發(fā)布時(shí)間：2020-10-20 15:24

　　 在牙科義齒性能測(cè)試領(lǐng)域,目前多采用各種體外摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試義齒的磨損性能,這些測(cè)試設(shè)備不能模擬人類口頜系統(tǒng)中復(fù)雜的咬合接觸和載荷形式。相比于各種摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),咀嚼機(jī)器人在模擬咀嚼運(yùn)動(dòng)和義齒載荷方面具有很大優(yōu)勢(shì)。為保證義齒磨損性能測(cè)試的有效性和準(zhǔn)確性,本文將一種含有點(diǎn)接觸高副(Higher kinematic pair,HKP)的冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)仿生咀嚼機(jī)器人應(yīng)用于義齒磨損性能測(cè)試領(lǐng)域。由于點(diǎn)接觸高副和咬合接觸的存在,使得對(duì)咀嚼機(jī)器人進(jìn)行咀嚼運(yùn)動(dòng)規(guī)劃具有很大的挑戰(zhàn)性。冗余驅(qū)動(dòng)特性還會(huì)導(dǎo)致咀嚼機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程不具有唯一解。另外,在咀嚼運(yùn)動(dòng)中咬合接觸階段既要控制咀嚼機(jī)器人沿期望的軌跡運(yùn)動(dòng),又要控制咬合力的大小,這就要求咀嚼機(jī)器人具有順應(yīng)咬合接觸的能力,即柔順性。為解決這些難題,本文對(duì)含有點(diǎn)接觸高副的冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)仿生咀嚼機(jī)器人開展咀嚼運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、驅(qū)動(dòng)力優(yōu)化分配、咬合力柔順控制等方面的研究,主要內(nèi)容如下:針對(duì)義齒磨損性能測(cè)試對(duì)高仿生咀嚼運(yùn)動(dòng)的要求,提出一種基于顳下頜關(guān)節(jié)(Temporomandibularjoints,TMJs)運(yùn)動(dòng)機(jī)理的后牙(牙合)運(yùn)循環(huán)參數(shù)化規(guī)劃方法。首先,推導(dǎo)仿生顳下頜關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,并對(duì)6PUS并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解,構(gòu)建咀嚼機(jī)器人位姿參數(shù)與六組移動(dòng)副位移的函數(shù)關(guān)系。然后,規(guī)劃(牙合)運(yùn)循環(huán)中咀嚼機(jī)器人的位姿變化規(guī)律,推導(dǎo)(牙合)運(yùn)循環(huán)特征參數(shù)與咀嚼機(jī)器人四個(gè)獨(dú)立位姿參數(shù)的函數(shù)關(guān)系,采用多項(xiàng)式擬合的方法形成咀嚼機(jī)器人完整的(牙合)運(yùn)循環(huán)軌跡,建立后牙(牙合)運(yùn)循環(huán)參數(shù)化規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型。最后,通過仿真算例分析驗(yàn)證咀嚼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式的仿生性和下切點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的仿生性。含有點(diǎn)接觸高副的冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)仿生咀嚼機(jī)器人具有與人類口頜系統(tǒng)類似的冗余驅(qū)動(dòng)特性。從仿生原理角度出發(fā),提出一種基于遺傳算法的驅(qū)動(dòng)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(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程。人類咀嚼系統(tǒng)本身具有冗余驅(qū)動(dòng)特性,在咀嚼肌肉的驅(qū)動(dòng)過程中存在與自然科學(xué)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(guān)節(jié)內(nèi)力2范數(shù)最小和驅(qū)動(dòng)力2范數(shù)最小為優(yōu)化目標(biāo),建立基于遺傳算法的冗余驅(qū)動(dòng)咀嚼機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力優(yōu)化分配數(shù)學(xué)模型。將食品質(zhì)構(gòu)儀獲取的仿真食物力-變形關(guān)系曲線加載到機(jī)器人磨牙上完成(牙合)運(yùn)循環(huán)下咀嚼仿真食物實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)力優(yōu)化分配方法的可行性。為解決咬合接觸階段對(duì)咀嚼運(yùn)動(dòng)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(yīng)控制理論相融合的咬合力柔順控制方法。設(shè)計(jì)基于位置的咀嚼機(jī)器人阻抗控制器,建立基于MATLAB Simulink和ADAMS的咀嚼機(jī)器人控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型,研究慣性系數(shù)、阻尼系數(shù)和剛度系數(shù)對(duì)阻抗控制系統(tǒng)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(nèi),始終存在穩(wěn)態(tài)誤差。在阻抗控制器的基礎(chǔ)上,引入自適應(yīng)環(huán)節(jié),消除阻抗控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差,最終實(shí)現(xiàn)咬合力在大范圍內(nèi)趨近于期望值。搭建冗余驅(qū)動(dòng)咀嚼機(jī)器人新的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),驗(yàn)證相關(guān)理論研究成果,對(duì)其在義齒磨損性能測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行探索。首先,進(jìn)行咀嚼機(jī)器人(牙合)運(yùn)循環(huán)實(shí)驗(yàn),分別提取搗碎運(yùn)動(dòng)和磨細(xì)運(yùn)動(dòng)中下切點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,并與人類(牙合)運(yùn)循環(huán)軌跡以及仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證咀嚼機(jī)器人(牙合)運(yùn)循環(huán)軌跡的仿生性。其次,進(jìn)行咀嚼機(jī)器人咬合力控制實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證咬合力柔順控制策略的有效性。最后,進(jìn)行(牙合)運(yùn)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(cè)試實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證咀嚼機(jī)器人用于義齒磨損性能測(cè)試的可行性。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)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(jī)，以滑石瓷為對(duì)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(fù)材料的摩擦磨損性能，二體磨耗機(jī)如圖１．４所示。項(xiàng)楠??等［］６］利用上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院設(shè)計(jì)的銷－盤式可調(diào)節(jié)式磨耗儀，以軟質(zhì)鈷鉻合金作為對(duì)??磨件材料，進(jìn)行了牙釉質(zhì)磨耗實(shí)驗(yàn)，磨耗儀如圖１．５所示。鄭靖等１１７］采用球面接觸方式??的往復(fù)滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（ＮＥＮＥ，法國(guó)），研宄了四種我國(guó)口腔臨床常用牙科高分子修??復(fù)材料在人工唾液介質(zhì)中的摩擦磨損行為。李晨曦等［１８］利用微摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)（ＵＭＴ－２，??ＣＥＴＲ，ＵＳＡ），研究了牙本質(zhì)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(xué)自主研發(fā)的微摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，以滑石瓷為對(duì)磨件，研究了?Ｕｐｃｅｒａ?ＳＴ和Ｚｅｎｏｓｔａｒ?Ｚｒ??Ｔｒａｎｓｌｕｃｅｎｔ氧化錯(cuò)瓷的磨損性能以及其與天然牙釉質(zhì)磨損性能匹配情況。??圖１．４針－盤式二體磨耗機(jī)?圖１．５可調(diào)節(jié)磨耗儀??Ｆｉｇ．?１．４?Ｐｉｎ－ｏｎ－ｄｉｓｃ?ｔｗｏ?ｂｏｄｙ?ｗｅａｒ?ｍａｃｈｉｎｅ?Ｆｉｇ．?１．５?Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ?ａｂｒａｓｉｏｎ?ｔｅｓｔｅｒ??目前，國(guó)際市場(chǎng)上己經(jīng)推出了一些咀嚼磨損試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品具有一定范圍的??－４－??

