一种用于义齿性能测试的仿生咀嚼机器人及使用方法技术

本发明专利技术公开了一种用于义齿性能测试的仿生咀嚼机器人及使用方法，属于仿生机器人技术领域。本发明专利技术包括机器人机械本体结构和控制系统两部分，其中咀嚼机器人机械本体包括主体支架、支架外部左右对称布置的6条规格一致的驱动支链、支架内部前下方的下颌结构、支架内部前上方的上颌结构以及支架内部后方的恒温唾液滴注系统组成。本发明专利技术可提供一种仿生颞下颌关节具有弹性、牙模夹具定位夹紧可靠、恒温唾液加湿充分、牙模测试部分可拆换、控制系统集成度高的咀嚼机器人，满足义齿性能测试规范对测试装备提出的要求。

A bionic chewing robot for denture performance test and its application method

【技术实现步骤摘要】
一种用于义齿性能测试的仿生咀嚼机器人及使用方法
本专利技术属于仿生机器人
，涉及一种用于义齿性能测试的仿生咀嚼机器人及使用方法。
技术介绍
义齿性能测试规范要求测试装备能够提供仿生度尽可能高的咀嚼轨迹、咬合力和口腔环境，而咀嚼机器人就是一种用于模仿人类咀嚼行为的专用机器人，因此，服务于义齿性能测试领域已成为咀嚼机器人场景应用的热点。咀嚼机器人主要由驱动机构、牙模及其夹具、仿生口腔环境和控制系统等组成。当面向不同的应用场景时，咀嚼机器人需要对系统各组成部件进行针对性优化设计，义齿性能测试场景亦不例外。近年来，仿生颞下颌关节的设计成为咀嚼机器人机构优化设计的热点。目前主要有双面刚性约束与单面刚性约束两种方式。双面刚性约束是将髁突简化为球体，将颞骨关节面简化为贯通式滑道。此时滑道上曲面或下曲面为对运动不起独立限制作用的虚约束。尽管虚约束能在不影响机构运动的前提下增加机构的刚性，改善其受力状况，但是由于虚约束对机构的几何条件要求较高，对机构的加工和装配精度提出了较高的要求。单面刚性约束导致髁突易于脱离颞骨关节面。以上情况均容易造成关节受力与整机功率的非规律性波动。义齿测试过程中要求牙模能够准确地定位与夹紧。目前，关于牙模夹具的公开专利集中在牙模的三维测量领域。专利《一种便于拆装的牙齿扫描仪牙模夹具安装结构》(申请号：201220414223.9)所述夹具底座的中心设有定位凸台与牙模中增设的定位孔套相配合，起安装定位作用，并通过多个磁铁紧紧吸住牙模。但对于义齿测试领域而言，测试过程中牙模受力较大，因此并不适合采用磁力吸附的方式。专利《一种牙颌模型测量装置》(申请号：201110088369.9)由于牙模自身侧面缺少准确的定位平面，增加方形的牙模底座，将对牙模的侧面定位夹紧问题转换为对牙模底座的侧面定位夹紧，但是牙模厚度也因此增加了近一倍。因此，现有咀嚼机器人的牙模定位装置难以在不增设底座的情况下实现牙模可靠定位夹紧。口腔内温湿度条件是影响义齿力学性能的重要因素。目前，仿生口腔环境一般通过水浴式、喷射式和滴注式等方式实现对牙模的加湿，同时使用温度控制器、升温装置和降温装置进行口腔温度的自动控制。专利《一种模拟口腔消化的装置及使用方法》(申请号：201310607162.7)使用蠕动泵将唾液输送至模拟口腔消化的反应器中，反应器置于水浴锅中。当采用水浴方案时，由于唾液是非循环式的，所以需要直接在水浴池内进行唾液温度控制，这就要求水浴池内唾液达到一定的容积要求，对于咀嚼机器人紧凑且处于运动状态的下颌结构而言，难以提供满足容积要求的水浴池。专利《口腔环境模拟试验机》(申请号：201210306950.8)使用液压泵结合扇形喷嘴实现唾液的喷射，同时使用空气加热棒和微型制冷压缩机构成唾液温度控制控制单元。