含点接触高副的冗余驱动仿生咀嚼机器人研究

发布时间：2019-03-02 15:40

【摘要】：仿生咀嚼机器人在牙科学,食品科学,生物力学与假肢修复等学科具有广泛应用,而且可以为人类研究口颌系统生物力学特性及咀嚼运动机理提供有益的帮助。目前的咀嚼机器人没有完全考虑颞下颌关节(Tempommandibular joint, TMJ)运动特点及口颌系统冗余驱动特性,颞下颌关节约束和受力对下颌运动轨迹和咬合力的影响无法完全体现,不能同时真实再现人类下颌咀嚼运动轨迹与咬合力,仿生性存在不足。针对这种情况,提出一种含点接触高副(Higher kinematic pair, HKP)的空间冗余驱动并联仿生机构,真实再现下颌的冗余驱动特性和复杂运动行为。开展这种新型机构的运动学、轨迹规划、动力学、驱动力优化分配等研究,并进行实验验证。主要内容如下：基于人体口颌系统生理结构和颞下颌关节运动特点,提出一种含有点接触高副的、四自由度六驱动的、空间冗余驱动并联仿生咀嚼机器人。该机器人采用六条6-PUS并联支链模拟口颌系统六组主要咀嚼肌肉,采用两个点接触高副模拟两侧颞下颌关节。将高副机构(仿生颞下颌关节)与并联机构(驱动肌肉)结合起来,综合设计了具有点接触高副四自由度六驱动的冗余驱动并联机构(6PUS-2HKP).点接触高副使得咀嚼机器人可以模拟人类颞下颌关节对下颌受力和运动轨迹的影响,揭示人体口颌系统冗余驱动特性的优越性,并提高了机构的仿生性。至今冗余驱动并联机构主要由低副构成,含有高副的冗余驱动并联机构的运动学、动力学及控制等问题还没有形成一个系统的理论。提出含点接触高副的新型6PUS-2HKP机构的运动学建模方法。新型机构驱动数目多于自由度数目,四个独立广义参数对应六个关节变量参数。首先,给出了含有点接触高副冗余驱动并联机构一般运动学形式。其次,基于两侧点接触高副的约束方程及机构在广义坐标系下四个独立参数,求解末端执行器(下颌)在笛卡尔空间的六个位姿参数,进而通过支链闭环约束推导运动学方程。然后,对机器人的速度进行分析,建立空间独立速度参数与关节速度的映射关系,获得与一般并联机构不同的非方阵雅可比矩阵。在此基础上,进行6PUS-2HKP机构的工作空间、奇异位形、力传递等运动学性能的分析与研究,并与非冗余6-PUS机构进行对比,揭示含有点接触高副的6PUS-2HKP在力传递方面优势。提出基于TMJ双侧联动及牙齿咬合面形态引导的下颌轨迹规划方法。采用下颌运动轨迹描记仪对实验对象下颌切点轨迹、速度、边缘性运动进行了采集。以此为基础,对仿生咀嚼机器人下颌、咬合接触及仿生颞下颌关节(点接触高副)的运动进行综合分析。根据点接触高副双侧运动关系,对6PUS-2HKP机构中点接触高副进行接触位置、速度与加速度的运动学分析。基于点接触高副运动学对仿生咀嚼机器人功能性运动(前后运动,侧方运动,开闭口运动),咀嚼运动等进行规划,实现对人体口颌系统复杂运动循环的模拟。提出一种基于6PUS-2HKP机构动力学模型的空间冗余驱动并联机构驱动力优化分配方法。首先,对仿生咀嚼机器人进行准静态受力分析,揭示颞下颌关节在口颌系统受力的重要作用。然后,采用拉格朗日方程建立冗余驱动并联机构的动力学方程。对于给定的咬合运动及咬合力,冗余驱动的特性使每条支链的驱动力具有无数组解,因此能够采用相应的优化目标对驱动力进行优化分配,使得机构性能达到最佳。最后,提出采用伪逆法建立冗余机构驱动力优化分配的数学模型,进行驱动力的优化分配。根据建模与计算仿真分析,揭示冗余驱动并联机构的优势。搭建仿生咀嚼机器人实验平台,验证咀嚼机器人的运动轨迹与受力。首先,对仿生咀嚼机器人进行功能性运动、工作空间及开闭口运动等进行实验验证。其次,对不同材料模拟食物进行咀嚼实验,分析咀嚼不同厚度模拟食物时下颌咬合力与点接触高副受力变化,验证了下颌的输出力能够满足要求,受力变化规律对研究人类口颌系统的生物力学具有借鉴作用。最后,提出一种力/位置混合控制进行仿生咀嚼机器人轨迹跟踪控制实验,翼外肌采用转矩模式,咬肌与颞肌采用位置模式。并与全位置控制进行对比实验,翼外肌电机力矩曲线波动得到了明显改善。
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【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242

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