基于多操作机的排牙机器人的研究.doc

哈尔滨理工大学硕士学位论文基于多操作机的排牙机器人的研究姓名：于爽申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：张永德20050301哈尔滨理工大学工学硕士学位论文，：，。，哈尔滨理工大学工学硕士学位论文，仃；哈筇滨理工大学工学硕士学位论文第章绪论医疗机器人技术及发展概况机器人学是一一门高度交叉的前沿学科，引起许多具有不同专业背景的人们的，“泛兴趣，进行深入研究，并获得了快速的发展。自第一台电子编程工业机器人问世以来的多年间，机器人领域已经取得了令人瞩目的成就。九十年代以来，机器人技术的应用研究己从传统的工业领域向家庭、医学等领域扩展。其中的医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸学科为一体的新型交叉研究领域，已经成为国际机器人领域的一个研究热剧”。目前，先进机器人技术在医疗外科手术规划模拟、微损伤精确定位操作、无损伤诊断于检测、新型手术医学治疗方法等方面得到了广泛的应用，这不仅促进了传统医学的革命，也带动了新技术、新理论的发展【】升。年第一届国际医用机器人和计算机辅助外科会议在美国宾夕法尼亚州的召开。年，第一界医学的计算机图形图像、虚拟现实和机器人学会议在法国的召开；在最近的几年的美国电气与电子工程师学会（）机器人与自动化年会上，医用机器人是大会的讨论热点之一，国际上，美国、闩本、瑞士和法国等国家己成立了专门机构。对医用机器人应用的特殊领域组织攻关，对于我国机器人的应用技术的发展和医疗水平的提高都具有重大的现实意义。医用机器人技术之所以引起人们的重视并得到迅速发展，其主要原因是在于机器人可以在临床医学中实现定量的精确操作，而计算机技术的出现和发展为我们提供了一个解决问题的有力工具。对于某个现实问题，只要建立了合理的数学模型，便可以借助于计算机对其进行定量分析和处理。同时，使用计算机还可以进行图像分析处理、图形仿真操作。因此，将计算机技术和机器人技术结合起来，用于临床医学的辅助设计和辅助操作是完全可行的。早在年就有人提出开发医疗用遥控机器人的设想，但在当时人们普遍认为这是个相对遥远的问题。然而，随着原子能领域、宇宙开发领域的遥控机器人技术的发展以及虚拟现实技术的出现，医疗领域也出现了开发医用机器人的热潮。可以说，目前医疗领域的机器人技术是最发达的领域之一。据日本机器人工业会对机器人产业的市场预测表明，今后医疗与社会福利领域作为应哈尔滨理工大学工学硕士学位论文用机器人的五大重要领域之一将倍受重视。另据日本科学技术政策研究所预测，到年在医疗领域使用微型机器和机器人的手术将超过全部医疗手术的一半。在本国内能够代替医生眼睛进行诊断的医疗装置发展速度较快，而能够代替医生手臂进行医疗的器械发展相对落后。所以，发展和应用医疗机器人势在必行。机器人在应用上有两个突出的特点：一是它能够代替人类工作，代替人进行简单的重复劳动，代替人在脏乱环境和危险环境下工作，或者代替人进行劳动强度极大的工种作业；二是扩展人类的能力，它可以做人很难进行的高细微精密的作业，以及超高速作业等。医疗机器人正是运用了机器人的这两个特点。而医疗机器人在具备了机器人的两个基本的特点同时，还有其自身的选位准确、动作精细、避免病人感染等特点。课题研究的背景及意义课题研究的背景人类的上下牙齿全部缺失后，称为无牙颌，需要全口义齿修复。据统计，人类的天然牙齿平均在岁时就会丧失其功能因而需要部分或全部的人工修复体（义齿）来代替。据统计，我国有近一千两百万的老年人有此需要，而世界上大多数发达国家己开始步入老龄化社会，这样势必会有大量的无牙颌患者需要进行全口义齿修复。全口义齿的设计和制作是一项复杂的、操作要求高的精细劳动。传统口腔修复医疗，特别是各类义齿的制作都是靠医生和技师的个人经验和手工操作束完成的。义齿制作的水平与医生的个人经验的多少及手工操作的灵巧程度相关，因而带来了很大的随机性。