JP3766499B2

JP3766499B2 - Jaw movement device

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Publication number: JP3766499B2
Application number: JP03403397A
Authority: JP
Inventors: 西淳夫高; 英明 ▲高▼信; 野晃久沖
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 1997-02-18
Filing date: 1997-02-18
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2017-02-18
Also published as: JPH10232601A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、顎運動装置に係り、特に、顎部の開閉運動、前後左右運動又はこれらの組合せ運動等の顎運動を行う顎運動ロボットに関する。本発明の顎運動装置は、例えば、生態を模擬した冗長自由度を持つ筋・骨格系についての咀嚼運動等の運動解析、運動再現の研究開発、運動トレーニング、運動補助等に適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、人の顎運動の再現を目的として、いくつかの実験装置の開発が報告されている（例えば、T.Messerman," A means for studying mandibular movements", J. Pros. Dent, Janurary, 1967, Volume 17, Number 1 、C. H. Gibbs, et al."Functional movements of the mandible" J. Pros. Dent. Vol.26. No.6.Dec. 1971,等参照）。これは、人の顎運動の位置及び姿勢データを電気的信号として記録し、それを６個のサーボモータを用いた６自由度の動作で再現する装置である。この装置では、アクチュエータの配置及び駆動方法は、顎モデルの運動について着目しているため、生態の筋・骨格系とは全く異なっている。
【０００３】
また、従来から、様々な顎モデルの咬合状態を研究する咬合器が使われている。これは、顎運動を口腔外において再現するものであるが、その操作は手動で行なわれ、自動制御されるものはない。
【０００４】
さらに、顎関節部に作用する力を推定することを目的とした顎関節負荷モデル、ロボット化したシミュレータを目標とする自律顎運動ロボット、また、線形計画法を利用した顎関節力の軽減を目的とした咀嚼ロボット等が報告されている（例えば、D.C.Hather et al."Development of mechanical and mathematic models to study temporomandibular joint loading" J.Prosthetic Dent.Vol55,No.3,1986 、青木他「自律顎運動ロボットの顎体と咬合力センサの試作」、信学技報MBE93-75,1993 、高西、高信、加藤「咀嚼ロボットの開発」日本咀嚼学会雑誌ｖｏｌ．２、Ｎｏ．１（１９９２）ＰＰ．７１−７７等参照）。
【０００５】
また、従来、顎運動の測定装置としては、上顎と下顎にフレームを固定し、６個乃至８個の変位及び角度を検出するセンサにより顎運動を測定していた。そして、上顎が固定された顎運動ロボットにおいても上顎と下顎の両方にフレームを取り付ける必要があり、装着が難しかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来においては、実際の生体を模擬した顎運動装置は、装置規模、動作性能、汎用性、操作性及び外観等において、実用に乏しいものであった。そこで、本発明においては、以下のような課題を解決する実用的な顎運動装置を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明では、顎モデルとアクチュエータとを分離して、筋の両付着点を結ぶ直線上からアイドルプーリ等を採用して駆動部に導くようにすることにより、顎モデルの状態が見やすく、観察、保守点検、調整作業が容易とすることを目的とする。
【０００８】
また、本発明において、顎モデルは、結合部によりアクチュエータ及び全体フレームと分離結合可能とし、顎モデルの比較実験、観察等のために交換を簡単とし、また、顎モデルを、小形化及び軽量化することを目的とする。
【０００９】
また、本発明においては、アクチュエータを、各筋モデル部に対して同一構成とすることにより、安価とし、小形化、軽量化することを目的とする。また、アクチュエータをフレームにビルディングブロック形式で集中搭載することにより、模擬筋束（筋モデル部）の配置や個数等の変更が容易とし、さらに、アクチュエータの保守点検、追加削除等が容易とすることを目的とする。
【００１０】
本発明においては、アイドルプーリは、顎モデルと一体の連結フレームに取りつけることにより、顎モデルを調整された一体のものとして扱い、顎モデルの交換後の調整を容易とすることを目的とする。
【００１１】
さらに、本発明においては、非線形粘弾性部を、アクチュエータの直線移動部に受動的に滑動可能な状態で取りつけることにより、生体の筋束を適切に模擬し、安定した動作とし、さらに運動を観察・解析する場合の障害とならないようにすることを目的とする。
【００１２】
また、本発明の顎運動装置を、顎運動トレーニング又は顎運動測定装置との関連動作に適用すること等、様々な応用を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の解決手段によると、上顎部、下顎部、顎関節部、及び取付け及び取外し可能な支持部を有する顎モデル手段と、生体の下顎を運動させるための複数の筋束をそれぞれ模擬し、前記顎モデル手段の前記下顎部を運動させる筋モデル部と、分離結合部とをそれぞれ有する複数の運動伝達手段と、各々の前記運動伝達手段が前記分離結合部により分離可能に取り付けられ、前記筋モデル部を非線形粘弾性特性に従いそれぞれ駆動する複数の駆動手段と、前記顎モデル手段が前記支持部により分離可能に取り付けられ、前記駆動手段を収容する収容手段と、複数の前記駆動手段を制御する制御手段とを備えた顎運動装置を提供する。
【００１４】
また、本発明の第２の解決手段によると、一端を前記上顎部及び前記下顎部に固定し、他端をトレーニング者の上顎及び下顎に固定することにより、前記顎モデル手段の運動を前記トレーニング者に伝達するインタフェース手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００１５】
さらに、本発明の第３の解決手段によると、前記顎モデル手段又は被測定者の顎運動を検出するために前記上顎部又は前記下顎部又はこれら近傍に検出点が固定され、複数方向に対して前記検出点の位置移動量をそれぞれ検出する複数の検出部と、複数の前記検出部の検出結果を演算して、２次元又は３次元的な顎運動及び／又は顎位置を演算する演算部とを含む顎運動センサをさらに備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、前記運動伝達手段は、左右一対の咬筋、側頭筋、外側翼突筋、及び／又は、ひとつの開口筋をそれぞれ模擬して、これら筋の付着点間で弛緩又は収縮動作を行う咬筋モデル部、側頭筋モデル部、外側翼突筋モデル部、及び／又は、開口筋モデル部を備えたことを特徴とする。
【００１７】
さらに、前記運動伝達手段は、プーリ及びワイヤ、蛇管、ピストン及びシリンダ、又はロットにより構成され、前記結合手段に略垂直に設けられた複数の軸を備え、それぞれの前記軸の先端両側に前記固定端を設けるようにしたこと特徴とする。
【００１８】
また、前記駆動手段は、前記制御装置の命令により横方向に移動するリニア駆動部を備え、前記リニア駆動部により前記弾性手段の一端を移動させることにより、前記運動伝達手段に移動運動を伝達することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下順に、１．顎運動ロボットのハードウェア構成、２．各種センサ、３．駆動制御系の構成、４．顎運動ロボットの制御ソフトウェア、５．顎運動ロボットの応用例、について詳細に説明する。
１．顎運動ロボットのハードウェア構成
図１に、本発明による顎運動ロボットの側面構成図を示す。また、図２に、本発明による顎運動ロボットの上面構成図を示す。
本発明の顎運動ロボットは、顎モデル部１０、結合部２０、運動伝達部３０、弾性部４０、駆動部５０、収容部６０、制御部７０等を含む。
【００２０】
顎モデル部１０は、上顎部１１、下顎部１２、顎関節部１３、頭蓋骨１４を備える。顎関節部１３により、下顎部１２が上顎部１１対して、開口、前後及び左右移動、すりつぶし運動等の多種の運動が可能なように構成されている。頭蓋骨１４は、ここでは、頭蓋骨上部と下部とが分割式になっている形状のモデルの例を示しているが、外観形状はどのようなものでもよいし、また、具備されていなくても良い。
【００２１】
ここで、図３に、顎関節部１３の構成図の一例を示す。
このような顎関節機構では、下顎の回転中心に回転中心軸１３５があり、そこに作業側球１３８及び平衡側球１３９が回転できるように貫通して取り付けられている。作業側球１３８は、回転のみ可能で軸方向は拘束されており、一方、平衡側球１３９は、回転及び軸方向の移動の両方が可能であるように構成される。
【００２２】
下顎部１２が開閉口動作をする場合は、作業側球１３８及び平衡側球１３９が回転中心軸１３５に対して回転する。前後方向（Ｘ方向）に併進する場合は、２つの球１３８及び１３９が、回転しながら作業側軸受１３６及び平衡側軸受１３７の溝をそれぞれ移動する。
【００２３】
また、切歯（下顎部１２先端部の前歯）点が左右に動く動作をする場合は、上下軸（Ｚ軸）回りの回転運動となる。
【００２４】
また、左右方向（Ｙ方向）の回転を伴わない併進方向の力が発生した場合は、作業側球１３８が回転中心軸１３５に対して拘束されているため、動くことはなく、作業側軸受１３６で支持される。開口筋以外の筋に対応するワイヤ３１−１〜４は下顎部１２を上へ引き上げる方向に張力を発生させるため、軸受にも下方から力がかかる。その反力を受けるために、軸受１３６及び１３７は、図示のように、溝を下向きにした形で上顎側のフレームに固定されている。
【００２５】
このような顎関節機構によって、下顎１２は開閉運動の他に前後方向の併進、左右方向の回転（上下方向を中心とした回転）等の様々な運動を行うことができる。
【００２６】
つぎに、結合部２０は、顎モデルフレーム２１、取付部材２２及び軸２３−１〜４を含む。顎モデルフレーム２１の一端は、頭蓋骨１４及び上顎部１１に固定され、頭蓋骨１４の後方に延びている。また、顎モデル部１０は、顎モデルフレーム２１及び取付部材２２により、収容部６０の全体フレーム６１に取りつけられる。このような取付けに用いられる取付部材２２は、例えば、容易に取外し及び結合可能なように、ネジ、ボルト、フック、溝等の周知の手段を備える。また、顎モデルフレーム２１には、４本の軸２３−１〜４が各々垂直に設けられている。なお、これら軸は、必ずしも垂直に設けられていなくてもよい。
