上颌静平台的下表面末端还左右对称开设有两个球槽，且在所述球槽下方还固定设有关节限位盖；

所述下颌动平台包括下颌座、两个仿生下颌支、两个仿生髁突和两个弹簧安装架；所述下颌座水平设置，且所述下颌座的前半部分呈半圆形，其后半部分呈长方形；在所述下颌座的上表面末端还左右对称设有仿生下颌支，每一所述仿生下颌支均与所述下颌座垂直设置，且每一所述仿生下颌支的一端与所述下颌座固定连接，其另一端分别连接有仿生髁突；每一所述仿生髁突均通过关节限位盖安装在所述上颌静平台的球槽内；每一所述仿生下颌支的中间位置处还水平套接设有弹簧安装架；

所述转向滑轮设于每一所述横梁上，且每一所述转向滑轮的位置与每一所述柔索驱动装置的位置相匹配；所述柔索的输出端经过所述转向滑轮后固定连接在所述下颌动平台的下颌座下表面相应位置处。

优选的，还包括菱形轴承座，所述转向滑轮通过所述菱形轴承座安装在所述横梁上。

优选的，还包括滚珠花键副，所述卷筒通过所述滚珠花键副安装在所述卷筒座上，且所述卷筒可沿轴向自由平移。

优选的，所述减速器、联轴器、滚珠花键副以及卷筒均同轴心设置。

优选的，所述上颌静平台的中间位置处还左右对称开设有螺孔，所述上颌静平台通过螺孔固定安装在所述T形支架上；在每一所述球槽左右两侧还分别对称开设有弹簧固定孔，且所述弹簧固定孔开设在所述上颌静平台的下表面末端。

优选的，所述下颌座的下表面还左右对称开设有用于连接柔索输出端的柔索连接孔，所述柔索连接孔的开设位置根据人类咀嚼肌的生理构造来确定。

优选的，每一所述仿生髁突均为一光滑的金属球，且与所述上颌静平台的球槽相配合。

优选的，每一所述关节限位盖的内表面均制有与所述仿生髁突相配合的弧面。

优选的，每一所述弹簧安装架左右两侧还对称设有柔性弹簧，每一所述柔性弹簧均竖直向上设置，且每一所述柔性弹簧的一端固定在所述弹簧安装架上，其另一端固定安装在所述上颌静平台的弹簧固定孔中。

优选的，所述上颌静平台的下表面前端和下颌动平台的上表面前端均设有义齿模型安装槽。

本实用新型的有益效果：

1）本实用新型从人类咀嚼系统的生理构造出发，充分考虑人类颞下颌关节的运动特性，采用球与球槽相配合模拟了人类关节窝对髁突运动的约束作用，采用柔性弹簧模拟了韧带对下颌运动的加固作用，这对人类下颌系统的模拟更加真实，大大提高了咀嚼装置的仿生性能。

2）本实用新型采用柔索驱动，与刚性驱动的咀嚼装置相比，更加符合咀嚼肌的驱动特点，具有结构简单、工作空间大、柔顺性好等优点；6条柔索分别模拟了升颌肌群、降颌肌群和翼外肌群三类咀嚼肌，符合咀嚼系统的生物力学特性；同时由于球槽和弹性弹簧的约束，该仿生咀嚼装置的驱动数目大于自由度数目，具有冗余驱动的特点，相比于现有的六自由度咀嚼装置更贴近人类咀嚼系统的实际情况。

附图说明

为了更清晰地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一种柔索驱动的仿生咀嚼装置的结构示意图。

图2为本实用新型一种柔索驱动的仿生咀嚼装置的后视图。

图3为本实用新型一种柔索驱动的仿生咀嚼装置柔索驱动装置的结构图。

图4为本实用新型一种柔索驱动的仿生咀嚼装置上颌静平台的结构图。

图5为本实用新型一种柔索驱动的仿生咀嚼装置下颌动平台的结构图。

其中，1-机架；2-柔索驱动装置；3-上颌静平台；4-下颌动平台；11-底座；12-支撑架；13-横梁；14-T形支架；15-转向滑轮；21-电机；22-减速器；23-电机座；24-联轴器；25-卷筒；26-卷筒座；27-柔索；31-球槽；32-关节限位盖；33-义齿模型安装槽；34-螺孔；35-弹簧固定孔；41-下颌座；42-仿生下颌支；43-仿生髁突；44-弹簧安装架；45-柔性弹簧；46-柔索连接孔。