只有经验丰富的牙科专家和心灵手巧的技师之间的密切操作才能做出返修率低、质量高的全口义齿，而现实中这样的医生和技师数量有限，远不能满足全口义齿制作的需要】。目前，世界上大部分牙科诊所仍使用原始的手工方式来设计和制作义齿。这种由医务人员个人素质所带来的随机性和局限性极大的阻碍了口腔医学的发展和医疗质量的普遍提高，并使得口腔修复医学发展水平远远落后于其他科学技术的发展水平。哈尔滨理工大学工学硕士学位论文课题研究的目的及意义随着老龄化社会的到来，牙齿缺损与缺失的比例将增加。据统计，岁以上老年人人均缺牙约为颗左右。即使其中修复，将会是一个很大的市场。而且修复体在一定时间必须修改或互换，口腔修复有望成为新的经济增长点，口腔修复的社会需求量的增加，也将极大的促进口腔修复的社会需求量的增加，也将极大的促进口腔修复材料工业、制造业及加工业的发展，特别各种类型的义齿制作加工中心的出现，使义齿制作加工业的发展一改往日小作坊的加工方式、使口腔修复加工业出现规模化、产业化、不仅降低了成本，减轻了劳动强度，最重要的是减少了浪费，彻底改变以往的口腔修复小而全、各口腔科或口腔诊所也要有一个技术室加工义齿，既浪费机器、设备、材料、效率又低的局面，使义齿加工的质量从根本上得到全面的提高，从而提高国家的整体口腔修复水平。利用口腔修复机器人相当于快速培养和造就了一批高级口腔修复医疗专家和技术员。利用机器人来代替手工排牙，不但比口腔医疗专家更精确地以数字的方式操作，同时还能避免专家因疲劳、情绪、疏忽等原因造成的失误。这将使全口义齿的设计与制作进入到既能满足无牙颌患者的个体生理功能及美观需求，又能达到规范化、标准化、自动化、工业化的水平，从而大火提高其制作效率和质量。因此，开发和研制准确和高效全口义齿制作系统具有重要的现实意义和良好的应用前景。基于多操作机的排牙机器人实际上是一套计算机辅助设计、机器人辅助操作的全口义齿制作系统，从而替代经验丰富的牙科医生和技师在全口义齿制作中的大部分工作，实现定量排牙，确保义齿质量，提高工作效率，降低生产成本的目的。所以，多操作机排牙机器人制作系统的研制不但会彻底改变目前全口义齿制作的手工操作模式，而且也会极大的促进机器人技术以及口腔修复医学的发展。国内外的研究现状分析七十年代初，法国牙医、世界著名的口腔医学专家教授开宅性地将原本用于工业生产的技术引进到口腔固定义齿（镶嵌体、冠、固定桥、种植体）的设计和制造过程，经历二十多年的努力获得成功，这极大的促进了口腔医学在计算机领域中的应用。目前，法国美国瑞士和日本哈尔滨理工大学工学硕士学位论文等国家都开发了用于口腔修复的系统，这些系统均可用于冠、桥、镶嵌体等口腔固定修复的设计和制作，属于固定义齿修复系统，但无法用于口腔活动局部义齿及全口义齿的设计与制作碑。年，日本东京都大学生物工程研究中心的教授所领导的研究小组，利用三维激光扫描和光固化成型技术开发了一种对已有的全口义齿进行仿制实验系统，但由于制作出的义齿在外观形态上和所用的材料的毒性方面都无法为临床所接受，因而不具有实用性。日本早稻田大学的等人利用人类头骨模型制作了一个叽嚼机器人机构，用以定量和动态地研究人类口腔的叽嚼运动规律，他们还研制了六自由度的嘴部开台训练口腔康复机器人。美国大学的等人提出了一个具有六个自由度位置传感器手臂的机器人辅助治疗系统，该系统采用射线生成牙齿图像，从而准确地诊断牙齿腐蚀活动及骨质脱落情况”扪。奥地利大学的研究了计算机辅助外科的模块式软件系统，并在口腔修复义齿种植上进行了应用，美国大学的等人研制了局部固定义齿种植机器人系统，该机器人系统能够模拟人类的上下颚运动和上下牙咬合过程，从而有效地实验和评价各种义齿种植的设计和工序是否合理”。这些研究主要在口腔运动功能的康复和局部固定义齿的修复上，还没有应用到全口义齿。与国际相比，我国在这一方面的起步相对较晚。国内学者开展了全口义齿排牙的数学化和定量化描述的研究，北京大学口腔医学院吕培军等人建立了颌弓曲线和牙弓曲线的幂函数模型甜，并采用计算机辅助设计的方法丌发了排牙软件，利用计算机图形功能实现了对全口义齿排牙过程的二维模拟”。