（机械电子工程专业论文）基于dsp的排牙机器人控制.pdf

基于d s p 的排牙机器人控制 摘要 目前进行全口义齿制作都是用简单的辅助工具靠手工完成，这种方式的全 口义齿的制作精度和速度都无法满足现代社会的需求，为此我们进行了有关 “采用多操作机的机器人排牙系统的研制 项目的研究，提出了一种将口腔医 学操作与现代机器人技术结合、对全口义齿过程进行定量化和数字化操作的新 方法。 本文为多操作机排牙机器人结构开发出了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的排牙机 器人控制器及步进电动机驱动器。控制器通过与上位机进行s c i 通信获得控制 所需的步进电动机位移与方向信号，利用聊s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的事件管理单元产 生驱动步进电动机的对称p w m 波，通过控制p w m 波的载波周期与计数器值 来控制输出p w m 波的频率与占空比特性，从而降低了c p u 的占用率，保证 控制器有较快的响应速度。利用步进电动机集成驱动芯片u c n 5 8 0 4 b 完成信 号的环形分配与功率放大，最终实现对步进电动机转速与方向的控制。 为了简化应用程序设计，充分利用系统资源，本设计将嵌入式实时操作系 统j _ t c o s - i i 移植到1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 中，并根据排牙机器人的工作情况采用高 级计算机语言编写出了多任务程序，提高了系统的实时性与可靠性，方便了系 统的维护。 控制器利用i o 译码对5 0 个步进电动机分成8 组进行驱动，实现了多个 电机协调控制，使各个操作手臂能够联动，通过3 个8 2 5 9 a 处理机器人运行到 达标定及极限位置的中断信号，使机器人手臂准确定位，使控制器精度高达 0 6 m m ，实时响应时间小于o 1 s ，达到既定设计要求。 本设计实现了口腔修复学中的自动化操作，相当于短期培训了大批技艺高 超的牙科专家，从而提高了生产率、降低了知识复用的成本、促进了口腔医学 的发展。制作出来的步进电动机控制器和驱动器性能优良、精度高、可靠性 高、性价比高，应用于全口义齿操作中能极大地提高全口义齿制作的生产率及 产品的质量，具有较好的实际应用价值和广阔的应用前景。 关键词机器人；嵌入式；义齿；排牙 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 c o n t r o lo f t o o t h a r r a n g e m e n tr o b o tb a s e do nd s p a b s t r a c t n o w a d a y st h em a n u f a c t u r eo fc o m p l e t ed e n t u r ea l ld e p e n d so nh a n d w o r ka n d t h ea s s i s t a n c eo fs i m p l et o o l s ，a n di t sa c c u r a c ya n dm a n u f a c t u r i n gs p e e dc a n ts a t i s f y t h en e e d so ft h em o d e r ns o c i e t y f o rt h i sr e a s o n ，w ec a r r i e do u tt h er e s e a r c ho f - - t h e m a n u f a c t u r eo ft o o t ha r r a n g e m e n tr o b o ts y s t e mu s et h em u l t i - t a s ko p e r a t o r s w e b r i n gf o r w a r dak i n do fn e wm e t h o dt oc o m b i n eo r a lr e s t o r a t i o nt e c h n o l o g yw i t h m o d e mr o b o tt e c h n o l o g yw h i c hc a ng i v et h en u m e r i c a la n dr a t i o n a lo p e r a t i o no nt h e p r o c e s so fc o m p l e t ed e n t u r em a n u f a c t u r e t h i st h e s i sd e v e l o p sac o n t r o l l e ra n dd r i v e rf o rt h et o o t ha r r a n g er o b o tb a s e do i l t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 af o rt h em u l t i - t a s kt o o t ha r r a n g eo p e r a t o r s t h ec o n t r o l l e ra c q u i r e s t h ed i s p l a c e m e n ta n dd i r e c t i o ns i g n a l so fs t e pm o t o rt h r o u g hs c ic o m m u n i c a t i o n