种植机器人制备种植窝时的温度感知钻针与自适应控制方法技术

一种种植机器人制备种植窝时的温度感知钻针，包括温度感知钻针本体，本体的一端为连接部，本体的另一端为钻尖端，所述本体为空心结构，空心内部划分为四个区域，分别为温感区、移动区、复位区、信号发生区以及密封及信号传导区，温感区内充填温敏石蜡或者其他热敏介质，移动区放置活塞，所述复位区放置复位弹簧，信号发生区放置信号发生器如RFID无线信号发生装置，密封及信号传导区充填了用于密封的密封材料并放置了用于传导信号的传导片。以及提供一种种植机器人制备种植窝时的温度感知钻针的自适应控制方法。本发明专利技术实时监测钻针温度，保证窝洞制备效率，同时在温度达到设定最高阙值时自动降低制备参数保证种植的温度安全，避免骨损伤。

【技术实现步骤摘要】
种植机器人制备种植窝时的温度感知钻针与自适应控制方法
本专利技术涉及口腔种植
，尤其是一种用于种植机器人制备种植窝时的温度感知钻针与温度自适应控制方法。
技术介绍
种植牙是目前缺牙的主要修复手段，是在缺牙区牙槽骨内通过手术植入人工种植体，并在骨组织与种植体紧密结合形成良好“骨结合”后，在其上连接基台和牙冠，以恢复患者口腔咀嚼、发音等功能。种植修复相较于传统的固定义齿和活动义齿修复具有无需磨削邻牙即可保持牙列缺损患者外形美观、恢复口腔正常咬合力和咀嚼功能等优点,因此，种植牙已成为缺牙修复的首选方式。被誉为人类的“第三副牙齿”。种植体与牙槽骨间形成良好“骨结合”是保证种植体长期稳定性进而提高种植修复成功率的核心。而种植窝洞中骨组织良好的活性是形成骨与种植体间良好“骨结合”的必要条件。口腔种植临床研究表明，当种植备孔时窝洞内的温度超过47度达到一分钟，将导致骨组织不可逆的灼伤坏死，从而使种植体与骨结合困难而导致种植失败。因引，在牙槽骨上钻削进行种植窝洞制备时必须对钻削温度进行控制。然而，目前临床上采用的自由手、静态导板和动态导航三种主要的种植操作技术，都需要医生凭手感完成窝洞制备操作。虽然静态导板和动态导航技术可以保证种植体植入后较高的几何位置精度，但由于缺乏实时的温度感知手段，这三种手术操作方式在温度控制方面只能依赖医生经验通过多次提拉钻头并冲冷却水进行降温，对窝洞内实际的冷却效果和骨组织的温度并无可靠的测量评估手段和准确控制的技术，既无法保证手术的成功率又影响手术效率。近年来，随着机器人的快速发展，其应用领域不断扩张，依靠着精准性、稳定性、安全性的特点，机器人在口腔种植领域的应用也得到了有效推动，2017年，美国的YOMI辅助式种植机器人系统获得FDA的批准，并已推广应用。口腔种植机器人能够不受人为因素干扰精准稳定的进行种植窝洞的制备，但是现有的口腔种植机器人主要关心的是种植精度的控制，而对于窝洞制备时的骨组织温度无过多关注，同样缺少有效的温度感知和控制手段。种植窝洞制备时，钻针深入骨组织内部，且旋转较快，常规的红外测温只能获取表面温度，而测温热电偶或电阻有导线连接到外部无法适应旋转工具的测温，因此目前对窝洞制备时骨-钻针界面的温度实时测量还缺少有效办法，即使在工业领域的钻削加工时，对孔内壁的温度也缺乏实时测量手段。如果将钻针加工成空心结构，并在其中加入能感知温度的热敏介质和相应的信号传输机构，将可以解决骨-钻针界面温度的实时感知问题。在各种热敏介质中，固体石蜡近年来受到较多关注。由于石蜡熔化为液体时，体积急剧增加11％-15％，当由液相返回固相时，又立刻发生相同量的体积收缩，这种固、液相间的体积的显著差异，结合石蜡的固、液相的自由可逆变化，已被用在发动机自控感温元件上，成为石蜡的一种很重要的新用途。同时，在熔点温度附近下，石蜡的体膨胀率与温度几乎呈线性规律变化，可以根据系统对温度的要求来选择不同熔点的石蜡。因此，如果石蜡作为空心钻针内的热敏温度感知介质，利用其体膨胀与温度线性关系，将可以有效实现种植机器人在窝洞预备时的温度感知。种植窝洞制备的实质是钻削加工，因此窝洞内的热与温度分布符合切削加工的热和温度理论。根据切削加工温度场理论，钻削热和温度分布与包括钻针转速、进给力、进给速度的钻削参数相关，因此通过实时的温度感知，并根据感知到的窝洞内温度相应调节窝洞制备的钻针参数，可实现窝洞内骨组织温度的自适应控制。
技术实现思路
