一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人制造技术

本发明专利技术涉及仿生机器人领域，尤其涉及一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人。本发明专利技术的目的在于提供一种柔顺性能好、结构紧凑的下颌咀嚼机器人。其技术方案：一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，包括支架，支架的竖板固定安装有上颌静平台，上颌静平台与支架的底板之间设置有下颌动平台；支架与下颌动平台之间连接有颞肌机构和翼肌机构；上颌静平台和下颌动平台之间连接有咬肌机构；颞肌机构、咬肌机构、翼肌机构均包括气动肌肉，气动肌肉通过气路连接有气动回路，气动回路电连接有控制系统。本发明专利技术适用于一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及仿生机器人领域，更具体的说是涉及一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人。
技术介绍
咀嚼是咀嚼肌群依次收缩所组成的复杂的反射性活动。咀嚼肌的收缩使下颌向上下、左右及前方运动,这样上下牙列相互接触,将大块的食物切割、磨碎。颊肌和舌肌的收缩可将食物置于上下牙列之间,便于咀嚼。再加上舌的搅拌,食物与唾液充分混合,形成食团,便于吞咽,且有利于化学性消化的进行。咀嚼机器人是一类可以模拟人类咀嚼行为的机器人。它可以真实地复现人类的咀嚼动作并采集分析咀嚼的信息,包括咀嚼力、速度、振动等内容。咀嚼机器人是集轨迹规划、感知系统、实时控制系统及生物模拟于一体的综合仿生机器人系统,广泛应用于牙科训练、食品评估、语言医疗等领域。随着技术发展的越来越快，目前研究者们对机器人关节所应具有的运动柔顺性的要求越来越高，随之出现了很多增强关节柔顺性的设计，包括由弹簧为主要部件设计的柔顺性关节、由球齿轮相互啮合而设计的柔顺性关节、根据万向节而设计的柔顺性关节、以橡胶作为弹性材料而设计的柔顺性关节等。除了在关节的结构形式上的创新来增强关节的柔顺性以外，研究者们还通过采取不同的驱动形式来进一步增强关节的柔顺性，因为以传统的电机驱动与纯刚性杆件组合的机构不具备柔顺性，所以近年来国内外已出现了很多具有柔顺性的驱动方式，柔索式驱动、特殊功能材料驱动等。虽然依目前的科技水平无法完全达到生物体所具有的柔性躯体构型，但能在最大程度上模拟和逼近生物的结构和运动特性一直是国内外研究人员的追求目标。咀嚼机器人近年来飞速发展，国内大连理工大学、吉林大学、江南大学在咀嚼机器人方面做出巨大努力也取得了一定成就。专利申请号为CN201310602874.X的专利技术专利公布了“一种具有仿生颞下颌关节的冗余驱动咀嚼机器人”，该冗余驱动咀嚼机器人通过伺服驱动实现机器人在三维空间的运动，模拟人类下颌的运动和生物力学特征。所述机械本体结构包括1:1颅骨模型、上颌静平台、仿生颞下颌关节、六组驱动装置、六条PUS支链和下颌动平台。所述1:1颅骨模型，是以健康成年人颅骨的CT扫描实验结果为依据加工的，包括上颌骨模型和下颌骨模型。所述上颌骨模型和下颌骨模型通过内六角螺栓分别固定在上颌静平台和下颌动平台上。所述上颌静平台，包括下支撑板、上支撑板、六根等长立柱、上颌骨模型安装座。下支撑板通过地脚螺栓固定在实验平台上。六根等长立柱两端分别与下支撑板和上支撑板通过内六角螺钉固定连接。六根等 长立柱的安装位置根据咀嚼肌肉与上颌骨的连接位置确定，并通过销连接精确定位。所述上颌骨模型安装座由竖直板一、竖直板二、水平板、上弯板组成，通过内六角螺钉固定在上支撑板上，用于支撑上颌骨模型。上颌静平台可承载整个机器人的重量。所述仿生颞下颌关节，采用的是一种点接触高副结构，包括关节面安装板、两个仿生关节面、两个仿生髁状突。所述关节面安装板通过内六角螺钉固定在上颌骨模型安装座中的水平板上。所述两个仿生关节面分别固定在关节面安装板的两侧，其关节面的曲面是通过对健康成年人颞下颌关节面的尺寸数据进行拟合得到的。所述仿生髁状突为圆柱状，上端为半球状，下部有螺纹。仿生髁状突通过螺纹连接固定在下颌动平台上，在下颌动平台运动过程中，上端始终沿着仿生关节面运动，可实现转动和滑动的复合运动形式。