基于义齿磨损性能测试的冗余驱动咀嚼机器人技术研究

发布时间：2020-10-20 15:24

　　 在牙科义齿性能测试领域,目前多采用各种体外摩擦磨损试验机测试义齿的磨损性能,这些测试设备不能模拟人类口颌系统中复杂的咬合接触和载荷形式。相比于各种摩擦磨损试验机,咀嚼机器人在模拟咀嚼运动和义齿载荷方面具有很大优势。为保证义齿磨损性能测试的有效性和准确性,本文将一种含有点接触高副(Higher kinematic pair,HKP)的冗余驱动并联仿生咀嚼机器人应用于义齿磨损性能测试领域。由于点接触高副和咬合接触的存在,使得对咀嚼机器人进行咀嚼运动规划具有很大的挑战性。冗余驱动特性还会导致咀嚼机器人的动力学方程不具有唯一解。另外,在咀嚼运动中咬合接触阶段既要控制咀嚼机器人沿期望的轨迹运动,又要控制咬合力的大小,这就要求咀嚼机器人具有顺应咬合接触的能力,即柔顺性。为解决这些难题,本文对含有点接触高副的冗余驱动并联仿生咀嚼机器人开展咀嚼运动规划、驱动力优化分配、咬合力柔顺控制等方面的研究,主要内容如下:针对义齿磨损性能测试对高仿生咀嚼运动的要求,提出一种基于颞下颌关节(Temporomandibularjoints,TMJs)运动机理的后牙(牙合)运循环参数化规划方法。首先,推导仿生颞下颌关节的运动学模型,并对6PUS并联机构进行运动学逆解,构建咀嚼机器人位姿参数与六组移动副位移的函数关系。然后,规划(牙合)运循环中咀嚼机器人的位姿变化规律,推导(牙合)运循环特征参数与咀嚼机器人四个独立位姿参数的函数关系,采用多项式拟合的方法形成咀嚼机器人完整的(牙合)运循环轨迹,建立后牙(牙合)运循环参数化规划的数学模型。最后,通过仿真算例分析验证咀嚼机器人运动模式的仿生性和下切点运动轨迹的仿生性。含有点接触高副的冗余驱动并联仿生咀嚼机器人具有与人类口颌系统类似的冗余驱动特性。从仿生原理角度出发,提出一种基于遗传算法的驱动力优化分配方法。利用拉格朗日方程和虚功原理,建立咀嚼机器人的动力学方程。人类咀嚼系统本身具有冗余驱动特性,在咀嚼肌肉的驱动过程中存在与自然科学界中能量最小原理类似的最小化原则。因此,分别以颞下颌关节内力2范数最小和驱动力2范数最小为优化目标,建立基于遗传算法的冗余驱动咀嚼机器人驱动力优化分配数学模型。将食品质构仪获取的仿真食物力-变形关系曲线加载到机器人磨牙上完成(牙合)运循环下咀嚼仿真食物实验,验证驱动力优化分配方法的可行性。为解决咬合接触阶段对咀嚼运动轨迹和咬合力的混合控制难题,提出一种阻抗控制理论和自适应控制理论相融合的咬合力柔顺控制方法。设计基于位置的咀嚼机器人阻抗控制器,建立基于MATLAB Simulink和ADAMS的咀嚼机器人控制系统联合仿真模型,研究惯性系数、阻尼系数和刚度系数对阻抗控制系统性能的影响。在未知环境下,阻抗控制器只能将咬合力控制在安全范围内,始终存在稳态误差。在阻抗控制器的基础上,引入自适应环节,消除阻抗控制系统稳态误差,最终实现咬合力在大范围内趋近于期望值。搭建冗余驱动咀嚼机器人新的样机实验平台,验证相关理论研究成果,对其在义齿磨损性能测试领域的应用进行探索。首先,进行咀嚼机器人(牙合)运循环实验,分别提取捣碎运动和磨细运动中下切点的运动轨迹,并与人类(牙合)运循环轨迹以及仿真分析结果进行对比,验证咀嚼机器人(牙合)运循环轨迹的仿生性。其次,进行咀嚼机器人咬合力控制实验,验证咬合力柔顺控制策略的有效性。最后,进行(牙合)运循环下钴铬合金冠与钴铬合金烤瓷冠的摩擦磨损性能测试实验,验证咀嚼机器人用于义齿磨损性能测试的可行性。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP242
【部分图文】：

