一种六自由度咀嚼力控制与监测系统的制作方法

本发明涉及并联机器人技术领域，更具体的说是涉及一种六自由度咀嚼力控制与监测系统。

背景技术：

上颌骨、咀嚼肌、下颌骨、颞下颌关节等共同构成了人类的咀嚼系统。下颌咀嚼运动是由咀嚼肌驱动，在空间具有6个自由度，并可以简化为多种运动模式的周期性运动过程。咀嚼机是依据人类下颌运动，辅助口腔医学或进行食品科学检测的设备。咀嚼机的开发设计涉及到如机构学、控制工程、生物力学、与机械电子工程等众多学科。

咀嚼机通过复现人体下颌咀嚼运动，可以完成各种在真实人类口腔中不易完成的科学实验。例如在龋齿修复时，临床上先后使用过不同类型的材料如金、镍铬合金、树脂等材料，对这些材料的特性研究，目前通常使用的是大型力学实验机，通过施加垂直方向的循环载荷，进而模拟咬碎食物等咀嚼运动。通过咀嚼机实现人类下颌运动过程，不仅在假牙修复材料试验(如树脂材料的疲劳寿命检测、磨损情况试验等)而且也在食品科学(如食物的质构性检测、咀嚼效率及口感评估测试)、口腔医学领域中的假体修复(如分析咬合关节假肢的修复。关节磨损变形以及咬合关节应力分布研究)等方面获得广泛关注。

最后，颞下颌假体的在咀嚼过程中所受到的生物力学变化及运动机理非常复杂，相关医学研究对于开发设计具备仿生功能的咀嚼机的需求十分迫切。目前国内外研究多采用生物逆向工程，通过直接建立下颌的生物结构模型，进行仿生咀嚼机器人设计，虽然通过逆向工程可以得到同人体颞下颌关节及咀嚼肌几乎一致的下颌结构，但由于人类颞下颌关节腔由多段曲面组成，其几何模型比较复杂，导致其加工复杂，制作成本较高，所以研究一种结构简单可靠，且具有较大承载力，并且满足真实咀嚼运动空间的咀嚼机具有广阔的市场应用价值及重要的医学研究价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对现有技术中无法监测控制咀嚼过程中牙齿各部位的受力情况而导致咀嚼模拟的准确率低进而导致咀嚼模拟结果可信度低的问题，本发明提供一种六自由度咀嚼力控制与监测系统。

本发明采用的技术方案如下：

本申请提供了一种六自由度咀嚼力控制与监测系统，包括：静平台、设置在静平台上的下颌运动平台、用于驱动下颌运动平台实现六个自由度运动的驱动装置、与静平台连接设置在下颌运动平台上方的上颌安装平台、用于驱动上颌安装平台上下运动的加力装置、用于控制驱动装置的运动控制系统；

具体地，所述静平台包括下支撑板、上支撑板、用于支撑上支撑板的上下平板支撑，所述舵机设置在下支撑板上；

更进一步地，三根上下平板支撑呈圆周均匀分布于下支撑板和上支撑板之间，两端分别与下支撑板和上支撑板通过扁平头螺栓固定连接。六个舵机支架两个一组，三组呈圆周均匀分布于下支撑板上，舵机支架上有孔，通过扁平头螺栓和螺母，与下支撑板相连，三个加力装置支撑呈圆周均匀分布于上支撑板上，两头分别与上支撑板和加力装置固定平板通过扁平头螺栓固定连接，下支撑板用于承载整个咀嚼机器人的重量，而上支撑板用于支撑加力装置的重量；

具体地，所述驱动装置包括结构相同的六个驱动装置，驱动装置包括舵机、与舵机相连的摇臂、与摇臂通过球副一连接的连杆，连杆通过球副二与下颌运动平台连接；

更进一步地，所述驱动装置，包括舵机、摇臂、连杆、球副一和球副二。舵机固定在舵机支架上，摇臂与舵机相连；连杆两端带有螺纹，分别连接球副一和球副二，长度可通过螺纹调节；摇臂上有螺纹孔，通过圆头十字螺栓连接球副一和摇臂；

