一种高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，通过研究人体口颌系统生理结构及冗余驱动特性，包括下颌肌肉、骨骼与颞下颌关节等，综合考虑咀嚼肌肉及颞下颌关节的特点，设计出一种高副约束的绳驱动的空间冗余驱动并联机构。其中六条UPS绳驱动支链模拟口颌系统起主要作用的六条肌肉，分别是左右两侧咬肌、颠肌、翼外肌。两个点接触高副代表颞下颌关节，结构左右对称，仿生度高。UPS绳驱动支链在运动过程中不会发生驱动支链的摆动问题，解决了其他驱动机构模拟肌肉易产生力作用线不一致的问题。同时电机放在支链之外减轻了直线驱动机构的重量和体积。本发明专利技术在牙科学、食品科学、生物力学与假肢修复等学科中具有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人
本专利技术涉及仿生机器人领域，具体涉及一种高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人。
技术介绍
仿生口颌机器人既可以模拟下颌与颞下颌关节运动，又可以再现牙齿咬合力与颞下颌关节受力，并可以通过体外模拟方式对假体材料进行定量的测试，因此，仿生口颌机器人越来越多的应用于新材料、新设计的义齿和颞下颌关节假体性能测试中。在仿生口颌机器人设计与研究中，针对各自应用领域都采用了相应的机构完成所需功能，然而机构仍存在一定的仿生性缺陷，具体如下：限于驱动与传动系统过于庞大笨重，驱动力的方向无法与咀嚼肌肉力作用线相一致，造成受力的仿生性下降；有些仿生口颌机器人虽然考虑了颞下颌关节结构，但主要是进行简单的结构模拟，人类口颌系统本身所具有的冗余驱动特性在已有机构中并没有体现，颞下颌关节的生理结构及其冗余驱动特性容易被忽略，导致颞下颌关节所起的力调节作用无法体现，颞下颌关节受力、咬合力与肌肉驱动力的相互作用无法体现，无法真实再现咀嚼运动过程中咬合力与颞下颌关节受力。因此，如果需要更加仿生的下颌受力与运动，则需要对口颌系统驱动形式进行重新设计。
技术实现思路
本专利技术基于人体口颌系统生理结构和颞下颌关节运动特点，提出一种含有高副约束的、四自由度六驱动的、绳驱动的并联仿生口颌机器人。UPS绳驱动支链采用线性运动单元，使得动力单元(电机等)可以放在支链之外，减轻了传统直线驱动机构的重量，结构也更加紧凑，解决现有仿生口颌机器人模拟肌肉伸缩造成的摆动问题。本专利技术的技术方案如下：一种高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，包括：上颌静平台，通过中间连接件与固定安装的关节面安装板连接；下颌动平台，位于所述上颌静平台下方，下颌动平台的两侧对称设有下颌侧板；以及三组UPS绳驱动支链，所述三组UPS绳驱动支链设于所述下颌动平台及上颌静平台的周围，用于分别模仿人体颞肌、咬肌和翼外肌三组肌肉，每组UPS绳驱动支链包括结构相同且安装位置对称的两条，每条所述UPS绳驱动支链的结构包括一可沿直线运动的驱动单元，每个驱动单元通过驱动绳连接有一动力单元；对应于所述颞肌、咬肌的UPS绳驱动支链中的所述驱动单元，一端和与其对应侧的所述下颌侧板球副连接，另一端和固设于所述下颌动平台及上颌静平台周围的固定架转动连接；对应于所述翼外肌的UPS绳驱动支链中的所述驱动单元，一端和与其对应侧的所述下颌侧板球副连接，另一端和所述上颌静平台转动连接。还包括仿颞下颌结构的髁突高副(Higherkinematicpair，HKP)机构，其对称设置在所述下颌动平台的两侧，每侧的结构包括仿生髁突和仿生关节面，所述仿生髁突一端和所述仿生关节面点接触连接，另一端和与其对应侧的所述下颌侧板固定连接。仿生关节面与所述关节面安装板固定连接，仿生关节面上开有导向曲面滑槽，仿生髁突上设有与所述导向曲面滑槽配合的圆球端。