在牙科義齒性能測試領域,目前多采用各種體外摩擦磨損試驗機測試義齒的磨損性能,這些測試設備不能模擬人類口頜系統中復雜的咬合接觸和載荷形式。相比于各種摩擦磨損試驗機,咀嚼機器人在模擬咀嚼運動和義齒載荷方面具有很大優(yōu)勢。為保證義齒磨損性能測試的有效性和準確性,本文將一種含有點接觸高副(Higher kinematic pair,HKP)的冗余驅動并聯仿生咀嚼機器人應用于義齒磨損性能測試領域。由于點接觸高副和咬合接觸的存在,使得對咀嚼機器人進行咀嚼運動規(guī)劃具有很大的挑戰(zhàn)性。冗余驅動特性還會導致咀嚼機器人的動力學方程不具有唯一解。另外,在咀嚼運動中咬合接觸階段既要控制咀嚼機器人沿期望的軌跡運動,又要控制咬合力的大小,這就要求咀嚼機器人具有順應咬合接觸的能力,即柔順性。為解決這些難題,本文對含有點接觸高副的冗余驅動并聯仿生咀嚼機器人開展咀嚼運動規(guī)劃、驅動力優(yōu)化分配、咬合力柔順控制等方面的研究,主要內容如下:針對義齒磨損性能測試對高仿生咀嚼運動的要求,提出一種基于顳下頜關節(jié)(Temporomandibularjoints,TMJs)運動機理的后牙(牙合)運循環(huán)參數化規(guī)劃方法。首先,推導仿生顳下頜關節(jié)的運動學模型,并對6PUS并聯機構進行運動學逆解,構建咀嚼機器人位姿參數與六組移動副位移的函數關系。然后,規(guī)劃(牙合)運循環(huán)中咀嚼機器人的位姿變化規(guī)律,推導(牙合)運循環(huán)特征參數與咀嚼機器人四個獨立位姿參數的函數關系,采用多項式擬合的方法形成咀嚼機器人完整的(牙合)運循環(huán)軌跡,建立后牙(牙合)運循環(huán)參數化規(guī)劃的數學模型。最后,通過仿真算例分析驗證咀嚼機器人運動模式的仿生性和下切點運動軌跡的仿生性。含有點接觸高副的冗余驅動并聯仿生咀嚼機器人具有與人類口頜系統類似的冗余驅動特性。從仿生原理角度出發(fā),提出一種基于遺傳算法的驅動力優(yōu)化分配方法。利用拉格朗日方程和虛功原理,建立咀嚼機器人的動力學方程。人類咀嚼系統本身具有冗余驅動特性,在咀嚼肌肉的驅動過程中存在與自然科學界中能量最小原理類似的最小化原則。因此,分別以顳下頜關節(jié)內力2范數最小和驅動力2范數最小為優(yōu)化目標,建立基于遺傳算法的冗余驅動咀嚼機器人驅動力優(yōu)化分配數學模型。將食品質構儀獲取的仿真食物力-變形關系曲線加載到機器人磨牙上完成(牙合)運循環(huán)下咀嚼仿真食物實驗,驗證驅動力優(yōu)化分配方法的可行性。為解決咬合接觸階段對咀嚼運動軌跡和咬合力的混合控制難題,提出一種阻抗控制理論和自適應控制理論相融合的咬合力柔順控制方法。設計基于位置的咀嚼機器人阻抗控制器,建立基于MATLAB Simulink和ADAMS的咀嚼機器人控制系統聯合仿真模型,研究慣性系數、阻尼系數和剛度系數對阻抗控制系統性能的影響。在未知環(huán)境下,阻抗控制器只能將咬合力控制在安全范圍內,始終存在穩(wěn)態(tài)誤差。在阻抗控制器的基礎上,引入自適應環(huán)節(jié),消除阻抗控制系統穩(wěn)態(tài)誤差,最終實現咬合力在大范圍內趨近于期望值。搭建冗余驅動咀嚼機器人新的樣機實驗平臺,驗證相關理論研究成果,對其在義齒磨損性能測試領域的應用進行探索。首先,進行咀嚼機器人(牙合)運循環(huán)實驗,分別提取搗碎運動和磨細運動中下切點的運動軌跡,并與人類(牙合)運循環(huán)軌跡以及仿真分析結果進行對比,驗證咀嚼機器人(牙合)運循環(huán)軌跡的仿生性。其次,進行咀嚼機器人咬合力控制實驗,驗證咬合力柔順控制策略的有效性。最后,進行(牙合)運循環(huán)下鈷鉻合金冠與鈷鉻合金烤瓷冠的摩擦磨損性能測試實驗,驗證咀嚼機器人用于義齒磨損性能測試的可行性。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