具体地，所述加力装置包括加力装置固定平板、设置在加力装置固定平板上的弹簧预紧螺栓、与弹簧预紧螺栓相连的弹簧顶盖、通过弹簧顶盖与弹簧预紧螺栓连接的弹簧；所述弹簧预紧螺栓用于调节弹簧的伸缩长度来控制上颌安装平台上下移动时的阻力；

具体地，所述加力装置还包括贯穿加力装置固定平板和弹簧顶盖的弹簧顶板滑动导轨、用于限制上颌安装平台上下滑动的上颌平台滑动导轨；所述弹簧预紧螺栓用于调节弹簧在弹簧顶板滑动导轨内伸缩，所述上颌安装平台随着弹簧的伸缩在上颌平台滑动导轨内实现上下移动；

更进一步地，三个上颌平台滑动导轨位于上颌安装平台和加力装置固定平板之间，上颌平台滑动导轨上端有螺纹孔，通过扁平头螺栓和加力装置固定平板相连，下端有螺纹，通过螺母和上颌安装平台连接。上颌安装平台上有三个孔，孔和上颌平台滑动导轨间隙配合，使得上颌安装平台可沿上颌平台滑动导轨滑动。弹簧顶盖位于上颌安装平台和加力装置固定平板之间，两侧有孔，两根弹簧顶板滑动导轨两端有螺纹，穿过弹簧顶盖两侧的孔，上端与加力装置固定平板上的螺纹孔相连，下端通过螺母固定于上支撑板，弹簧顶盖和弹簧顶板滑动导轨间隙配合，使得弹簧顶盖能沿弹簧顶板滑动导轨滑动。加力装置固定平板中间有螺纹孔，与弹簧预紧螺栓相配合，弹簧预紧螺栓穿过加力装置固定板中间的螺纹孔，末端顶着弹簧顶盖上的凹槽，弹簧位于弹簧顶盖和上颌安装平台之间，上端支撑着弹簧顶盖，下端给予上颌安装平台向下的推力；

具体地，下颌运动平台，包括下颌安装平台和球副安装杆，下颌安装平台底部中空，六个球副安装杆两个一组，三组球副安装杆呈圆周均匀分布于下颌安装平台的三侧，并通过平盘十字头螺钉固定在下颌安装平台上，球副安装杆与驱动装置的球副二相连，球副安装杆末端有螺纹，通过螺母将球副二固定在球副安装杆上。

本申请还提供了一种六自由度咀嚼力控制与监测系统的控制过程，运动控制系统包括上位机、控制板，与控制板相连的驱动器、陀螺仪、压力传感器，其中控制板内嵌主控芯片、adc模块和串口通信模块；

所述压力传感器用于采集上颌和下颌咀嚼运动时牙齿模型上的受力信号；

所述陀螺仪采集下颌运动平台的位姿信号；

所述adc模块将压力传感器发送来的受力信号转化成受力数字信号，将接收到陀螺仪发送的位姿信号转化成位姿数字信号；

所述主控芯片内嵌运动控制程序，接收adc模块发送的受力数字信号和位姿数字信号；

所述主控芯片将接收到的受力数字信号和位姿数字信号通过串口通信模块发送至上位机；

所述上位机包含控制界面和压力数据处理界面，其中控制界面内嵌基于matlab的反解脚本程序，可将选择的控制参数反解为驱动装置运动所需的运动参数，压力数据处理界面将接收到主控芯片发送的受力数字信号和位姿数字信号转变为实时的动态曲线，并定时地记录储存数据；

所述主控芯片通过串口通信模块接收上位机发送的运动控制信号；

所述驱动器接收主控芯片发送的控制信号完成下颌运动平台的运动；

所述压力传感器设置在上颌的切牙、尖牙、前磨牙和磨牙上位置。

应当说明的是，在具体的模拟过程中，牙齿的上颌即安装在上颌安装平台上，牙齿的下颌即安装在下颌运动平台上，加力装置具体来说就是调整弹簧的初始形变量使得下颌在完成相同幅度的咀嚼运动时弹簧的形变量不同，进而达到改变咀嚼力的目的，驱动装置即实现下颌运动平台的六个自由度的运动，从而模拟咀嚼情况，实现牙科检测或者食品相关检测。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明通过实现下颌运动平台的六个自由度的运动，以及上颌安装平台的上下移动，由运动控制系统来实现驱动装置的具体运动情况，更加智能且准确的模拟了人类口腔咀嚼运动，从而解决了无法监测控制咀嚼过程中牙齿各部位的受力情况而导致咀嚼模拟的准确率低进而导致牙科检测的结果可信度低的问题；