然而，喷射方案要求附加液压泵、喷射液回收装置和封闭喷射空间。当喷射空间较小时，易于产生较明显的喷射冲击，从而影响义齿表面测试结果的客观性；当喷射空间较大时，测试结束后将花费较长的清洁时间。专利《基于耦合仿生的食品脆性测试仪及测试方法》(申请号：201310568107.1)使用蠕动泵和刺有小孔的输液管进行唾液的滴注，同时使用口腔内温度传感器检测温度，反馈至温度控制器，由其输出指令，控制自动控温带的温度。尽管采用了滴注的方案，但是依然缺少唾液回收装置，未能形成唾液循环系统，同时温度控制的对象为下颌骨而非唾液，意味着下颌骨中的牙模与唾液之间将存在温差，产生影响牙科材料性能的热冲击。因此，现有口腔环境模拟装置并不能为义齿测试提供满足要求的温湿度环境。义齿性能测试涉及进行多次重复性实验，这要求咀嚼机器人在实验对象的处理与控制流程的自动化上做出针对性的设计。一方面，牙模非义齿测试牙位存在制造浪费；另一方面，对控制系统的简便性和集成度提出要求。然而，目前咀嚼机器人的运动控制器、唾液温度控制器和唾液流量控制器等之间缺乏联系。其中，蠕动泵与温度控制器主要依靠手动启停和手动设置温度与流量，未能实现全自动化。因此，现有咀嚼机器人在仿生颞下颌关节、牙模及其夹具、口腔环境、控制系统集成等方面存在问题，缺乏针对性的设计，不能很好地满足义齿性能测试的需要。
技术实现思路
本专利技术针对现有仿生咀嚼机器人存在的问题，提供一种颞下颌关节结构具备弹性、牙模夹具定位夹紧可靠、恒温唾液加湿充分、牙模测试部分可拆换、控制系统集成度高的咀嚼机器人。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种用于义齿性能测试的仿生咀嚼机器人，包括咀嚼机器人机械本体和控制系统两部分。所述的咀嚼机器人机械本体包括主体支架1、支架外部左右对称布置的6条规格一致的驱动支链2、支架内部前下方的下颌结构3、支架内部前上方的上颌结构4、支架内部后上方的恒温唾液滴注系统5和上下颌结构3、4之间的牙模组件6。所述的主体支架1包括水平底板101、侧面布置的6个支撑板102和水平顶板103。底板101分别与驱动支链2的电机安装板202和减速箱组件204之间进行连接。支撑板102与驱动支链2的单轴组件206背部相连接。顶板103从后至前依次与蠕动泵吊装组件503、唾液瓶吊装组件506与上颌主体吊装板401之间进行连接。所述的驱动支链2包括水平朝向的电机201及其安装板202、联轴器A203、用于改变传动方向的锥齿轮减速箱组件204、联轴器B205、垂直朝向的单轴组件206、滑块转接件207、胡克铰208、杆件209和杆端关节轴承210。驱动支链合计六组，分别为右侧咬肌驱动支链、左侧咬肌驱动支链、右侧颞肌驱动支链、左侧颞肌驱动支链、右侧翼外肌驱动支链、左侧翼外肌驱动支链。电机201输出旋转运动与扭矩，与安装板202之间固定连接。联轴器A203两侧分别与电机输出轴、减速箱组件204输入轴固定连接。联轴器B205两侧分别与减速箱组件204输出轴、单轴组件206输入轴固定连接。滑块转接件207与单轴组件206的滑块固定连接的同时，与胡克铰208的一端固定连接。胡克铰208的另一端与杆件209的一端固定连接。杆件209的另一端与杆端关节轴承210固定连接。所述的下颌结构3包括主体结构件301、咬肌连接块302、颞肌连接块303、翼外肌连接块304、弹性元件305和髁杆306。