【００２７】
収容部６０は、本体フレーム６１、基板６２、支持体６３等を備え、駆動部５０を、例えば、ビルディングブロック形式に搭載する。収容部６０には、搭載可能な駆動部５０の個数は適宜可変とできるように十分な棚が設けられている。さらに、各駆動部５０毎に、アイドルプーリ６４及び位置調整部６５が設けられ、駆動引っ張り方向を、上下左右に調整できる。また、アイドルプーリ６４は、ひとつの駆動部５０に対して複数設けて、上側又は下側のいずれからでも引っ張ることができるようにしたり、角度を変えて構成しても良い。
【００２８】
制御部７０は、ＣＰＵ部７１、伝送部７２及び入出力部７３等を備える。入出力部７３の操作又はＣＰＵ部７１の自動制御により、各駆動部５０に所定の駆動命令等を伝送して顎運動ロボットの動作を制御する。
【００２９】
つぎに、本発明に係る顎運動ロボットにおける、運動伝達部３０、弾性部４０及び駆動部５０に係る構成を詳細に説明する。運動伝達部３０は、生体を模擬した複数の各筋モデル部を含む。また、各筋モデル部の弛緩又は収縮動作を行うアクチュエータが、主に弾性部４０及び駆動部５０により構成される。
【００３０】
運動伝達部３０は、ワイヤ３１−１〜５、張力センサ３２、連結部材３３、移動端３４−１〜５、固定端３５−１〜５等を備える。ワイヤ３１−１〜５は、顎モデル部１０とアクチュエータ（弾性部４０及び駆動部５０等）とを接続するものであり、ミニチュアワイヤー等で構成される。各ワイヤ３１−１〜５には、分離及び結合できるように、途中に連結部材３３が設けられ、また、必要に応じて、ワイヤの途中には張力センサ３２が取りつけられる。張力センサ３２は、駆動部４０側又は顎モデル部１０側の適宜の場所に備えることができる。
【００３１】
また、ワイヤ３１−１〜５には、一端が下顎部１２に結合されて移動端３４−１〜５を構成し、その張力方向を調節するための固定端３５−１〜５が設けられている。移動端３４−１〜５は、下顎部１２の生体を模擬した適宜の位置に接続される。固定端は、結合部２０の軸２３−１〜４のそれぞれの先端に、１対のアイドルプーリ３５−１〜４が設けることにより構成される。また、収容部６０の基板６２にもアイドルプーリ３５−５が設けられている。各アイドルプーリ３５−１〜５は、ワイヤ３１−１〜５の張力方向を考慮して、垂直及び／又は平面方向に適宜角度をつけて取り付けられている。
【００３２】
本発明の顎運動ロボットにおいては、９本の筋に相当するワイヤ３１−１〜５により、下顎の位置及び運動等を制御している。すなわち、咬筋に相当する一対のワイヤ３１−１、側頭筋前部筋束に相当する左右一対のワイヤ３１−２、側頭筋後部筋束に相当する左右一対のワイヤ３１−３、外側翼突筋に相当する左右一対のワイヤ３１−４と、開口筋（開口筋群）に相当する一本のワイヤ３１−５という、合計９本のワイヤが筋束を模擬する手段である。主に、各ワイヤ３１−１〜５の移動端３４−１〜５と固定端３５−１〜５の間が、各筋モデル部に相当し、弛緩又は収縮動作を行う。
【００３３】
これらの中で、歯列にかかる咬合力の位置（切歯側、臼歯側等）を制御しない場合には側頭筋前部筋束ワイヤ３１−２と側頭筋後部筋束ワイヤ３１−３をまとめることは可能である。また、顎の前後、左右の動きを省略すれば、外側翼突筋ワイヤ３１−４を省くことも可能である。また、開口時の動作あるいは顎運動の剛性に注目しなければ、開口筋ワイヤ３１−５に対するアクチュエータを省略して、バネによる張力で置きかえることも可能である。その他、必要に応じて、所望のワイヤを適宜付加又は省略することができる。
【００３４】
また、ここでは、移動端３４−１〜５及び固定端３５−１〜５による筋肉を模擬した構成は、ワイヤとアイドルプーリにより構成されているが、この他にも、油圧、空圧、水圧等のピストン及びシリンダによる構成、蛇管又はロットによる構成、又はリニアモータによる構成等に適宜置換することができる。アイドルプーリによる構成では、顎モデル部１０の外側に固定端が突出してしまうが、これらの構成を採用することにより、外側に突出しなくでも所定方向に張力を加えることが可能である。
【００３５】
このように、下顎部１２は、ワイヤ３１−１〜５により顎モデル部１０の後方に設けられたアクチュエータユニットに接続されており、上顎部１２との間で、回転、併進等の多種の運動が可能となる。
【００３６】
つぎに、図４に、弾性部４０の説明図を示す。図４（ａ）に示すように、弾性部４０は、各ワイヤ３１毎に設けられ、非線形特性及び粘弾性特性を備える。これにより、生体の筋肉収縮を模擬することができる。
【００３７】
弾性部４０の、非線形粘弾性機構は、粘性抵抗トルクを発生するダンパ４３と、ねじりコイルバネ４２と駆動回転軸４５を回転中心として回転する１対のレバー４１等で構成される。また、１対のレバー４１は、回動可能なヒンジで一端が連結され駆動回転軸４５を構成し、他端にはワイヤ３１が取りつけられている。レバー４１は、ねじりコイルバネ４２で一定の角度に広げられている。
【００３８】
図４（ｂ）に、伸び方向変位に対する張力の関係を示す特性図を示す。このような非線形粘弾性機構において、ワイヤ３１と駆動回転軸４５との間を引き伸す方向に張力がかかると、伸びれば伸びるほどレバー間の角度θが小さくなり、張力が大きく（剛性が高く）なる。この例では、角度θが約１８０°のときバネ効果最大となり、角度θがほぼ０になるとバネとしての作用がなくなる（バネ効果なし）。
【００３９】
このように、１対のレバー４１はダンパー４３で結合され、バネと下顎によって形成されるバネ・質点系の振動を防ぎ、より生体に近い特性を得る。なお、実際のロボットにおいては、ダンパーはレバー間の回転角速度に比例して減衰力を発生するロータリーダンパーを使用すると良い。また、コイルバネ４２又はダンパ４３のいずれか一方のみを備えることにより、非線形特性又は粘弾性特性のいずれか一方を具備するようにしても良い。
【００４０】
つぎに、図５に、アクチュエータの機構構成図を示す。
ここで、顎モデル部１０からのワイヤ３１は、連結部３３及び張力センサ３２が取りつけられ、本体フレーム側のアイドルプーリ６４を介して弾性部４０に接続される。弾性部４０のダンパ４３の具体的部材としては、ここではロータリーダンパを採用している。弾性部４０の駆動軸４５は、さらに駆動部５０に接続される。また、駆動部５０は、複数個が収容部６０の全体フレーム６１の上に並べられている。以下の例では９個の駆動部５０により、９本のワイヤ３１−１〜５を駆動することにより、顎モデル部１０を運動制御する構成としているが、ワイヤ数を減らすこと、又はアクチュエータの代りにバネ等で張力をかけておくことも可能である。
【００４１】
図５（ａ）において、駆動部５０は、リニア運動機構を実現し、サーボモータ５１により直線的に駆動される。すなわち、駆動部５０では、制御用計算機の指令によってサーボモータ５１が位置制御で駆動され、減速機５２を介してタイミングベルトプーリ５３が回転され、タイミングベルト５４に固定された非線形粘弾性特性を有する弾性部４０を直線的に駆動する。リニア運動機構としては、タイミングベルト５４に固定されたリニアブシュ５５が、リニアシャフト５６によってガイドされ、ワイヤ３１の張力によって発生するモーメントが支持されている。
図５（ｂ）に、駆動機構の他の構成図を示す。
図５（ｂ）において、非線形粘弾性部４０は図５（ａ）と同様であるが、リニア機構部としては、非線形粘弾性部４０の取り付け板である基板部５７、ネジ部５８及びシャフト部５９等により構成したものである。
【００４２】
２．各種センサ
図６に、張力センサ及び歯根咬合力センサの構成図の一例を示す。
まず、図６（ａ）に、各ワイヤーに取りつけられた張力センサ３２の構成図の一例を示す。
張力センサ３２は、ワイヤ３１に設けられたもので、張力によって曲げ歪を発生させる金属板６１と、その金属板６１に貼られた歪ゲージ６２を備えることにより、ワイヤ３１の張力を測定するものである。
【００４３】
また、図６（ｂ）に、歯にかかる咬合力を測定する歯根咬合力センサの断面図の一例を示す。
歯根咬合力センサは、例えば、上顎部１１又は下顎部１２の歯根位置に適宜設けることができる。このセンサは、小型の圧力センサ６８を使用して、これを顎モデル部１０の上顎部１１又は下顎部１２の骨にあたる部分６６に、例えば、圧力を検出する部位を上にして固定する。ここに硬化すると接着作用のある硬度の低いゴム状材料６７等を充填して、歯のモデル６５を、これらセンサ６８及びゴム状材料６７に合わせて、上顎部１１又は下顎部１２の骨の部分４６の外部に適当な高さに突出するように加工・接着する。また、歯ぐきと同様の形状をしている接着作用のないゴム状材料を充填することにより、入れ歯・差し歯等の挿入及び抜出を可能とすることができる。
【００４４】
このようにして、歯に加わった力は、微小な変異は粘性に近い挙動をする低硬度のゴム６７によって圧力センサ６８に伝えられ、圧力として検出することができる。
【００４５】
つぎに、図７に、顎関節１３にかかる力を測定するための顎関節力センサの構成図を示す。
これは、図３に示した顎関節の構成図において、軸受１３６又は１３７自体がセンサとなっているものである。
【００４６】
図７（ａ）は、作業側軸受１３６にセンサを設けたものである。作業側軸受１３６では、顎によるＺ方向の咬合力と、回転軸の軸方向に拘束された球のＹ方向の力を検出する構造となっている。
【００４７】
Ｚ方向の外力は取付金具７４と軸受金具７０によってはさまれた歪発生板７１が外力で曲げられることによって、歪発生板７１に貼られた歪ゲージ７３が歪を検出するものである。歪発生板７１は中央部を取付金具７４によって支えられ、両端を軸受金具７０によって押さえられるので、曲げ歪が発生する。また、Ｙ方向の外力は、軸受金具７０を歪が発生し易い形状にし、歪ゲージ７５を貼ることによって測定する。
【００４８】
図７（ｂ）は、平衡側軸受１３７にセンサを設けたものである。平衡側では、Ｚ方向のみの測定のため、作業側軸受１３６からＹ方向の力測定部の構成部を除いた形状であり、軸受金具７６の形状が図示のようになっている。Ｚ方向の外力は、歪み発生板７７に貼られた歪ゲージ７８で測定する。
【００４９】
３．駆動制御系の構成
図８に、本発明の顎運動ロボットの駆動制御系の構成図を示す。
アクチュエータ回路８０１−１〜ｎは、駆動部５０に対応し、顎モデル部１０を制御するための各模擬筋モデル数に対応した所定個数（ｎ個）設けられる。なお、予備として多めに設けておいても良い。制御部７０の制御用コンピュータ８０５は、所望のアクチュエータ回路８０１−１〜ｎに対して、インタフェース部８０４を介して命令を送信する。各アクチュエータ回路８０１−１〜ｎは、自己の命令の場合、インタフェース回路８１５を介してその命令を受信し、サーボドライバ８１１によりサーボモータ８１２を制御する。エンコーダ８１３は、その各筋モデル又はアクチュエータ等の位置（角度）等を検出してコード化し、サーボドライバ８１１に出力する。サーボドライバ８１１及びカウンタ８１４、インタフェース回路８１５を介して位置（角度）等の検出データを制御部７０にフィードバックする。制御部７０では、インタフェース部８０４を介して制御用コンピュータ８０５でその検出データを受信する。