湖北医科大学口腔医学院程祥荣等人开发出了一套计算机辅助全口义齿设计系统。经过对无牙颌模型、人工牙及具有正中关系位的上下颌托的得三维测量、数据处理与建模等环节后，该系统能够根据全口义齿人工牙排列的原则和要求进行排牙，并进行三维显示。这些工作为实现全口义齿的机器人制作提供了医学上的数学基础和理论保证。由北京理工大学机器人研究中心和北京大学口腔医学院组成的科研小组研制出一个由计算机和机器人辅助设计、制作全口义齿人工牙列的应用试验系统。该系统利用图像、图形技术来获取生成无牙颌患者的口腔软硬组织计算机模型，利用自行研制的菲接触式三维激光扫描测量系统来获取患者无牙颌骨形念的几何参数，采用专家系统软件完成全口义齿人工牙列的计算机辅助统计。另外，发明和制作了单颗塑料人工牙与最终要完成的人工牙列之间的过渡哈尔滨理工大学工学硕士学位论文转换装置可调节排牙器。本课题的来源及主要研究内容针对以上这些问题，并且在和各方面进行了广泛合作与交流的基础上，我们开展了“采用多操作机的机器人排牙系统的研制”这一课题的研究工作，并申请了“黑龙江省科技厅科技计划项目”。这一项目将为全口义齿修复机器人的一些关键技术问题提出一些新的思路和想法。无论是在总体机构的设计方面还是在控制电路、驱动电路、接口软件、实时性等方面都做出新的探索，并最终提供一套经济、高效、精确度高控制系统及排牙三维软件，项目成果直接用于医用排牙实践中，具有相当程度的实用性。一、采用模块化设计思想完成机构本体的设计从设计任务本身的特点出发，提出一种新的设计思想，成功而合理的将拟采用的个步进电机减少到个，通过钢丝软轴进行传动以适应传动过程中可动件与不动件的连接。设计思路是用一个弹性可变形材料通过电机驱动形成牙弓曲线，将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，以适应不同人的牙弓长度。这样每个操作机只需要有三个转动的自由度以实现牙齿姿态。我们只需要改变弹性材料上几个点的位置就可阻改变曲线形状，使其逼近真正的牙弓曲线。二、进行关键参数的优化设计在这个机构中，弹簧板与真正的牙弓曲线的吻合程度就是该系统中误差产生的重要原因之一，两者吻合程度越好，那么排出的全口义齿就越接近于人真正的牙齿。为了确定拟合点个数以及拟合点坐标，建立的优化数学模型，通过强大的数学分析软件进行了优化设计，从而找到了误差最小时参数的值。这部分为机构的设计添加了理论的指导，使之更加具有实际意义。三、对排牙机器人进行运动学计算以及路径控制选用连续路径控制即控制方法对排牙机器人迸行路径控制，为了对目标坐标的连续控制，在初始点和目标点之间设置多个目标点，采用直线插补算法确定各个点坐标，再对各个关节进行运动学运算，从而计算出步进电机需要走的步数；对排牙机器人具有的特殊关节进行运动学运算，并且建立了变形后的弹簧板曲线的方程。哈尔滨理工大学工学硕士学位论文全口义齿的组成第章背景知识人类口腔内的天然牙列全部丧失后，就形成了无牙颌。当牙列丧失后，患者的颌面形态发生了变化，发音和咀嚼功能也受到严重影响。为恢复无牙颌患者的颌面形态及生理功能，保护颌面组织和下颌关节的健康，需要及时地为患者进行全口义齿的修复。全口义齿是由基托和人工牙组成的。义齿借助各种固位力和辅助因素附着在上下颌牙槽嵴上，以恢复患者颌面形态和功能。其中，基托也称为牙基，覆盖在无牙颌牙槽嵴上，把义齿的各部分连成一体，是排列人工牙的基地，其制造材料必须是对人体无害并在加热、光照或合成时易于成型。人工牙是相对天然牙而言的，它是模仿天然牙冠的形态、颜色和大小，用塑料、陶瓷或金属制成的。全口义齿上下牙列各包括颗人工牙。全口义齿基托的形状可通过获取患者口腔的印模，同时考虑解剖生理特点和唇侧美容效果来确定。而人工牙在基托上的排列的位置和姿态要考虑上下颌间的关系、咬合效果、功能实现和颜色容貌等多方面的因素，是全口义齿能否适用患者的关键。