对于右侧咬肌驱动支链，所述主体结构件301的右侧板通过咬肌连接块302与驱动支链2的杆端关节轴承210连接，同理，右侧颞肌驱动支链为右侧板与颞肌连接块303，右侧翼外肌驱动支链为右侧板与翼外肌连接块304，左侧驱动支链为左侧板与各连接块。左右侧板上方设置有弹性髁突结构，由弹性元件305和髁杆306组成，与颞骨关节窝结构402共同构成新型的弹性颞下颌关节结构。所述髁杆306由上部半球体、中部圆盘与下部细长轴组成，髁杆306半球体与颞骨关节窝结构402形成点接触高副；细长轴与下颌主体结构件301左右侧板顶面开孔形成导向机构；弹性元件305套于髁杆306细长轴，弹性元件305两端受髁杆306中部圆盘与侧板顶面挤压。所述主体结构件301上方前端安本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于义齿性能测试的仿生咀嚼机器人，其特征在于，所述的仿生咀嚼机器人包括咀嚼机器人机械本体和控制系统两部分；/n所述的咀嚼机器人机械本体包括主体支架(1)、支架外部左右对称布置的6组规格一致的驱动支链(2)、支架内部前下方的下颌结构(3)、支架内部前上方的上颌结构(4)、支架内部后上方的恒温唾液滴注系统(5)和上下颌结构(3)、(4)之间的牙模组件(6)；/n所述的主体支架(1)包括水平底板(101)、侧面布置的6个支撑板(102)和水平顶板(103)；底板(101)分别与驱动支链(2)的电机安装板(202)和减速箱组件连接；支撑板(102)与驱动支链(2)的单轴组件(206)背部连接；顶板(103)从后至前依次与蠕动泵吊装组件(503)、唾液瓶吊装组件(506)与上颌主体吊装板(401)连接；/n所述的驱动支链(2)包括水平朝向的电机(201)及其安装板(202)、联轴器A(203)、用于改变传动方向的锥齿轮减速箱组件(204)、联轴器B(205)、垂直朝向的单轴组件(206)、滑块转接件(207)、胡克铰(208)、杆件(209)和杆端关节轴承(210)；六组驱动支链(2)分别为右侧咬肌驱动支链、左侧咬肌驱动支链、右侧颞肌驱动支链、左侧颞肌驱动支链、右侧翼外肌驱动支链、左侧翼外肌驱动支链；所述的联轴器A(203)两侧分别与电机输出轴、减速箱组件(204)输入轴固定连接；所述的联轴器B(205)两侧分别与减速箱组件(204)输出轴、单轴组件(206)输入轴固定连接；所述的滑块转接件(207)与单轴组件(206)的滑块固定连接的同时，与胡克铰(208)一端固定连接；胡克铰(208)另一端与杆件(209)一端固定连接，杆件(209)另一端与杆端关节轴承(210)固定连接；/n所述的下颌结构(3)包括主体结构件(301)、咬肌连接块(302)、颞肌连接块(303)、翼外肌连接块(304)、弹性元件(305)和髁杆(306)；对于右侧咬肌驱动支链，主体结构件(301)的右侧板通过咬肌连接块(302)与驱动支链(2)的杆端关节轴承(210)连接，同理，右侧颞肌驱动支链为右侧板与颞肌连接块(303)，右侧翼外肌驱动支链为右侧板与翼外肌连接块(304)，左侧驱动支链为左侧板与各连接块；左右侧板上方设置弹性髁突结构，包括弹性元件(305)和髁杆(306)，弹性元件(305)套于髁杆(306)细长轴，髁杆(306)与颞骨关节窝结构(402)构成弹性颞下颌关节结构；所述主体结构件(301)上方前端安装有牙模组件(6)，下方连接有惯性测量单元(702)；/n所述的上颌结构(4)包括主体吊装板(401)、颞骨关节窝结构(402)、力传