w i t hu p p e rm a c h i n e i tu s e st h ee v e n tm a n a g e rm o d u l e so ft m s 3 2 0 l f2 4 0 7 at o g e n e r a t es y m m e t r i cp w m w a v e f o r mf o rd r i v i n gs t e pm o t o r i tc h a n g e st h ef r e q u e n c y a n dd u t yt i m ec h a r a c t e r so fo u t p u tp w mw a v e f o r mt h r o u g hc h a n g i n gt h ec a r r i e r w a v ep e r i o da n dt i m e rv a l u e so f1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h u sd e c r e a s i n gt h eu s i n gr a t i o o fc p u ，t h ec o n t r o l l e rh a sr a p i dr e s p o n s es p e e d nu s e st h ei n t e g r a t es t e pm o t o r t r a n s l a t o ra n dd r i v e rc h i pu n c 5 8 0 4 bt oc o m p l e t et h ea n n u l a rd i s t r i b u t i o na n dp o w e r m a g n i f yo fs i g n a l s ，a n dr e a l i z e st h er o t a t es p e e da n dd i r e c t i o nc o n t r o lo fs t e pm o t o l i no r d e rt os i m p l i f yt h ed e s i g no fa p p l i c a t i o np r o g r a ma n dm a k ef u l lu s eo ft h e s y s t e mr e s o u r c e s ，t h i sd e s i g nt r a n s p l a n t st h er e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m 肛c o s - i ii n t ot h e 田m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a nu s e sa d v a n c e dc o m p u t e rl a n g u a g et od e v e l o pt h e c o r r e s p o n d i n gt a s kp r o g r a m sa c c o r d i n gt ot h ew o r kc i r c u m s t a n c eo ft h et o o t h a r r a n g e m e n tr o b o t , w h i c hi n c r e a s e ss y s t e m sr e a lt i m ea b i l i t ya n dt h er e a l i b i l i t y , a n d m a k e si te a s yt ob em a i n t a i n e d n l ec o n t r o l l e ru s e st h ei oc o d i n gt e c h n o l o g yt 0d i v i d e5 0s t e pm o t o r si n t o8 g r o u p st od r i v e ，f u l f i l l st h ec o o r d i n a t i o nc o n t r o lo f5 0e l e c t r i c a ls t e pm o t o r s ，a n d e n a b l e sm a n ys t e pm o t o r ss i m u l t a n e i t y i tu s e s38 2 5 9 at od e a l 埘t l lt h ei n t e r r u p t s i g n a l sw h e n t h es t e pm o t o r sr e a c ht h e i rl i m i tp o s i t i o n sa n dt h e i rd e m a r c a t e p o s i t i o n s t k sg u a r a n t e e st h ea c c u r a c yo ft h es y s t e mu pt o0 6 r a m ；l i m i t st h er e s p o n s et i m e n - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 l o 、v i 暑rt h a n0 1s ，a n da t t a i nt h ed e s i g nr e q u e s t t m sd e s i g nc a r r i e so u tt h ea u t o m a t i o no p e r a t i o