[發(fā)明專利]一種高副約束的繩驅(qū)動(dòng)并聯(lián)仿生口頜機(jī)器人

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011075158.7
• 申請(qǐng)日: 2020-10-09
• 公開（公告）號(hào): CN112190372B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 溫海營(yíng);于繼勇;張志勝;戴敏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): A61F2/46
• 分類號(hào): A61F2/46;A61C19/00;G01M99/00
• 代理公司: 北京德崇智捷知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11467
• 代理人: 黃雪

本發(fā)明公開了一種高副約束的繩驅(qū)動(dòng)并聯(lián)仿生口頜機(jī)器人，通過研究人體口頜系統(tǒng)生理結(jié)構(gòu)及冗余驅(qū)動(dòng)特性，包括下頜肌肉、骨骼與顳下頜關(guān)節(jié)等，綜合考慮咀嚼肌肉及顳下頜關(guān)節(jié)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種高副約束的繩驅(qū)動(dòng)的空間冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)。其中六條UPS繩驅(qū)動(dòng)支鏈模擬口頜系統(tǒng)起主要作用的六條肌肉，分別是左右兩側(cè)咬肌、顛肌、翼外肌。兩個(gè)點(diǎn)接觸高副代表顳下頜關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，仿生度高。UPS繩驅(qū)動(dòng)支鏈在運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)發(fā)生驅(qū)動(dòng)支鏈的擺動(dòng)問題，解決了其他驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬肌肉易產(chǎn)生力作用線不一致的問題。同時(shí)電機(jī)放在支鏈之外減輕了直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的重量和體積。本發(fā)明在牙科學(xué)、食品科學(xué)、生物力學(xué)與假肢修復(fù)等學(xué)科中具有很好的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及仿生機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種高副約束的繩驅(qū)動(dòng)并聯(lián)仿生口頜機(jī)器人。

背景技術(shù)

仿生口頜機(jī)器人既可以模擬下頜與顳下頜關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，又可以再現(xiàn)牙齒咬合力與顳下頜關(guān)節(jié)受力，并可以通過體外模擬方式對(duì)假體材料進(jìn)行定量的測(cè)試，因此，仿生口頜機(jī)器人越來(lái)越多的應(yīng)用于新材料、新設(shè)計(jì)的義齒和顳下頜關(guān)節(jié)假體性能測(cè)試中。在仿生口頜機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究中，針對(duì)各自應(yīng)用領(lǐng)域都采用了相應(yīng)的機(jī)構(gòu)完成所需功能，然而機(jī)構(gòu)仍存在一定的仿生性缺陷，具體如下：

限于驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)過于龐大笨重，驅(qū)動(dòng)力的方向無(wú)法與咀嚼肌肉力作用線相一致，造成受力的仿生性下降；有些仿生口頜機(jī)器人雖然考慮了顳下頜關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，但主要是進(jìn)行簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)模擬，人類口頜系統(tǒng)本身所具有的冗余驅(qū)動(dòng)特性在已有機(jī)構(gòu)中并沒有體現(xiàn)，顳下頜關(guān)節(jié)的生理結(jié)構(gòu)及其冗余驅(qū)動(dòng)特性容易被忽略，導(dǎo)致顳下頜關(guān)節(jié)所起的力調(diào)節(jié)作用無(wú)法體現(xiàn)，顳下頜關(guān)節(jié)受力、咬合力與肌肉驅(qū)動(dòng)力的相互作用無(wú)法體現(xiàn)，無(wú)法真實(shí)再現(xiàn)咀嚼運(yùn)動(dòng)過程中咬合力與顳下頜關(guān)節(jié)受力。

因此，如果需要更加仿生的下頜受力與運(yùn)動(dòng)，則需要對(duì)口頜系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)形式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明基于人體口頜系統(tǒng)生理結(jié)構(gòu)和顳下頜關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，提出一種含有高副約束的、四自由度六驅(qū)動(dòng)的、繩驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)仿生口頜機(jī)器人。UPS繩驅(qū)動(dòng)支鏈采用線性運(yùn)動(dòng)單元，使得動(dòng)力單元(電機(jī)等)可以放在支鏈之外，減輕了傳統(tǒng)直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的重量，結(jié)構(gòu)也更加緊湊，解決現(xiàn)有仿生口頜機(jī)器人模擬肌肉伸縮造成的擺動(dòng)問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種高副約束的繩驅(qū)動(dòng)并聯(lián)仿生口頜機(jī)器人，包括：

上頜靜平臺(tái)，通過中間連接件與固定安裝的關(guān)節(jié)面安裝板連接；

下頜動(dòng)平臺(tái)，位于所述上頜靜平臺(tái)下方，下頜動(dòng)平臺(tái)的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有下頜側(cè)板；

以及三組UPS繩驅(qū)動(dòng)支鏈，所述三組UPS繩驅(qū)動(dòng)支鏈設(shè)于所述下頜動(dòng)平臺(tái)及上頜靜平臺(tái)的周圍，用于分別模仿人體顳肌、咬肌和翼外肌三組肌肉，每組UPS繩驅(qū)動(dòng)支鏈包括結(jié)構(gòu)相同且安裝位置對(duì)稱的兩條，每條所述UPS繩驅(qū)動(dòng)支鏈的結(jié)構(gòu)包括一可沿直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)單元，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元通過驅(qū)動(dòng)繩連接有一動(dòng)力單元；

對(duì)應(yīng)于所述顳肌、咬肌的UPS繩驅(qū)動(dòng)支鏈中的所述驅(qū)動(dòng)單元，一端和與其對(duì)應(yīng)側(cè)的所述下頜側(cè)板球副連接，另一端和固設(shè)于所述下頜動(dòng)平臺(tái)及上頜靜平臺(tái)周圍的固定架轉(zhuǎn)動(dòng)連接；

對(duì)應(yīng)于所述翼外肌的UPS繩驅(qū)動(dòng)支鏈中的所述驅(qū)動(dòng)單元，一端和與其對(duì)應(yīng)側(cè)的所述下頜側(cè)板球副連接，另一端和所述上頜靜平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)連接。

還包括仿顳下頜結(jié)構(gòu)的髁突高副(Higher kinematic pair，HKP)機(jī)構(gòu)，其對(duì)稱設(shè)置在所述下頜動(dòng)平臺(tái)的兩側(cè)，每側(cè)的結(jié)構(gòu)包括仿生髁突和仿生關(guān)節(jié)面，所述仿生髁突一端和所述仿生關(guān)節(jié)面點(diǎn)接觸連接，另一端和與其對(duì)應(yīng)側(cè)的所述下頜側(cè)板固定連接。

仿生關(guān)節(jié)面與所述關(guān)節(jié)面安裝板固定連接，仿生關(guān)節(jié)面上開有導(dǎo)向曲面滑槽，仿生髁突上設(shè)有與所述導(dǎo)向曲面滑槽配合的圓球端。

所述中間連接件一端與所述關(guān)節(jié)面安裝板中部連接，另一端沿豎直方向安裝所述上頜靜平臺(tái)，所述下頜動(dòng)平臺(tái)上表面設(shè)有對(duì)接于所述上頜靜平臺(tái)下方的仿生下頜骨。