[发明专利]一种六自由度咀嚼机器人及其通信控制系统

说明书

本发明涉及咀嚼仿生领域，具体是一种六自由度咀嚼机器人及其通信控制系统，根据实际的人体口腔运动特性，针对颞下颌关节的多自由度运动特性，设计实现了六自由度仿生咀嚼机器人结构，采用不同于传统并联结构的串并联混合结构实现了牙齿的咬合和咀嚼功能，支链数目大大减少，机构耦合度降低，降低了控制难度，对于运动的控制也更为简单可靠。

技术领域

本发明涉及咀嚼仿生领域，具体是指一种六自由度咀嚼机器人及其通信控制系统。

背景技术

人类咀嚼运动是由下颌骨、咀嚼肌群、颞下颌关节和上颌骨等组织结构组成的，通过咀嚼肌群收缩完成的运动，它在空间具有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。基于口腔咬合特性和运动轨迹，开发符合口腔环境的仿生咀嚼机器人，对于辅助口腔医学或进行食品科学检测具有重要意义。咀嚼机器人的开发涉及到如仿生学、空间机构学、控制工程和电子信息技术等众多学科。

仿生咀嚼机器人通过模拟人体咀嚼咬合特性和运动轨迹，可以替代真实人体口腔环境进行相关的科学实验，其仿生程度和测量精度都十分优秀。在口腔医学领域，目前临床上测试假牙修复材料，通常使用的是大型力学实验机，通过垂直方向的循环挤压运动，进而模拟咬碎食物等咀嚼运动，以测试义齿材料性能。这种施压方式没有考虑人体咀嚼运动中生物力学特性和上下颌特殊结构的影响，在仿生程度上有很大不足。

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)而且也在食品科学领域(如食品的质地检测、咀嚼效率及口感评估测试)、口腔医学领域中(如咬合关节的修复、关节变形状况以及咀嚼活动应力分布研究)等方面有广泛应用价值。

目前国内在仿生咀嚼运动机器人领域的研究较少，而随着社会经济的发展，人们对于个体人文关怀以及对于口腔健康的关注日益提高，人们迫切需要一种能够真实模拟人体口腔环境，并且针对不同人群进行特殊化参数设计，最终应用于食品质地特性和义齿材料性能的仿生咀嚼机器人。

已有的仿生咀嚼机器人机构多采用常见的并联机构如Stewart平台以及变体，整体机械结构复杂，结构所需安装空间较大，且由于并联机器人本身特点，不便于控制；而另外一些设计的结构仅为单自由度或双自由度，只能进行垂直或者平面咬合运动，无法真实模拟人类实际口腔咀嚼运动轨迹。

201310602874.X公开了一种具有仿生颞下颌关节的冗余驱动咀嚼机器人，包括机器人的机械结构和控制系统，其控制系统具有三种模式。该机构具有较真实的仿生结构和较好的仿生咀嚼运动性能，但应用于实际的食品检测评估中可靠性较低，且其基于6-PUS并联结构设计，各分支连杆结构耦合度太高，实际运动学以及动力学控制困难，实用效果较差。

CN108717818A公开了一种多自由度口腔运动模拟机器人，其包括底板、XY工作平台、上颌动平台支柱、上颌动平台、下颌固定板、下颌动平台支柱、下颌动平台、直线驱动装置和微型压力传感器。本发明的多自由度口腔运动模拟机器人在使用时，可以控制XY工作平台使下颌动平台获得在水平面内的两个运动自由度，并且通过三个直线驱动装置和鱼眼杆端关节轴承为下颌动平台提供矢状轴、冠状轴和垂直轴三个方向的旋转自由度，可以模拟矢状轴、冠状轴和垂直轴三个方向的旋转和移动，再现人类真实的咀嚼运动轨迹。但咬合时运动不够稳定，具体表现为在咬合时随着食物破碎，下颚会出现晃动，咬合存在下颚多自由度的旋转的情况，不能达到想要模拟的真实口腔咀嚼运动轨迹的目的。

CN201610408044.7公开了一种用于义齿及食品检测仿生咀嚼机器人，该机构采用上下颌分离式结构进行仿生机构设计，上下颌平台合成模拟口腔四自由度咀嚼运动，但采用并联结构设计导致整体框架不符合人体比例，且合成的咀嚼运动无法真实模拟口腔咀嚼运动。