no ft h eo r a lr e s t o r a t i o ns u b j e c t , e q u a lt ot r a i nal o to fs u p e r bd e n t i s t r ye x p e r ti nas h o r tt i m e ，t h u sr a i s i n gt h er a t eo f p r o d u c t i o na n dl o w e r i n gt h e c o s to fk n o w l e d g e 坞一i m p a r t a t i o n ，p r o m o t et h e d e v e l o p m e n to ft h et o o t hm e d i c a ls c i e n c e t h es t e pm o t o rc o n t r o l l e ra n dd r i v e rw e d e s i g n e dh a v eag o o dq u a l i t y , h i 曲a c c u r a c y , g o o dr e l i a b i l i t ya n dh i g l lr a t eo f p e r f o r m a n c et op r i c e b e e nu s e di nt h eo p e r a t i o no fc o m p l e t ed e n t u r et h i ss y s t e m w i l lg r e a t l yr a i s et h er a t eo f p r o d u c t i o na n dt h eq u a l i t yo ft h e p r o d u c t ，a n dw i l lh a v ea g o o dp r a c t i c a lv a l u ea n d a ne x p a n s i v ea p p l i c a t i o np e r s p e c t i v e k e y w o r d sr o b o t ；e m b e d d e d ；d e n t u r e ；t o o t ha r r a n g e m e n t i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 据调查我国目前有9 5 以上的老年人有牙齿松动脱落症状，严重的全口缺 牙，患者不仅会极其疼痛、面部变形、发音不清楚，而且会严重影响咀嚼功 能，使患者进食困难，这样会大大缩短老人的寿命。对患者满口缺牙进行修 复即为全口义齿嘲。2 0 世纪9 0 年代，机器人的应用研究从传统的工业领域向 家庭、医学等领域扩展，与之相关的控制、材料、传感器、电子等技术也取得 了长足的发展，将机器人技术应用于医学中实现精确的定量化操作已经成为可 能，临床医学中利用机器人技术进行口腔修复成了近年来研究的热点d 1 。 1 1 1 机器人技术的发展 现代机器人的研究始于2 0 世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发 展以及原子能的开发利用。大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展， 与之相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。原子能实验 室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下， 美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1 9 4 7 年开发了遥控机械手。 1 9 5 4 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利 的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教， 机器人能实现动作的记录和再现，这就是所谓的示教再现机器人。 作为机器人产品最早的实用机型( 示教再现) 是1 9 6 2 年美国棚公司推 出的“v e r s t r a n 和u n i m a t i o n 公司推出的“u n i m a t e 。这些工业机 器人的控制方式与数控机床大致相似，主要由类似人的手和臂组成。 1 9 7 0 年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1 9 7 0 年以后，机 器人的研究得到迅速广泛的普及。 到了1 9 8 0 年，工业机器人才真正在日本普及。随后，工业机器人在日本 得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国”的美称。 随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次 上有了很大的提高，移动机器人、机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代 表。2 0 世纪8 0 年代，人们将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 能机器人，这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器 人技术向更深的方向发展，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器 人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，与当前信息技术的交互融合 又产生了“软件机器人 、“网络机器人等，这也说明了机器人所具有的创新 活力。 