具体实施方式

下面将通过具体实施方式对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实用新型的一种柔索驱动的仿生咀嚼装置，包括机架1、六组柔索驱动装置2、上颌静平台3、下颌动平台4和六个转向滑轮15，具体结构如图1、图2所示，机架1为整个咀嚼装置的支撑平台，包括底座11、支撑架12、四根横梁13和用于安装上颌静平台3的T形支架14；其中，底座11为长方形的厚铁板，而支撑架12为若干型材构成的长方体框架结构，且该支撑架12固定安装在底座11上；在支撑架12的四个侧面均水平焊接有一横梁13，左右两侧的横梁13设于同一水平面上，且与前后两侧的横梁13均不在同一水平面，同时前后两侧的横梁13不在同一水平面；在左右两侧的横梁13上还水平固定设有T形支架14，该T形支架14与左右两侧的横梁13垂直设置。

本实用新型在底座11上还设有六组柔索驱动装置2，该六组柔索驱动装置2均布在支撑架12的外侧四周；如图1、3所示，每组柔索驱动装置2均包括电机21、减速器22、电机座23、联轴器24、卷筒25、卷筒座26和柔索27；电机座23为L形钢板，且固定设置在底座11上；在电机座23一侧固定连接有一减速器22，且减速器22与电机21连接；在电机座23的另一侧并列设有卷筒座26，且卷筒座26与电机座23之间设有一定间隙；该卷筒座26通过螺钉固定设置在底座11上，且在卷筒座26上还转动连接有卷筒25，该卷筒25通过滚珠花键副安装在卷筒座26上，使得卷筒25可沿轴向自由平移；而减速器22的输出轴延伸出电机座23，并通过联轴器24与卷筒25联动；其中，减速器22、联轴器24、滚珠花键副以及卷筒25均同轴心设置。在卷筒上还绕有柔索27，柔索27的输出端经过转向滑轮15改变方向后固定连接在下颌动平台4下表面相应位置处。

如图1、图2所示，在每一根横梁13上均设有转向滑轮15；该转向滑轮15通过菱形轴承座安装在横梁13上，且每一个转向滑轮15的位置与每一个柔索驱动装置2的位置相匹配，转向滑轮15可自由转动；在菱形轴承和滚珠花键副的共同作用下，柔索27可实现自动对心，使得卷筒25对柔索27的附加力大大减小，保证了柔索驱动的平稳与精准。

本实用新型在T形支架14的中间位置处还水平设有上颌静平台3，如图1、图4所示，上颌静平台3采用轻质铝合金材质，且上颌静平台3的前半部分呈半圆形，其后半部分呈长方形；在上颌静平台3的中间位置处还左右对称开设有四个螺孔34，用于将上颌静平台3固定安装在T形支架14上；在上颌静平台3的下表面末端还左右对称开设有两个球槽31，且在每一个球槽31下方还设有关节限位盖32，该关节限位盖32通过螺钉固定在上颌静平台3的球槽31下方；其中，该球槽31的尺寸参数由成年人的下颌关节窝扫描数据确定；在每一个球槽31左右两侧还分别对称开设有用于固定柔性弹簧45一端的弹簧固定孔35，且该弹簧固定孔35开设在上颌静平台3的下表面末端。

本实用新型的下颌动平台4包括下颌座41、两个仿生下颌支42、两个仿生髁突43和两个弹簧安装架44，如图5所示，下颌座41采用轻质铝合金材质，且水平设置；该下颌座41的前半部分呈半圆形，其后半部分呈长方形；在下颌座41的下表面还左右对称开设有6个用于连接柔索27输出端的柔索连接孔46，本实用新型柔索连接孔46开设位置的确定和柔索27方向的确定参考了人类咀嚼肌的生理构造，分别模拟了升颌肌群、降颌肌群和翼外肌群三类咀嚼肌，其中，左右两侧横梁13上的两条柔索27模拟升颌肌群，主要提供向上、向后的拉力；前侧横梁13上的两条柔索27模拟降颌肌群，主要提供向下、向前的拉力；后侧横梁13上的两条柔索27模拟翼外肌群，主要提供左右方向的拉力，符合人类咀嚼肌的驱动特性。