全义齿修复上下基托上人工牙的排列（也称为人工牙列），包括上牙列和下牙列各一，它是全口义齿修复的重点和难点，要求在形态和功能是尽量代替丧失的天然牙列，恢复牙齿的咀嚼功能和发音功能，并保证患者面部的美容效果，同时，也会直接影响全口义齿在无牙颌上的固定和稳定。义齿牙列是人工散牙按一定排牙要求，在三维空间的一种弓形排列，从机械的角度描述是每一颗人工牙都有六个自由度，即空间坐标系、坐标值和绕着三个坐标轴的旋转角度，以此来决定在牙列中义齿的位置和姿态。人工牙的排列原则人工牙是恢复无牙颌患者咀嚼功能和美观的部分，因此人工牙的排列十分重要。只有遵循排牙原则，又具备了熟练的排牙技巧才能使上下义齿的人工牙达到平衡，有利于全口义齿的固位，才能使排列好的人工牙与患者的面部协调一致达到美观的要求。哈尔滨理工大学工学硕士学位论文排牙原则由塑料基托和人工牙构成的全口义齿覆盖在上下牙槽嵴上，随下颌的运动上下颌义齿间作各种相对运动，完成咀嚼功能。要保持上下义齿在运动中不脱落，人工牙的排列需符合物理学中的机械力学原则。但在此运动中又不单纯是上下义齿之间的相对运动，还有唇、颊、舌肌作用力的参与，因此还必须符合生物力学原则【】。全义齿人工牙排列的基本要求：左右中切牙接触点应位于面部中线上。面部中线常常是在鼻根中点、鼻部中线、鼻唇沟、唇珠一线上。但每个人的上述各标志并不都在一条直线上，因此确定面部中线，不要以某一解剖标志为准，而要以面部的总宽度为标准来确定，而且医师要站在患者的征前方观察才能避免误差。人工牙排列的位置、牙弓的弧度应左右对称。上前牙切缘与上后牙面中央沟，下前牙切缘与下后牙面中央沟均应联成自然连续的曲线。上下人工牙面应达到最广泛的接触，上的近中颊面沟应与的近颊尖相对。上中切牙切缘应在唇下约的位置，若不足，自然状态下不易显露前牙，好像上颌无牙一样；若超过，微笑时上前牙显露过多，甚至露出牙龈，因而不美观。个上前牙切缘联线应形成一突向下的自然弧线，与微笑时下唇的弧线相西调。后牙区形成适当的曲线。人工牙排列的精确位置为了描述人工牙排列的精确位置，先介绍几个医学上的定义。牙冠的各个面都有一定名称。以正中线为准。每个牙冠靠近中线的一面称近中面，远离中线的一面称远中面，靠近舌（腭）的一面称舌（腭）面，后牙靠近颊部的一面称颊面，前牙靠近唇部的一面称唇面，上下后牙相对咬台的一面称为咬合面，前牙设有咬合面但有切缘。每个后牙的牙冠都有五个面：即近中面、远中面、颊面、舌（腭）面和咬合面。每个前牙的牙冠都有四个面（近中面、远中面、唇面、运中面基陋畦合爵近串面目蒲巾蛐嚣辩图牙冠各个面的部位与名称哈尔滨理工大学工学硕士学位论文舌或腭面）和一个切缘。关于牙冠的各个面的部位和名称见图。前牙排列的精确位置，前牙排列时，具体要求和精确位置见表。表前牙排列的精确位置前牙唇舌向倾斜近远中向倾斜转向上中切牙垂直或切缘稍向唇侧垂直或颈部稍向远中不转向或远中稍转向腭侧颌倾斜倾斜一刖侧切牙颈部稍向腭侧颈部向远中倾斜远中略转向腭侧牙颈部向唇侧突山颈部稍向远中倾斜远中转向腭侧，与后牙牙尖牙槽嵴方向连续卜中切牙颈部略向舌侧倾斜垂直不转向或远中稍转向舌侧颌侧切牙垂直颈部略向远中倾斜远中稍转向舌侧一颈部向唇侧倾斜领部向远中倾斜更为远中转向舌侧，与后牙牙刚尖牙牙明显槽嵴方向连续后牙排列的精确位置，后牙排列时，具体要求和精确位置【见表。表后牙排列的精确位置后呀颊舌侧倾斜近远中向倾斜第一前磨牙颈部稍向颊侧倾斜垂直上颌后牙第二前磨牙垂直垂直第一磨牙颈部稍向腭侧倾斜颈部稍向近中倾斜第二磨牙颈部向腭侧倾斜顼部向近中倾斜颌历牙以上后牙颌面为准，接正中颌关系排下后牙这两个表格从口腔修复学的角度描述了牙齿的排列的位置和姿态，这为排牙机器人的机构的一些参数的设计提供了重要的依据，正是根据了这些参数，使机器人操作机的自由度得到了简化，更有利于机构的实现。数学模型的描述长期以来，腔修复学一直是定性研究的科学，它的发展过程主要是以经验积累和归纳总结的主要方式。这种定性的分析无法用准确的语言将口腔修复医生积累的经验记录下来，这大大阻碍了腔修复学的发展。近年来，随着工程技术的发展，人类的许多定性研究领域也开始由数学语言来进行定量的研究。