【００５０】
また、各ワイヤーに設けられている張力センサ８０２−１〜ｎの値も、インタフェース部８０４を介して制御用コンピュータ８０５に伝送される。また、検出部８０３は、関節力センサ８３１、歯根咬合力センサ８３２等の各種センサを含み、これらの検出値はインタフェース部８０４を介して制御用コンピュータ８０５に伝送される。
さらに、操作スイッチ８０６は、コンピュータプログラムの制御のためのキーボード、マウス等の他に、手元のスイッチによる操作を行なうための入力機能等を備えている。操作スイッチ８０６による操作命令等もインタフェース部８０４を介して制御用コンピュータ８０５に伝送される。
【００５１】
このような制御系の構成により、制御用コンピュータ８０５は、各アクチュエータ回路８０１−１〜ｎのサーボドライバ８１１の出力、張力センサ８０２−１〜ｎ、検出部８０３の出力、及び操作スイッチ８０６の操作出力等の値により、適宜アクチュエータ回路８０１−１〜ｎのサーボモータ８１２等を制御する。
【００５２】
４．顎運動ロボットの制御ソフトウェア
つぎに、本発明の顎運動ロボットの制御動作について述べる。
以下の説明において、図１又は図２に示した構成との関係については、咬筋アクチュエータはワイヤ３１−１、弾性部４０−１及び駆動部５０−１等に係る構成に対応し、それぞれの構成が左右一対設けられている。同様に、側頭筋前部筋束アクチュエータ、側頭筋後部筋束アクチュエータ及び外側翼突筋アクチュエータは、それぞれ、添え字「−２」、「−３」及「−４」の各ワイヤ３１、弾性部４０及び駆動部５０等に係る構成に対応し、それぞれの構成が左右一対設けられている。また、開口筋アクチュエータは、ワイヤ３１−５、弾性部４０−５及び駆動部５０−５等に係る構成に対応し、ひとつ設けられている。
【００５３】
側頭筋前部筋束アクチュエータ及び咬筋アクチュエータは、下顎部１２を前方外側上方向に張力が作用するように配置される。一方、開口筋アクチュエータは、下顎部１２を後方下方向に張力が作用するように配置される。
【００５４】
また、図９に、下顎部と各アクチュエータに関する動作の説明図を示す。
咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒ及び側頭筋前部筋束アクチュエータ９４Ｌ，９４Ｒ及び側頭筋後部筋束アクチュエータ９１Ｌ、９１Ｒ及び外側翼突筋アクチュエータ９２Ｌ、９２Ｒは、下顎部１２の所定箇所に対して、左右にそれぞれ一対設けられる。また、開口筋アクチュエータ９６は、下顎部１２の所定箇所に一個設けられる。側頭筋後部筋束アクチュエータ９１Ｌ、９１Ｒは、下顎部１２を後方上方向に張力が働くようになっており、一方、外側翼突筋アクチュエータ９２Ｌ、９２Ｒは、下顎部１２の前方内側下方向に張力が働くようになっている。
【００５５】
これら各アクチュエータの張力の組合せにより、下顎部１２の左右、上下及び前後運動等が実行される。また、咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒと側頭筋前部筋束アクチュータ９４Ｌ，９４Ｒは、下顎部１２を回転中心軸９３を中心に上方へ引き上げる方向に張力が働くようになっており、一方、開口筋アクチュエータ９６は、その反対に下顎部１２を下方へ引き下げる方向に張力が働くようになっている。これらの各アクチュエータの張力の組合せにより、下顎部１２は開閉口運動、前後移動運動、左右への運動等や、これらの組合せ運動など様々な運動を実現することが出来る。
（１）基本的な顎運動の制御動作
顎運動ロボットの顎部分の運動は、主に、３つの基本運動を含む。すなわち、１）開閉口運動、２）前後移動運動、３）左右へのすりつぶし運動から構成される。また、これら３つの基本運動を適宜組み合わせることにより、任意の顎運動を行うことができる。以下、図９を参照して、各基本運動の詳細を述べる。
１）開閉口運動
顎運動ロボットによる開閉口運動は、主に咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒと開口筋アクチュエータ９６との拮抗駆動により実行される。すなわち、開口時は、咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒを弛緩させ、開口筋アクチュエータ９６を収縮させる。一方、閉口時は、逆に、咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒを収縮させ、開口筋アクチュエータ９６を弛緩させる。ここで、咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒと同期・連動して、側頭筋前部筋束アクチュエータ９４Ｌ，９４Ｒを収縮・弛緩することもできる。
【００５６】
図１０に、開閉口運動の基本的なフローチャートを示す。
まず、プログラムがスタートされると、目標開口角を生成する（Ｓ００１）。次に、この目標開口角に応じて、咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒ及び開口筋アクチュエータ９６の目標位置を算出する（Ｓ００３）。算出された値に基づいて、咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒの位置制御及び開口筋アクチュエータ９６の位置制御・力制御を行う（Ｓ００５、Ｓ００７）。この際、咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒと連動して、側頭筋前部筋束アクチュエータ９４Ｌ，９４Ｒの目標算出及び位置制御・力制御を行うこともできる。これら複数のアクチュエータの制御、又は、目標値の算出と制御とは、同時に実行するようにしても良い。これら制御を目標位置になるまで繰り返し、目標位置に達したら（Ｓ００９）、終了する。
２）前後移動運動
顎運動ロボットによる前後移動運動は、主に、左右の側頭筋後部筋束アクチュエータ９１Ｌ，９１Ｒと外側翼突筋アクチュエータ９２Ｌ，９２Ｒとの拮抗駆動により実行される。すなわち、前方向移動時は、側頭筋後部筋束アクチュエータ９１Ｌ，９１Ｒを弛緩させ、外側翼突筋アクチュエータ９２Ｌ，９２Ｒを収縮させる。一方、後方向移動時は、逆に、側頭筋後部筋束アクチュエータ９１Ｌ，９１Ｒを収縮させ、外側翼突筋アクチュエータ９２Ｌ，９２Ｒを弛緩させる。
図１１に、前後移動運動の基本的なフローチャートを示す。
まず、プログラムがスタートされると、目標前後位置を生成する（Ｓ１０１）。次に、この目標前後位置に応じて、側頭筋後部筋束アクチュエータ及び外側翼突筋アクチュエータの目標位置を算出する（Ｓ１０３）。算出された値に基づいて、これらアクチュエータの位置制御を行う（Ｓ１０５、Ｓ１０７）。これら複数のアクチュエータの制御又は、目標値の算出と制御とは、同時に実行するようにしても良い。目標位置になるまで動作を繰り返し、目標位置に達したら（Ｓ１０９）、終了する。
３）左右へのすりつぶし運動
すりつぶし運動は、前後移動運動時の左右のアクチュエータの位相をずらすことにより実行する。すなわち、左方向へのすりつぶし運動時は、左側の側頭筋後部筋束アクチュエータ９１Ｌを収縮させ、左側の外側翼突筋アクチュエータ９２Ｌを弛緩させると同時に、右側の側頭筋後部筋束アクチュエータ９１Ｒを弛緩させ、右側の外側翼突筋アクチュエータ９２Ｒを収縮させることにより行う。一方、右方向へのすりつぶし運動時は、逆に、右側の側頭筋後部筋束アクチュエータ９１Ｒを収縮させ、右側の外側翼突筋アクチュエータ９２Ｒを弛緩させると同時に、左側の側頭筋後部筋束アクチュエータ９１Ｌを弛緩させ、左側の外側翼突筋アクチュエータ９２Ｌを収縮させることにより行う。
【００５７】
（２）反射運動
咀嚼運動における反射は、開口反射と脱負荷反射とがある。顎運動ロボットにおけるこれらの各反射運動は以下のようになる。
１）開口反射運動
開口反射とは、例えば、閉口運動中に異常に堅い食物を噛みしめた場合、閉口運動を中止して開口動作に移行する反射運動である。顎運動ロボットでは、咬合力センサの出力が、予め設定された閾値を超えた場合、このような開口反射運動を実行する。
２）脱負荷反射運動
脱負荷反射運動とは、例えば、煎餅などを噛むときに、閉口運動中に食物が突然破砕することにより急激な閉口運動が生じた場合、閉口運動を中止する反射運動である。また、その後開口動作に移行することもできる。顎運動ロボットでは、アクチュエータの角速度センサの出力が、予め設定された閾値を超えた場合、このような脱負荷反射運動を実行する。
【００５８】
図１２に、反射運動の動作フローチャートを示す。
まず、プログラムがスタートされると、目標開口角を生成する（Ｓ２０１）。次に、生成された目標開口角に応じて、咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒ（必要に応じて、さらに側頭筋前部筋束アクチュエータ９４Ｌ，９４Ｒ）及び開口筋アクチュエータ９６の目標位置を算出する（Ｓ２０５）。この際、顎運動剛性目標値を設定することもできる。算出された値に基づいて、咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒ（必要に応じて、さらに側頭筋前部筋束アクチュエータ９４Ｌ，９４Ｒ）の位置制御及び開口筋アクチュエータ９６の位置制御・力制御を行う（Ｓ２０７、Ｓ２０９）。なお、これらアクチュエータの制御、又は、目標値の算出と制御とは、同時に実行するようにしても良い。
【００５９】
次に閉口運動中か否かが判断され（Ｓ２１１）、該当しないときは、ステップＳ２０１に戻る。一方、閉口運動中である場合、咬合力センサ出力値と、予め設定された設定値とを比較する（Ｓ２１３）。咬合力センサ出力値が設定値以上の場合、開口反射運動と判断される。一方、咬合力センサ出力値が設定値より小さい場合、さらに、咬筋アクチュエータ速度を他の予め設定された設定値と比較する（Ｓ２１５）。咬筋アクチュエータ速度が設定値以上であれば、脱負荷反射運動と判断される。なお、側頭筋前部筋束アクチュエータ速度に基づいて、又は、両アクチュエータ速度に基づいて、脱負荷反射運動を判定することも可能である。閉口運動でない場合、または反射運動と判断されない場合、目標値になるまでステップＳ２０１に戻り所定の動作を繰り返す（Ｓ２２５）。
【００６０】
ここで、開口反射運動の場合は、まず、目標開口角が生成される（Ｓ２１７）。次に、生成された目標開口角に応じて、咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒ（必要に応じて、さらに側頭筋前部筋束アクチュエータ９４Ｌ，９４Ｒ）及び開口筋アクチュエータ９６の目標位置を算出する（Ｓ２１９）。算出された値に基づいて、咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒ（必要に応じて、さらに側頭筋前部筋束アクチュエータ９４Ｌ，９４Ｒ）の位置制御及び開口筋アクチュエータ９６の制御を行う（Ｓ２２１、Ｓ２２３）。なお、これら複数のアクチュエータの制御、又は、目標値の算出と制御とは、同時に実行するようにしても良い。