所述中间连接件一端与所述关节面安装板中部连接，另一端沿竖直方向安装所述上颌静平台，所述下颌动平台上表面设有对接于所述上颌静平台下方的仿生下颌骨。三组UPS绳驱动支链分别包括两条颞肌绳驱动支链、两条翼外肌绳驱动支链和两条咬肌绳驱动支链，且每组的两条绳驱动支链的驱动单元关于下颌动平台及上颌静平台对称设置。所述驱动单元采用绳驱动装置，其两端分别设有球副连接轴和万向节，所述动力单元采用驱动电机。每条颞肌绳驱动支链的绳驱动装置的安装结构为：一端的球副连接轴与固设于下颌侧板上部的连接块一球副连接，另一端的万向节通过一连接块四与用于安装对应驱动电机的第一电机支撑台连接；每条咬肌绳驱动支链的绳驱动装置的安装结构为：一端的球副连接轴与固设于下颌侧板下部的连接块二球副连接，另一端的万向节通过一连接块四与用于安装对应驱动电机的第二电机支撑台连接；每条翼外肌绳驱动支链的绳驱动装置的安装结构为：一端的球副连接轴与固设于下颌侧板上部的连接块三球副连接，另一端的万向节通过一连接块四与上颌静平台连接。每个驱动电机的输出端通过联轴器连接有线轮。所述第一电机支撑台通过支撑斜板安装在所述第二电机支撑台上。与两条翼外肌绳驱动支链的绳驱动装置连接的两个驱动电机，分别安装在第三电机支撑台和第四电机支撑台上，所述第三电机支撑台通过支撑斜板安装在所述第四电机支撑台上。本专利技术采用的“UPS绳驱动支链”中“UPS”为仿生机器人
中专用名词，表示具有U、P、S三种形式自由度的驱动链结构。本专利技术采用的线性运动单元的内部结构和工作原理，在本申请人在先专利申请“一种低惯量高刚度绳索驱动直线运动装置”(公开号CN110862035A)中已经充分公开，具有重量轻、惯性低、刚度高的优点。本专利技术技术方案的有益效果如下：本专利技术的仿生口颌机器人利用UPS绳驱动支链在运动过程中不会发生驱动支链的摆动问题，解决了其他驱动机构模拟肌肉易产生力作用线不一致的问题，从而极大地提高了仿生度。同时，本专利技术还具有如下优点：设计了三组共6条UPS支链模拟口颌系统起主要作用的6组肌肉，能更好的模拟人体口颌系统运动情况。UPS绳驱动支链采用线性运动单元，使得电机可以放在支链之外，不仅解决现有仿生口颌机器人模拟肌肉伸缩造成的摆动问题，而且减轻了传统直线驱动机构的重量，结构也更加紧凑；考虑颞下颌关节的生理结构及其冗余驱动特性，设计了点接触高副髁突结构，即将颞下颌关节所起的力调节作用纳入机器人结构中，体现出颞下颌关节受力、咬合力与肌肉驱动力的相互作用，从而可模拟人类颞下颌关节对下颌受力和运动轨迹的影响，达到更好的仿生效果。附图说明图1为本专利技术的立体结构示意图。图2为本专利技术下颌动平台、上颌静平台以及髁突高副机构的安装结构示意图。图3为本专利技术单侧颞肌绳驱动支链、咬肌绳驱动支链的安装结构示意图。图4为本专利技术翼外肌绳驱动支链的安装结构示意图。图中：s1、颞肌绳驱动支链；s2、翼外肌绳驱动支链；s3、咬肌绳驱动支链；1、第二电机支撑台；2、第三电机支撑台；3、第四电机支撑台；4、电机支撑腿；5、高副支撑腿；6、仿生髁突；7、仿生关节面；8、上颌静平台；9、下颌动平台；10、关节面安装板；11、连接块三；12、连接块一；13、中间连接件；14、下颌侧板；15、连接块二；16、仿生下颌骨；17、线轮；18、连接块四；19、万向节；20、绳驱动装置；21、球副连接轴；22、联轴器；23、驱动电机；24、第一电机支撑台；61、圆球端；71、导向曲面滑槽。具体实施方式以下结合附图说明本专利技术的具体实施方式。