采用点接触高副结构的仿生颞下颌关节能够模拟人类颞下颌关节的功能及其复合运动形式。所述驱动装置，包括电机、联轴器、滚珠丝杠、丝杠螺母、工作台、连接板、滑块、导轨、角接触球轴承和轴承座。电机固定在上颌静平台的支撑板上，并通过联轴器与滚珠丝杠连接；滚珠丝杠的下轴头通过两个角接触球轴承与轴承座固定连接，轴承座通过螺钉固定在上颌静平台的等长立柱上；丝杠螺母与工作台通过内六角螺钉固定连接，工作台通过连接板与导轨上的滑块固定连接，导轨固定连接在等长立柱上。所述PUS支链，包括斜块、关节连接块、万向节、连杆、球副。斜块通过螺钉固定连接在驱动装置的工作台上。通过关节连接块，将斜块与万向节固定连接。所述连杆一端设有销孔，另一端加工有螺纹，分别通过销、螺纹与万向节和球副连接。连杆的长度和安装角度根据咀嚼肌肉的长度和作用线方向确定。电机通过滚珠丝杠驱动工作台在竖直方向运动，工作台带动PUS支链运动，最终PUS支链驱动下颌动平台运动。所述下颌动平台，包括六个球副安装块、左侧板、中间板、下弯板、右侧板。左侧板和右侧板通过销和内六角螺钉对称安装在中间板上。六个球副安装块通过内六角螺钉对称固定在左侧板和右侧板上，其分布根据人类咀嚼肌肉与下颌骨的连接位置确定。PUS支链末端的球副通过球副安装块连接到下颌动平台上。左侧板和右侧板的顶部设有螺纹孔，用于安装仿生颞下颌关节的两个仿生髁状突。下弯板通过螺钉固定在中间板上。在左侧板和右侧板上还留有螺栓孔，用于固定下颌骨模型。下弯板和上颌静平台上弯板的相对位置，是机器人安装和调试的重要参数。将六组驱动装置和六条PUS支链通过相同的方式组装，共同连接机器人的上颌静平台和下颌动平台，完成具有仿生颞下颌关节的冗余驱动咀嚼机器人的组装。该咀嚼机器人通过滚珠丝杠驱动工作台在竖直方向运动，工作台带动PUS支链运动，最终PUS支链驱动下颌动平台运动，通过并联机构反解，可以较好的完成运动三维轨迹。但是， 滚珠丝杠机构和PUS支链均为刚性结构，无论引入多少机械零件来提高咀嚼机器人的性能都无法模拟真实的咀嚼肌肉，其柔顺性较差。反而，由于引入过多机械零件，该咀嚼机器的结构复杂、紧凑性较差，安装非常不方便，并且成本很高。气动肌肉是一种将气体压力转化为机械拉力的驱动器，由编织网、柔性橡胶管、两端刚性连接件组成。由于气动肌肉收缩位移在25％到30％之间，与人类肌肉位移接近，有应用于仿生机器人的前景。气动肌肉长度可以根据具体实用裁剪，在使用时，能简化了设计。气动肌肉主要由橡胶和细的金属格栅网组成产品，重量轻结构简单，输出力/自重比大，其初始输出力是同缸径气缸初始输出力的10倍。现有技术中，没有将气动肌肉应用于咀嚼机器人的先例。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术的不足，提供一种柔顺性能好、结构紧凑的下颌咀嚼机器人，解决了现有咀嚼机器人仿生性差、结构复杂的问题。为解决上述的技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，包括支架，支架为半工字形，支架的竖板固定安装有上颌静平台，上颌静平台位于支架的顶板与底板之间，上颌静平台与支架的底板之间设置有下颌动平台；支架与下颌动平台之间连接有颞肌机构和翼肌机构，颞肌机构的一端通过球铰连接于支架的顶板，颞肌机构的另一端通过球铰连接于下颌动平台内侧，翼肌机构的一端通过球铰连接于支架的竖板，翼肌机构的另一端通过球铰连接于下颌动平台内侧；上颌静平台和下颌动平台之间连接有咬肌机构，咬肌机构的一端通过球铰连接于上颌静平台的中部，咬肌机构的另一端通过球铰连接于下颌动平台的中部；颞肌机构、咬肌机构、翼肌机构均包括气动肌肉，气动肌肉通过气路连接有气动回路，气动回路电连接有控制系统；颞肌机构、咬肌机构、翼肌机构均为两组，且两组颞肌机构、两组咬肌机构、两组翼肌机构均分别对称设置于支架的左右两侧。