本实用新型在下颌座41的上表面末端还左右对称设有仿生下颌支42，每一个仿生下颌支42均与下颌座41垂直设置，如图5所示，仿生下颌支42呈圆柱状且两端加工有螺纹，每一个仿生下颌支42的一端与下颌座41螺接，且其另一端分别螺接有仿生髁突43；而每一个仿生髁突43均通过关节限位盖32安装在上颌静平台3的球槽31内；其中，每一个仿生髁突43均为一光滑的金属球，且与上颌静平台3的球槽31相配合；而每一个关节限位盖32的内表面均制有与仿生髁突43相配合的弧面。本实用新型的球槽31和关节限位盖32模拟了人类关节窝的约束作用，将仿生髁突43的运动限定在一定范围。

本实用新型在每一个仿生下颌支42的中间位置处还水平套接设有弹簧安装架44，且该弹簧安装架44与仿生下颌支42焊接连接；如图5所示，每一个弹簧安装架44左右两侧还对称设有柔性弹簧45，每一个柔性弹簧45均竖直向上设置，且每一个柔性弹簧45的一端固定在弹簧安装架44上，其另一端固定安装在上颌静平台3的弹簧固定孔35中。柔性弹簧45使仿生髁突43的运动更加平稳柔顺，同时也进一步约束了仿生髁突43的运动范围，模拟了人类下颌韧带对下颌运动的加固作用。

本实用新型在上颌静平台3的下表面前端和下颌动平台4的上表面前端均设有义齿模型安装槽33，可根据使用要求更换不同材料的义齿模型。

本实用新型的工作原理：

1）本实用新型的仿生咀嚼装置不工作时，保持闭颌状态。

2）当6条柔索27对称驱动且前横梁13上的两条柔索27作为主驱动时，下颌动平台4受到向下、向前的拉力，在球槽31和柔性弹簧45的约束下，两侧仿生髁突43对称运动，在球槽31里既向前滑动又伴随有绕冠状轴的转动，完成对人类开口运动的模拟。

3）当6条柔索27对称驱动且左右横梁13上的两条柔索27作为主驱动时，下颌动平台4受到向上、向后的拉力，在球槽31和柔性弹簧45的约束下，两侧仿生髁突43对称运动，在球槽31里既向后滑动又伴随有绕冠状轴的转动，完成对人类闭口运动的模拟。

4）当两侧柔索27不对称驱动时，两侧仿生髁突43不对称运动，一侧仿生髁突43发生滑动，一侧仿生髁突43在球槽31内转动，完成对人类单侧咀嚼运动的模拟。

本实用新型的有益效果：

1）本实用新型从人类咀嚼系统的生理构造出发，充分考虑人类颞下颌关节的运动特性，采用球与球槽31相配合模拟了人类关节窝对髁突运动的约束作用，采用柔性弹簧45模拟了韧带对下颌运动的加固作用，这对人类下颌系统的模拟更加真实，大大提高了咀嚼装置的仿生性能。

2）本实用新型采用柔索驱动，与刚性驱动的咀嚼装置相比，更加符合咀嚼肌的驱动特点，具有结构简单、工作空间大、柔顺性好等优点；6条柔索27分别模拟了升颌肌群、降颌肌群和翼外肌群三类咀嚼肌，符合咀嚼系统的生物力学特性；同时由于球槽31和弹性弹簧45的约束，该仿生咀嚼装置的驱动数目大于自由度数目，具有冗余驱动的特点，相比于现有的六自由度咀嚼装置更贴近人类咀嚼系统的实际情况。

上面所述的实施例仅仅是本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本实用新型的保护范围，本实用新型的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。

Claims (10)

1.一种柔索驱动的仿生咀嚼装置，其特征在于：包括机架、六组柔索驱动装置、上颌静平台、下颌动平台和六个转向滑轮；

所述机架包括底座、支撑架、横梁和用于安装上颌静平台的T形支架；所述支撑架为长方体框架结构，且固定安装在所述底座上；在所述支撑架的四个侧面均水平设有一横梁，左右两侧的所述横梁设于同一水平面上，且与前后两侧的所述横梁均不在同一水平面，在左右两侧的所述横梁上还水平固定设有T形支架，所述T形支架与左右两侧的所述横梁垂直设置；

