含點接觸高副的冗余驅(qū)動仿生咀嚼機(jī)器人研究.pdf

1、仿生咀嚼機(jī)器人在牙科學(xué)，食品科學(xué)，生物力學(xué)與假肢修復(fù)等學(xué)科具有廣泛應(yīng)用，而且可以為人類研究口頜系統(tǒng)生物力學(xué)特性及咀嚼運動機(jī)理提供有益的幫助。目前的咀嚼機(jī)器人沒有完全考慮顳下頜關(guān)節(jié)(Tempommandibular joint，TMJ)運動特點及口頜系統(tǒng)冗余驅(qū)動特性，顳下頜關(guān)節(jié)約束和受力對下頜運動軌跡和咬合力的影響無法完全體現(xiàn)，不能同時真實再現(xiàn)人類下頜咀嚼運動軌跡與咬合力，仿生性存在不足。針對這種情況，提出一種含點接觸高副(Higher

2、kinematic pair，HKP)的空間冗余驅(qū)動并聯(lián)仿生機(jī)構(gòu)，真實再現(xiàn)下頜的冗余驅(qū)動特性和復(fù)雜運動行為。開展這種新型機(jī)構(gòu)的運動學(xué)、軌跡規(guī)劃、動力學(xué)、驅(qū)動力優(yōu)化分配等研究，并進(jìn)行實驗驗證。主要內(nèi)容如下:
　　基于人體口頜系統(tǒng)生理結(jié)構(gòu)和顳下頜關(guān)節(jié)運動特點，提出一種含有點接觸高副的、四自由度六驅(qū)動的、空間冗余驅(qū)動并聯(lián)仿生咀嚼機(jī)器人。該機(jī)器人采用六條6-PUS并聯(lián)支鏈模擬口頜系統(tǒng)六組主要咀嚼肌肉，采用兩個點接觸高副模擬兩側(cè)顳下頜關(guān)節(jié)。

3、將高副機(jī)構(gòu)（仿生顳下頜關(guān)節(jié)）與并聯(lián)機(jī)構(gòu)（驅(qū)動肌肉）結(jié)合起來，綜合設(shè)計了具有點接觸高副四自由度六驅(qū)動的冗余驅(qū)動并聯(lián)機(jī)構(gòu)(6PUS-2HKP)。點接觸高副使得咀嚼機(jī)器人可以模擬人類顳下頜關(guān)節(jié)對下頜受力和運動軌跡的影響，揭示人體口頜系統(tǒng)冗余驅(qū)動特性的優(yōu)越性，并提高了機(jī)構(gòu)的仿生性。至今冗余驅(qū)動并聯(lián)機(jī)構(gòu)主要由低副構(gòu)成，含有高副的冗余驅(qū)動并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運動學(xué)、動力學(xué)及控制等問題還沒有形成一個系統(tǒng)的理論。
　　提出含點接觸高副的新型6PUS-2HK

4、P機(jī)構(gòu)的運動學(xué)建模方法。新型機(jī)構(gòu)驅(qū)動數(shù)目多于自由度數(shù)目，四個獨立廣義參數(shù)對應(yīng)六個關(guān)節(jié)變量參數(shù)。首先，給出了含有點接觸高副冗余驅(qū)動并聯(lián)機(jī)構(gòu)一般運動學(xué)形式。其次，基于兩側(cè)點接觸高副的約束方程及機(jī)構(gòu)在廣義坐標(biāo)系下四個獨立參數(shù)，求解末端執(zhí)行器（下頜）在笛卡爾空間的六個位姿參數(shù)，進(jìn)而通過支鏈閉環(huán)約束推導(dǎo)運動學(xué)方程。然后，對機(jī)器人的速度進(jìn)行分析，建立空間獨立速度參數(shù)與關(guān)節(jié)速度的映射關(guān)系，獲得與一般并聯(lián)機(jī)構(gòu)不同的非方陣雅可比矩陣。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行6P

5、US-2HKP機(jī)構(gòu)的工作空間、奇異位形、力傳遞等運動學(xué)性能的分析與研究，并與非冗余6-PUS機(jī)構(gòu)進(jìn)行對比，揭示含有點接觸高副的6PUS-2HKP在力傳遞方面優(yōu)勢。
　　提出基于TMJ雙側(cè)聯(lián)動及牙齒咬合面形態(tài)引導(dǎo)的下頜軌跡規(guī)劃方法。采用下頜運動軌跡描記儀對實驗對象下頜切點軌跡、速度、邊緣性運動進(jìn)行了采集。以此為基礎(chǔ)，對仿生咀嚼機(jī)器人下頜、咬合接觸及仿生顳下頜關(guān)節(jié)（點接觸高副）的運動進(jìn)行綜合分析。根據(jù)點接觸高副雙側(cè)運動關(guān)系，對6PUS

6、-2HKP機(jī)構(gòu)中點接觸高副進(jìn)行接觸位置、速度與加速度的運動學(xué)分析?；邳c接觸高副運動學(xué)對仿生咀嚼機(jī)器人功能性運動（前后運動，側(cè)方運動，開閉口運動），咀嚼運動等進(jìn)行規(guī)劃，實現(xiàn)對人體口頜系統(tǒng)復(fù)雜運動循環(huán)的模擬。
　　提出一種基于6PUS-2HKP機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型的空間冗余驅(qū)動并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動力優(yōu)化分配方法。首先，對仿生咀嚼機(jī)器人進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)受力分析，揭示顳下頜關(guān)節(jié)在口頜系統(tǒng)受力的重要作用。然后，采用拉格朗日方程建立冗余驅(qū)動并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動力學(xué)方程

7、。對于給定的咬合運動及咬合力，冗余驅(qū)動的特性使每條支鏈的驅(qū)動力具有無數(shù)組解，因此能夠采用相應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)對驅(qū)動力進(jìn)行優(yōu)化分配，使得機(jī)構(gòu)性能達(dá)到最佳。最后，提出采用偽逆法建立冗余機(jī)構(gòu)驅(qū)動力優(yōu)化分配的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行驅(qū)動力的優(yōu)化分配。根據(jù)建模與計算仿真分析，揭示冗余驅(qū)動并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢。
　　搭建仿生咀嚼機(jī)器人實驗平臺，驗證咀嚼機(jī)器人的運動軌跡與受力。首先，對仿生咀口爵機(jī)器人進(jìn)行功能性運動、工作空間及開閉口運動等進(jìn)行實驗驗證。其次，對不同材