[發明專利]一種具有仿生顳下頜關節的冗余驅動咀嚼機器人

有效

• 申請號: 201310602874.X
• 申請日: 2013-11-22
• 公開（公告）號: CN103610506A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發明（設計）人: 叢明;王貴飛;溫海營;杜婧;徐衛良
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: A61C13/38
• 分類號: A61C13/38
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

技術領域

本發明屬于仿生機器人技術領域，涉及一種具有仿生顳下頜關節的冗余驅動咀嚼機器人。

背景技術

咀嚼機器人可以模擬人類下頜運動行為、再現其生物力學環境，其研究成果在口腔醫學和食品科學等領域具有廣闊應用前景。例如可用于義齒材料磨損實驗、義齒疲勞壽命測試和醫學教學等。另外，咀嚼機器人在食品科學領域也具有很大的應用價值，可以作為食品咀嚼動力學、食品機械特性等實驗的測試平臺。

人類下頜由咀嚼肌肉驅動，在顳下頜關節的約束下，相對上頜骨在三維空間內做復雜的開閉運動。作為人體最復雜的運動關節之一，顳下頜關節具有多個瞬時運動軸，其髁狀突隨下頜開口度的不同具有轉動和滑動的復合運動形式。而現有的咀嚼機器人沒有充分考慮顳下頜關節的結構、功能及其復合運動形式，因此在仿生性方面存在嚴重缺陷，不能真實再現下頜的運動和生物力學特征。

發明內容

本發明針對現有咀嚼機器人存在的問題，采用點接觸高副結構設計仿生顳下頜關節，提出了一種具有仿生顳下頜關節的冗余驅動咀嚼機器人。該機器人所采用的PUS支鏈與點接觸高副構成的冗余并聯機構，既體現了人體下頜系統的冗余特性，又能夠解決奇異性導致的并聯機構運動精度降低、剛度減小和驅動關節無法實施控制等問題。與同類咀嚼機器人相比，該機器人具有高仿生、大剛度、少奇異等優點。咀嚼機器人主要應用于醫學示教、食品評估、牙科測試等科學實驗，而每種實驗對機器人負載和運動形式的要求不同（如醫學教學實驗，機器人需滿足低速和小負載的要求），因此一種控制模式不能滿足多學科實驗的要求。本發明根據需求設計了具有示教、食品評估、義齒測試三種工作模式的控制系統。

本發明采用的技術方案是：

該冗余驅動咀嚼機器人通過伺服驅動實現機器人在三維空間的運動，模擬人類下頜的運動和生物力學特征。

所述機械本體結構包括1:1顱骨模型、上頜靜平臺、仿生顳下頜關節、六組驅動裝置、六條PUS支鏈和下頜動平臺。

所述1:1顱骨模型，是以健康成年人顱骨的CT掃描實驗結果為依據加工的，包括上頜骨模型和下頜骨模型。所述上頜骨模型和下頜骨模型通過內六角螺栓分別固定在上頜靜平臺和下頜動平臺上。

所述上頜靜平臺，包括下支撐板、上支撐板、六根等長立柱、上頜骨模型安裝座。下支撐板通過地腳螺栓固定在實驗平臺上。六根等長立柱兩端分別與下支撐板和上支撐板通過內六角螺釘固定連接。六根等長立柱的安裝位置根據咀嚼肌肉與上頜骨的連接位置確定，并通過銷連接精確定位。所述上頜骨模型安裝座由豎直板一、豎直板二、水平板、上彎板組成，通過內六角螺釘固定在上支撐板上，用于支撐上頜骨模型。上頜靜平臺可承載整個機器人的重量。

所述仿生顳下頜關節，采用的是一種點接觸高副結構，包括關節面安裝板、兩個仿生關節面、兩個仿生髁狀突。所述關節面安裝板通過內六角螺釘固定在上頜骨模型安裝座中的水平板上。所述兩個仿生關節面分別固定在關節面安裝板的兩側，其關節面的曲面是通過對健康成年人顳下頜關節面的尺寸數據進行擬合得到的。所述仿生髁狀突為圓柱狀，上端為半球狀，下部有螺紋。仿生髁狀突通過螺紋連接固定在下頜動平臺上，在下頜動平臺運動過程中，上端始終沿著仿生關節面運動，可實現轉動和滑動的復合運動形式。采用點接觸高副結構的仿生顳下頜關節能夠模擬人類顳下頜關節的功能及其復合運動形式。

所述驅動裝置，包括電機、聯軸器、滾珠絲杠、絲杠螺母、工作臺、連接板、滑塊、導軌、角接觸球軸承和軸承座。電機固定在上頜靜平臺的支撐板上，并通過聯軸器與滾珠絲杠連接；滾珠絲杠的下軸頭通過兩個角接觸球軸承與軸承座固定連接，軸承座通過螺釘固定在上頜靜平臺的等長立柱上；絲杠螺母與工作臺通過內六角螺釘固定連接，工作臺通過連接板與導軌上的滑塊固定連接，導軌固定連接在等長立柱上。

所述PUS支鏈，包括斜塊、關節連接塊、萬向節、連桿、球副。斜塊通過螺釘固定連接在驅動裝置的工作臺上。通過關節連接塊，將斜塊與萬向節固定連接。所述連桿一端設有銷孔，另一端加工有螺紋，分別通過銷、螺紋與萬向節和球副連接。連桿的長度和安裝角度根據咀嚼肌肉的長度和作用線方向確定。電機通過滾珠絲杠驅動工作臺在豎直方向運動，工作臺帶動PUS支鏈運動，最終PUS支鏈驅動下頜動平臺運動。