2.本发明通过调节预紧螺栓，改变弹簧预紧力，可以实现人类口腔牙齿在相同的咀嚼运动轨迹下获得不同的咀嚼力，这对人体口腔牙齿咀嚼的模拟更加真实，在一定程度上提高了咀嚼机器人的仿生性能，其结构简单，成本低；

3.本发明采用6rss并联机构可以将驱动器安装于同一个固定平面内，降低咀嚼机的整体尺寸，相较于6sps并联机构，6rss并联机构可以避免在运动杆上安装驱动器，有效减小了驱动杆的质量大小，6rss并联机构可以通过电机直接输入扭矩，相较于6pss并联机构，直接通过电机输入扭矩的方式可以避免丝杠传动造成的回程误差，同时6rss并联机构的运动链短所以动平台反应迅速；

4.本发明通过运动控制系统获取压力传感器反馈的压力值的实时变化曲线，能够清晰的显示出人类口腔在咀嚼过程中，不同部位牙齿的咀嚼力和受力情况，以及相同部位的牙齿在咀嚼的不同时刻的受力情况，这对于口腔牙齿保健的研究提供了具有重要的意义的数据；

5.本发明可以通过上位机控制咀嚼机器人咀嚼的次数和速率，能够用来观测食物在不同的咀嚼状态下的变化情况，可实现咀嚼机器人在人体口腔学教育中的应用；

6.本申请中还设置有弹簧顶板滑动导轨、上颌平台滑动导轨用于分别限制弹簧、上颌安装平台的上下移动，减少上颌安装平台侧滑情况，从而实现咀嚼上下受力更加准确的控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的静平台结构示意图；

图3为本发明驱动装置结构示意图；

图4为本发明的加力装置结构示意图；

图5为本发明下颌运动平台结构示意图；

图6为本发明压力传感器在上颌的位置示意图；

图7为本发明上位机控制界面；

图8为本发明上位机压力数据处理系统界面；

图9为本发明控制系统示意图；

图中标记：ⅰ-静平台；ⅱ-驱动装置；ⅲ-下颌运动平台；ⅳ-加力装置；1-下支撑板；2-舵机支架；3-上下平板支撑；4-上支撑板；5-加力装置支撑；6-舵机；7-摇臂；8-连杆；9-上颌安装平台；10-上颌平台滑动导轨；11-弹簧；12-弹簧顶板滑动导轨；13-弹簧顶盖；14-加力装置固定平板；15-弹簧预紧螺栓；16-下颌安装平台；17-球副安装杆；18-球副一；19-球副二；20-驱动器；21-控制板；22-上位机；23-陀螺仪；24-下颌；25-上颌；26-压力传感器；31-磨牙；32-前磨牙；33-尖牙；34-切牙。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图8对本发明作详细说明。

实施例一

实施中，该咀嚼机器人包括静平台ⅰ、六个驱动装置ⅱ、加力装置ⅳ、下颌运动平台ⅲ和运动控制系统。

如图2所示，静平台包括下支撑板1、舵机支架2、上下平板支撑3、上支撑板4、加力装置支撑5。三根上下平板支撑3呈圆周均匀分布于下支撑板1和上支撑板4之间，两端分别与下支撑板1和上支撑板4通过扁平头螺栓固定连接。六个舵机支架2两个一组，三组呈圆周均匀分布于下支撑板上，舵机支架2上有孔，通过扁平头螺栓和螺母，与下支撑板1相连。三个加力装置支撑5呈圆周均匀分布于上支撑板4上，两头分别与上支撑板4和加力装置固定平板14通过扁平头螺栓固定连接。下支撑板1用于承载整个咀嚼机器人的重量，而上支撑板4用于支撑加力装置ⅳ的重量。

