CN210361305U - 一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构，仿生下颌通过设置在两侧的仿生关节与仿生上颌连接，仿生关节用于仿真下颌髁状突，仿生上颌固定安装在机架上，仿生上颌和仿生下颌的两侧均分别通过两组绳索驱动弹性肌肉相互连接，任一单一侧设置的两根绳索驱动弹性肌肉分别用于仿真咬肌和颞肌，每根绳索驱动弹性肌肉均与动力输出组件通过绳索传动连接，所述的动力输出组件用于通过控制绳索的拉伸进一步控制绳索驱动弹性肌肉的伸缩。该种仿真咀嚼机构通过电机驱动绳索改变弹性肌肉的长短使仿生下颌的位姿发生改变，来实现对下颌的咬合运动的模拟，可以用于咀嚼破碎以及运动分析等方面。

Description

一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构

技术领域

本实用新型是涉及仿真机器人技术领域，具体的说是一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构。

背景技术

仿人类下颌咀嚼机构，是一种能够模拟人类下颌骨咀嚼行为的仿生机构，它可以应用于医学教学、食品质地评估以及牙科材料测试等领域，还可以用于研究人类的语言表达、表情变化。目前，仿下颌运动装置大多只是大多采用典型Stewart平台及其变形机构，模拟再现了咀嚼运动，但是不适合用于咀嚼破碎以及运动分析等方面。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构，该种咀嚼机构能够适用于咀嚼破碎、运动分析。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构，包括仿生上颌、仿生下颌，所述的仿生下颌通过设置在两侧的仿生关节与仿生上颌连接，所述的仿生关节用于仿真下颌髁状突，所述的仿生上颌固定安装在机架上，其特征是：所述的仿生上颌和仿生下颌的两侧均分别通过两组绳索驱动弹性肌肉相互连接，任一单一侧设置的两根绳索驱动弹性肌肉分别用于仿真咬肌和颞肌，每根绳索驱动弹性肌肉均与动力输出组件通过绳索传动连接，所述的动力输出组件用于通过控制绳索的拉伸进一步控制绳索驱动弹性肌肉的伸缩。

所述的机架包括下板和上板，所述的下板和上板均水平设置，所述的下板和上板之间通过若干根竖直设置的支柱支撑连接。

所述的动力输出组件设置在上板的下表面，所述的动力输出组件与绳索驱动弹性肌肉的数量一一对应。

所述的动力输出组件包括电机，所述的电机的输出轴通过联轴器与轴传动连接，所述的轴的两端通过轴承与轴支座实现固定安装，所述的轴上固定安装有滚筒，所述的滚筒与轴同步转动，所述的滚筒与绳索一端固定连接，所述的绳索穿过转向滑轮装置，所述的转向滑轮装置用于对绳索的延伸方向实现导向。

所述的转向滑轮装置包括转动环和轴杆，所述的转动环固定安装在轴支座上，所述的轴杆两端固定安装在转动环内径中，所述的轴杆上固定安装有导轮，所述的转动环能够相对轴支座在转动环所在平面内自由转动，所述的轴杆沿转动环径向设置，所述的轴杆能够围绕轴杆的中心轴相对转动环自由转动，所述的导轮与轴杆同步转动。

所述的电机固定安装在电机支座内，所述的电机支座固定安装在上板的下表面。

所述的绳索驱动弹性肌肉包括弹簧，所述的弹簧的两端分别与下固定器和上固定器固定连接，所述的下固定器与仿生下颌固定连接，所述的上固定器与仿生上颌固定连接，绳索的两端中远离滚筒的一端依次穿过上固定器和弹簧与下固定器固定连接。

