仿生咀嚼机器人运动仿真及控制系统设计
发布时间：2022-07-11 13:20
仿生咀嚼机器人基于人体咀嚼运动机理,结合机器人运动控制技术、电机驱动技术以及嵌入式控制技术,是一类用于仿生人体下颌咀嚼功能的机器人。它对于口腔医学中口腔康复治疗、义齿材料检测以及咀嚼运动机理研究具有深远意义,同时也对食品科学中质构检测仪的研发具有指导意义。本文综合了作者目前参与设计的两代仿生咀嚼机器人样机的相关工作,主要研究内容如下:首先,介绍了课题研究的背景及意义,随后介绍了仿生咀嚼机器人的研究现状,并总结分析了多种仿生咀嚼机器人的控制系统和仿生咀嚼机构设计思路;之后简要介绍人体下颌咀嚼运动系统的整体构造和咀嚼运动机理,并总结了下颌运动常见运动形式,同时对仿生下颌运动自由度要求、咀嚼性能参数和仿生下颌结构尺寸参数的简化方案进行了分析。其次,根据总结的运动自由度要求、咀嚼性能参数和仿生机构设计思路,设计了两代样机的仿生机械结构;建立了样机的运动学模型,基于螺旋理论对样机进行空间运动自由度分析,对下颌咀嚼平台位姿进行运动学分析计算,为后面控制系统的运动控制及轨迹跟踪提供理论基础。设计Matlab程序对仿生下颌的工作空间进行验证。基于Simscape Multibody模块建立了样机的机电...
【文章页数】：110 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 串联结构仿生咀嚼装置
1.2.2 并联结构仿生咀嚼机器人
1.2.3 其他结构仿生咀嚼机器人
1.3 论文的主要研究内容
第二章 仿生咀嚼机器人仿生方案设计
2.1 人体口腔下颌系统
2.1.1 口颌系统骨骼结构
2.1.2 咀嚼肌群结构特征
2.1.3 牙齿分区及咬合力分布
2.2 下颌运动形式分析
2.3 样机仿生结构方案设计
2.3.1 一代样机仿生设计方案
2.3.2 二代样机仿生设计方案
2.4 样机自由度分析
2.4.1 螺旋理论简介
2.4.2 一代样机自由度分析
2.4.3 二代样机自由度分析
2.5 本章小结
第三章 仿生咀嚼机器人机械结构设计及运动学分析
3.1 一代样机机械结构设计方案
3.1.1 仿生上颌平台设计
3.1.2 仿生下颌平台设计
3.1.3 上下颌义齿模型
3.1.4 PUS驱动分支结构
3.2 二代样机模型
3.3 样机运动学分析
3.3.1 位姿描述与坐标系变换理论
3.3.2 一代样机运动学分析
3.3.3 二代样机运动学分析
3.4 工作空间验证
3.4.1 一代样机工作空间验证
3.4.2 二代样机工作空间验证
3.5 本章小结
第四章 仿生咀嚼机器人控制系统设计
4.1 机器人控制系统功能需求分析
4.2 机器人控制系统整体结构
4.3 控制系统硬件选型方案
4.3.1 主控芯片选型
4.3.2 电机及驱动器选型方案
4.3.3 触摸屏及触摸屏控制芯片选型
4.3.4 传感器选型
4.4 控制系统软件设计方案
4.4.1 整体控制流程设计
4.4.2 μCOS III简要介绍
4.4.3 运动控制程序设计
4.4.4 多传感器数据采集程序
4.5 嵌入式GUI界面设计
4.5.1 STemWin简介
4.5.2 STemWin界面工作原理
4.5.3 嵌入式GUI界面设计
4.6 本章小结
第五章 仿生咀嚼机器人运动仿真及联合实验
5.1 虚拟样机技术
5.1.1 Simscape Multibody模块介绍
5.1.2 Simscape Multibody运动仿真系统搭建
5.2 一代样机运动仿真
5.3 二代样机运动仿真
5.4一代样机仿生咀嚼运动实验
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 全文总结
