3D義齒磨削機(jī)器人系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)及逆向工程的廣泛應(yīng)用，CAD/CAM技術(shù)被引入口腔修復(fù)領(lǐng)域，陶瓷義齒制作變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，義齒制作的質(zhì)量、效率大大提高，使得傳統(tǒng)的牙齒修復(fù)技術(shù)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。義齒修復(fù)體磨削機(jī)器人系統(tǒng)是口腔CAD/CAM系統(tǒng)的重要組成部分，論文以義齒修復(fù)體磨削成型技術(shù)為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了3D義齒磨削機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)、3D數(shù)據(jù)處理及建模、刀具軌跡規(guī)劃及插補(bǔ)算法等相關(guān)理論、方法及關(guān)鍵技術(shù)。
　　在系統(tǒng)分析牙齒曲面加工工藝方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了3D義

2、齒磨削機(jī)器人本體及其控制系統(tǒng)。根據(jù)牙齒修復(fù)體的曲面形狀特點(diǎn)，及快速磨削成型的需要，設(shè)計(jì)了基于雙磨針并行擺動(dòng)磨削的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)5-DOF運(yùn)動(dòng)，金剛石磨針可對(duì)包括陶瓷材料在內(nèi)的多種材質(zhì)的義齒修復(fù)體成型磨削。設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)加運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式控制系統(tǒng)，并根據(jù)機(jī)器人學(xué)理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，確定了系統(tǒng)工作空間及各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
　　針對(duì)義齒修復(fù)體3D模型掃描數(shù)據(jù)中的脈沖噪聲問(wèn)題，采用相鄰點(diǎn)方向角判別法確定了脈沖噪聲點(diǎn)，并利用樣

3、條插值法進(jìn)行了消除。由于一次掃描數(shù)據(jù)的不完整性，采用二次掃描方法，并根據(jù)ICP算法進(jìn)行拼接處理。針對(duì)傳統(tǒng)ICP算法點(diǎn)到點(diǎn)配準(zhǔn)存在的建模精度問(wèn)題，提出了點(diǎn)集與線段集最小距離迭代的改進(jìn)ICP配準(zhǔn)算法，實(shí)現(xiàn)了兩次測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，并對(duì)疊加點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了裁減和拼接處理。對(duì)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了三角網(wǎng)格劃分，建立了牙齒曲面三角片形式的多面體模型，完成了直接驅(qū)動(dòng)磨削加工的STL格式3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)。
　　根據(jù)磨削機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及牙齒

4、曲面形狀特點(diǎn)，給出了雙磨針并行磨削無(wú)干涉刀具路徑規(guī)劃方法，使兩個(gè)磨針加工時(shí)速度不相互影響，磨削路徑不產(chǎn)生干涉。研究了多面體模型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及快速搜索方法，將四叉樹(shù)理論引入刀具軌跡計(jì)算過(guò)程，提出了滿格PR四叉樹(shù)劃分法，提高了STL格式義齒多面體模型刀位點(diǎn)(CLP)計(jì)算時(shí)刀具投影區(qū)三角片的搜索效率，加快了刀具軌跡生成速度。在此基礎(chǔ)上分別研究了錐形磨針、平底磨針和球形磨針三種磨削刀具進(jìn)行牙齒曲面磨削時(shí)的刀具軌跡生成算法。論文還對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接驅(qū)動(dòng)

5、磨削加工的刀具軌跡生成算法進(jìn)行了研究。
　　論文研究了牙齒曲面磨削時(shí)的刀具軌跡插補(bǔ)算法，根據(jù)義齒磨削機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了變形Zigzag刀具路徑規(guī)劃，提出了展平-彎曲B樣條曲線插補(bǔ)算法，算法保證了刀具運(yùn)動(dòng)軌跡位于圓弧驅(qū)動(dòng)面上，實(shí)現(xiàn)了徑向進(jìn)給速度的自適應(yīng)控制，既保證了插補(bǔ)精度，又避免了磨削振動(dòng)。
　　最后選擇四種典型牙齒（磨齒、切齒、臼齒和門(mén)齒）形狀，進(jìn)行了牙齒曲面磨削實(shí)驗(yàn)。通過(guò)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，按照論文研究的相關(guān)技