感器过渡板(403)；所述主体吊装板(401)底面前部与六维力传感器(703)安装面连接，后部与颞骨关节窝结构(402)连接；力传感器过渡板(403)上表面与六维力传感器(703)工具面连接，下表面与牙模组件(6)连接；/n所述的牙模组件(6)包括牙模非测试件(601)、牙模测试件(602)、牙模夹具基座(603)、牙模夹具活动件(604)和紧定螺钉(605)；对标准牙模的三维几何模型进行预处理，沿牙弓舌侧切割出夹紧a面，唇颊侧切割出定位b面；其中，后牙区切割出平面，前牙区切割出弧面；在a面与b面过渡的区域切割出非功能性的c面；在模型底部水平切割出定位d面；围绕待测牙位，将牙模几何模型拆分为非测试件(601)与测试件(602)，使用3D打印技术制造，两者之间采用自攻螺钉连接；所述牙模夹具基座(603)为一块近似半圆形平板，在弧线段设置两处与牙模b面相适应的方形凸起，提供牙模定位面B1与B2；在直线段设置第三处方形凸起，并于侧面开螺纹孔，拧入紧定螺钉(605)，用于向弧线段方向提供牙模夹紧力；所述牙模夹具梯形活动件(604)位于牙弓内侧，梯形斜边平面A1与A2，分别与牙模牙弓内侧平面a面接触，紧定螺钉(605)与梯形长边平面接触；/n所述的恒温唾液滴注系统(5)包括回流蠕动泵(501)、进流蠕动泵(502)、蠕动泵吊装组件(503)、透明的唾液瓶(504)、筒式加热棒(505)、唾液瓶吊装组件(506)、进流软管(507)、回流软管(508)、软管末段固定板(509)、下颌唾液槽(510)；所述蠕动泵(501)、(502)用于挤压软管内唾液向泵头旋转方向输送；所述蠕动泵吊装组件(503)与顶板(103)固定连接，沿垂直方向开矩形孔，套住回流蠕动泵(501)与进流蠕动泵(502)的外周，并进行固定；所述唾液瓶(504)的瓶盖开有均匀四孔，分别用于布置温度传感器(704)、筒式加热棒(505)、进流软管(507)、回流软管(508)；所述筒式加热棒(505)浸入唾液内，对其进行升温；所述唾液瓶吊装组件(506)包括矩形...

【技术特征摘要】
1.一种用于义齿性能测试的仿生咀嚼机器人，其特征在于，所述的仿生咀嚼机器人包括咀嚼机器人机械本体和控制系统两部分；
所述的咀嚼机器人机械本体包括主体支架(1)、支架外部左右对称布置的6组规格一致的驱动支链(2)、支架内部前下方的下颌结构(3)、支架内部前上方的上颌结构(4)、支架内部后上方的恒温唾液滴注系统(5)和上下颌结构(3)、(4)之间的牙模组件(6)；
所述的主体支架(1)包括水平底板(101)、侧面布置的6个支撑板(102)和水平顶板(103)；底板(101)分别与驱动支链(2)的电机安装板(202)和减速箱组件连接；支撑板(102)与驱动支链(2)的单轴组件(206)背部连接；顶板(103)从后至前依次与蠕动泵吊装组件(503)、唾液瓶吊装组件(506)与上颌主体吊装板(401)连接；
所述的驱动支链(2)包括水平朝向的电机(201)及其安装板(202)、联轴器A(203)、用于改变传动方向的锥齿轮减速箱组件(204)、联轴器B(205)、垂直朝向的单轴组件(206)、滑块转接件(207)、胡克铰(208)、杆件(209)和杆端关节轴承(210)；六组驱动支链(2)分别为右侧咬肌驱动支链、左侧咬肌驱动支链、右侧颞肌驱动支链、左侧颞肌驱动支链、右侧翼外肌驱动支链、左侧翼外肌驱动支链；所述的联轴器A(203)两侧分别与电机输出轴、减速箱组件(204)输入轴固定连接；所述的联轴器B(205)两侧分别与减速箱组件(204)输出轴、单轴组件(206)输入轴固定连接；所述的滑块转接件(207)与单轴组件(206)的滑块固定连接的同时，与胡克铰(208)一端固定连接；胡克铰(208)另一端与杆件(209)一端固定连接，杆件(209)另一端与杆端关节轴承(210)固定连接；