【００６１】
一方、脱負荷反射運動の場合は、全てのアクチュエータを停止又は弛緩する（Ｓ２２７）。さらに、その後、前述したように開口運動を実行することもできる。
（３）非線形アクチュエータを用いた顎剛性の調節
ワイヤにより拮抗駆動される顎運動ロボットのアクチュエータは、非線形な特性を有する。そこで同じ下顎の位置と姿勢であっても、拮抗するアクチュエータの特性を変化させることにより、顎の剛性を調節することができる。その際には、例えば、開閉口運動におけるステップＳ００３、前後運動におけるステップＳ１０３、又は反射運動におけるステップＳ２０５又はＳ２１９等の目標位置算出の際に、顎運動剛性目標値を設定することができる。このほかにも適宜の動作フローにおいて設定することができる。
【００６２】
具体的には、剛性を小さくする場合は、図４に示したような弾性部４０の非線形粘弾性機構を調整する。図４（ａ）において、初期状態としてレバー４１の開き角度を大きくすることにより、張力を小さくすることができる。一方、剛性を大きくする場合は、レバー４１の開き角度を小さくすることにより、張力を大きくすることができる。これらの調整は、所望のアクチュエータを適宜選択して、その弾性部４０、駆動部５０等の設定位置を変更することにより可能である。例えば、下顎部１２を所定方向に張力を加えるひとつ又は複数のアクチュエータと、この所定方向と反対方向に張力を加えるひとつ又は複数のアクチュエータとを適宜調整することにより、所望の剛性に調整することができる。
【００６３】
５．顎運動ロボットの応用例
（１）顎運動トレーニング
図１３に、本発明を顎運動トレーニングに応用するための構成図を示す。
下顎シャフト３０１及び上顎シャフト３０２は、それぞれ、顎運動ロボット３１０とトレーニング者３１１との対応する下顎及び上顎の適宜の箇所に固定される。固定方法としては、セメント等の歯科治療的な手段や、顎形状の支持等により、適宜実施しうる。これら下顎及び上顎シャフト３０１及び３０２は、下顎連結部３０３及び上顎連結部３０４により支持されており、下顎連結部３０３と上顎連結部３０４は、軸３０５の周りを回転可能である。下顎シャフト３０１は、下顎連結部３０３とは回転可能であり、また、フランジ３０６等が設けられることにより横方向の滑動はできないように構成される。上顎シャフト３０２は、上顎連結部３０４とは回転可能であり、また、横方向の滑動可能である。このような構造により、下顎シャフト３０１及び上顎シャフト３０２は、平行を保ちながら、これらシャフトの両端で左右、上下、前後及び左右の軸回転等について、同様の運動を行うことができる。
【００６４】
以上のように、このようなインターフェース機構部により、顎運動ロボット３１０と顎運動トレーニング者３１１とを連結すると、インターフェース機構部は、顎運動ロボット３１０の開閉口運動、咀嚼運動等をそのままトレーニング者３１１に連動することができる。これにより、各筋及び歯根等に無理な力を加えることなく、適当な運動トレーニングを実行することができる。
また、本発明は、歯科模型形の上顎部や下顎部に適用することができる。入れ歯、差し歯を適宜挿入及び／又は抜出可能なように構成することにより、運動特性解析等に利用することができる。さらに、言語学的にも応用が可能であり、例えば、発声時の運動動作等についても、適宜プログラムを実行することにより再現することができる。
【００６５】
（２）顎運動測定装置
図１４に、顎運動測定装置の構成図を示す。
検出装置４０２は、３次元的に配置され、ワイヤ４０１等で顎運動ロボット又は被測定者の顎の一部に固定される。固定方法としては、例えば、歯科医療的なセメント、接着剤等による固定方法を採用することができる。配置関係としては、顎の移動度及び必要な解析度等を考慮して、所定の角度を持たせるようにすればよい。検出装置４０２としては、例えば、ワイヤー引き出し式エンコーダ等が用いられ、顎運動によりワイヤーの引き出し及び巻き取り量を求めることができる。
【００６６】
また、各々の検出装置４０２の検出出力は、必要によりカウンタ４０３等により集計等の処理がなされ、演算装置４０４で顎運動が解析される。必要に応じて、中央制御装置へ伝送したり、表示装置４０５に表示したりする。
【００６７】
このような顎運動測定装置を被測定者に適応して運動データを収集し、その運動データに基づいて顎運動ロボットを動作させることにより、被測定者の運動解析、治療への応用等が可能となる。なお、このような顎運動測定装置は、顎運動ロボットと組合わせなくとも、独立に測定装置として機能することもできる。
【００６８】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、顎モデルとアクチュエータとを分離して、筋の両付着点を結ぶ直線上からアイドルプーリ等を採用して駆動部に導くようにしたため、顎モデルの状態が見やすく、観察、保守点検、調整作業が容易となる。
【００６９】
また、顎モデルは、結合部によりアクチュエータ及び全体フレームと分離結合可能であるため、顎モデルの比較実験、観察等のために交換をすることが簡単となり、また、顎モデルを、小形化及び軽量化することができる。
【００７０】
また、アクチュエータを、各筋モデル部に対して同一構成とすることができ、安価となり、小形化、軽量化ができる。そして、アクチュエータをフレームにビルディングブロック形式で集中搭載したため、模擬筋モデル部の配置や個数等の変更が容易である。さらに、アクチュエータの保守点検、追加削除等が容易となる。
【００７１】
また、アイドルプーリは、顎モデルと一体の顎モデルフレームに取りつけられているため、顎モデルは調整された一体のものとして扱われるため、交換後の調整はそれほど要しない。
【００７２】
さらに、非線形粘弾性部は、アクチュエータの直線移動部に受動的に滑動可能な状態で取りつけられているため、生体の筋束を適切に模擬することができ、安定した動作となり、さらに運動を観察・解析する場合の障害となることがない。
【００７３】
本発明における顎運動トレーニング装置は、ハードウェア構成が小さく、安価で、かつ装着が容易であり、適切な顎運動トレーニングを実行することができる。
【００７４】
本発明における顎運動測定装置は、ハードウェア構成が小さく、安価で、かつ、装着が容易で顎運動が制限されにくい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による顎運動ロボットの側面構成図。
【図２】本発明による顎運動ロボットの上面構成図。
【図３】顎関節部１３の構成図の一例。
【図４】弾性部４０の説明図。
【図５】アクチュエータの機構構成図。
【図６】張力センサ及び歯根咬合力センサの構成図。
【図７】顎関節力センサの構成図。
【図８】本発明の顎運動ロボットの駆動制御系の構成図。
【図９】下顎部と各アクチュエータに関する動作の説明図。
【図１０】開閉口運動の基本的なフローチャート。
【図１１】前後移動運動の基本的なフローチャート。
【図１２】反射運動の動作フローチャート。
【図１３】本発明を顎運動トレーニングに応用するための構成図。
【図１４】顎運動測定装置の構成図。
【符号の説明】
１０顎モデル部
２０結合部
３０運動伝達部
４０弾性部
５０駆動部
６０収容部
７０制御部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a jaw movement device, and more particularly, to a jaw movement robot that performs jaw movement such as opening / closing movement of a jaw, front / rear / left / right movement, or a combination movement thereof. The jaw movement apparatus of the present invention can be applied to, for example, kinematic analysis such as masticatory movements for muscular / skeletal systems that simulate ecology, research and development of movement reproduction, exercise training, exercise assistance, etc. .
[0002]
[Prior art]
In the past, several experimental devices have been reported for the purpose of reproducing human jaw movements (eg, T. Messerman, “A means for studying mandibular movements”, J. Pros. Dent, Janurary, 1967, Volume 17, Number 1, CH Gibbs, et al. “Functional movements of the mandible” J. Pros. Dent. Vol. 26. No. 6. Dec. 1971, etc.). This records human jaw movement position and posture data as electrical signals, Pieces Servo motor With 6 degrees of freedom using It is a device to reproduce. In this device, the arrangement and driving method of the actuator pays attention to the movement of the jaw model, so it is completely different from the ecological muscle / skeletal system.
[0003]
Conventionally, an articulator has been used to study the occlusal state of various jaw models. This reproduces the jaw movement outside the oral cavity, but the operation is performed manually, and there is nothing that is automatically controlled.