为了解决口腔种植机器人在种植窝制备时，种植窝内骨组织的温度无法实时感知和有效控制，可能因为温度过高导致骨组织坏死，从而使种植体与骨之间形成骨结合困难而导致种植失败的情况，本专利技术提出了一种能够实时感知窝洞内骨组织温度的钻针以及温度自适应控制方法，使机器人系统在种植窝制备时，在安全温度范围内自动采用较高的转速、进给力、进给速度等制备参数以保证窝洞制备效率，同时在温度达到设定最高阙值时自动降低制备参数保证种植的温度安全。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种种植机器人制备种植窝时的温度感知钻针，包括温度感知钻针本体，本体的一端为连接部，本体的另一端为钻尖端，所述本体为空心结构，空心内部划分为四个区域，分别为温感区、移动区、复位区、信号发生区以及密封及信号传导区，所述温感区内充填温敏石蜡或者其他热敏介质，所述移动区放置活塞，所述复位区放置复位弹簧，所述信号发生区放置信号发生器如RFID无线信号发生装置，所述密封及信号传导区充填了用于密封的密封材料并放置了用于传导信号的传导片。进一步，所述温感区充填的石蜡的熔点在低于钻针最高允许温度的15％-30％范围内，以便石蜡驱动器尽可能工作在相变区，有较好的工作性能。再进一步，为了提高整体控温精度，对所述复位区中放置的复位弹簧进行预压缩，且复位弹簧一直处于弹性限度内。更进一步，所述密封及传导区充填的密封材料是密封油，或者其他任何适宜的材料。一种种植机器人制备种植窝时的温度感知钻针的自适应控制方法，构建了种植窝洞内的骨组织温度与制备参数之间的数学模型，当信号接收器接收到的温度在安全范围设定下限时，根据数学模型提供的信息，自动调高制备参数，获得较高的窝洞制备效率；当信号接收器接收到的温度在达到安全范围设定上限时，自动调低制备参数，保证窝洞内骨组织温度安全。进一步，所述种植窝洞内的骨组织温度与制备参数之间的数学模型中的制备参数包括钻针转速、进给力以及进给速度。本专利技术的有益效果主要表现在：可以实时监测钻针温度，在安全温度范围内自动采用较高的转速、进给力、进给速度等制备参数以保证窝洞制备效率，同时在温度达到设定最高阙值时自动降低制备参数保证种植的温度安全，避免骨损伤。附图说明图1为温度感知钻针结构示意图。图2为温度感知钻针结构剖面示意图。图3为本专利技术整体工作示意图。图中：1本体、2连接部、3钻尖端、11温感区、12移动区、13复位区、14信号发生区、15密封及信号传导区、111温敏石蜡、121活塞、131复位弹簧、141信号发生器、151密封材料、152信号传导片、31接收器、32温度-窝洞制备参数数学模型、33自适应控制系统、4自适应控制部分、5颌骨。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述。参照图1～图3，一种种植机器人制备种植窝时的温度感知钻针，包括温度感知钻针本体1，本体的一端为连接部2，本体的另一端为钻尖端3，所述本体1为空心结构，空心内部划分为四个区域，分别为温感区11、移动区12、复位区13、信号发生区14以及密封及信号传导区15，所述温感区11内充填温敏石蜡111，所述移动区12放置活塞121，所述复位区13放置复位弹簧131，所述信号发生区14放置信号发生器144，所述密封及信号传导区15充填了用于密封的密封材料151并放置了用于传导信号的传导片152。所述四个区域分别行使不同的功能，实现温度信号的传递。所述温感区11充填的石蜡111的熔点在低于钻针最高允许温度的15本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种种植机器人制备种植窝时的温度感知钻针，包括温度感知钻针本体，本体的一端为连接部，本体的另一端为钻尖端，其特征在于，所述本体为空心结构，空心内部划分为四个区域，分别为温感区、移动区、复位区、信号发生区以及密封及信号传导区，所述温感区内充填温敏石蜡或者其他热敏介质，所述移动区放置活塞，所述复位区放置复位弹簧，所述信号发生区放置信号发生器如RFID无线信号发生装置，所述密封及信号传导区充填了用于密封的密封材料并放置了用于传导信号的传导片。/n

【技术特征摘要】
1.一种种植机器人制备种植窝时的温度感知钻针，包括温度感知钻针本体，本体的一端为连接部，本体的另一端为钻尖端，其特征在于，所述本体为空心结构，空心内部划分为四个区域，分别为温感区、移动区、复位区、信号发生区以及密封及信号传导区，所述温感区内充填温敏石蜡或者其他热敏介质，所述移动区放置活塞，所述复位区放置复位弹簧，所述信号发生区放置信号发生器如RFID无线信号发生装置，所述密封及信号传导区充填了用于密封的密封材料并放置了用于传导信号的传导片。


2.如权利要求1所述的种植机器人制备种植窝时的温度感知钻针，其特征在于，所述温感区充填的石蜡的熔点在低于钻针最高允许温度的15％-30％范围内，以便石蜡驱动器工作在相变区。


3.如权利要求1或2所述的种植机器人制备种植窝时的温度感知钻针，其特征在于，对所述复...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘云峰，袁子茜，阚天舒，程康杰，姜献峰，董星涛，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33