六组所述柔索驱动装置均设在所述底座上，且均布在所述支撑架的外侧四周；每一所述柔索驱动装置均包括电机、减速器、电机座、联轴器、卷筒、卷筒座和柔索；所述电机座为L形钢板，且固定设置在所述底座上；在所述电机座一侧固定连接有一减速器，且所述减速器与所述电机连接；在所述电机座的另一侧并列设有卷筒座，且所述卷筒座与所述电机座之间设有一定间隙；所述卷筒座固定设置在所述底座上，且在所述卷筒座上还转动连接有卷筒；所述减速器的输出轴延伸出所述电机座，并通过联轴器与所述卷筒联动；在所述卷筒上还绕有柔索；

所述上颌静平台水平固定设在所述T形支架的中间位置处，所述上颌静平台的前半部分呈半圆形，且其后半部分呈长方形，在所述上颌静平台的下表面末端还左右对称开设有两个球槽，且在所述球槽下方还固定设有关节限位盖；

所述下颌动平台包括下颌座、两个仿生下颌支、两个仿生髁突和两个弹簧安装架；所述下颌座水平设置，且所述下颌座的前半部分呈半圆形，其后半部分呈长方形；在所述下颌座的上表面末端还左右对称设有仿生下颌支，每一所述仿生下颌支均与所述下颌座垂直设置，且每一所述仿生下颌支的一端与所述下颌座固定连接，其另一端分别连接有仿生髁突；每一所述仿生髁突均通过关节限位盖安装在所述上颌静平台的球槽内；每一所述仿生下颌支的中间位置处还水平套接设有弹簧安装架；

所述转向滑轮设于每一所述横梁上，且每一所述转向滑轮的位置与每一所述柔索驱动装置的位置相匹配；所述柔索的输出端经过所述转向滑轮后固定连接在所述下颌动平台的下颌座下表面相应位置处。

2.根据权利要求1所述的一种柔索驱动的仿生咀嚼装置，其特征在于：还包括菱形轴承座，所述转向滑轮通过所述菱形轴承座安装在所述横梁上。

3.根据权利要求1所述的一种柔索驱动的仿生咀嚼装置，其特征在于：还包括滚珠花键副，所述卷筒通过所述滚珠花键副安装在所述卷筒座上，且所述卷筒可沿轴向自由平移。

4.根据权利要求3所述的一种柔索驱动的仿生咀嚼装置，其特征在于：所述减速器、联轴器、滚珠花键副以及卷筒均同轴心设置。

5.根据权利要求1所述的一种柔索驱动的仿生咀嚼装置，其特征在于：所述上颌静平台的中间位置处还左右对称开设有螺孔，所述上颌静平台通过螺孔固定安装在所述T形支架上；在每一所述球槽左右两侧还分别对称开设有弹簧固定孔，且所述弹簧固定孔开设在所述上颌静平台的下表面末端。

6.根据权利要求1所述的一种柔索驱动的仿生咀嚼装置，其特征在于：所述下颌座的下表面还左右对称开设有用于连接柔索输出端的柔索连接孔，所述柔索连接孔的开设位置根据人类咀嚼肌的生理构造来确定。

7.根据权利要求1所述的一种柔索驱动的仿生咀嚼装置，其特征在于：每一所述仿生髁突均为一光滑的金属球，且与所述上颌静平台的球槽相配合。

8.根据权利要求1所述的一种柔索驱动的仿生咀嚼装置，其特征在于：每一所述关节限位盖的内表面均制有与所述仿生髁突相配合的弧面。

9.根据权利要求1所述的一种柔索驱动的仿生咀嚼装置，其特征在于：每一所述弹簧安装架左右两侧还对称设有柔性弹簧，每一所述柔性弹簧均竖直向上设置，且每一所述柔性弹簧的一端固定在所述弹簧安装架上，其另一端固定安装在所述上颌静平台的弹簧固定孔中。

10.根据权利要求1所述的一种柔索驱动的仿生咀嚼装置，其特征在于：所述上颌静平台的下表面前端和下颌动平台的上表面前端均设有义齿模型安装槽。