[0004]
Furthermore, the temporomandibular joint load model aimed at estimating the force acting on the temporomandibular joint, the autonomous temporomandibular robot aiming at a robotized simulator, and the reduction of temporomandibular joint force using linear programming Mastication robots have been reported (for example, DCHather et al. “Development of mechanical and mathematic models to study temporomandibular joint loading” J. Prosthetic Dent. Vol 55, No. 3, 1986, Aoki et al. "Prototype of the jaw body and occlusal force sensor", IEICE Technical Report MBE93-75,1993, Takanishi, Takanobu, Kato "Development of mastication robots" Journal of the Japan Mastication Society vol.2, No.1 (1992) PP. 71-77 etc.).
[0005]
Conventionally, as a device for measuring jaw movement, a frame is fixed to the upper jaw and the lower jaw, and a sensor for detecting 6 to 8 displacements and angles is used. chin I was measuring exercise. And the upper jaw was fixed chin Even in a robot, it was necessary to attach a frame to both the upper jaw and the lower jaw, which was difficult to wear.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, conventionally, jaw movement apparatuses that simulate actual living bodies have been impractical in terms of apparatus scale, operation performance, versatility, operability, appearance, and the like. Accordingly, an object of the present invention is to provide a practical jaw motion device that solves the following problems.
[0007]
In the present invention, by separating the jaw model and the actuator and adopting an idle pulley or the like from the straight line connecting both muscle attachment points, the state of the jaw model is easy to see, observe, The purpose is to facilitate maintenance and adjustment.
[0008]
Further, in the present invention, the jaw model can be separated and connected to the actuator and the entire frame by the coupling portion, and can be easily exchanged for comparison experiments, observations, etc. of the jaw model, and the jaw model can be reduced in size and weight. The purpose is to do.
[0009]
Another object of the present invention is to reduce the size and weight of the actuator by using the same structure for each muscle model portion. In addition, by centrally mounting the actuators in the form of building blocks on the frame, the arrangement and number of simulated muscle bundles (muscle model parts) can be easily changed, and maintenance and inspection of the actuators, addition and deletion, etc. can be facilitated. With the goal.
[0010]
In the present invention, the idle pulley is attached to a connecting frame that is integral with the jaw model, so that the jaw model is handled as an adjusted integral, and the adjustment after the jaw model is exchanged is easy.
[0011]
Furthermore, in the present invention, the non-linear viscoelastic part is attached to the linear moving part of the actuator in a state where it can be slid passively, thereby appropriately simulating the muscle bundle of the living body, making it stable, and further observing the movement.・ The purpose is not to be an obstacle to analysis.
[0012]
It is another object of the present invention to provide various applications such as application of the jaw movement apparatus of the present invention to jaw movement training or related movement with a jaw movement measuring apparatus.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to the first solving means of the present invention, a jaw model means having an upper jaw, a lower jaw, a temporomandibular joint, and a support part that can be attached and detached, and a plurality of muscle bundles for moving the lower jaw of a living body, respectively. A plurality of motion transmission means each having a muscle model part that simulates and moves the lower jaw part of the jaw model means, and a separate coupling part, and each of the motion transmission means is attached to be separable by the separate coupling part A plurality of driving means for driving the muscle model part according to non-linear viscoelastic characteristics; a jaw means in which the jaw model means is detachably attached by the support part; and housing the driving means; and a plurality of the driving means There is provided a jaw movement device comprising control means for controlling the movement.
[0014]
Further, according to the second solving means of the present invention, one end is fixed to the upper jaw and the lower jaw, and the other end is fixed to the upper jaw and the lower jaw of the trainee, thereby controlling the movement of the jaw model means. It further comprises interface means for transmitting to a person.
[0015]
Further, according to the third solving means of the present invention, detection points are fixed to the upper jaw part or the lower jaw part or the vicinity thereof in order to detect the jaw movement of the jaw model means or the person to be measured. A plurality of detection units for detecting the amount of position movement of the detection point respectively, and a calculation unit for calculating two-dimensional or three-dimensional jaw movement and / or jaw position by calculating the detection results of the plurality of detection units. And a jaw motion sensor including
[0016]
The motion transmission means simulates a pair of left and right masseters, temporal muscles, outer pterygoid muscles, and / or one opening muscle, and performs a relaxation or contraction operation between the attachment points of these muscles. A temporal muscle model part, an outer pterygoid muscle model part, and / or an opening muscle model part.
[0017]
Further, the motion transmission means is composed of a pulley and a wire, a serpentine tube, a piston and a cylinder, or a lot, and includes a plurality of shafts provided substantially perpendicular to the coupling means, and the fixed on both sides of the tip of each shaft. An end is provided.
[0018]
The drive means includes a linear drive section that moves in a lateral direction in response to a command from the control device, and transmits a movement motion to the motion transmission means by moving one end of the elastic means by the linear drive section. It is characterized by that.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the following order: 1. Hardware configuration of jaw movement robot 2. various sensors; 3. Configuration of drive control system 4. Control software for jaw movement robot, An application example of a jaw movement robot will be described in detail.
1. Hardware configuration of jaw movement robot
FIG. 1 is a side view of a jaw movement robot according to the present invention. FIG. 2 shows a top view of the jaw movement robot according to the present invention.
The jaw movement robot of the present invention includes a jaw model unit 10, a coupling unit 20, a motion transmission unit 30, an elastic unit 40, a drive unit 50, a storage unit 60, a control unit 70, and the like.
[0020]
The jaw model part 10 includes an upper jaw part 11, a lower jaw part 12, a temporomandibular joint part 13, and a skull 14. By the temporomandibular joint part 13, the lower jaw part 12 is configured to be able to perform various movements such as opening, back-and-forth and right-and-left movement, and a grinding movement with respect to the upper jaw part 11. Here, the skull 14 shows an example of a model in which the upper part and the lower part of the skull are divided, but the appearance shape may be any, or may not be provided. .
[0021]
Here, FIG. 3 shows an example of a configuration diagram of the temporomandibular joint portion 13.
In such a temporomandibular joint mechanism, there is a rotation center shaft 135 at the rotation center of the lower jaw, and the working side ball 138 and the balance side ball 139 are attached so as to be able to rotate. The working side sphere 138 can only rotate and is constrained in the axial direction, while the balancing side sphere 139 is configured to be capable of both rotation and axial movement.
[0022]
When the lower jaw 12 performs the opening / closing operation, the work side sphere 138 and the balance side sphere 139 rotate with respect to the rotation center shaft 135. When translating in the front-rear direction (X direction), the two balls 138 and 139 move through the grooves of the work-side bearing 136 and the balance-side bearing 137 while rotating.
[0023]
Further, when the incisor (the front tooth at the tip of the lower jaw 12) moves to the left or right, the rotation is about the vertical axis (Z axis).
[0024]
Further, when a translational force that does not involve rotation in the left-right direction (Y direction) is generated, the work side ball 136 does not move because the work side ball 138 is restrained with respect to the rotation center shaft 135, and the work side bearing 136. Supported by Since the wires 31-1 to 4-4 corresponding to the muscles other than the opening muscles generate tension in the direction of pulling up the lower jaw portion 12, force is also applied to the bearings from below. In order to receive the reaction force, the bearings 136 and 137 are fixed to the upper jaw side frame with the groove facing downward as shown in the figure.
[0025]
By such a temporomandibular joint mechanism, the lower jaw 12 can perform various movements such as translation in the front-rear direction and rotation in the left-right direction (rotation around the vertical direction) in addition to opening and closing movements.
[0026]
Next, the coupling | bond part 20 contains the jaw model frame 21, the attachment member 22, and the shafts 23-1-4. One end of the jaw model frame 21 is fixed to the skull 14 and the upper jaw 11, and extends rearward of the skull 14. In addition, the jaw model unit 10 is attached to the entire frame 61 of the housing unit 60 by the jaw model frame 21 and the attachment member 22. The attachment member 22 used for such attachment includes, for example, well-known means such as a screw, a bolt, a hook, and a groove so that the attachment member 22 can be easily removed and coupled. The jaw model frame 21 is provided with four shafts 23-1 to 23-4 vertically. Note that these axes are not necessarily provided vertically.
[0027]
The accommodating unit 60 includes a main body frame 61, a substrate 62, a support 63, and the like, and the driving unit 50 is mounted in a building block format, for example. Sufficient shelves are provided in the housing part 60 so that the number of drive parts 50 that can be mounted can be changed as appropriate. Further, an idle pulley 64 and a position adjusting unit 65 are provided for each driving unit 50, and the driving pulling direction can be adjusted vertically and horizontally. Further, a plurality of idle pulleys 64 may be provided for one drive unit 50 so that the idle pulley 64 can be pulled from either the upper side or the lower side, or the angle can be changed.
[0028]
The control unit 70 includes a CPU unit 71, a transmission unit 72, an input / output unit 73, and the like. By operating the input / output unit 73 or automatically controlling the CPU unit 71, a predetermined drive command or the like is transmitted to each drive unit 50 to control the operation of the jaw movement robot.
[0029]
Next, the configuration related to the motion transmission unit 30, the elastic unit 40, and the drive unit 50 in the jaw movement robot according to the present invention will be described in detail. The motion transmission unit 30 includes a plurality of muscle model units that simulate a living body. In addition, an actuator that performs a relaxation or contraction operation of each muscle model portion is mainly configured by the elastic portion 40 and the drive portion 50.
[0030]
The motion transmitting unit 30 includes wires 31-1 to 5, a tension sensor 32, a connecting member 33, moving ends 34-1 to 5, fixed ends 35-1 to 5-etc. The wires 31-1 to 5 connect the jaw model unit 10 and the actuator (such as the elastic unit 40 and the driving unit 50), and are composed of miniature wires or the like. Each of the wires 31-1 to 31-5 is provided with a connecting member 33 in the middle so that the wires 31-1 can be separated and joined, and a tension sensor 32 is attached to the middle of the wire as necessary. The tension sensor 32 can be provided at an appropriate location on the drive unit 40 side or the jaw model unit 10 side.
[0031]
The wires 31-1 to 5-1 are connected to the lower jaw portion 12 to form moving ends 34-1 to 5-5, and fixed ends 35-1 to 5-5 for adjusting the tension direction are provided. Yes. The moving ends 34-1 to 5-5 are connected to appropriate positions simulating the living body of the lower jaw 12. The fixed end is configured by providing a pair of idle pulleys 35-1 to 35-4 at the tip ends of the shafts 23-1 to 23-4 of the coupling portion 20. Further, an idle pulley 35-5 is also provided on the substrate 62 of the accommodating portion 60. The idle pulleys 35-1 to 35-5 are attached at an appropriate angle in the vertical and / or plane direction in consideration of the tension direction of the wires 31-1 to 31-5.