如图1和图2所示，本实施例的高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，包括：上颌静平台8，通过中间连接件13与固定安装的关节面安装板10连接；下颌动平台9，位于上颌静平台8下方，下颌动平台9的两侧对称设有下颌侧板14；以及三组UPS绳驱动支链，三组UPS绳驱动支链设于下颌动平台9及上颌静平台8的周围，用于分别模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，其特征在于，包括：/n上颌静平台(8)，通过中间连接件(13)与固定安装的关节面安装板(10)连接；/n下颌动平台(9)，位于所述上颌静平台(8)下方，下颌动平台(9)的两侧对称设有下颌侧板(14)；/n以及三组UPS绳驱动支链，所述三组UPS绳驱动支链设于所述下颌动平台(9)及上颌静平台(8)的周围，分别用于模仿人体颞肌、咬肌和翼外肌三组肌肉，每组UPS绳驱动支链包括结构相同且安装位置对称的两条，每条所述UPS绳驱动支链的结构均包括一可沿直线运动的驱动单元，每个驱动单元通过驱动绳连接有一动力单元；/n对应于所述颞肌、咬肌的UPS绳驱动支链中的所述驱动单元，一端和与其对应侧的所述下颌侧板(14)球副连接，另一端和固设于所述下颌动平台(9)及上颌静平台(8)周围的固定架转动连接；/n对应于所述翼外肌的UPS绳驱动支链中的所述驱动单元，一端和与其对应侧的所述下颌侧板(14)球副连接，另一端和所述上颌静平台(8)转动连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，其特征在于，包括：
上颌静平台(8)，通过中间连接件(13)与固定安装的关节面安装板(10)连接；
下颌动平台(9)，位于所述上颌静平台(8)下方，下颌动平台(9)的两侧对称设有下颌侧板(14)；
以及三组UPS绳驱动支链，所述三组UPS绳驱动支链设于所述下颌动平台(9)及上颌静平台(8)的周围，分别用于模仿人体颞肌、咬肌和翼外肌三组肌肉，每组UPS绳驱动支链包括结构相同且安装位置对称的两条，每条所述UPS绳驱动支链的结构均包括一可沿直线运动的驱动单元，每个驱动单元通过驱动绳连接有一动力单元；
对应于所述颞肌、咬肌的UPS绳驱动支链中的所述驱动单元，一端和与其对应侧的所述下颌侧板(14)球副连接，另一端和固设于所述下颌动平台(9)及上颌静平台(8)周围的固定架转动连接；
对应于所述翼外肌的UPS绳驱动支链中的所述驱动单元，一端和与其对应侧的所述下颌侧板(14)球副连接，另一端和所述上颌静平台(8)转动连接。


2.根据权利要求1所述的高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，其特征在于，还包括仿颞下颌结构的髁突高副机构，其对称设置在所述下颌动平台(9)的两侧，每侧的结构包括仿生髁突(6)和仿生关节面(7)，所述仿生髁突(6)一端和所述仿生关节面(7)点接触连接，另一端和与其对应侧的所述下颌侧板(14)固定连接。


3.根据权利要求2所述的高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，其特征在于，仿生关节面(7)与所述关节面安装板(10)固定连接，仿生关节面(7)上开有导向曲面滑槽(71)，仿生髁突(6)上设有与所述导向曲面滑槽(71)配合的圆球端(61)。


4.根据权利要求3所述的高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，其特征在于，所述中间连接件(13)一端与所述关节面安装板(10)中部连接，另一端沿竖直方向安装所述上颌静平台(8)，所述下颌动平台(9)上表面设有对接于所述上颌静平台(8)下方的仿生下颌骨(16)。


5.根据权利要求1-4之一所述的高副约束的绳驱动并联仿生口颌机器人，...

【专利技术属性】
技术研发人员：温海营，于继勇，张志胜，戴敏，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32