CN102626348B - 一种仿下颌运动机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿下颌运动机器人，属于仿生机器人技术领域，可为牙科学、食品科学、生物力学的研究提供科学手段。该仿下颌运动机器人包括静平台、六个驱动装置、六条运动支链和下颌平台。驱动装置由电机和滚珠丝杠副传动***组成，驱动六条运动支链实现下颌平台在三维空间内的运动。本发明综合考虑了人体下颌***尺寸参数和下颌肌肉驱动***生物力学特性，可真实再现人类下颌运动功能和咀嚼环境，满足运动轨迹真实性和咬合力度合理性要求。
Description
技术领域
本发明属于仿生机器人技术领域，涉及一种仿下颌运动机器人。
背景技术
仿下颌运动机器人的研究始于20世纪90年代初期，是一类可以模拟人类下颌运动行为，再现人类下颌运动和力的机器人。它是集机构学、运动学、动力学、感知***、运动控制、生物力学及机械电子学等多项技术于一体的工程科学，可直接应用于牙科学、食品科学、生物力学等学科研究领域。
国内在仿下颌运动机器人领域的研究很少，本专利申请者曾提出一种拟人化的柔索驱动冗余并联咀嚼机器人，该机构采用柔索驱动，具有较好的柔顺性。国外研究开展的较早，在机构设计、关节驱动、运动学分析与控制等领域取得了一些研究成果，但在机构的仿生性方面存在不足。美国专利US6120290公开了一种下颌运动模拟器，该机构包括六条运动支链，支链下端与固定平台上的电机相连，上端与末端执行器(下颌平台)相连，通过电机转动实现下颌平台的运动，由于该机构的支链与固定平台和下颌平台的连接点在一个平面上，没有考虑人类下颌***肌肉的生物力学特性，不能真实仿生下颌的运动学功能。
目前的仿下颌运动机器人大部分只考虑了上下颌运动，没有考虑下颌***驱动肌肉的生物力学特征，只能实现部分咀嚼功能，以致不能全面真实地再现下颌运动功能和咀嚼环境，无法准确地模拟人类下颌***的生物力学特征。
发明内容
本发明针对人类下颌***驱动肌肉存在分布不对称、作用力方向不同以及与上下颌的连接点不共面的生物力学特性，基于机械仿生原理，提出一种基于6-PSS并联机构的仿下颌运动机器人。与同类机器人相比较，该机器人可真实再现人类下颌运动功能和咀嚼环境，满足运动轨迹真实性和咬合力度合理性要求，解决仿生性不高的问题。
本发明的技术方案是：
该仿下颌运动机器人包括静平台、六个驱动装置、六条运动支链和下颌平台。
所述静平台，包括电机支撑板、上平台支撑板、下平台支撑板、定长杆。六根定长杆根据驱动肌肉与上颌连接点位置分布，定长杆两端分别与上平台支撑板和下平台支撑板采用内六角螺钉固定连接，电机支撑板上有螺纹孔，与上平台支撑板连接，静平台用于支撑和承载整个机器人的重量。
所述六个驱动装置，包括电机、联轴器、滚珠丝杠、丝杠螺母、关节连接块、工作台、垫块、滑块、导轨、圆锥滚子轴承和轴承座。电机固定在电机支撑板上，并通过联轴器与丝杠连接；滚珠丝杠的下轴头通过两个圆锥滚子轴承和丝杠下轴头螺母与丝杠轴承座固定连接，丝杠轴承座通过螺钉固定在静平台的定长杆上；丝杠螺母与工作台通过内六角螺钉固定连接，工作台通过垫块与导轨上的滑块固定连接，导轨固定连接在定长杆上；工作台上的关节连接块与运动支链的球面轴承的柄轴固定连接，电机驱动运动支链实现下颌平台的运动。
所述六条运动支链，包括关节轴承、导向轴、连接板、连杆。所述关节轴承，包括固定座和柄轴。运动支链与驱动装置连接端由两个关节轴承分别与两个导向轴螺纹连接，两个导向轴之间采用连接板通过螺纹结构连接，连接板中心有螺纹孔，用于与连杆的连接；所述连杆，上端与连接板中心孔螺纹连接，下端与关节轴承螺纹连接。运动支链与下颌平台连接端通过关节轴承的柄轴与下颌关节连接块螺纹连接。
所述下颌平台，包括下颌关节连接块和下颌机构。所述下颌机构，代表机器人的下颌运动平台；所述下颌关节连接块，是连接运动支链与关节轴承柄轴的部件，通过螺纹结构安装在下颌机构上。
将六个驱动装置和六条运动支链通过相同的方式组装，共同连接机器人的静平台和下颌平台，完成仿下颌运动机器人的组装。
本发明的效果和益处是：
1、本发明设计思想来源于人类下颌肌肉驱动***的原型，运动支链作用力方向以及与上、下颌连接点位置与下颌肌肉的生物力学特征相一致，可真实再现人类下颌运动轨迹。
2、本发明提出的6-PSS仿下颌并联机构，其运动支链对下颌的作用力在肌肉力作用线方向上，作用点位于肌肉在下颌的连接点上，机构设计仿生程度更高。
3、本发明综合考虑高仿生性和机构设计可行性要求，推导出机构中各支链与上下颌机构的连接作用点以及支链杆长，机构具有良好的运动性能。
4、本发明针对下颌***结构空间较小的特点，将驱动装置安装在固定平台上，整体机构相对简单，机构运动支链具有良好的动态特性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的侧视图。