1 1 2 机器人技术在医学中的应用 “机器人之父恩格尔伯格先生于1 9 8 3 年创建t r c 公司，开始研制服务 机器人，t r c 公司第一个服务机器人产品是医院用的“护士助手机器人。 “护士助手是自主式机器人，一旦编好程序，它随时可以完成运送医疗器材 和设备，照顾病人，医院内部送邮件及包裹等任务嘲。 19 9 2 年美国i n t e p t e ds u l d c a ls y s t e m s 公司推出了r o b o d o c 机器人系 统，它是在传统工业机器人技术基础上开发而成的，可以完成全筋骨替换、修 复和膝关节置换等手术，该公司还开发了o r l m o d o c 图像处理系统，根据 c t 图片进行3 d 建模和手术规划，为手术提供所有需要的数据，帮助医生完成 监控和虚拟手术嘲。 19 9 6 年r e i n h a r d t 等人及19 8 7 年w a t a n a b e 分别提出了将实时定位系统和 图像数据相联系的方法。这是首次采用机械手的实时定位方法。它利用一装有 角度传感器的机械手指向大脑的三维组织结构，并将计算出的机械手尖端位置 与c t 图片相关联，指导手术进行。 2 0 0 0 年1 月9 日，美国i n t u i t i v es u r g i c a l 公司成功开发出d av i n c i 外科手 术机器人系统( 腹腔手术机器人系统) ，它是目前为数不多的商品化的实用技术 之一手术医生在控制台上通过主手( 复制医生的运动) 操作机器人动作，通过 脚踏板来控制高质量的视觉系统。多功能手术床包括2 个机器人手臂和一个内 窥镜挟持手臂。为避免损伤患者微细组织和神经，内窥镜手臂在手术切口1e m 上回转刀。 在国内，医用机器人的研究越来越受到各方面的重视，也取得了一系列的 成果。上海交通大学的颜国正等人成功研制出微型智能介入式诊断系统，采用 微型蠕动机器人进入人体消化道进行无创检测，解决了插管式检测创伤大、患 者异常疼痛、检测部位不全等弊端嘲。系统包括生物遥测胶囊、体外便携式记 录仪、数据处理器等，可以实现压力、温度、p h 值的检测口1 。 北京航空航天大学机器人所与解放军海军总医院等单位合作，在19 9 7 年 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 成功研制基于通用p u m a 机械手的神经外科机器人并进行了临床实验；2 0 0 3 年开发了“黎元 机器人并在2 0 0 3 年9 月成功完成国内首例异地( 北京一沈 阳) 临床脑外科手术。 1 1 3 机器人技术在口腔修复学中的应用现状 1 1 3 1 传统全口义齿的制作方法传统的手工全口义齿需要以下几个过程： l 。进行无牙颌的口腔检查和修复前准备。 2 进行全口义齿的制作，首先制取印模，通过制取准确的口腔软组织的印 模获得准确的模型。制作好印模后，按照美观原则和咀嚼功能原则选择不同形 状、色泽、大小的人工牙，选完人工牙后进行排牙操作，即确定每颗牙齿在牙 模上的位置、姿态以及相互之间的咬合关系。 3 全口义齿初步制作完成后，要检查义齿戴入口腔后检查局部比例是否协 调，外形是否和谐，检查人工牙的形状、位置、排列及前牙与唇的关系，检查 后牙排列是否适当，检查义齿是否稳定，检查义齿是否在功能状态下稳定。 4 最后经过制作蜡型、装盒、开盒除蜡、填塞塑胶，热处理后在牙颌架 上进行检查、咬合等步骤最后完成全口义齿的制作n 伽。 1 1 3 2 机器人辅助义齿的国内外研究现状长期以来，口腔医学是以目测和 手工操作为基础的传统学科，它的发展过程主要是以经验积累、归纳总结为主 要方式，贯穿于学科发展过程的思维方式是以形象思维为主。正是这种原因才 使得它在临床医疗过程中不够严格和准确。许多的疾病诊断、义齿设计、制 作、临床都带有明显的主观因素。例如对牙齿松动度的判别，义齿拔除与否、 义齿设计方案正确与否，戴义齿后效果优劣的判别以及遇到问题时的处理方法 等等。 计算机技术和机器人技术的出现和应用对现代口腔医学来说，无疑起到了 巨大的推动和促进作用。现代科学技术中，日益强烈的渗透、移植、结合、一 体化的趋势，孕育并提出建立统一科学方法论的要求，这种代表现代化科学进 步的主要形式便是交叉学科的产生。国外对于计算机技术在全口义齿修复的应 用大多集中于采用c a d c a m 系统制作全口义齿修复体上。 2 0 世纪7 0 年代初期，法国牙医f r a n c o i sd u r c t 教授首先将c a d c a m 技 术引入口腔修复体的设计与制作，从而引发了口腔修复学界的一场技术大变 革，它开创了计算机技术在i d 腔医学领域应用的先河n u 。 1 9 9 3 年7 月，日本的w a s c d a 大学的t a k a a o b u 、h i d e a k i 、t a k a n i s h i 、 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 a t s u o 、k a t o 、 i c h i r o 等人利用人的头骨模型制作了一个咀嚼机器人机构。这 种机器人通过运用头盖骨模型而具有一个与人体相似的结构，通过它就可以为 人的颌骨建立一个量化的和动态的咀嚼模型n 羽。 