6.2 后续展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间取得的成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于仿生咀嚼机器人的种植体螺纹结构研究[J]. 代欣,俞经虎,詹民民. 制造业自动化. 2018(06)
[2]下颌开闭口康复机器人的设计[J]. 刘艳绰,程秀芳. 华北理工大学学报(自然科学版). 2018(02)
[3]6-PSS仿生下颌咀嚼平台工作空间分析及其优化[J]. 李晓锋,王加森,卢慧,马德军,俞经虎. 机械设计. 2016(01)
[4]冗余驱动仿下颌运动机器人工作空间分析及试验验证[J]. 温海营,丛明,王贵飞,杜婧,徐卫良. 机器人. 2015(03)
[5]冗余驱动仿下颌运动机器人的机构设计及轨迹规划[J]. 杜婧,丛明,温海营,王贵飞,徐卫良. 机器人. 2015(01)
[6]口腔修复体疲劳抗性测试机的研制[J]. 亓莉莉,聂二民,陈霞云,刘克瑾,黄颖荷,刘伟,张春元. 广东牙病防治. 2009(12)
[7]咀嚼机器人的研究现状与发展[J]. 丛明,苌占波,杜宇,Peter Xu. 机器人技术与应用. 2009(06)
[8]质构仪及其在食品品质评价中的应用综述[J]. 林芳栋,蒋珍菊,廖珊,游娟,李朝学. 生命科学仪器. 2009(05)
[9]两种桩核修复上前牙漏斗状残根的疲劳强度实验研究[J]. 吴畏,罗达亚,谢秋菲. 江西医学院学报. 2008(03)
[10]咀嚼模拟疲劳力学测试机的研制及标定[J]. 陈强,魏素华,邹波,梁钦业,温志浩. 医疗保健器具. 2007(09)
博士论文
[1]含点接触高副的冗余驱动仿生咀嚼机器人研究[D]. 温海营.大连理工大学 2016
[2]基于咀嚼模拟的食品质地评价研究[D]. 孙钟雷.吉林大学 2012
硕士论文
[1]五自由度智能义齿机器人研制[D]. 杨嘉琦.东北电力大学 2019
[2]用于食品检测的咀嚼平台机构及其控制系统研究[D]. 丰瑞鑫.电子科技大学 2019
[3]六自由度咀嚼机设计与实现[D]. 汤文杰.电子科技大学 2017
[4]六自由度仿生咀嚼机器人研究[D]. 李晓锋.江南大学 2014
[5]仿下颌运动机器人的样机设计和实验研究[D]. 杜婧.大连理工大学 2014
[6]仿下颌运动并联机器人的性能分析与参数优化[D]. 宋佳.大连理工大学 2013
[7]仿下颌运动机器人设计及仿生性能研究[D]. 刘同占.大连理工大学 2012
本文编号：3658237
【文章页数】：110 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 串联结构仿生咀嚼装置
1.2.2 并联结构仿生咀嚼机器人
1.2.3 其他结构仿生咀嚼机器人
1.3 论文的主要研究内容
第二章 仿生咀嚼机器人仿生方案设计
2.1 人体口腔下颌系统
2.1.1 口颌系统骨骼结构
2.1.2 咀嚼肌群结构特征
2.1.3 牙齿分区及咬合力分布
2.2 下颌运动形式分析
2.3 样机仿生结构方案设计
2.3.1 一代样机仿生设计方案
2.3.2 二代样机仿生设计方案
2.4 样机自由度分析
2.4.1 螺旋理论简介
2.4.2 一代样机自由度分析
2.4.3 二代样机自由度分析
2.5 本章小结
第三章 仿生咀嚼机器人机械结构设计及运动学分析
3.1 一代样机机械结构设计方案
3.1.1 仿生上颌平台设计
3.1.2 仿生下颌平台设计
3.1.3 上下颌义齿模型
3.1.4 PUS驱动分支结构
3.2 二代样机模型
3.3 样机运动学分析
3.3.1 位姿描述与坐标系变换理论
3.3.2 一代样机运动学分析
3.3.3 二代样机运动学分析
3.4 工作空间验证
3.4.1 一代样机工作空间验证
3.4.2 二代样机工作空间验证
3.5 本章小结
第四章 仿生咀嚼机器人控制系统设计