[0032]
In the jaw movement robot of the present invention, the position and movement of the lower jaw are controlled by wires 31-1 to 5 corresponding to nine muscles. That is, a pair of wires 31-1 corresponding to the masseter muscle, a pair of left and right wires 31-2 corresponding to the frontal muscle bundle, a pair of left and right wires 31-3 corresponding to the rear muscle bundle, and the outer wing A total of nine wires, ie, a pair of left and right wires 31-4 corresponding to the protruding muscles and one wire 31-5 corresponding to the opening muscle (a group of opening muscles) are means for simulating the muscle bundle. Mainly, the distance between the moving ends 34-1 to 5-5 and the fixed ends 35-1 to 5-5 of each wire 31-1 to 5 corresponds to each muscle model portion, and performs a relaxation or contraction operation.
[0033]
Among these, when the position of the occlusal force applied to the dentition (incisor side, molar side, etc.) is not controlled, the temporal muscle front muscle bundle wire 31-2 and the temporal muscle rear muscle bundle wire 31-3 It is possible to put together. Further, if the left and right movements of the jaw are omitted, the outer pterygoid wire 31-4 can be omitted. If attention is not paid to the motion at the time of opening or the rigidity of the jaw movement, the actuator for the opening muscle wire 31-5 can be omitted and replaced with the tension by the spring. In addition, a desired wire can be appropriately added or omitted as necessary.
[0034]
Here, the structure simulating the muscles of the moving ends 34-1 to 5 and the fixed ends 35-1 to 5 is composed of a wire and an idle pulley. It can be appropriately replaced with a configuration such as a piston and cylinder, a configuration using a serpentine tube or a lot, or a configuration using a linear motor. In the configuration using the idle pulley, the fixed end protrudes outside the jaw model portion 10, but by adopting these configurations, it is possible to apply tension in a predetermined direction without protruding outward.
[0035]
Thus, the lower jaw part 12 is connected to the actuator unit provided behind the jaw model part 10 by the wires 31-1 to 5, and various movements such as rotation and translation with the upper jaw part 12. Is possible.
[0036]
Next, FIG. 4 shows an explanatory diagram of the elastic portion 40. As shown in FIG. 4A, the elastic portion 40 is provided for each wire 31 and has nonlinear characteristics and viscoelastic characteristics. Thereby, the muscle contraction of the living body can be simulated.
[0037]
The non-linear viscoelastic mechanism of the elastic portion 40 includes a damper 43 that generates viscous resistance torque, a pair of levers 41 that rotate about a torsion coil spring 42 and a drive rotation shaft 45, and the like. Further, one pair of levers 41 is connected at one end with a rotatable hinge to form a drive rotary shaft 45, and a wire 31 is attached to the other end. The lever 41 is expanded at a certain angle by a torsion coil spring 42.
[0038]
FIG. 4B is a characteristic diagram showing the relationship of tension to displacement in the extension direction. In such a non-linear viscoelastic mechanism, when tension is applied in the direction extending between the wire 31 and the drive rotation shaft 45, the longer the extension, the smaller the angle θ between the levers, and the greater the tension (higher rigidity). )Become. In this example, when the angle θ is about 180 °, the spring effect is maximum, and when the angle θ is almost 0, the action as a spring is lost (no spring effect).
[0039]
In this way, the pair of levers 41 are coupled by the damper 43 to prevent vibration of the spring / mass point system formed by the spring and the lower jaw and obtain characteristics closer to a living body. In an actual robot, it is preferable to use a rotary damper that generates a damping force in proportion to the rotational angular velocity between the levers. Further, by providing only one of the coil spring 42 and the damper 43, either the nonlinear characteristic or the viscoelastic characteristic may be provided.
[0040]
Next, FIG. 5 shows a mechanism configuration diagram of the actuator.
Here, the wire 31 from the jaw model part 10 is connected to the elastic part 40 via the idle pulley 64 on the main body frame side, to which the connecting part 33 and the tension sensor 32 are attached. As a specific member of the damper 43 of the elastic portion 40, a rotary damper is adopted here. The drive shaft 45 of the elastic part 40 is further connected to the drive part 50. A plurality of drive units 50 are arranged on the entire frame 61 of the storage unit 60. In the following example, nine jaws 31-1 to 5 are driven by nine driving units 50 to control the movement of jaw model unit 10. However, the number of wires is reduced, or instead of an actuator. It is also possible to apply tension with a spring or the like.
[0041]
In FIG. 5A, the drive unit 50 realizes a linear motion mechanism and is linearly driven by the servo motor 51. That is, in the drive unit 50, the servo motor 51 is driven by position control according to a command from the control computer, the timing belt pulley 53 is rotated via the speed reducer 52, and has a non-linear viscoelastic characteristic fixed to the timing belt 54. The elastic part 40 is driven linearly. As the linear motion mechanism, a linear bush 55 fixed to the timing belt 54 is guided by a linear shaft 56, and a moment generated by the tension of the wire 31 is supported.
FIG. 5B shows another configuration diagram of the drive mechanism.
5B, the nonlinear viscoelastic portion 40 is the same as that shown in FIG. 5A. However, as the linear mechanism portion, a substrate portion 57, a screw portion 58, and a shaft portion, which are mounting plates for the nonlinear viscoelastic portion 40, are used. 59 or the like.
[0042]
2. Various sensors
FIG. 6 shows an example of a configuration diagram of a tension sensor and a root occlusal force sensor.
First, FIG. 6A shows an example of a configuration diagram of the tension sensor 32 attached to each wire.
The tension sensor 32 is provided on the wire 31 and measures the tension of the wire 31 by including a metal plate 61 that generates bending strain due to the tension and a strain gauge 62 attached to the metal plate 61. It is.
[0043]
FIG. 6B shows an example of a cross-sectional view of a root occlusal force sensor that measures the occlusal force applied to the teeth.
The root occlusal force sensor can be appropriately provided at the root position of the upper jaw portion 11 or the lower jaw portion 12, for example. This sensor uses a small pressure sensor 68 and fixes it to a portion 66 corresponding to the bone of the upper jaw portion 11 or the lower jaw portion 12 of the jaw model portion 10, for example, with a portion for detecting pressure upward. Here, a hard rubber material 67 or the like having a low hardness that has an adhesive action is filled, and the tooth model 65 is matched with the sensor 68 and the rubber material 67 so that the bone portion of the upper jaw portion 11 or the lower jaw portion 12 is matched. Processed and bonded to the outside of 46 so as to protrude to an appropriate height. Moreover, insertion and extraction of dentures, dentures, and the like can be made possible by filling a rubber-like material having the same shape as the gums and having no adhesive action.
[0044]
In this way, the force applied to the teeth is transmitted to the pressure sensor 68 by the low hardness rubber 67 in which a minute variation behaves almost like a viscosity, and can be detected as a pressure.
[0045]
Next, FIG. 7 shows a configuration diagram of a temporomandibular joint force sensor for measuring a force applied to the temporomandibular joint 13.
In the configuration diagram of the temporomandibular joint shown in FIG. 3, the bearing 136 or 137 itself is a sensor.
[0046]
FIG. 7A shows the work side bearing 136 provided with a sensor. The work-side bearing 136 has a structure for detecting the occlusal force in the Z direction by the jaw and the force in the Y direction of the sphere constrained in the axial direction of the rotating shaft.
[0047]
The external force in the Z direction is such that the strain gauge 73 attached to the strain generating plate 71 detects the strain when the strain generating plate 71 sandwiched between the mounting bracket 74 and the bearing bracket 70 is bent by the external force. Since the strain generating plate 71 is supported at the center by the mounting bracket 74 and both ends are pressed by the bearing bracket 70, bending strain is generated. Further, the external force in the Y direction is measured by making the bearing fitting 70 into a shape in which distortion is likely to occur and attaching a strain gauge 75.
[0048]
FIG. 7B shows the balance-side bearing 137 provided with a sensor. On the balanced side, the measurement is performed only in the Z direction, and the shape of the bearing fitting 76 is as shown in the figure, except that the working side bearing 136 excludes the components of the force measuring unit in the Y direction. The external force in the Z direction is measured with a strain gauge 78 attached to the strain generating plate 77.
[0049]
3. Configuration of drive control system
FIG. 8 shows a configuration diagram of a drive control system of the jaw movement robot of the present invention.
A predetermined number (n) of actuator circuits 801-1 to 801-n corresponding to the drive unit 50 and corresponding to the number of simulated muscle models for controlling the jaw model unit 10 are provided. A large number may be provided as a spare. The control computer 805 of the control unit 70 transmits commands to the desired actuator circuits 801-1 to 801-n via the interface unit 804. In the case of its own command, each actuator circuit 801-1 to n receives the command via the interface circuit 815, and controls the servo motor 812 by the servo driver 811. The encoder 813 detects and codes the position (angle) of each muscle model or actuator, and outputs it to the servo driver 811. Detection data such as position (angle) is fed back to the control unit 70 via the servo driver 811, the counter 814, and the interface circuit 815. In the control unit 70, the detection data is received by the control computer 805 via the interface unit 804.
[0050]
In addition, the values of the tension sensors 802-1 to 80-n provided on each wire are also transmitted to the control computer 805 via the interface unit 804. The detection unit 803 includes various sensors such as a joint force sensor 831 and a root occlusal force sensor 832, and these detection values are transmitted to the control computer 805 via the interface unit 804.
Further, the operation switch 806 has an input function for performing an operation with a hand switch in addition to a keyboard, a mouse, and the like for controlling the computer program. An operation command or the like by the operation switch 806 is also transmitted to the control computer 805 via the interface unit 804.
[0051]
With such a control system configuration, the control computer 805 allows the outputs of the servo drivers 811 of the actuator circuits 801-1 to 801-n, the outputs of the tension sensors 802-1 to n, the detection unit 803, and the operation of the operation switch 806. The servo motors 812 and the like of the actuator circuits 801-1 to n are controlled as appropriate according to the values such as outputs.
[0052]
4). Jaw movement robot control software
Next, the control operation of the jaw movement robot of the present invention will be described.