1 9 9 8 年7 月美国k e n t u c k y 大学w a n g ，l 等人设计了一种测试义齿移植的 机器人系统，使用该系统可以测试义齿与口腔附属组织之间力的传递情况。该 系统被设计成用于产生上下颚的运动模拟及以上下牙齿咬合面的接触力，这样 不同的义齿设计和植入操作步骤都能被测试和评价。这种用于产生运动和力的 传递模型的机器人系统的使用极大的方便了评价义齿植入操作的标准化n 羽。 日本鹿儿岛大学的川细直嗣教授研究利用树脂材料来复制全口义齿，以及 用钛合金来复制人工牙咬合面。他首先将选定的人工牙放大，以便获得足够清 晰的解剖形态和外形轮廓，然后利用s u p e r l a c e rm o d e lv m s 2 5 0 r 非接 触式三维激光测量装置对人工牙及欲复制的全口义齿进行测量。对测得的数据 在计算机上进行三维重构，然后利用高精度数控磨床来自动切削全口义齿n 钔。 日本大阪大学的前田芳等人正在开发新的全口义齿系统o s a k a v n i v e r s e y 。该系统用传统的托盘，印模材料和方法分别制取上下颌印模 后，再在口内按正中关系的要求在牙颌平面的位置上将上下颌印模连接为一个 整体取出，然后利用三维激光扫描仪对印模进行测量，以获取上下无牙颌及软 组织的表面形状数据。然后将前面测量得到无牙颌及软组织的表面形状数据在 工作站上进行三维重建。为了便于修改数据，在系统中采用了表面模型技术。 通过这些方法，将义齿黏膜、光滑面及咬合面的形状数据组合在一起，从而完 成义齿的设计数据。再将完成的全口义齿形状数据传送到三维光造型系统，通 过专用的控制程序来完成光固化树脂的全口义齿造型加工司。 在国内，北京医科大学口腔医学院吕培军等人于1 9 9 2 年进行了计算机辅助 设计在全口义齿排牙中的应用研究n 6 】。2 0 0 1 年他们与北京理工大学机器人研究 中心的张永德、赵占芳等人合作开发出了机器人辅助全口义齿排牙系统，由机 器人实现被抓取的物体任意位置和姿态，他们在加拿大的c r s 4 5 0 六个自由度 机器人及其控制器的基础上自行研制了电磁手指及非接触式三维激光扫描仪， 研制和开发出了单颗塑料人工牙与最终要完成的人工牙列的过渡转换装置 可调式排牙器。他们用r a p l 编写了机器人控制软件。在机器人的手的顶端设 计加装电磁手指、工作台和机器人控制器的输出接口电路等零部件。同时研制 固定排牙器底座所需的光固化树脂并改造光固化灯源m 3 。 当今世界有许多国家的医学工作者及科技工作者都正在紧密的合作，加紧 将计算机和机器人技术应用到口腔修复学实际中来，但遗憾的是在众多已经研 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 制出的系统中，由于在人工牙齿位置和姿态的准确定位、牙列调整的灵活性、 牙齿的咬合及啮合时的精确程度等一些关键环节上需要进一步改进，至今这方 面的研究只能停留在实验室阶段，不能推广到大规模的临床应用中去【i 口】。 1 2 课题的来源及研究的意义 从调研以及对所收集到资料进行分析我们可以得到目前的1 2 1 腔修复医学领 域仍然处于传统的手工制作阶段，采用常规的手工方法制作人工义齿有以下突 出的缺点： 1 义齿的精度较低从制取印模、灌注模型、全口义齿排牙、全口义齿平 衡颌调整、全口义齿的蜡型成型等都是用手工方法制作，一些位置的确定和距 离的测量都是靠目测的方法，精度的保证主要靠经验积累，制作出来的义齿有 的不仅不适合患者的牙槽嵴，造成患者咀嚼困难，而且容易引起患者口腔黏膜 疾病，更重要的是会引起患者面部的变形，影响患者的正常发音。 2 义齿速度较隧手工义齿的制作需要多达3 0 多道工序，费时费力而且 精度不高，其总体效果与每一步都有很大的关系，对义齿制作的每个环节都必 须保证最大的准确性，对于一些经验丰富的老牙医来说，他能根据经验熟练的 制作出全口义齿，然而这样仍然需要很长的时间，这种方法效率是很低的，是 不适合当今社会科技的进步和人类生活水平的提高的。 3 不利于义齿学科的发展从知识传播的角度来看，主要依靠经验来进行 知识积累的方法是不利于知识的传播与发展的，这种方式的积累主要依靠经验 数据、直观的形象示意，缺乏科学的定量分析，很难形成统一规范的行业标 准，更不利于学者和医生对全口义齿知识的交流与合作。 4 无法满足大量患者的需求我国进入到老龄化社会后将出现超过3 0 0 0 万的老年人群体，全世界总共则有超过l o 亿的老年人而全口义齿手工制作过 程比较麻烦，而牙医的数量本来就不多，制作过程熟练、经验丰富的牙科技师 则更少，这样就不能满足患者的需求。 在充分了解了口腔修复学领域的临床应用的实际情况以及国内外研究现状 的基础上，在哈尔滨理工大学机械动力工程学院张永德教授的牵头下，申请了 黑龙江省科技厅攻关计划课题“采用多操作机的机器人排牙系统的研制 ， 项目编号：g c 0 3 a 5 1 。此前张永德教授及其研究生胡腾飞、于爽等已进行了长 时间的研究，积累了很多宝贵的经验，已经开发出了“基于m s p 4 3 0 的多操作 机排牙机器人控制器 ，本文要采用新型的d s p 芯片，针对项目需求开发研 5 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 制更实用、性能更优良的机器人排牙控制器及步进电动机驱动器。 本课题的研究改变了传统的全口义齿手工制作模式，在口腔修复医学中应 用计算机与机器人技术实现了复杂的全口义齿操作，克服了传统手工模式靠简 单工具和操作者经验来制作所带来的误差，在排牙操作中实现精确的数字控 制，并使用专家数据库技术，使机器人排牙操作达到专家级水平，相当于快速 培养了大量医术高明的牙科医生，对于缓解即将到来的老龄化社会对高水平牙 科医疗的迫切需要将具有非常重要的意义，也促进了牙科医学向着更加规范 化、科学化、精确化、产业化的方向发展。 