所述的下颌结构(3)包括主体结构件(301)、咬肌连接块(302)、颞肌连接块(303)、翼外肌连接块(304)、弹性元件(305)和髁杆(306)；对于右侧咬肌驱动支链，主体结构件(301)的右侧板通过咬肌连接块(302)与驱动支链(2)的杆端关节轴承(210)连接，同理，右侧颞肌驱动支链为右侧板与颞肌连接块(303)，右侧翼外肌驱动支链为右侧板与翼外肌连接块(304)，左侧驱动支链为左侧板与各连接块；左右侧板上方设置弹性髁突结构，包括弹性元件(305)和髁杆(306)，弹性元件(305)套于髁杆(306)细长轴，髁杆(306)与颞骨关节窝结构(402)构成弹性颞下颌关节结构；所述主体结构件(301)上方前端安装有牙模组件(6)，下方连接有惯性测量单元(702)；
所述的上颌结构(4)包括主体吊装板(401)、颞骨关节窝结构(402)、力传感器过渡板(403)；所述主体吊装板(401)底面前部与六维力传感器(703)安装面连接，后部与颞骨关节窝结构(402)连接；力传感器过渡板(403)上表面与六维力传感器(703)工具面连接，下表面与牙模组件(6)连接；
所述的牙模组件(6)包括牙模非测试件(601)、牙模测试件(602)、牙模夹具基座(603)、牙模夹具活动件(604)和紧定螺钉(605)；对标准牙模的三维几何模型进行预处理，沿牙弓舌侧切割出夹紧a面，唇颊侧切割出定位b面；其中，后牙区切割出平面，前牙区切割出弧面；在a面与b面过渡的区域切割出非功能性的c面；在模型底部水平切割出定位d面；围绕待测牙位，将牙模几何模型拆分为非测试件(601)与测试件(602)，使用3D打印技术制造，两者之间采用自攻螺钉连接；所述牙模夹具基座(603)为一块近似半圆形平板，在弧线段设置两处与牙模b面相适应的方形凸起，提供牙模定位面B1与B2；在直线段设置第三处方形凸起，并于侧面开螺纹孔，拧入紧定螺钉(605)，用于向弧线段方向提供牙模夹紧力；所述牙模夹具梯形活动件(604)位于牙弓内侧，梯形斜边平面A1与A2，分别与牙模牙弓内侧平面a面接触，紧定螺钉(605)与梯形长边平面接触；
所述的恒温唾液滴注系统(5)包括回流蠕动泵(501)、进流蠕动泵(502)、蠕动泵吊装组件(503)、透明的唾液瓶(504)、筒式加热棒(505)、唾液瓶吊装组件(506)、进流软管(507)、回流软管(508)、软管末段固定板(509)、下颌唾液槽(510)；所述蠕动泵(501)、(502)用于挤压软管内唾液向泵头旋转方向输送；所述蠕动泵吊装组件(503)与顶板(103)固定连接，沿垂直方向开矩形孔，套住回流蠕动泵(501)与进流蠕动泵(502)的外周，并进行固定；所述唾液瓶(504)的瓶盖开有均匀四孔，分别用于布置温度传感器(704)、筒式加热棒(505)、进流软管(507)、回流软管(508)；所述筒式加热棒(505)浸入唾液内，对其进行升温；所述唾液瓶吊装组件(506)包括矩形托盘和固定于托盘四周的吊装板，矩形托盘放置唾液...

【专利技术属性】
技术研发人员：丛明，秦文龙，刘冬，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21