Ｆｉｇ．?１．３?ＩＡＸＳＹＳ?ｗｅａｒ?ｔｅｓｔｅｒ??宋文尚等ｉｉ５］選用銷盤式二體磨耗機，以滑石瓷為對磨體，研究了鈷鉻合金、氧化鋯、??純鈦、氧化鋯飾面瓷這幾種修復材料的摩擦磨損性能，二體磨耗機如圖１．４所示。項楠??等［］６］利用上海交通大學醫(yī)學院設計的銷－盤式可調節(jié)式磨耗儀，以軟質鈷鉻合金作為對??磨件材料，進行了牙釉質磨耗實驗，磨耗儀如圖１．５所示。鄭靖等１１７］采用球面接觸方式??的往復滑動摩擦磨損試驗機（ＮＥＮＥ，法國），研宄了四種我國口腔臨床常用牙科高分子修??復材料在人工唾液介質中的摩擦磨損行為。李晨曦等［１８］利用微摩擦實驗機（ＵＭＴ－２，??ＣＥＴＲ，ＵＳＡ），研究了牙本質與不同材料之間的摩擦磨損性能。宋海燕等［１９］利用清華大??學自主研發(fā)的微摩擦磨損試驗機，以滑石瓷為對磨件，研究了?Ｕｐｃｅｒａ?ＳＴ和Ｚｅｎｏｓｔａｒ?Ｚｒ??Ｔｒａｎｓｌｕｃｅｎｔ氧化錯瓷的磨損性能以及其與天然牙釉質磨損性能匹配情況。??圖１．４針－盤式二體磨耗機?圖１．５可調節(jié)磨耗儀??Ｆｉｇ．?１．４?Ｐｉｎ－ｏｎ－ｄｉｓｃ?ｔｗｏ?ｂｏｄｙ?ｗｅａｒ?ｍａｃｈｉｎｅ?Ｆｉｇ．?１．５?Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ?ａｂｒａｓｉｏｎ?ｔｅｓｔｅｒ??目前，國際市場上己經推出了一些咀嚼磨損試驗機產品，這些產品具有一定范圍的??－４－??

Ｓ?ｉｎｇｈａｔａｔａｎａｄｇｉｔ等［２Ｗ利用一種具有四連桿機構的咀嚼機器人分別研宄單向載荷和??雙向載荷下牙齒樣品的機械特性，分析了咬合接觸特征、咬合力特征和修復后牙齒的斷??裂特性，樣機如圖１．８（ａ）所示，實驗結果如圖１．８（ｂ）所示。??ｔｆｅ?ｃ＇：：５??（ａ）樣機?（ｂ）實驗結果??圖１．８四連桿咀嚼機器人及實驗結果??Ｆｉｇ．?１．８?Ｆｏｕｒ－ｂａｒ?ｌｉｎｋａｇｅ?ｃｈｅｗｉｎｇ?ｒｏｂｏｔ?ａｎｄ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ?ｒｅｓｕｌｔｓ??；ｉ?ｔ??圖１．９?３－ＰＵＵ并聯機構?圖ＵＯ咀嚼輔助機器人??Ｆｉｇ．?１．９?３－ＰＵＵ?ｐａｒａｌｌｅｌ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?Ｆｉｇ．?１．１０?Ｃｈｅｗｉｎｇ?ａｓｓｉｓｔｅｄ?ｒｏｂｏｔ??Ｃａｌｋｇａｒｉ等為輔助牙醫(yī)制定下頜運動紊亂病的治療方案，設計了一種３－ＰＵＵ并??聯機構（圖１．９），并對這種機構的參數進行了優(yōu)化設計，分析了該機構的可操作性。Ｃｈａｎｇ??－６?－??

??Ｓ?ｉｎｇｈａｔａｔａｎａｄｇｉｔ等［２Ｗ利用一種具有四連桿機構的咀嚼機器人分別研宄單向載荷和??雙向載荷下牙齒樣品的機械特性，分析了咬合接觸特征、咬合力特征和修復后牙齒的斷??裂特性，樣機如圖１．８（ａ）所示，實驗結果如圖１．８（ｂ）所示。??ｔｆｅ?ｃ＇：：５??（ａ）樣機?（ｂ）實驗結果??圖１．８四連桿咀嚼機器人及實驗結果??Ｆｉｇ．?１．８?Ｆｏｕｒ－ｂａｒ?ｌｉｎｋａｇｅ?ｃｈｅｗｉｎｇ?ｒｏｂｏｔ?ａｎｄ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ?ｒｅｓｕｌｔｓ??
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本文編號：2848847