Ｓ?ｉｎｇｈａｔａｔａｎａｄｇｉｔ等［２Ｗ利用一種具有四連桿機(jī)構(gòu)的咀嚼機(jī)器人分別研宄單向載荷和??雙向載荷下牙齒樣品的機(jī)械特性，分析了咬合接觸特征、咬合力特征和修復(fù)后牙齒的斷??裂特性，樣機(jī)如圖１．８（ａ）所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖１．８（ｂ）所示。??ｔｆｅ?ｃ＇：：５??（ａ）樣機(jī)?（ｂ）實(shí)驗(yàn)結(jié)果??圖１．８四連桿咀嚼機(jī)器人及實(shí)驗(yàn)結(jié)果??Ｆｉｇ．?１．８?Ｆｏｕｒ－ｂａｒ?ｌｉｎｋａｇｅ?ｃｈｅｗｉｎｇ?ｒｏｂｏｔ?ａｎｄ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ?ｒｅｓｕｌｔｓ??；ｉ?ｔ??圖１．９?３－ＰＵＵ并聯(lián)機(jī)構(gòu)?圖ＵＯ咀嚼輔助機(jī)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(yùn)動(dòng)紊亂病的治療方案，設(shè)計(jì)了一種３－ＰＵＵ并??聯(lián)機(jī)構(gòu)（圖１．９），并對(duì)這種機(jī)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了該機(jī)構(gòu)的可操作性。Ｃｈａｎｇ??－６?－??