作为本专利技术的优选方案，所述上颌静平台和下颌动平台之间还连接有弹簧韧带，弹簧韧带的一端固定连接于上颌静平台的中部，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，其特征在于，包括支架(1)，支架(1)为半工字形，支架(1)的竖板固定安装有上颌静平台(2)，上颌静平台(2)位于支架的顶板与底板之间，上颌静平台(2)与支架(1)的底板之间设置有下颌动平台(3)；支架(1)与下颌动平台(3)之间连接有颞肌机构(4)和翼肌机构(5)，颞肌机构(4)的一端通过球铰连接于支架(1)的顶板，颞肌机构(4)的另一端通过球铰连接于下颌动平台(3)内侧，翼肌机构(5)的一端通过球铰连接于支架(1)的竖板，翼肌机构(5)的另一端通过球铰连接于下颌动平台(3)内侧；上颌静平台(2)和下颌动平台(3)之间连接有咬肌机构(6)，咬肌机构(6)的一端通过球铰连接于上颌静平台(2)的中部，咬肌机构(6)的另一端通过球铰连接于下颌动平台(3)的中部；颞肌机构(4)、咬肌机构(6)、翼肌机构(5)均包括气动肌肉(8)，气动肌肉(8)通过气路连接有气动回路，气动回路电连接有控制系统；颞肌机构(4)、咬肌机构(6)、翼肌机构(5)均为两组，且两组颞肌机构(4)、两组咬肌机构(6)、两组翼肌机构(5)均分别对称设置于支架(1)的左右两侧。

【技术特征摘要】
1.一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，其特征在于，包括支架(1)，支架(1)为半工字形，支架(1)的竖板固定安装有上颌静平台(2)，上颌静平台(2)位于支架的顶板与底板之间，上颌静平台(2)与支架(1)的底板之间设置有下颌动平台(3)；支架(1)与下颌动平台(3)之间连接有颞肌机构(4)和翼肌机构(5)，颞肌机构(4)的一端通过球铰连接于支架(1)的顶板，颞肌机构(4)的另一端通过球铰连接于下颌动平台(3)内侧，翼肌机构(5)的一端通过球铰连接于支架(1)的竖板，翼肌机构(5)的另一端通过球铰连接于下颌动平台(3)内侧；上颌静平台(2)和下颌动平台(3)之间连接有咬肌机构(6)，咬肌机构(6)的一端通过球铰连接于上颌静平台(2)的中部，咬肌机构(6)的另一端通过球铰连接于下颌动平台(3)的中部；颞肌机构(4)、咬肌机构(6)、翼肌机构(5)均包括气动肌肉(8)，气动肌肉(8)通过气路连接有气动回路，气动回路电连接有控制系统；颞肌机构(4)、咬肌机构(6)、翼肌机构(5)均为两组，且两组颞肌机构(4)、两组咬肌机构(6)、两组翼肌机构(5)均分别对称设置于支架(1)的左右两侧。2.根据权利要求1所述的一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，其特征在于，所述上颌静平台(2)和下颌动平台(3)之间还连接有弹簧韧带(7)，弹簧韧带(7)的一端固定连接于上颌静平台(2)的中部，弹簧韧带(7)的另一端固定连接于下颌动平台(3)的内侧，弹簧韧带(7)为两组，两组弹簧韧带(7)对称设置于支架(1)的左右两侧。3.根据权利要求1或2所述的一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，其特征在于，所述气动回路包括气泵(91)，气泵(91)上设置有电动开关(92)，气泵(91)的出口通过气路顺次连接有储气罐(93)、气动三联件(94)、单向阀(95)、气压传感器(96)、比例阀(97)、电磁换向阀(98)，气动肌肉(8)与电磁换向阀(98)通过气路连接，电磁换向阀(98)上安装有消音器(99)。4.根据权利要求3所述的一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，其特征在于，所述控制系统包括工控机，工控机通过电连接有数据采集卡，气压传感器(96)与数据采集卡的AD口电连接，数据采集卡的AD口还通过电连接有位移传感器、角度传感器、陀螺仪；位移传感器为六组，六组位移传感器分别安装于六组气动肌肉(8)上，角度传感器和陀螺仪安装于下颌动平台(3)上；数据采集卡的DA口分别与气泵(91)的电磁阀、比例阀(97)、电磁换向阀(98)电连接。5.根据权利要求4所述的一种基于气动人工肌肉的下颌咀嚼机器人，其特征在于，气动肌肉(8)的输出力f(x)和伸长量l满足以下关系式： f ( x ) = K ( P - P t h ) ( l ...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤文杰，徐尚龙，张晓飞，王瑞甫，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51