现代的腔修复学专家们也越来越重视运用数学工具来描述、分析和解决问题，先后提出了多个可用于口腔修复定量研究的数学模型，为借助计算机和哈尔滨理工大学工学硕士学位论文机器人实现定量排牙提供了可能。为了定量处理问题，许多口腔修复学家都对颌弓、牙弓的几何形态进行了深入的研究，目前主要有两种模型。幂函数模型北京大学口腔医学院的吕培军博士等人经过多年的对全义齿制作的针对性研究，得到了一个比较合理的弓形数学模型，包括可以对颌弓和牙弓平面形态进行近似描述的幂函数方程、无牙颌弓人工牙列的形态适配方程、上下牙弓咬和匹配方程等定量描述关系式【。颌弓、牙弓平面凡何形态的数学模型实际的颌弓、牙弓曲线的几何形态很不规则，难以用数学表达式准确的描述。为了简化对颌弓、牙弓描述，同时考虑到牙弓和颌弓在垂直方向上的弯曲变化比较小，故可以用颌弓和牙弓在颌平面上的投影，即颔弓和牙弓在平面形态来近似地表示颌弓和牙弓。然后在排牙时对其在垂直方向的变化给予补偿即可。平面形态的颌弓和牙弓称为颌弓曲线或牙弓曲线。研究表明。幂函数可以比较准确地表示颌弓曲线和牙弓曲线，如图所示。口妒凹（一）岛、一一一一一一一一夕一幽颌弓及牙弓曲线（）（）式中口。，屈（：，）为弓形特征参数，由如下拟合公式计算：屈（一肛）、口：压其中，、肌分别表示半侧颌弓及半侧牙弓的弧长、弓宽和弓长，盯，为拟合常数：盯，由式可以看出弓形特征参数与患者的颌弓参数、肌三式密切相关的。实际情况下，患者的上下领弓形状是不同的，而且左右两侧的颌弓形状一般也是非对称的，相应牙弓也是如此。因此，上下颌弓曲线和上下牙弓曲线要哈尔滨理工大学工学硕上学位论文使用各自的描述表达式，而且分为左右两侧描述，即整个曲线用式（）和式分段表示，且每条曲线由左右两侧的弓型特征参数一般是不同的。人工牙列和无牙颌弓的形态适配方程对于颌弓曲线而言，由口腔修复医生测出患者无牙颌弓的参数、缈、工之后就可以计算口值，进而得出描述颌弓曲线的所有参数，而实际上，我们更关心牙弓曲线，因为实际排牙是以牙弓曲线为依据的。这就提出了如何由颌弓参数推算牙弓参数的问题，也就是人工牙列和无牙颌弓的形态适配问题。上下牙弓参数和上下颌弓参数之的匹配关系如下】：牙颌占上颉陟下牙岛坤颌颌（）下牙。上下颌上卜领其中，（扛，；，）为统计回归系数，其系数取值如表所示：表形态适配方程的统计回归系数（）系数取值上下人工牙列上下牙弓曲线）的咬合匹配方程为：身下午牙牙以上牙牙以（）式中雹，吐，砖为附加参数，取值为：，盔，以，单位为毫米（）。由公式（）和（）可计算出牙弓的弧长、弓宽和弓长，在由公式（）计算出相应的弓型参数，就可得到对应颌弓的牙弓曲线方程。这样，就得到了定量排牙所需的弓形控制方程，将原来定性处理的牙弓与颌弓的匹配关系用数学语言描述出来。方程模型国内外的许多学者都主张，人体牙弓的形态研究属于几何学的问题。本系哈尔滨理工大学工学硕士学位论文统采用纯数学推理，对于数学模型的局部连续取值得出牙弓弧形长度、牙弓深度和牙弓宽度三者之间的变量关系嘲”。我们利用的推导公式为：（一）（）、。其中包括牙弓弧长（上）牙弓宽度（）牙弓深度（）三个参数来描述。根据等报道，利用高精度的工业测量装置对未作矫治的模型进行定点测量，利用计算机曲线拟合程序计算出一通用方程，称为方程。【“【一”（）其中，为牙弓宽度（上颌两个第二磨牙远郏尖间距），为牙弓深度（上颌两个第二磨牙远郏尖连线与中切牙中点的垂直距离），瓜助构成方程的变量。将经过方程拟合的曲线与实际模型测量的曲线对比，他们的平均相关系数是标准差为，故可以认为它能够准确的代表人类牙弓形态。在这里，由于幂函数模型的研究更为深入，而且方程比较简单，因此在排牙机器人的设计中我们采用幂函数作为牙弓曲线方程。本章小结本章对排牙机器人设计中涉及到的背景知识进行了简要描述，颌弓、牙弓平面几何形态数学模型的建立为后续设计提供了重要的启示。根据牙齿排列的精确位置可以更好确定关节运动范围，进行路径规划的控制。本章内容是本课题进行最基本的知识准各，也是本课题的机构设计中十分重要的参照前提，为后续研究提供了理论指导。