Ｆｉｇ．?１．３?ＩＡＸＳＹＳ?ｗｅａｒ?ｔｅｓｔｅｒ??宋文尚等ｉｉ５］选用销盘式二体磨耗机，以滑石瓷为对磨体，研究了钴铬合金、氧化锆、??纯钛、氧化锆饰面瓷这几种修复材料的摩擦磨损性能，二体磨耗机如图１．４所示。项楠??等［］６］利用上海交通大学医学院设计的销－盘式可调节式磨耗仪，以软质钴铬合金作为对??磨件材料，进行了牙釉质磨耗实验，磨耗仪如图１．５所示。郑靖等１１７］采用球面接触方式??的往复滑动摩擦磨损试验机（ＮＥＮＥ，法国），研宄了四种我国口腔临床常用牙科高分子修??复材料在人工唾液介质中的摩擦磨损行为。李晨曦等［１８］利用微摩擦实验机（ＵＭＴ－２，??ＣＥＴＲ，ＵＳＡ），研究了牙本质与不同材料之间的摩擦磨损性能。宋海燕等［１９］利用清华大??学自主研发的微摩擦磨损试验机，以滑石瓷为对磨件，研究了?Ｕｐｃｅｒａ?ＳＴ和Ｚｅｎｏｓｔａｒ?Ｚｒ??Ｔｒａｎｓｌｕｃｅｎｔ氧化错瓷的磨损性能以及其与天然牙釉质磨损性能匹配情况。??图１．４针－盘式二体磨耗机?图１．５可调节磨耗仪??Ｆｉｇ．?１．４?Ｐｉｎ－ｏｎ－ｄｉｓｃ?ｔｗｏ?ｂｏｄｙ?ｗｅａｒ?ｍａｃｈｉｎｅ?Ｆｉｇ．?１．５?Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ?ａｂｒａｓｉｏｎ?ｔｅｓｔｅｒ??目前，国际市场上己经推出了一些咀嚼磨损试验机产品，这些产品具有一定范围的??－４－??

Ｓ?ｉｎｇｈａｔａｔａｎａｄｇｉｔ等［２Ｗ利用一种具有四连杆机构的咀嚼机器人分别研宄单向载荷和??双向载荷下牙齿样品的机械特性，分析了咬合接触特征、咬合力特征和修复后牙齿的断??裂特性，样机如图１．８（ａ）所示，实验结果如图１．８（ｂ）所示。??ｔｆｅ?ｃ＇：：５??（ａ）样机?（ｂ）实验结果??图１．８四连杆咀嚼机器人及实验结果??Ｆｉｇ．?１．８?Ｆｏｕｒ－ｂａｒ?ｌｉｎｋａｇｅ?ｃｈｅｗｉｎｇ?ｒｏｂｏｔ?ａｎｄ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ?ｒｅｓｕｌｔｓ??；ｉ?ｔ??图１．９?３－ＰＵＵ并联机构?图ＵＯ咀嚼辅助机器人??Ｆｉｇ．?１．９?３－ＰＵＵ?ｐａｒａｌｌｅｌ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?Ｆｉｇ．?１．１０?Ｃｈｅｗｉｎｇ?ａｓｓｉｓｔｅｄ?ｒｏｂｏｔ??Ｃａｌｋｇａｒｉ等为辅助牙医制定下颌运动紊乱病的治疗方案，设计了一种３－ＰＵＵ并??联机构（图１．９），并对这种机构的参数进行了优化设计，分析了该机构的可操作性。Ｃｈａｎｇ??－６?－??

??Ｓ?ｉｎｇｈａｔａｔａｎａｄｇｉｔ等［２Ｗ利用一种具有四连杆机构的咀嚼机器人分别研宄单向载荷和??双向载荷下牙齿样品的机械特性，分析了咬合接触特征、咬合力特征和修复后牙齿的断??裂特性，样机如图１．８（ａ）所示，实验结果如图１．８（ｂ）所示。??ｔｆｅ?ｃ＇：：５??（ａ）样机?（ｂ）实验结果??图１．８四连杆咀嚼机器人及实验结果??Ｆｉｇ．?１．８?Ｆｏｕｒ－ｂａｒ?ｌｉｎｋａｇｅ?ｃｈｅｗｉｎｇ?ｒｏｂｏｔ?ａｎｄ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ?ｒｅｓｕｌｔｓ??
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本文编号：2848847