图3是本发明的静平台结构图。
图4是本发明的驱动装置结构图。
图5是本发明的运动支链结构图。
图6是本发明的下颌平台结构图。
图中：I静平台；II驱动装置；III运动支链；IV下颌平台；1电机支撑板；2定长杆；3上平台支撑板；4下平台支撑板；5电机；6联轴器；7丝杠；8丝杠螺母；9关节连接块；10工作台；11垫块；12滑块；13导轨；14圆锥滚子轴承；15丝杠轴承座；16关节轴承；17导向轴；18连接板；19连杆；20下颌关节连接块；21下颌机构。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
该仿下颌运动机器人包括静平台、驱动装置、运动支链和下颌平台，采用伺服驱动实现下颌张开、闭合、咬合的运动。
本发明的具体动作过程
根据要实现的下颌运动，电机5将转动通过联轴器6传给丝杠7，丝杠7带动丝杠螺母8运动，转化为丝杠螺母8的直线运动，工作台10固定在丝杠螺母8上，实现了工作台10在导轨13上作直线运动。运动支链III的两端分别与固定在工作台10上的关节连接块9和下颌平台IV上的下颌关节连接块20通过螺纹连接，从而将六个工作台10沿导轨13的在垂直方向的直线运动转化为下颌机构21在三维空间内的运动。
本发明的具体安装过程
静平台I安装：静平台I上设有安装孔，通过螺栓将下平台支撑板4与地面固定，用于固定导轨13的定长杆2两端分别与上平台支撑板3和下平台支撑板4采用内六角螺钉固定连接，同时电机支撑板1使用六角螺钉与上平台支撑板3固联。
驱动装置II安装：电机1固定在电机支撑板1上，并通过联轴器6与丝杠7连接。丝杠螺母8与工作台10通过内六角螺钉固定连接，工作台10的两个面上留有安装孔，分别用于和关节连接块9、垫块11以及丝杠螺母8的固定连接，滑块12安装在导轨13上，导轨13固连在定长杆2上；丝杠7的下轴头通过两个圆锥滚子轴承14和丝杠下轴头螺母与丝杠轴承座15安装连接，将丝杠轴承座15固定在定长杆2上。
运动支链III安装：连接板18上留有三个螺纹孔，分别用于安装两根导向轴17和连杆19；导向轴17和连杆19的另一端分别安装关节轴承16。
下颌平台IV安装：下颌机构21上留有六个螺纹孔，分别将六个下颌关节连接块20安装于此六个螺纹孔内。
将六个驱动装置II和六条运动支链III以相同方式组装，并通过关节轴承16与静平台I和下颌平台IV相连，完成仿下颌运动机器人的组装。
Claims (1)
1.一种仿下颌运动机器人，包括静平台(I)、驱动装置(II)、运动支链(III)和下颌平台(IV)；其特征在于：
静平台(I)是并联机器人的固定平台，包括电机支撑板(1)、上平台支撑板(3)、下平台支撑板(4)、定长杆(2)；六根定长杆(2)根据驱动肌肉与上颌连接点位置分布，定长杆(2)两端分别与上平台支撑板(3)和下平台支撑板(4)采用内六角螺钉固定连接，电机支撑板(1)上有螺纹孔，与上平台支撑板(3)连接，静平台(I)用于支撑和承载整个机器人的重量；
六个驱动装置(II)包括电机(5)、联轴器(6)、滚珠丝杠(7)、丝杠螺母(8)、关节连接块(9)、工作台(10)、垫块(11)、滑块(12)、导轨(13)、圆锥滚子轴承(14)和丝杠轴承座(15)；电机(5)固定在电机支撑板(1)上，通过联轴器(6)与丝杠(7)连接；丝杠(7)的下轴头通过两个圆锥滚子轴承(14)和丝杠(7)下轴头螺母与丝杠轴承座(14)固定连接，丝杠轴承座(14)通过螺钉固定在定长杆(2)上；丝杠螺母(8)与工作台(10)通过内六角螺钉固定连接，工作台(10)通过垫块(11)与滑块(12)固定连接，导轨(13)固定连接在定长杆(2)上；工作台(10)上的关节连接块(9)与运动支链(III)的球面轴承(16)固定连接，电机(5)驱动运动支链(III)实现下颌机构(21)的运动；
六条运动支链(III)包括关节轴承(16)、导向轴(17)、连接板(18)、连杆(19)；运动支链(III)与驱动装置(II)的连接端由两个关节轴承(16)分别与两个导向轴(17)螺纹连接，两个导向轴(17)之间采用连接板(18)螺纹连接，连接板(18)中心有螺纹孔，用于与连杆(19)的连接，连杆(19)上端与连接板(18)中心孔螺纹连接，下端与关节轴承(16)螺纹连接，运动支链(III)根据下颌驱动肌肉的生物力学特性布置，带动下颌机构在三维空间内的运动；
下颌平台(IV)包括下颌关节连接块(20)和下颌机构(21)；下颌关节连接块(20)通过螺纹结构安装在下颌机构上，并将运动支链(III)与下颌机构(21)的连接在一起，实现下颌机构(21)的运动。
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