所述的弹簧处于压缩状态，所述的弹簧处于不受力状态的长度和中径的比值小于等于 5.3。

所述的仿生关节包括设置在仿生下颌上的仿生下颌髁状突以及设置在仿生上颌上的仿生颞骨下颌关节窝，所述的仿生下颌髁状突和仿生颞骨下颌关节窝通过四组双胡克铰装置实现连接，所述的仿生颞骨下颌关节窝为半球形空心球壳，所述的双胡克铰装置包括连接杆，所述的连接杆一端固定安装有万向十字轴，另一端通过复位弹簧与旋转球外表面固定连接，所述的旋转球嵌套在连接杆上，连接杆的中心轴穿过旋转球的球心，所述的连接杆沿复位弹簧轴向穿过复位弹簧，所述的旋转球外侧设置有环形的旋转环，所述的旋转环内壁通过转轴与旋转球连接，旋转球能够与旋转环以转轴中心轴为旋转中心发生相对转动，所述的旋转环所在平面与连接杆的中心轴垂直，所述的旋转环的中心与旋转球的球心重合；

所述的仿生下颌髁状突表面设置有四组通孔，连接杆设置有万向十字轴的一端穿过通孔伸入仿生下颌髁状突内部，所述的万向十字轴的长轴两端通过轴承固定安装在仿生下颌髁状突内部，连接杆另一端向外延伸穿过仿生颞骨下颌关节窝表面的通孔，所述的旋转环嵌入仿生颞骨下颌关节窝表面，旋转环外侧壁通过转轴与仿生颞骨下颌关节窝表面通孔的内侧壁连接，旋转环能够与仿生颞骨下颌关节窝相对转动。

所述的仿生上颌和仿生下颌处于相对闭合的状态时，四组连接杆安装有万向十字轴的一端沿轴向延伸汇聚在一个焦点，四组连接杆远离万向十字轴的一端围成一个正方形平面，所述的焦点距离正方形平面中心的距离为正方形边长的一半。

该种绳索驱动的四自由度咀嚼机构能够产生的有益效果为：第一，通过四组动力输出组件实现对四组绳索驱动弹性肌肉的控制，通过现有技术控制四个电机按不同的速率驱动后拉紧或放松绳索，实现对下颌开启或闭合的控制。第二，在弹簧处于不受力状态的长度和中径的比值小于等于5.3，保证了绳索驱动弹性肌肉结构内的弹簧在受到绳索的牵引时不会出现弯曲。第三，绳索驱动弹性肌肉的安装位置根据人体解剖学的咬肌和颞肌位置对称安装，其自由度为四，属于欠驱动安装，在四组绳索驱动弹性肌肉受到绳索牵引时能够很好的实现开闭口运动、以及实现再现下颌的闭合力。

附图说明

图1为本实用新型一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构的结构示意图。

图2为本实用新型一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构的结构示意图。

图3为本实用新型一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构动力输出组件的结构示意图。

图4为本实用新型一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构仿生上颌和仿生下颌的结构示意图。

图5为本实用新型一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构绳索驱动弹性肌肉的结构示意图。

图6为本实用新型一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构双胡克铰装置的结构示意图。

图7为本实用新型一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构仿生下颌髁状突的结构示意图。

图8为本实用新型一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构仿生颞骨下颌关节窝的结构示意图。

说明书附图标注：1、仿生上颌；2、仿生下颌；3、仿生关节；4、绳索驱动弹性肌肉；5、动力输出组件；6、绳索；7、机架；8、电机；9、电机支座；10、联轴器；11、轴；12、轴承；13、滚筒；14、轴支座；15、转向滑轮装置；17、弹簧；18、下固定器；19、上固定器； 20、万向十字轴；21、连接杆；22、旋转球；23、旋转环；24、复位弹簧；25、转动环；26、轴杆；27、导轮；28、仿生下颌髁状突；29、仿生颞骨下颌关节窝；