In the following description, regarding the relationship with the configuration shown in FIG. 1 or FIG. 2, the masseter actuator corresponds to the configuration related to the wire 31-1, the elastic unit 40-1, the drive unit 50-1, etc. Are provided in a pair on the left and right. Similarly, the temporal muscle front muscle bundle actuator, the temporal muscle rear muscle bundle actuator, and the outer pterygoid muscle actuator have the subscripts “−2”, “−3” and “−4”, respectively, the wire 31 and the elasticity. Corresponding to the configuration related to the unit 40, the drive unit 50, etc., each configuration is provided as a pair of left and right. Further, one opening muscle actuator is provided corresponding to the configuration related to the wire 31-5, the elastic portion 40-5, the driving portion 50-5, and the like.
[0053]
The frontal muscle bundle actuator and the masseter actuator are arranged so that tension acts on the lower jaw portion 12 in the forward outward upper direction. On the other hand, the opening muscle actuator is arranged so that tension acts on the lower jaw portion 12 in the backward and downward direction.
[0054]
In addition, FIG. 9 is an explanatory diagram of operations related to the lower jaw and each actuator.
The masseter actuators 95L and 95R, the temporal muscle front muscle bundle actuators 94L and 94R, the temporal muscle rear muscle bundle actuators 91L and 91R, and the outer pterygoid muscle actuators 92L and 92R Each pair is provided. One opening muscle actuator 96 is provided at a predetermined position of the lower jaw 12. The temporal muscle rear muscle bundle actuators 91 </ b> L and 91 </ b> R are configured to exert tension on the lower jaw portion 12 in the rearward upward direction, while the outer wing protrusion muscle actuators 92 </ b> L and 92 </ b> R are tensioned in the front inner and lower direction of the lower jaw portion 12. Has come to work.
[0055]
By the combination of the tensions of these actuators, the left and right, up and down, back and forth movement, etc. of the lower jaw 12 are executed. In addition, the masseter actuators 95L and 95R and the frontal muscle front muscle bundle actuators 94L and 94R are adapted to tension in the direction in which the lower jaw 12 is pulled upward about the rotation center axis 93, while the opening muscles On the contrary, the actuator 96 is tensioned in the direction of pulling the lower jaw portion 12 downward. By combining the tensions of these actuators, the lower jaw portion 12 can realize various movements such as opening / closing movements, back-and-forth movements, left / right movements, and combinations thereof.
(1) Basic jaw movement control operation
The movement of the jaw portion of the jaw movement robot mainly includes three basic movements. That is, it is composed of 1) opening / closing movement, 2) back-and-forth movement, and 3) left-right grinding. Moreover, arbitrary jaw movements can be performed by appropriately combining these three basic movements. Hereinafter, the details of each basic motion will be described with reference to FIG.
1) Opening and closing movement
The opening / closing movement by the jaw movement robot is mainly executed by antagonistic driving of the masseter actuators 95L and 95R and the opening muscle actuator 96. That is, at the time of opening, the masseter actuators 95L and 95R are relaxed and the opening muscle actuator 96 is contracted. On the other hand, when the mouth is closed, conversely, the masseter actuators 95L and 95R are contracted and the open muscle actuator 96 is relaxed. Here, the frontal muscle bundle actuators 94L and 94R can be contracted and relaxed in synchronization with and interlocking with the masseter actuators 95L and 95R.
[0056]
FIG. 10 shows a basic flowchart of the opening / closing movement.
First, when the program is started, a target opening angle is generated (S001). Next, the target positions of the masseter actuators 95L and 95R and the opening muscle actuator 96 are calculated according to the target opening angle (S003). Based on the calculated value, position control of the masseter actuators 95L and 95R and position control / force control of the opening muscle actuator 96 are performed (S005, S007). At this time, in conjunction with the masseter actuators 95L and 95R, target calculation and position control / force control of the frontal muscle bundle actuators 94L and 94R can be performed. The control of the plurality of actuators or the calculation and control of the target value may be executed simultaneously. These controls are repeated until the target position is reached. When the target position is reached (S009), the process ends.
2) Back and forth movement
The back-and-forth movement motion by the jaw movement robot is mainly executed by antagonistic driving of the left and right temporal muscle rear muscle bundle actuators 91L and 91R and the outer pterygoid muscle actuators 92L and 92R. That is, at the time of forward movement, the temporal muscle rear muscle bundle actuators 91L, 91R are relaxed and the outer pterygoid muscle actuators 92L, 92R are contracted. On the other hand, when moving backward, the temporal muscle rear muscle bundle actuators 91L, 91R are contracted, and the outer pterygoid muscle actuators 92L, 92R are relaxed.
FIG. 11 shows a basic flowchart of the back-and-forth movement motion.
First, when the program is started, a target back-and-forth position is generated (S101). Next, the target positions of the temporal muscle posterior muscle bundle actuator and the outer pterygoid muscle actuator are calculated in accordance with the target longitudinal position (S103). Based on the calculated value, position control of these actuators is performed (S105, S107). The control of the plurality of actuators or the calculation and control of the target value may be executed simultaneously. The operation is repeated until the target position is reached. When the target position is reached (S109), the process ends.
3) Grinding motion to the left and right
The grinding motion is executed by shifting the phases of the left and right actuators during the forward / backward movement motion. That is, during the leftward grinding motion, the left temporal muscle rear muscle bundle actuator 91L is contracted and the left outer pterygoid muscle actuator 92L is relaxed, and at the same time, the right temporal muscle rear muscle bundle actuator 91R is relaxed. Then, the right outer blade protrusion muscle actuator 92R is contracted. On the other hand, during the rightward grinding motion, the right temporal posterior muscle bundle actuator 91R is contracted and the right lateral pterygoid actuator 92R is relaxed, and at the same time, the left temporal muscle posterior muscle bundle actuator is contracted. 91L is relaxed, and the left outer wing protrusion actuator 92L is contracted.
[0057]
(2) Reflex motion
Reflection in the masticatory movement includes opening reflection and unloading reflection. Each of these reflex movements in the jaw robot is as follows.
1) Aperture reflex motion
The opening reflection is, for example, a reflex movement that stops the closing movement and shifts to the opening movement when an abnormally hard food is bitten during the closing movement. In the jaw movement robot, when the output of the occlusal force sensor exceeds a preset threshold value, such aperture reflection movement is executed.
2) Unloading reflex movement
The unloading reflex movement is a reflex movement that stops the closing movement when, for example, when a rice cracker or the like is bitten and a sudden closing movement occurs due to a sudden crushing of food during the closing movement. Moreover, it can also transfer to opening operation | movement after that. In the jaw movement robot, when the output of the angular velocity sensor of the actuator exceeds a preset threshold value, such an unloading reflection movement is executed.
[0058]
FIG. 12 shows an operation flowchart of the reflection motion.
First, when the program is started, a target opening angle is generated (S201). Next, according to the generated target opening angle, the masseter actuators 95L and 95R (if necessary, the temporal muscle front muscle bundle actuators 94L and 94R) and the target positions of the opening muscle actuator 96 are calculated (S205). ). At this time, a target value for jaw motion rigidity can also be set. Based on the calculated value, position control of the masseter actuators 95L and 95R (further temporal muscle anterior muscle bundle actuators 94L and 94R as required) and position control and force control of the opening muscle actuator 96 are performed (S207). , S209). The actuator control or target value calculation and control may be executed simultaneously.
[0059]
Next, it is determined whether or not the closing motion is being performed (S211), and if not, the process returns to step S201. On the other hand, when the closing motion is being performed, the output value of the occlusal force sensor is compared with a preset set value (S213). When the output value of the occlusal force sensor is equal to or larger than the set value, it is determined that the movement is reflected by the aperture. On the other hand, when the occlusal force sensor output value is smaller than the set value, the masseter actuator speed is compared with other preset values (S215). If the masseter muscle actuator speed is equal to or higher than the set value, it is determined as an unloaded reflex motion. It is also possible to determine the unloading reflex motion based on the frontal muscle bundle actuator speed or based on both actuator speeds. If it is not a closing motion or if it is not determined to be a reflex motion, the process returns to step S201 until the target value is reached, and a predetermined operation is repeated (S225).
[0060]
Here, in the case of the aperture reflection motion, first, a target aperture angle is generated (S217). Next, according to the generated target opening angle, the masseter actuators 95L and 95R (if necessary, the frontal muscle front muscle bundle actuators 94L and 94R) and the target positions of the opening muscle actuator 96 are calculated (S219). ). Based on the calculated value, position control of the masseter actuators 95L and 95R (further temporal muscle anterior muscle bundle actuators 94L and 94R) and control of the opening muscle actuator 96 are performed (S221 and S223). The control of the plurality of actuators or the calculation and control of the target value may be executed simultaneously.
[0061]
On the other hand, in the case of the unloading reflex motion, all actuators are stopped or relaxed (S227). Furthermore, the opening movement can then be performed as described above.
(3) Adjustment of jaw stiffness using nonlinear actuator
Antagonism driven by wire chin The actuator of the mobile robot has non-linear characteristics. So the same under chin Even with the position and posture of the jaw, the rigidity of the jaw can be adjusted by changing the characteristics of the antagonizing actuator. In that case, for example, the jaw movement stiffness target value can be set in the target position calculation in step S003 in the opening / closing movement, step S103 in the back-and-forth movement, or step S205 or S219 in the reflection movement. In addition, it can be set in an appropriate operation flow.
[0062]
Specifically, in order to reduce the rigidity, the nonlinear viscoelastic mechanism of the elastic portion 40 as shown in FIG. 4 is adjusted. In FIG. 4A, the tension can be reduced by increasing the opening angle of the lever 41 as an initial state. On the other hand, when increasing the rigidity, the tension can be increased by decreasing the opening angle of the lever 41. These adjustments can be made by appropriately selecting a desired actuator and changing the setting positions of the elastic portion 40, the drive portion 50, and the like. For example, the desired rigidity can be adjusted by appropriately adjusting one or more actuators that apply tension to the lower jaw 12 in a predetermined direction and one or more actuators that apply tension in a direction opposite to the predetermined direction. it can.
[0063]
5. Application example of jaw movement robot
(1) Jaw movement training
FIG. 13 shows a block diagram for applying the present invention to jaw movement training.