哈尔滨理工大学工学硕士学位论文引言第章系统方案的确定基于多操作机的排牙机器人制作系统是一个制作全口义齿的系统。它借助于计算机根据患者自身情况设计全口义齿，借助于多操作臂自动排牙机来实现全口义齿的定量制作，准确高效地为患者设计和制作出适合其使用的全口义齿。该系统可分为软件和硬件两大部分，软件部分用于全口义齿机器人自动排牙的控制；硬件部分用于定量排牙的实现。现有方案及分析全口义齿的计算机辅助制作系统是一个有待完善的课题，开展这方面研究的学者并不多，主要是由北京理工大学机器人中心和北京大学口腔医学院联合组成的课题组制作的系统。这个系统的主要的工作过程是由计算机控制机器人到牙库中抓取定位块并放到装有光固化胶的托盘中，同时开启光源，使定位块在光固化胶中固定，定位块固定后，机器人与该定位块分离来执行下一个牙的排列任务直到排完颗牙。然后手工将排牙器定位销插入定位块中，再将各个散牙安放到排牙器的共轭牙套中，向排牙器中浇入液态石蜡连接各散牙成为一体。这样，各个散牙都达到了自己的目标姿态，从而得到义齿牙歹的最终排列。这种方案所存在的问题如下：该系统采用了单个机器人进行排牙，机器人是次序的进行排牙，这样就存在个排完后的如何固定的问题。在方案中是采用光固化胶进行固定的，所有的定位块都放到一个盛有液态光固化胶的托盘中，光固化胶固化程度就成为了一个难题。如果光照时问短，定位块将像浮冰一样漂浮在液态光固化胶中，排完的牙列明显的变形，不能达到目标的位置和姿态；如果光照时间足够长，虽然使光固化胶大厦积固化但却影响了下一个定位块的摆放，因为第二个摆放的位置的光固化胶可能已经被固化，使第二个定位块无法排列。由于排牙器与排牙器底座之间的位姿参数计算过程的误差、机器人运动控制的误差、光固化树脂在凝固过程中对排牙器底座产生的应力造成的误啥尔滨理工大学工学硕士学位论文差、排牙器底座的标定误差、手工制作排牙器的误差的存在，这在一定程度上影响了排牙的精度。由于光固化胶的成本非常高，而每个义齿的排列又需要大量的光固化胶（托盘中要有一定的深度，已保证定位块姿态和位置所需的空间）。这样就使全口义齿的成本变得非常高，排牙成本的提高势必会影响全口义齿机器人制作系统的推广。本设计方案及分析针对以往设计存在的问题我们开始提出了采用多操作机的排牙机器人的设计思想：采用个独立的机器人操作机分别实现个与相应人工牙共轭的牙套的位姿，获得牙套列，再进一步转换为牙列，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。整个系统共由个电机分别驱动，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、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。根据这种方案我们在设计的过程中进行更为细致的分析，发现它也存在一些弊端，这些问题很可能影响操作机的所应具备的现实意义。为了扩大机构的空间，将机构的末端与牙齿之间增加一个连接杆，这会给系统精度产生很大影响，杆越长，系统精度越低。采用坐标变换计算牙齿与操作机之间的运动关系，大大增加了系统数据处理量。由于连接杆的存在，关节转动时在牙齿上会产生一个位移，操作机的移动机构还要对这个位移进行补偿，产生一个相反方向的位移，从而增加了运动复杂程度。对于机器人来说，要考虑运动的轨迹规划，而随着自由度增多，这种计算就越繁琐，同时也增加了使各个关节协调运动的问题。各个关节之间采用串联的连接方式，一级一级驱动，这样前面的关节要能提供较大的功率以及具有较强的刚度，才能驱动术端关节，这与系统要求的所占用的空间小是相悖的。系统需要个步进电机来驱动，在控制上非常复杂。通过对排牙的工作过程进行分析，可以得出，排牙机的特点是结构尺寸哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文小，运动范围小，承受载荷小，运动精度高。