71、下板；72、支柱；73、上板。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述。

如图1和图4所示，一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构，包括仿生上颌1、仿生下颌2，所述的仿生下颌2通过设置在两侧的仿生关节3与仿生上颌1连接，所述的仿生关节3用于仿真下颌髁状突，所述的仿生上颌1固定安装在机架7上，其特征是：所述的仿生上颌1和仿生下颌2的两侧均分别通过两组绳索驱动弹性肌肉4相互连接，任一单一侧设置的两根绳索驱动弹性肌肉4分别用于仿真咬肌和颞肌，每根绳索驱动弹性肌肉4均与动力输出组件5 通过绳索6传动连接，所述的动力输出组件5用于通过控制绳索6的拉伸进一步控制绳索驱动弹性肌肉4的伸缩。

本实施例中，仿生上颌1和仿生下颌2是通过健康成人骨骼的CT扫描模型经三维软件处理所得，由于本结构的主要运动为仿生下颌2，因此，仿生上颌1的部分结构可由固定机架代替，固定机架可用于固定仿生关节3以及绳索驱动弹性肌肉4的两端。

如图2所示，机架7包括下板71和上板73，所述的下板71和上板73均水平设置，所述的下板71和上板73之间通过若干根竖直设置的支柱72支撑连接。

所述的动力输出组件5设置在上板73的下表面，所述的动力输出组件5与绳索驱动弹性肌肉4的数量一一对应。

本实施例中，仿生上颌1与上板73固定，动力输出组件5设置在上板73的下表面，该结构确定了绳索驱动弹性肌肉4的受力牵引方向。

如图3所示，动力输出组件5包括电机8，所述的电机8的输出轴通过联轴器10与轴11 传动连接，所述的轴11的两端通过轴承12与轴支座14实现固定安装，所述的轴11上固定安装有滚筒13，所述的滚筒13与轴11同步转动，所述的滚筒13与绳索6一端固定连接，所述的绳索6穿过转向滑轮装置15，所述的转向滑轮装置15用于对绳索6的延伸方向实现导向。

所述的转向滑轮装置15包括转动环25和轴杆26，所述的转动环25固定安装在轴支座 14上，所述的轴杆26两端固定安装在转动环25内径中，所述的轴杆26上固定安装有导轮27，所述的转动环25能够相对轴支座14在转动环25所在平面内自由转动，所述的轴杆26 沿转动环25径向设置，所述的轴杆26能够围绕轴杆26的中心轴相对转动环25自由转动，所述的导轮27与轴杆26同步转动。

所述的电机8固定安装在电机支座9内，所述的电机支座9固定安装在上板73的下表面。

本实施例中，电机8可采用现有技术中已有的步进电机，可通过程序控制电机8输出轴的转动速度和转动方向，进而控制绳索6的拉伸方向以及运动速度，转向滑轮装置15结构内的转动环25安装在轴支座14上的卡槽内，并可在卡槽的限位下在其所在平面内自由转动，此时，可以根据与绳索驱动弹性肌肉4的相对位置自动调整绳索6的角度，极大的降低了绳索6的磨损速度。

如图5所示，绳索驱动弹性肌肉4包括弹簧17，所述的弹簧17的两端分别与下固定器 18和上固定器19固定连接，所述的下固定器18与仿生下颌2固定连接，所述的上固定器19 与仿生上颌1固定连接，绳索6的两端中远离滚筒13的一端依次穿过上固定器19和弹簧17 与下固定器18固定连接。

所述的弹簧17处于压缩状态，所述的弹簧17处于不受力状态的长度和中径的比值小于等于5.3。

本实施例中，绳索驱动弹性肌肉4的安装位置根据人体解剖学的咬肌和颞肌位置对称安装，其自由度为四，属于欠驱动安装。弹簧17处于不受力状态的长度和中径的比值小于等于5.3，保证了弹簧17在绳索的拉动过程中不会出现弯曲的状态。

进一步的，由于动力输出组件5设置在上板73的下表面，牵引力对绳索驱动弹性肌肉4 的施力方向倾斜向上，因此，弹簧17持续处于压缩状态，当绳索拉动时，进一步克服弹簧 17的弹力，实现仿生下颌2的闭合运动，当绳索延伸时，在弹簧17弹力的作用下，能够实现仿生下颌2的张开。

