在牙科義齒性能測試領(lǐng)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(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(qū)動并聯(lián)仿生咀嚼機器人應(yīng)用于義齒磨損性能測試領(lǐng)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(qū)動特性還會導(dǎo)致咀嚼機器人的動力學(xué)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(yīng)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(qū)動并聯(lián)仿生咀嚼機器人開展咀嚼運動規(guī)劃、驅(qū)動力優(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(guān)節(jié)(Temporomandibularjoints,TMJs)運動機理的后牙(牙合)運循環(huán)參數(shù)化規(guī)劃方法。首先,推導(dǎo)仿生顳下頜關(guān)節(jié)的運動學(xué)模型,并對6PUS并聯(lián)機構(gòu)進行運動學(xué)逆解,構(gòu)建咀嚼機器人位姿參數(shù)與六組移動副位移的函數(shù)關(guān)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(dǎo)(牙合)運循環(huán)特征參數(shù)與咀嚼機器人四個獨立位姿參數(shù)的函數(shù)關(guān)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(shù)化規(guī)劃的數(shù)學(xué)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(qū)動并聯(lián)仿生咀嚼機器人具有與人類口頜系統(tǒng)類似的冗余驅(qū)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(qū)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(xué)方程。人類咀嚼系統(tǒng)本身具有冗余驅(qū)動特性,在咀嚼肌肉的驅(qū)動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)動力2范數(shù)最小為優(yōu)化目標,建立基于遺傳算法的冗余驅(qū)動咀嚼機器人驅(qū)動力優(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(qū)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(yīng)控制理論相融合的咬合力柔順控制方法。設(shè)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(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,最終實現(xiàn)咬合力在大范圍內(nèi)趨近于期望值。搭建冗余驅(qū)動咀嚼機器人新的樣機實驗平臺,驗證相關(guān)理論研究成果,對其在義齒磨損性能測試領(lǐng)域的應(yīng)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(jié)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(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：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，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(fù)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(xué)醫(yī)學(xué)院設(shè)計的銷－盤式可調(diào)節(jié)式磨耗儀，以軟質(zhì)鈷鉻合金作為對??磨件材料，進行了牙釉質(zhì)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(fù)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(fù)材料在人工唾液介質(zhì)中的摩擦磨損行為。李晨曦等［１８］利用微摩擦實驗機（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(zhì)磨損性能匹配情況。??圖１．４針－盤式二體磨耗機?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，國際市場上己經(jīng)推出了一些咀嚼磨損試驗機產(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構(gòu)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(fù)后牙齒的斷??裂特性，樣機如圖１．８（ａ）所示，實驗結(jié)果如圖１．８（ｂ）所示。??ｔｆｅ?ｃ＇：：５??（ａ）樣機?（ｂ）實驗結(jié)果??圖１．８四連桿咀嚼機器人及實驗結(jié)果??Ｆｉｇ．?１．８?Ｆｏｕｒ－ｂａｒ?ｌｉｎｋａｇｅ?ｃｈｅｗｉｎｇ?ｒｏｂｏｔ?ａｎｄ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ?ｒｅｓｕｌｔｓ??；ｉ?ｔ??圖１．９?３－ＰＵＵ并聯(lián)機構(gòu)?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(shè)計了一種３－ＰＵＵ并??聯(lián)機構(gòu)（圖１．９），并對這種機構(gòu)的參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，分析了該機構(gòu)的可操作性。Ｃｈａｎｇ??－６?－??

??Ｓ?ｉｎｇｈａｔａｔａｎａｄｇｉｔ等［２Ｗ利用一種具有四連桿機構(gòu)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(fù)后牙齒的斷??裂特性，樣機如圖１．８（ａ）所示，實驗結(jié)果如圖１．８（ｂ）所示。??ｔｆｅ?ｃ＇：：５??（ａ）樣機?（ｂ）實驗結(jié)果??圖１．８四連桿咀嚼機器人及實驗結(jié)果??Ｆｉｇ．?１．８?Ｆｏｕｒ－ｂａｒ?ｌｉｎｋａｇｅ?ｃｈｅｗｉｎｇ?ｒｏｂｏｔ?ａｎｄ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ?ｒｅｓｕｌｔｓ??
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 周結(jié)華;;冗余驅(qū)動并聯(lián)機構(gòu)驅(qū)動力優(yōu)化的新型算法設(shè)計[J];工程設(shè)計學(xué)報;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系統(tǒng)的仿生咀嚼運動軌跡規(guī)劃[J];機械制造;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;王貴飛;徐衛(wèi)良;;冗余驅(qū)動仿下頜運動機器人的機構(gòu)設(shè)計及軌跡規(guī)劃[J];機器人;2015年01期

5 朱雅光;金波;李偉;;基于自適應(yīng)-模糊控制的六足機器人單腿柔順控制[J];浙江大學(xué)學(xué)報(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械臂避障軌跡規(guī)劃方法[J];機器人;2014年03期

8 陳修龍;陳林林;梁小夏;;4自由度冗余驅(qū)動并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)和工作空間分析[J];農(nóng)業(yè)機械學(xué)報;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)機器人驅(qū)動力優(yōu)化[J];農(nóng)業(yè)機械學(xué)報;2014年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 溫海營;含點接觸高副的冗余驅(qū)動仿生咀嚼機器人研究[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研究[D];西南交通大學(xué);2014年

3 齊乃申;個別正常（牙合）牙尖交錯位咬合接觸點的分析研究[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及壽命預(yù)測研究[D];河北大學(xué);2013年

5 高思慧;6PUS-UPU冗余并聯(lián)機器人動力學(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)行為的實驗研究[D];第四軍醫(yī)大學(xué);2013年

7 萇占波;咀嚼機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及其應(yīng)用[D];中國科學(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：2848847