??Ｓ?ｉｎｇｈａｔａｔａｎａｄｇｉｔ等［２Ｗ利用一種具有四連桿機(jī)構(gòu)的咀嚼機(jī)器人分別研宄單向載荷和??雙向載荷下牙齒樣品的機(jī)械特性，分析了咬合接觸特征、咬合力特征和修復(fù)后牙齒的斷??裂特性，樣機(jī)如圖１．８（ａ）所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖１．８（ｂ）所示。??ｔｆｅ?ｃ＇：：５??（ａ）樣機(jī)?（ｂ）實(shí)驗(yàn)結(jié)果??圖１．８四連桿咀嚼機(jī)器人及實(shí)驗(yàn)結(jié)果??Ｆｉｇ．?１．８?Ｆｏｕｒ－ｂａｒ?ｌｉｎｋａｇｅ?ｃｈｅｗｉｎｇ?ｒｏｂｏｔ?ａｎｄ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ?ｒｅｓｕｌｔｓ??
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 周結(jié)華;;冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力優(yōu)化的新型算法設(shè)計(jì)[J];工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào);2015年06期

2 馬德軍;王加森;盧慧;俞經(jīng)虎;;基于三次B樣條曲線的食品物性檢測(cè)系統(tǒng)的仿生咀嚼運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃[J];機(jī)械制造;2015年08期

3 宋文尚;王旭;焦建平;;四種冠修復(fù)材料與牙釉質(zhì)磨耗磨損性能的對(duì)比研究[J];現(xiàn)代口腔醫(yī)學(xué)雜志;2015年04期

4 杜婧;叢明;溫海營(yíng);王貴飛;徐衛(wèi)良;;冗余驅(qū)動(dòng)仿下頜運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及軌跡規(guī)劃[J];機(jī)器人;2015年01期

5 朱雅光;金波;李偉;;基于自適應(yīng)-模糊控制的六足機(jī)器人單腿柔順控制[J];浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版);2014年08期

6 宋海燕;曾劍玉;司文捷;;牙科氧化鋯瓷摩擦磨損性能的研究[J];北京口腔醫(yī)學(xué);2014年03期

7 祁若龍;周維佳;王鐵軍;;一種基于遺傳算法的空間機(jī)械臂避障軌跡規(guī)劃方法[J];機(jī)器人;2014年03期

8 陳修龍;陳林林;梁小夏;;4自由度冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和工作空間分析[J];農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào);2014年08期

9 Xue-Mei Niu;Guo-Qin Gao;Xin-Jun Liu;Zhi-Da Bao;;Dynamics and Control of a Novel 3-DOF Parallel Manipulator with Actuation Redundancy[J];International Journal of Automation and Computing;2013年06期

10 高名旺;張憲民;;4-RRR冗余并聯(lián)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力優(yōu)化[J];農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào);2014年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 溫海營(yíng);含點(diǎn)接觸高副的冗余驅(qū)動(dòng)仿生咀嚼機(jī)器人研究[D];大連理工大學(xué);2016年

2 高清平;天然牙和牙科全瓷飾面瓷的摩擦磨損性能研究[D];中南大學(xué);2007年

3 鄭靖;牙齒的摩擦學(xué)特性研究[D];西南交通大學(xué);2004年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 謝高鵬;食品咀嚼模擬機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)與研究[D];吉林大學(xué);2014年

2 聞健;人體天然牙及牙科修復(fù)材料沖擊磨損行為的體外試驗(yàn)研究[D];西南交通大學(xué);2014年

3 齊乃申;個(gè)別正常（牙合）牙尖交錯(cuò)位咬合接觸點(diǎn)的分析研究[D];大連醫(yī)科大學(xué);2014年

4 耿建;基于義齒材料的摩擦磨損加速壽命試驗(yàn)及壽命預(yù)測(cè)研究[D];河北大學(xué);2013年

5 高思慧;6PUS-UPU冗余并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模及力/位混合控制研究[D];燕山大學(xué);2013年

6 郭嘉文;模擬口腔環(huán)境下鈷鉻合金烤瓷全冠飾瓷材料摩擦學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)研究[D];第四軍醫(yī)大學(xué);2013年

7 萇占波;咀嚼機(jī)器人建模與控制研究[D];大連理工大學(xué);2010年

8 崔珊珊;遺傳算法的一些改進(jìn)及其應(yīng)用[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

9 田延碩;遺傳算法的研究與應(yīng)用[D];電子科技大學(xué);2004年

10 張杰;天然牙與牙科修復(fù)材料的摩擦學(xué)研究[D];西南交通大學(xué);2003年

本文編號(hào)：2848847