含點接觸高副的冗余驅動仿生咀嚼機器人研究.pdf

1、仿生咀嚼機器人在牙科學，食品科學，生物力學與假肢修復等學科具有廣泛應用，而且可以為人類研究口頜系統(tǒng)生物力學特性及咀嚼運動機理提供有益的幫助。目前的咀嚼機器人沒有完全考慮顳下頜關節(jié)(Tempommandibular joint，TMJ)運動特點及口頜系統(tǒng)冗余驅動特性，顳下頜關節(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，不能同時真實再現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)的空間冗余驅動并聯仿生機構，真實再現下頜的冗余驅動特性和復雜運動行為。開展這種新型機構的運動學、軌跡規(guī)劃、動力學、驅動力優(yōu)化分配等研究，并進行實驗驗證。主要內容如下:
　　基于人體口頜系統(tǒng)生理結構和顳下頜關節(jié)運動特點，提出一種含有點接觸高副的、四自由度六驅動的、空間冗余驅動并聯仿生咀嚼機器人。該機器人采用六條6-PUS并聯支鏈模擬口頜系統(tǒng)六組主要咀嚼肌肉，采用兩個點接觸高副模擬兩側顳下頜關節(jié)。

3、將高副機構（仿生顳下頜關節(jié)）與并聯機構（驅動肌肉）結合起來，綜合設計了具有點接觸高副四自由度六驅動的冗余驅動并聯機構(6PUS-2HKP)。點接觸高副使得咀嚼機器人可以模擬人類顳下頜關節(jié)對下頜受力和運動軌跡的影響，揭示人體口頜系統(tǒng)冗余驅動特性的優(yōu)越性，并提高了機構的仿生性。至今冗余驅動并聯機構主要由低副構成，含有高副的冗余驅動并聯機構的運動學、動力學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機構的運動學建模方法。新型機構驅動數目多于自由度數目，四個獨立廣義參數對應六個關節(jié)變量參數。首先，給出了含有點接觸高副冗余驅動并聯機構一般運動學形式。其次，基于兩側點接觸高副的約束方程及機構在廣義坐標系下四個獨立參數，求解末端執(zhí)行器（下頜）在笛卡爾空間的六個位姿參數，進而通過支鏈閉環(huán)約束推導運動學方程。然后，對機器人的速度進行分析，建立空間獨立速度參數與關節(jié)速度的映射關系，獲得與一般并聯機構不同的非方陣雅可比矩陣。在此基礎上，進行6P

5、US-2HKP機構的工作空間、奇異位形、力傳遞等運動學性能的分析與研究，并與非冗余6-PUS機構進行對比，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雙側聯動及牙齒咬合面形態(tài)引導的下頜軌跡規(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、邊緣性運動進行了采集。以此為基礎，對仿生咀嚼機器人下頜、咬合接觸及仿生顳下頜關節(jié)（點接觸高副）的運動進行綜合分析。根據點接觸高副雙側運動關系，對6PUS

6、-2HKP機構中點接觸高副進行接觸位置、速度與加速度的運動學分析?；邳c接觸高副運動學對仿生咀嚼機器人功能性運動（前后運動，側方運動，開閉口運動），咀嚼運動等進行規(guī)劃，實現對人體口頜系統(tǒng)復雜運動循環(huán)的模擬。
　　提出一種基于6PUS-2HKP機構動力學模型的空間冗余驅動并聯機構驅動力優(yōu)化分配方法。首先，對仿生咀嚼機器人進行準靜態(tài)受力分析，揭示顳下頜關節(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動并聯機構的動力學方程

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