如图6、图7和图8所示，仿生关节3包括设置在仿生下颌2上的仿生下颌髁状突28以及设置在仿生上颌1上的仿生颞骨下颌关节窝29，所述的仿生下颌髁状突28和仿生颞骨下颌关节窝29通过四组双胡克铰装置实现连接，所述的仿生颞骨下颌关节窝29为半球形空心球壳，所述的双胡克铰装置包括连接杆21，所述的连接杆21一端固定安装有万向十字轴20，另一端通过复位弹簧24与旋转球22外表面固定连接，所述的旋转球22嵌套在连接杆21上，连接杆21的中心轴穿过旋转球22的球心，所述的连接杆21沿复位弹簧24轴向穿过复位弹簧24，所述的旋转球22外侧设置有环形的旋转环23，所述的旋转环23内壁通过转轴与旋转球22连接，旋转球22能够与旋转环23以转轴中心轴为旋转中心发生相对转动，所述的旋转环23所在平面与连接杆21的中心轴垂直，所述的旋转环23的中心与旋转球22的球心重合；

所述的仿生下颌髁状突28表面设置有四组通孔，连接杆21设置有万向十字轴20的一端穿过通孔伸入仿生下颌髁状突28内部，所述的万向十字轴20的长轴两端通过轴承固定安装在仿生下颌髁状突28内部，连接杆21另一端向外延伸穿过仿生颞骨下颌关节窝29表面的通孔，所述的旋转环23嵌入仿生颞骨下颌关节窝29表面，旋转环23外侧壁通过转轴与仿生颞骨下颌关节窝29表面通孔的内侧壁连接，旋转环23能够与仿生颞骨下颌关节窝29相对转动。

所述的仿生上颌1和仿生下颌2处于相对闭合的状态时，四组连接杆21安装有万向十字轴20的一端沿轴向延伸汇聚在一个焦点，四组连接杆21远离万向十字轴20的一端围成一个正方形平面，所述的焦点距离正方形平面中心的距离为正方形边长的一半。

本实施例中，该种仿生关节为仿生下颌2的转动提供了支撑。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构，包括仿生上颌（1）、仿生下颌（2），所述的仿生下颌（2）通过设置在两侧的仿生关节（3）与仿生上颌（1）连接，所述的仿生关节（3）用于仿真下颌髁状突，所述的仿生上颌（1）固定安装在机架（7）上，其特征是：所述的仿生上颌（1）和仿生下颌（2）的两侧均分别通过两组绳索驱动弹性肌肉（4）相互连接，任一单一侧设置的两根绳索驱动弹性肌肉（4）分别用于仿真咬肌和颞肌，每根绳索驱动弹性肌肉（4）均与动力输出组件（5）通过绳索（6）传动连接，所述的动力输出组件（5）用于通过控制绳索（6）的拉伸进一步控制绳索驱动弹性肌肉（4）的伸缩。

2.根据权利要求1所述的一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构，其特征在于：所述的机架（7）包括下板（71）和上板（73），所述的下板（71）和上板（73）均水平设置，所述的下板（71）和上板（73）之间通过若干根竖直设置的支柱（72）支撑连接。

3.根据权利要求2所述的一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构，其特征在于：所述的动力输出组件（5）设置在上板（73）的下表面，所述的动力输出组件（5）与绳索驱动弹性肌肉（4）的数量一一对应。

4.根据权利要求3所述的一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构，其特征在于：所述的动力输出组件（5）包括电机（8），所述的电机（8）的输出轴通过联轴器（10）与轴（11）传动连接，所述的轴（11）的两端通过轴承（12）与轴支座（14）实现固定安装，所述的轴（11）上固定安装有滚筒（13），所述的滚筒（13）与轴（11）同步转动，所述的滚筒（13）与绳索（6）一端固定连接，所述的绳索（6）穿过转向滑轮装置（15），所述的转向滑轮装置（15）用于对绳索（6）的延伸方向实现导向。