如图3所示，驱动装置ⅱ包括舵机6、摇臂7、连杆8、球副一18和球副二19。舵机6固定在舵机支架2上，摇臂7与舵机6相连；连杆8两端带有螺纹，分别连接球副一18和球副二19，长度可调；摇臂7上有螺纹孔，通过圆头十字螺栓连接球副一18和摇臂7。在本实施例中摇臂7长30mm，球副一18到球副二19的距离为76mm。

如图4所示，加力装置ⅲ包括上颌安装平台9、上颌平台滑动导轨10、弹簧11、弹簧顶板滑动导轨12、弹簧顶盖13、加力装置固定平板14和弹簧预紧螺栓15。三个上颌平台滑动导轨10位于上颌安装平台9和加力装置固定平板14之间，上颌平台滑动导轨10上端有螺纹孔，通过扁平头螺栓和加力装置固定平板14相连，下端有螺纹，通过螺母和上颌安装平台9连接。上颌安装平台9上有三个孔，孔和上颌平台滑动导轨10间隙配合，使得上颌安装平台9可沿上颌平台滑动导轨10滑动。弹簧顶盖13位于上颌安装平台9和加力装置固定平板14之间，两侧有孔，两根弹簧顶板滑动导轨12两端有螺纹，穿过弹簧顶盖13两侧的孔，上端与加力装置固定平板14上的螺纹孔相连，下端通过螺母固定于上支撑板4，弹簧顶盖13和弹簧顶板滑动导轨12间隙配合，使得弹簧顶盖13能沿弹簧顶板滑动导轨12滑动。加力装置固定平板14中间有螺纹孔，与弹簧预紧螺栓15相配合，弹簧预紧螺栓15穿过加力装置固定板14中间的螺纹孔，末端顶着弹簧顶盖13上的凹槽，弹簧11位于弹簧顶盖13和上颌安装平台9之间，上端支撑着弹簧顶盖13，下端给予上颌安装平台9向下的推力。旋转弹簧预紧螺栓15，可以调节弹簧顶盖13在弹簧顶板滑动导轨12上的相对位置，进而压缩弹簧，改变弹簧11的形变量，通过所选用弹簧11的弹性系数和形变量，可以在一定范围内得到任意所需的咬合力。

如图5所示，下颌运动平台ⅲ，包括下颌安装平台16和球副安装杆17，下颌安装平台底部中空，六个球副安装杆17两个一组，三组球副安装杆17呈圆周均匀分布于下颌安装平台的16三侧，并通过平盘十字头螺钉固定在下颌安装平台16上，球副安装杆17与驱动装置的球副二19相连，球副安装杆17末端有螺纹，通过螺母将球副二19固定在球副安装杆17上。

运动控制系统包括上位机22、控制板21、陀螺仪23、四个压力传感器26和驱动器20、其中控制板21内嵌主控芯片、adc模块、oled模块和串口通信模块；控制板连接上位机22、驱动器20、压力传感器26和陀螺仪23；如图6所示，四个压力传感器26分别设置于上颌切牙34、尖牙33、前磨牙32和磨牙31的位置上，通过adc模块与主控芯片连接，对咀嚼力进行实时测量；陀螺仪23设置于下颌安装平台16下侧。压力传感器26的数据经adc模块转换后通过串口通信模块传递给上位机22，并实时输出四条压力变化曲线。于此同时，陀螺仪也将位姿状态数据经adc模块转换后通过主控芯片和串口通信模块向上位机发送。主控芯片通过驱动器20控制舵机6完成下颌安装平台16的运动。

其中，主控芯片采用stm32f407，舵机采用scs-315串行总线舵机，压力传感器采用fsr电阻式薄膜压力传感器，陀螺仪采用mpu6050陀螺仪，主控芯片通过模拟的iic连接mpu6050陀螺仪进行数据读写。

mpu6050进行姿态角的采集每隔50ms进行一次并修改显存数据，同时通过串口发送给上位机。adc每10ms采集一次并通过dma修改显存中对应数据。姿态及压力传感器测量内容通过oled刷新显示在屏幕上。

如图7所示为上位机控制界面，为避免mcu进行大量反解运算，采用离线反解运算的方式，根据反解方程将舵机的转角结果，通过上位机22由串口通信模块发送至主控芯片，再经主控芯片发送指令至六个总线舵机。通过给定位姿定参数方程的方式，在labview中写入matlab脚本程序进行反解计算。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。