所以，机构的设计思想要从排牙机的特点，而不是单纯的六自由度操作机本身进行考虑，针对上述情况，我们对设计方案进行了改进：用一个弹性可变形材料通过电机驱动形成牙弓曲线，将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，以适应不同人的牙弓长度。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。我们只需要改变弹性材料上的几个点就可以改变曲线的形状，使其逼近真正的牙弓曲线。这样可以将电机的数目减少到个，使系统结构精巧紧凑，在很大程度上降低了控制难度。，系统构成该系统可分为软件和硬件两大部分，软件部分用于全口义齿机器人自动排牙的控制；硬件部分用于定量排牙的实现。硬件构成系统的硬件部分主要包括：一台微机、一个机器人及其控制柜，个步进电机等。其中机器人包括牙弓曲线弹簧板、排牙操作机、串联机构、电机及辅助部分、牙套、标准牙库、控制电路和计算机等。排牙机器人的主体部分是牙弓曲线弹簧板、排牙操作机（个）、串联机构（个）、电机的设计。牙弓曲线弹簧板：载有个操作机，由个串联机构控制四个动点阱及一个定点来实现与患者相应的牙弓曲线。个操作机可按其问轨道移动，是个操作机的依托。操作机：每粒散牙的直接依托，用以实现每颗牙齿的位姿，达到排牙的最基本要求，它负责的是每粒牙齿的两个转动、一个移动共三个自由度。串联机构：是弹簧板的依托，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口腔的牙弓曲线，它负责的是每粒牙齿的两个直线坐标的自由度。软件结构系统的软件采用面向对象的程序设计思想，运用软件工程的方法进行设计哈尔滨理工大学工学硕士学位论文开发，其主要功能包括：为患者创建病理档案；按照医生测出的患者无牙颌弓参数计算颌弓曲线参数和牙弓曲线参数并画出牙弓与颌弓曲线；能够对牙弓和颌弓曲线进行调整；能进行排牙角计算：对比显示颌弓与牙弓曲线；交互调整牙弓参数；按专家经验的预排值排牙：交互调整散牙中排列不当的散牙位姿；能对牙齿位姿的预排值进行修改；显示全口义齿的形态；能打开、保存文件；提供系统帮助并能够在下进行安装、运行。对于控制柜，具体包括主电路部分，反馈部分，显示部分和按键部分。主电路部分主要是片型单片机组成，其中的一个作为主芯片，它直接通过接口电路与上位机微机相连，这里使用的是串口电路，从而控制其它个单片机，组成一个主从多机通讯系统。这个从芯片得到由上位机传来的步进电机的方向和脉冲后，通过并口和光耦电路以及与的驱动电路，直接驱动步进电机动作。每个步进电机有两个极限位置，它们会发出反馈信号给个从芯片，然后及时作出调整，以得到准确位置。当然主电路中还应该有复位电路以及电源电路，复位电路是在发生意外情况后，通过复位后能够继续工作：电源电路主要是通过电平的转换得到我们想要的电源电压。按键部分主要用来实现在控制柜上进行一些直接的操纵。显示部分是用来显示机器人在工作过程中的一些必要的信息，以便操作人员参考这些信息，从而能够更加准确的控制机器人，完成整个排牙工作。制作全口义齿的工作过程全口义齿的制作是一项复杂而精细的过程，它需要进行一系列工作，图示出了它的工作过程，步骤如下：牙医在经过修复前的口腔检查等一系列准备工作后，取得反映患者口腔软组织的印模，根据印模测量出患者无牙颌弓的参数，包括上下颌弓的左右两侧弧长、弓宽和弓长。根据测得的无牙颌弓参数，可计算出颌弓的弓形特征参数，进而得到颌弓曲线表达式，微机可根据参数自动画出牙弓、颌弓曲线图。根据确定的牙弓曲线，按上下左右半侧牙弓的最大弧长由系统自动确定义齿型号。为了发挥医生个人的经验，系统让医生在输入患者的颌弓参数时也可以人工选择义齿型号。各型号义齿的散牙宽度事先测量出柬保存在文件中，根据各散牙的宽度用迭代的方法计算出各个散牙对应的牙弓曲线上弦的位置。哈尔滨理工大学工学硕士学位论文歼旨匿图制作全口义齿的工作过程图由三维交互式排牙软件生成每个牙的位置和姿态的数据，并通过接电路发送给机器人的控制器。将散牙放入牙套中，即可进行排牙。