1 3 基于d s p 的排牙机器人控制研究的主要内容 基于d s p 的全口义齿系统主要包括四个主要部分，分别为三维数据采集 部分、三维交互式排牙软件部分、多操作机排牙机器人本体部分和排牙机器人 控制驱动部分。 本文就是针对项目需求设计开发经济实用、性能优良的全口义齿机器人控 制器系统，具体的研究内容是： 1 利用新型的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 对电动机控制方面的优化设 计，开发基于排牙多操作机的机器人控制器。该控制器可以接收上位机软件传 递的每一时刻每一个电动机的转角、转速数据，经过运算可以转化为对步进电 动机进行驱动控制的脉冲信号。同时可以对驱动排牙机器人步进电动机的每一 个时刻的转动状态与位置进行实时控制，并能实时向上位机作运行状态汇报： 2 开发步进电机的驱动器电路，针对该机器人的驱动步进电动机数目较 多，排牙机器人机械结构复杂，各步进电动机的运行距离短，步距角较小，启 动频率高的特点，开发出一种高精度，高可靠性、高性能价格比、控制简便的 排牙机器人专用步进电动机驱动器； 3 完成对控制器驱动程序的开发，本系统为了提高系统控制的实时性，将 嵌入式操作系统t t c o s i i 移植到t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 上，将应用程序分解成多 个任务，可以简化应用程序设计，采用任务模块化思想，有助于提高系统的稳 定性与可靠性，也便于系统的升级和维护； 4 本文要对如何提高排牙机器人控制器的运行精度及控制方法进行探讨。 第2 章系统总体设计及排牙机构和上位机软件简介 2 1 已有机器人辅助排牙系统存在的不足 通过对已有机器人辅助排牙系统的分析可以得出这些系统存在的问题主要 有： 1 误差较大，各牙齿之间的相对位置和姿态的准确度不高，患者佩戴的时 候咬合不好影响美观。最主要的误差是机构设计误差、电动机控制误差、各种 不同龄人工牙的坐标系位姿参数计算过程的误差； 2 三维交互式排牙软件与控制器的传输太慢，致使人机交互性差； 3 采用单操作臂的排牙机器人手爪的结构、人工牙在牙库中的预定位、排 牙过程中的人工牙依次固定比较麻烦。 2 2 排牙机器人系统总体设计及可行性分析 要解决已有计算机辅助排牙系统的不足就必须设计专用的排牙机器人机构 及控制器，对机器人系统中各环节进行更严格、更精确的测量与标定，以减小 系统误差。机器人辅助排牙装置包括上位机( 工控机) 、机器人结构本体及机 器人驱动、控制装置。上位机程序由三维数据采集、牙模分析模块、人工牙三 维图形数据库、三维交互式专家排牙模块和机器人路径规划及通信软件模块等 组成，主要负责牙弓曲线生成，牙型号的选取，确定每个牙在牙弓曲线上的位 置、姿态及交互式修改、控制器的轨迹规划程序等；机器人本体由1 4 个独立 的机器人操作手臂控制1 4 颗牙齿的位姿：机器人驱动、控制部分主要采用4 2 个独立步进电机实现1 4 个与相应人工牙共轭的牙套的位姿，再用8 个电动机 控制牙弓曲线，获得牙套列，再进一步转换为牙列，这种方式避开了机器人手 爪直接抓取人工牙，因而也就省略了手爪的结构、解决了人工牙在牙库中的预 定位、排牙过程中的人工牙固定等问题，因而使系统的精度得到大幅度提高。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是专门为电动机控制而开发的芯片，具有高速数字信号 处理功能、实时性强、集成度高、低功耗、外围功能模块齐全、i 0 总线对外 开、中断控制灵活方便等优点，从而使整个控制系统的精度与速度都得到了较 大的提高，可以满足系统要求，并且成本低廉，因此本方案是确实可行的。 2 3 基于多操作机的全口义齿系统的工作过程 基于多操作机的全口义齿系统的工作过程如图2 - 1 所示。 图2 一l 基于多操作机的全口义齿系统的工作流程图 f i g 2 - 1f l o wc h a r to f t h ew o r k i n gp r o c e s so f m a k i n gc o m p l e t ed e n t u r e 1 首先由计算机中运行的三维数据采集软件控制三维激光扫描仪扫描患者 8 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 的上、下牙床，对患者的上、下牙的颌弓曲线进行数据采集，再生成颌弓曲线 的特征参数，对患者的颌弓曲线进行重构及建模。 2 利用牙模分析模块得到患者的颌号曲线模型后，在计算机屏幕上显示出 三维立体牙模，操作人员可以根据实际情况进行修改，以最大程度符合患者的 口腔实际情况。 3 由三维排牙软件根据专家系统的专家模型数据库进行推理运算，得出患 者的颌弓曲线，并根据颌弓曲线和牙床模型进一步运算，然后选取牙型号，并 确定每个牙在牙弓曲线上的位置和姿态，将牙齿模型和牙模在计算机屏幕上三 维立体显示。操作人员可以观察整个预排义齿的情况，并根据患者的要求对每 个牙齿的位姿进一步调整。此时还可以进行上下牙列的动态咬合显示。 4 由三维交互式排牙软件生成每个人工牙的位置和姿态参数，通过接口电 路传递给机器人控制器。 5 机器人控制器控制各操作手臂对已经摆放在操作臂末端牙套上的人工牙 进行位置及姿态调整，得出适合患者的人工牙列。 6 采用专用设备对机器人排出的人工牙列进行蜡铸成型，然后装盒、烫盒 去蜡、充胶、抛光等后续操作。 2 4 排牙机器人机械本体简介 该机器人的特点是运动范围小、承受载荷小、精度要求高，针对这些特点 以及现有的排牙机器人系统存在的不足，本课题设计采用1 4 个独立的机器人 操作手臂实现1 4 颗牙齿的位姿。