5.根据权利要求4所述的一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构，其特征在于：所述的转向滑轮装置（15）包括转动环（25）和轴杆（26），所述的转动环（25）固定安装在轴支座（14）上，所述的轴杆（26）两端固定安装在转动环（25）内径中，所述的轴杆（26）上固定安装有导轮（27），所述的转动环（25）能够相对轴支座（14）在转动环（25）所在平面内自由转动，所述的轴杆（26）沿转动环（25）径向设置，所述的轴杆（26）能够围绕轴杆（26）的中心轴相对转动环（25）自由转动，所述的导轮（27）与轴杆（26）同步转动。

6.根据权利要求4所述的一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构，其特征在于：所述的电机（8）固定安装在电机支座（9）内，所述的电机支座（9）固定安装在上板（73）的下表面。

7.根据权利要求4所述的一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构，其特征在于：所述的绳索驱动弹性肌肉（4）包括弹簧（17），所述的弹簧（17）的两端分别与下固定器（18）和上固定器（19）固定连接，所述的下固定器（18）与仿生下颌（2）固定连接，所述的上固定器（19）与仿生上颌（1）固定连接，绳索（6）的两端中远离滚筒（13）的一端依次穿过上固定器（19）和弹簧（17）与下固定器（18）固定连接。

8.根据权利要求7所述的一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构，其特征在于：所述的弹簧（17）处于压缩状态，所述的弹簧（17）处于不受力状态的长度和中径的比值小于等于5.3。

9.根据权利要求4所述的一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构，其特征在于：所述的仿生关节（3）包括设置在仿生下颌（2）上的仿生下颌髁状突（28）以及设置在仿生上颌（1）上的仿生颞骨下颌关节窝（29），所述的仿生下颌髁状突（28）和仿生颞骨下颌关节窝（29）通过四组双胡克铰装置实现连接，所述的仿生颞骨下颌关节窝（29）为半球形空心球壳，所述的双胡克铰装置包括连接杆（21），所述的连接杆（21）一端固定安装有万向十字轴（20），另一端通过复位弹簧（24）与旋转球（22）外表面固定连接，所述的旋转球（22）嵌套在连接杆（21）上，连接杆（21）的中心轴穿过旋转球（22）的球心，所述的连接杆（21）沿复位弹簧（24）轴向穿过复位弹簧（24），所述的旋转球（22）外侧设置有环形的旋转环（23），所述的旋转环（23）内壁通过转轴与旋转球（22）连接，旋转球（22）能够与旋转环（23）以转轴中心轴为旋转中心发生相对转动，所述的旋转环（23）所在平面与连接杆（21）的中心轴垂直，所述的旋转环（23）的中心与旋转球（22）的球心重合；

所述的仿生下颌髁状突（28）表面设置有四组通孔，连接杆（21）设置有万向十字轴（20）的一端穿过通孔伸入仿生下颌髁状突（28）内部，所述的万向十字轴（20）的长轴两端通过轴承固定安装在仿生下颌髁状突（28）内部，连接杆（21）另一端向外延伸穿过仿生颞骨下颌关节窝（29）表面的通孔，所述的旋转环（23）嵌入仿生颞骨下颌关节窝（29）表面，旋转环（23）外侧壁通过转轴与仿生颞骨下颌关节窝（29）表面通孔的内侧壁连接，旋转环（23）能够与仿生颞骨下颌关节窝（29）相对转动。

10.根据权利要求9所述的一种绳索驱动的四自由度咀嚼机构，其特征在于：所述的仿生上颌（1）和仿生下颌（2）处于相对闭合的状态时，四组连接杆（21）安装有万向十字轴（20）的一端沿轴向延伸汇聚在一个焦点，四组连接杆（21）远离万向十字轴（20）的一端围成一个正方形平面，所述的焦点距离正方形平面中心的距离为正方形边长的一半。

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