排牙时，弹簧板由原来的默认曲线由一个定点、四个动点进行整体控制，从而自动形成符合患者口腔的牙弓曲线。然后个装有敞牙的操作机分别对颗散牙进行五个自由度的位姿变换。由机器人进行实际的排牙工作，它根据上一步得到的数据，转换成步进电机的脉冲数，按照编制好的程序进行动作，以获得适合患者的人工牙列，还可以随时对他们进行调整，直到满意为止。与此同时还能实现对排牙的监控，随时监控操作机的具体位置及排牙的具体情况，然后经过适当处理，得到真正的全口义齿。达到排牙要求后，各操作机以及串联机构部分立即返回零位置，停止动作。本章小结本章分析了以往的以及现有的全口义齿制作的方案，对其优缺点进行了阐述，并在其基础上提出了新的设计方案，从多个角度论证了该方案的可行性、合理性，并且对全口义齿制作的工作过程进行了简要的陈述，同时提出了排牙系统的构成以及软件和硬件结构。略尔滨理工大学工学硕士学位论文第章排牙机构的设计系统具体的结构设计整个机构采用模块他的设计思想，模块化设计是以功能分析为基础，在某一基础产品的基础上将同功能的模块互相选用或加工不同功能特性的模块及分模块，用以更好地满足用户需要的一种变型设计方法。本设计不但从排牙机的功能方面，还从加工装配方面都充分利用模块化的设计思想。按照完成的功能将五个自由度分成两组，在空间采用上下两层放置，转动模块和移动模块也尽量独立，各个零件也尽可能采用同一尺寸。这样，可以降低运动副之间的干涉，也可以实现模块之问的相互替换，不仅使排牙机具有更大的适应性和灵活性，也大大的缩短了设计制造周期，从而降低了制造成本。自由度的分析现在的口腔医师所排列的义齿，是遵循个性排牙法（排牙法）。这就是要达到两个方面的要求，一是人工牙排列要比较整齐；二是要自然、协调、逼真，这就要参照思者的性别（）、个性（）、年龄（）等因素，在典型排牙法的基础上对前牙排列做适当的调整，来模拟天然矛列中前牙某些不整齐的状态。我们设计的排牙机器人是使用机构来实现牙齿的位置和姿态，这就要求机器人具有六个自由度，来实现各个不同牙齿的位姿。通过表格列出的前后牙排列的精确位置的分析以及与几位牙医的讨论，转向这个自由度运动的范围很小，相对于其他的自由度可以忽略不计，因此在机构的设计中我们省略了这个自由度，并且在机构中只要使牙齿很好的位于牙弓曲线的切线的方向上，使每颗牙齿能自然的过渡，也能很好的保证义齿排列的质量。经过了简化以后，每一颗牙齿具有个自由度，分别是两个转动和三个移动，其中转动包括唇舌向倾斜和近远中向倾斜。在移动机构的是实现上，如果每颗牙齿都连接一个机构，这样机构会很复杂拥挤，为此我们设计一个由几个点控制的弹性可变的材料，将每个旋转机构安装在弹性材料上，通过控制几个点的位置使弹性材料变形，使其与牙弓曲线的形状相吻合。这里就存在一个用哈尔滨理工大学工学硕士学位论义几个点来控制比较的合适的问题，将在下一章对控制点数量以及优化进行优化设计。关键元件的选取一、电机考虑到机构的控制精度和造价等的问题，我们在排牙机的设计上选用步进电机，因为它具有如下的特点：可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统廉价简单。位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统。无刷，电机本体部件少，可靠性高。易于启动、停止、正反转及变速，响应性也好。停止时，可有自锁能力。步距角选择范围大，可在几十度至。大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在超低速下高转距稳定进行，通常可以不经减速器直接驱动负载。速度可在相当宽范围内平滑调节，同时用一台控制器控制几台步进电机可使它们完全同步进行。步进电动机带惯性负载的能力较差。由于出现失步和共振，因此步进电动机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化。不能直接使用普通的交直流电源驱动。这旱，我们选用常州丰源微特电机有限公司的精密型永磁式减