每个操作机结构相同，由六个自由度组成， 这样可以实现空间任意的位置和姿态，每个自由度由电机运动控制，这种方式 避开了机器人手爪直接抓取人工牙，因而也就省略了手爪的结构、解决了人工 牙在牙库中的预定位、排牙过程中的人工牙依次固定等问题，而这些问题是单 个机器人操作机系统所必需解决的，因而使系统的精度得到大幅度的提高。采 用一个弹性可变形材料通过电机驱动形成牙弓曲线，将1 4 个操作机分别安装 在弹性材料上，操作机可以在上面进行滑动，改变弹性材料上的几个点就可以 改变曲线的形状以调节生成不同的牙弓曲线。这样每个操作机只需要有三个转 动的自由度以实现牙齿的姿态。就可以将电机的数目由8 4 个减少到5 0 个，使 系统结构更加紧凑，在很大程度上降低了控制难度。 排牙机器人的机械结构本体是由牙弓曲线弹簧板、操作手臂( 1 4 个) 、串 联机构( 4 个) 以及传动结构等部分组成。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 牙弓曲线弹簧板上载有1 4 个操作机，各操作机可按其间轨道移动，由 4 个串联机构控制四个动点以及一个中心定点来实现与患者相应的牙弓曲线； 2 操作手臂通过牙套直接支撑每粒散牙，它控制每粒牙齿的两个转动、一 个移动共三个自由度来实现每颗牙齿的任意位置与角度调整： 3 串联机构用于实现对弹簧板的五点( 一个定点，四个动点) 驱动控制， 使其弯曲趋近符合患者1 ：3 腔的牙弓曲线，它负责的是每粒牙齿的两个直线坐标 的自由度嗍。 排牙机器人结构本体如图2 2 所示。 图2 - 2 排牙机器人本体结构图 f i g 2 - 2n o u m e n o no ft o o t ha r r a n g e m e n tr o b o t 2 5 排牙机器人上位机软件简介 排牙机器人上位机软件利用s u a l c + + 6 0 集成环境开发，结合o p e n g l 图形函数库，构成一个功能较强的三维图形仿真软件环境，软件在w i n d o w s 操作系统安装、运行，并具有中文w i n d o w s 图形用户界面( g u i ) ，采取交互式 工作方式，能打开、保存数据文件并提供系统帮助。 全口义齿机器人系统上位机软件包括：三维数据采集、牙模分析模块、人 工牙三维图形数据库、三维交互式专家排牙模块和与机器人控制有关的路径规 划及通信软件模块训。 1 0 - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 全口义齿机器人上位机软件系统的组成如图2 3 所示。 机 器 人 控 制 器 图2 - 3 全口义齿机器人上位机软件组成图 f i g 2 - 3c o m p o s i t ec h a r to fu p p e rm a c h i n eo fc o m p l e t ed e n t u r er o b o t 其中三维交互式专家排牙模块又包括专家预排模块、模拟显示模块、牙模 与人工牙咬合的模拟推理软件等部分。 专家预排模块能够创建并能提取患者的病历档案，根据患者的牙模及颌弓 参数用专家模型数据库中的规则进行推理，进而计算出适合患者的人工牙列。 模拟显示模块则利用计算机o p e n g l 图形接1 2 显示出三维牙模及牙列，为 系统操作者提供直观、逼真的操作对象。 机器人轨迹规划模块根据实际操作的要求规划出机器人操作手臂的运动轨 迹，由通信模块实现计算机与机器人控制器之间的通信，将各个步进电动机的 运行数据发送给机器人控制器，并负责各种紧急情况的处理等嘲。 2 6 本章小结 本章首先就目前已经研制出来的计算机及机器人辅助义齿系统所存在的不 足进行阐述，然后针对这些问题提出了一个新的方案，对这个方案进行了整体 设计和可行性分析，接着对基于多操作机的全口义齿机器人系统的上位机软件 和机械结构本体进行了简介，下章将重点介绍基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的全口义 齿机器人控制器的硬件设计。 第3 章控制器硬件设计 3 1 控制器总体方案 基于d s p 的排牙机器人控制器设计的主要任务就是设计一个基于 i m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的步进电动机控制器，来控制驱动排牙机器人的各手臂的步 进电动机的运动，并对各个步进电动机的运动转角、速度进行控制，进而控制 各个手臂的末端的人工牙齿的位置和姿态，来实现对人工牙的方位进行排列。 控制器的硬件组成如图3 1 所示。 耋ji 茎fl蓁jf茎黼彳 i o p 删 i o s p i t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a s c ii o i o j t a g i 0 i n t o | | | 一茎h 妻h 羹h | | | 90 一线il 塑当塑! 二! j 。l 电u 机u 率u 进 嚣ii 豸卜萄俘酬譬i 。i 豸ii 荽ll 景 中断扩展 光电隔离 图3 - 1 机器人控制器的硬件组成图 f i g 3 - 1c o m p o s i t ep i c t u r eo f t h eh a r d w a r eo f r o b o t i cc o n t r o l l e r 本控制器采用一个t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片，用来产用驱动步进电动机所需 要的p w m 脉冲，需要8 路独立的p w m 波输出，其中2 路由定时器产生，6 路由比较单元输出。