4.1 机器人控制系统功能需求分析
4.2 机器人控制系统整体结构
4.3 控制系统硬件选型方案
4.3.1 主控芯片选型
4.3.2 电机及驱动器选型方案
4.3.3 触摸屏及触摸屏控制芯片选型
4.3.4 传感器选型
4.4 控制系统软件设计方案
4.4.1 整体控制流程设计
4.4.2 μCOS III简要介绍
4.4.3 运动控制程序设计
4.4.4 多传感器数据采集程序
4.5 嵌入式GUI界面设计
4.5.1 STemWin简介
4.5.2 STemWin界面工作原理
4.5.3 嵌入式GUI界面设计
4.6 本章小结
第五章 仿生咀嚼机器人运动仿真及联合实验
5.1 虚拟样机技术
5.1.1 Simscape Multibody模块介绍
5.1.2 Simscape Multibody运动仿真系统搭建
5.2 一代样机运动仿真
5.3 二代样机运动仿真
5.4一代样机仿生咀嚼运动实验
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 全文总结
6.2 后续展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间取得的成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于仿生咀嚼机器人的种植体螺纹结构研究[J]. 代欣,俞经虎,詹民民. 制造业自动化. 2018(06)
[2]下颌开闭口康复机器人的设计[J]. 刘艳绰,程秀芳. 华北理工大学学报(自然科学版). 2018(02)
[3]6-PSS仿生下颌咀嚼平台工作空间分析及其优化[J]. 李晓锋,王加森,卢慧,马德军,俞经虎. 机械设计. 2016(01)
[4]冗余驱动仿下颌运动机器人工作空间分析及试验验证[J]. 温海营,丛明,王贵飞,杜婧,徐卫良. 机器人. 2015(03)
[5]冗余驱动仿下颌运动机器人的机构设计及轨迹规划[J]. 杜婧,丛明,温海营,王贵飞,徐卫良. 机器人. 2015(01)
[6]口腔修复体疲劳抗性测试机的研制[J]. 亓莉莉,聂二民,陈霞云,刘克瑾,黄颖荷,刘伟,张春元. 广东牙病防治. 2009(12)
[7]咀嚼机器人的研究现状与发展[J]. 丛明,苌占波,杜宇,Peter Xu. 机器人技术与应用. 2009(06)
[8]质构仪及其在食品品质评价中的应用综述[J]. 林芳栋,蒋珍菊,廖珊,游娟,李朝学. 生命科学仪器. 2009(05)
[9]两种桩核修复上前牙漏斗状残根的疲劳强度实验研究[J]. 吴畏,罗达亚,谢秋菲. 江西医学院学报. 2008(03)
[10]咀嚼模拟疲劳力学测试机的研制及标定[J]. 陈强,魏素华,邹波,梁钦业,温志浩. 医疗保健器具. 2007(09)
博士论文
[1]含点接触高副的冗余驱动仿生咀嚼机器人研究[D]. 温海营.大连理工大学 2016
[2]基于咀嚼模拟的食品质地评价研究[D]. 孙钟雷.吉林大学 2012
硕士论文
[1]五自由度智能义齿机器人研制[D]. 杨嘉琦.东北电力大学 2019
[2]用于食品检测的咀嚼平台机构及其控制系统研究[D]. 丰瑞鑫.电子科技大学 2019
[3]六自由度咀嚼机设计与实现[D]. 汤文杰.电子科技大学 2017
[4]六自由度仿生咀嚼机器人研究[D]. 李晓锋.江南大学 2014
[5]仿下颌运动机器人的样机设计和实验研究[D]. 杜婧.大连理工大学 2014
[6]仿下颌运动并联机器人的性能分析与参数优化[D]. 宋佳.大连理工大学 2013
[7]仿下颌运动机器人设计及仿生性能研究[D]. 刘同占.大连理工大学 2012
本文编号：3658237
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