The lower jaw shaft 301 and the upper jaw shaft 302 are fixed to appropriate portions of the lower jaw and the upper jaw corresponding to the jaw movement robot 310 and the trainee 311, respectively. The fixing method can be appropriately implemented by means of dental treatment such as cement, support of the jaw shape, or the like. These lower and upper jaw shafts 301 and 302 are supported by a lower jaw connection portion 303 and an upper jaw connection portion 304, and the lower jaw connection portion 303 and the upper jaw connection portion 304 can rotate around an axis 305. The lower jaw shaft 301 is configured to be rotatable with respect to the lower jaw connecting portion 303 and not to slide in the lateral direction by providing the flange 306 and the like. The upper jaw shaft 302 is rotatable with respect to the upper jaw connection portion 304 and is slidable in the lateral direction. With such a structure, the lower jaw shaft 301 and the upper jaw shaft 302 can perform the same movements on the left and right, up and down, front and rear, left and right axial rotation, etc., at both ends of the shafts while maintaining parallelism.
[0064]
As described above, when the jaw movement robot 310 and the jaw movement trainer 311 are connected by such an interface mechanism section, the interface mechanism section performs the opening / closing movement, mastication movement, etc. of the jaw movement robot 310 as they are. Can be linked to As a result, appropriate exercise training can be executed without applying an excessive force to each muscle, root, and the like.
Further, the present invention can be applied to the upper and lower jaws of a dental model. By configuring so that dentures and dentures can be inserted and / or extracted appropriately, it can be used for motion characteristic analysis and the like. Furthermore, it can also be applied linguistically, and for example, it is possible to reproduce motor movements during utterance by appropriately executing a program.
[0065]
(2) Jaw movement measuring device
In FIG. 14, the block diagram of a jaw movement measuring apparatus is shown.
The detection device 402 is three-dimensionally arranged and fixed to a part of the jaw of the jaw movement robot or the person to be measured with a wire 401 or the like. As the fixing method, for example, a fixing method using a dental cement, an adhesive, or the like can be employed. As the arrangement relationship, a predetermined angle may be given in consideration of the mobility of the jaw and the required analysis level. As the detection device 402, for example, a wire pull-out type encoder or the like is used, and the wire pull-out and winding amount can be obtained by jaw movement.
[0066]
Further, the detection output of each detection device 402 is subjected to processing such as counting by a counter 403 or the like as necessary, and the jaw motion is analyzed by the arithmetic device 404. If necessary, it is transmitted to the central control device or displayed on the display device 405.
[0067]
By applying such a jaw movement measurement device to the person being measured, collecting movement data and operating the jaw movement robot based on the movement data, it is possible to apply movement analysis to the person being measured, treatment, etc. It becomes. In addition, such a jaw movement measuring apparatus can also function as a measuring apparatus independently without combining with a jaw movement robot.
[0068]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the jaw model and the actuator are separated, and the idle pulley is used from the straight line connecting both muscle attachment points to guide the drive unit, so that the state of the jaw model is easy to see. Observation, maintenance inspection and adjustment work become easy.
[0069]
In addition, the jaw model can be separated and connected to the actuator and the entire frame by the coupling part. Therefore, it is easy to exchange the jaw model for comparative experiments and observations of the jaw model, and the jaw model is reduced in size and weight. Can be
[0070]
In addition, the actuator can have the same configuration with respect to each muscle model portion, so that the cost can be reduced, and the size and weight can be reduced. Since the actuators are centrally mounted on the frame in the form of building blocks, it is easy to change the arrangement and number of simulated muscle model portions. In addition, maintenance and inspection of the actuator, addition and deletion, etc. are facilitated.
[0071]
In addition, since the idle pulley is attached to the jaw model frame integrated with the jaw model, the jaw model is handled as an adjusted integrated body, so that adjustment after replacement is not so necessary.
[0072]
Furthermore, since the nonlinear viscoelastic part is attached to the linear moving part of the actuator in a passively slidable state, it can properly simulate the muscle bundle of the living body, and it can operate stably and observe the movement.・ There is no obstacle to analysis.
[0073]
The jaw movement training apparatus according to the present invention has a small hardware configuration, is inexpensive, is easy to wear, and can perform appropriate jaw movement training.
[0074]
The jaw movement measuring apparatus according to the present invention has a small hardware configuration, is inexpensive, is easy to wear, and does not easily limit jaw movement.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of a jaw movement robot according to the present invention.
FIG. 2 is a top view of the jaw movement robot according to the present invention.
FIG. 3 is an example of a configuration diagram of a temporomandibular joint unit 13;
FIG. 4 is an explanatory diagram of an elastic portion 40. FIG.
FIG. 5 is a mechanism configuration diagram of an actuator.
FIG. 6 is a configuration diagram of a tension sensor and a root occlusal force sensor.
FIG. 7 is a configuration diagram of a temporomandibular joint force sensor.
FIG. 8 is a configuration diagram of a drive control system of the jaw motion robot of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory diagram of operations related to the lower jaw and each actuator.
FIG. 10 is a basic flowchart of opening / closing movement.
FIG. 11 is a basic flowchart of a back-and-forth movement motion.
FIG. 12 is an operation flowchart of reflection motion.
FIG. 13 is a block diagram for applying the present invention to jaw movement training.
FIG. 14 is a configuration diagram of a jaw movement measuring device.
[Explanation of symbols]
10 Jaw model part
20 joints
30 Movement transmitter
40 Elastic part
50 Drive unit
60 containment
70 Control unit

Claims

The upper jaw part, the lower jaw part, and the rotation center axis of the lower jaw part have a rotation center axis, and a work side sphere capable of rotation and a balance side sphere capable of rotation and movement in the axial direction are attached therethrough, Jaw model means including a temporomandibular joint capable of moving back and forth and right and left perpendicular to the opening and closing direction and the opening and closing direction of the upper jaw and the lower jaw,
One end fixed to the upper jaw of the jaw model means, and coupling means other end with a removable mounting unit,
Simulating a plurality of muscle bundles that drive the lower jaw of a living body, moving ends provided at a plurality of predetermined positions of the lower jaw corresponding to each of the muscle bundles, and a predetermined extension direction of each muscle bundle A fixed end provided at a position, the lower jaw is moved by expanding and contracting between the plurality of moving ends and the fixed ends, and a connecting portion and a tension sensor are provided corresponding to each of the muscle bundles. A plurality of motion transmission means including:
A plurality of elasticity that is provided to each of the motion transmission means via the connecting portion , includes a nonlinear viscoelastic portion, and transmits motion so that the relationship between the moving length and the tension has nonlinear characteristics and viscoelastic characteristics. Means,
A plurality of drive means provided for each of the elastic means, including a linear motion mechanism , and driving the motion transmission means by linearly driving the elastic means by controlling the position ;
The jaw model means is fixed by the attachment portion of the coupling means, and a receiving means for receiving a plurality of the driving means so as to be added and / or deleted,
Control means for instructing a plurality of the driving means to execute opening and closing movements of the upper and lower jaws, and front and rear and right and left moving movements orthogonal to the opening and closing directions of the upper and lower jaws ;
Each of the motion transmission means and the drive means
A pair of left and right masseter pair of the temporal muscle anterior muscle bundle, the pair of left and right temporal muscle posterior muscle bundle, the pair of left and right lateral pterygoid muscle and, to simulate one opening muscle, respectively, left and right masseter actuator, The left and right temporal muscle front muscle bundle actuator, left and right temporal muscle rear muscle bundle actuator, left and right outer pterygoid muscle actuator, and opening muscle actuator,
The control means includes
(1) Opening and closing movement executed by controlling the position and force so that one of the left and right masseter actuators and the opening muscle actuator is relaxed and the other is contracted according to the target front-rear position.
(2) A back- and- forth movement motion executed by controlling the position of one of the left and right temporal muscle posterior muscle bundle actuators and the left and right outer pterygoid muscle actuators to be relaxed and the other contracted ; and
(3) The left temporal posterior muscle bundle actuator is contracted and the left outer pterygoid muscle actuator is relaxed, and at the same time, the right temporal muscle posterior muscle bundle actuator is relaxed and the right outer pterygoid muscle is relaxed. A jaw motion device that controls a grinding motion that is executed by controlling the position so that the actuator contracts or conversely contracts and relaxes .

Further comprising a root occlusal force sensor provided in the upper jaw or the lower jaw for detecting occlusal force;
The control means includes
The jaw movement apparatus according to claim 1 , wherein reflex movement control is performed to perform aperture reflex movement when an output value of the root bite force sensor exceeds a predetermined value during closing movement.

Tension sensor for detecting tension is provided in the motion transmission means, periodontal occlusal force sensor for detecting the bite force is provided in the upper jaw or the lower jaw, and / or, temporomandibular joint force for detecting a force applied to the temporomandibular joint the sensors, further comprising a desired one or more of the respective sensor,
3. The jaw movement device according to claim 1, wherein the control means controls the driving means in accordance with the output of each desired one or more sensors.

Upper jaw, lower jaw, and the jaw model means having an TMJ,
A plurality of movement transmitting means each simulating a plurality of muscle bundles for moving the lower jaw of a living body, each having a muscle model section for moving the lower jaw section of the jaw model means, and a connecting section ;
A plurality of drive means each of which is attached to be separable by the connecting part , and drives the muscle model part according to a nonlinear viscoelastic property;
The jaw model means is detachably attached by the support part, and the accommodating means for accommodating the driving means;
Control means for controlling the plurality of drive means;
In addition,
A jaw movement apparatus comprising interface means for transmitting movement of the jaw model means to the trainee by fixing one end to the upper jaw and the lower jaw and fixing the other end to the upper jaw and lower jaw of the trainee.

Upper jaw, lower jaw, and the jaw model means having an TMJ,
A plurality of movement transmitting means each simulating a plurality of muscle bundles for moving the lower jaw of a living body, each having a muscle model section for moving the lower jaw section of the jaw model means, and a connecting section ;
A plurality of drive means each of which is attached to be separable by the connecting part , and drives the muscle model part according to a nonlinear viscoelastic property;
The jaw model means is detachably attached by the support part, and the accommodating means for accommodating the driving means;
Control means for controlling the plurality of drive means;
In addition,
In order to detect jaw movement of the jaw model means or the person to be measured, detection points are fixed to the upper jaw part or the lower jaw part or in the vicinity thereof, and a plurality of position movement amounts of the detection points are detected in a plurality of directions, respectively. A detector of
A jaw movement device including a jaw movement measuring device including a calculation unit that calculates a detection result of the plurality of detection units and calculates a two-dimensional or three-dimensional jaw movement and / or a jaw position.