由于机器人是由5 0 个步进电机共同驱动的，需要给每个 墨一 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 步进电机提供p w m 脉冲以及电动机的转向信息，另外每个步进电机还需要两 个限位开关进行位置控制，每个步进电动机的控制就需要4 个i o 口，5 0 个电 机则共需要2 0 0 个i o 口，这对一个t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 来说是无法直接提供 的，所以要对步进电机进行分组控制。底座上决定患者牙弓曲线的8 个电动机 为一组，其它在笛卡尔坐标系内运动方向相同的、在牙颌的同一个半面的7 个 电动机为一组，这种情况的有6 组，这样共有7 组电动机，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 就是要对这7 组电动机进行分时驱动和控制，以协调各个手臂的运动，从而控 制牙列中各个牙齿的位置和姿态。 为了设计t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 应用系统，就要相应的为其设计电源电路、时 钟电路、键盘电路、复位电路、存储器扩展电路等。一个良好的电源不仅可以 为系统提供足够的电流和电压，而且还有利于系统的稳定。刑s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 使用的是+ 3 3 v 的电压，而其它的一些外围器件用的是+ 5 0 v 电压，所以有必 要为该控制器设计一套可以输出+ 3 3 v 和+ 5 0 v 的电源方案，以满足系统的需 求。 本处理器集成j t a g ( j o i n tt e s ta d v i s i o r y & o u p ) i 9 l u 试电路与开发系统连接， 用于实现对处理器内部的调试，用来开发硬件和软件。j t a g 即边界扫描技术， 是一种不需要测试设备的电子系统测试技术，不仅可以测试集成芯片或印刷电 路板( p c b ) 的逻辑行为和功能，还可以测量芯片器件之间、p c b 之间的连接故 障。 由于本控制器还要进行嵌入式操作系统的移植，所以要求r o m 和r a m 的容量较大，靠t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 自身提供的r o m 和r a m 已经无法满足系 统的需要，所以要进行存储器扩展，扩展6 4 k 的f l a s hr o m 和6 4 k 的 s r a m 。 该控制器需要从上位机获取每个步进电动机的运行转角和转速等数据，还 要把步进电机的运行状态传递给上位机，供上位机监控程序调用。所以要设计 与上位机的通信接口，由于对系统的实时性要求不是太严格，加上控制器与上 位机的数据交换量不是很大，又考虑成本问题，与上位机的通信方式用s c i 通 信方式，采用简单而且可靠的r s 2 3 2 通信协议来实现与上位机的通信。 本机器人还要有良好的人机接口界面，以实现三维排牙软件根据患者牙颌 曲线进行的预排牙结果进行直观显示，方便医生根据患者的要求进行调整，并 且还可以对机器人各个关节的运行状态进行实时监控，应该对机器人控制器配 置显示器件，由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的大多数功能复用的输入输出端口都用于 步进电动机的驱动，所以使用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的4 个引脚的串行外设接口 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ( s p i ) 模块与工作在s p i 模式进行并口扩展，通过扩展的2 0 位i o 口对液晶显 示器进行数据和指令读写。 电机运动中的限位等信号需要送入d s p 中进行中断处理，这要求系统有 足够短的时间来响应中断，以保证系统的安全与正常运行，这里我们采用限位 开关的办法，当电动机运行到其极限位置时，则向t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 控制芯片 发送一个中断信号，控制芯片查询到中断信号后即转入相应的中断服务程序， 这样提高了系统的稳定性与实时性t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 只具有两个外部中断， 所以要对系统进行中断扩展，以满足1 0 0 个中断源的中断处理需求。 由于控制器要对7 个步进电动机组进行分时控制，所以要采用隔离总线的 方法对各个步进电动机组进行选择，以决定哪个步进电动机组开始运转。 在本设计中，由于步进电动机驱动器与控制器的电源电压不同，接地电位 不同，因此容易产生很强的共模干扰，为了实现电平转换，避免高压对 i m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 及外围芯片的损坏，需要既能保证信号正确传输，又能保证 输入和输出端在电气上完全隔离的转换装置。这类装置通常称为隔离变换器， 通常使用的是光电隔离。 3 2 p w m 波的产生 p w m 信号是一串宽度变化的脉冲序列。这些脉冲平均分布在一段定长的 周期中，从而每个周期中有一个脉冲。定长周期称为p w m ( 载波) 周期，它的 倒数被称为p w