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基于多操作机的排牙机器人的研究

于爽  
【摘要】:人类的上下颌牙齿全部缺损后,称为无牙颌,需要全口义齿修复。传统全口义齿制作是由手工定性操作完成的,工作效率低,返修率高。使用计算机辅助设计和机器人辅助操作来实现定量排牙可以减小排牙的随机性,确保义齿质量,提高工作效率。排牙机器人研制是将机器人应用于口腔修复医学的一次大胆尝试。 本文介绍了口腔修复学中关于全口义齿制作的相关知识,列举出了牙弓颌弓曲线的幂函数模型和Beta方程模型的数学描述,选取相对简单的幂函数模型作为排牙计算中理论根据。在分析一些医学统计资料的基础上,将实现牙齿位姿的机构减少到5个自由度。基于模块化的设计思想设计了转动机构和移动机构,提出采用五个点控制弹簧板的变形来拟合牙弓曲线的方法,并以拟合的误差作为目标函数,运用MATLAB软件进行拟合点个数以及拟合点位置的优化设计,从而确定了相关参数的最佳取值。 为了对排牙机器人进行运动学计算,首先建立了弹簧板变形后的参数方程,通过对机构的运动分析,推导出了各个关节的运动学逆运算表达式。然后应用连续路径控制(即CP控制)方法对排牙机器人进行路径控制,采用直线插补算法确定初始点和目标点之间各个路径点的坐标,再通过各个关节的运动学逆运算,计算出步进电机需要走的步数。对机器人进行路径控制的研究可以有效而合理的使步进电机协调动作,从而更好的控制关节运动,使系统误差尽可能小,最后达到该机器人系统能够排列出满足人们要求的全口义齿的目的。 本课题的研究是机器人技术由传统工业领域向医学领域扩展的又一次体现,既符合医用机器人的发展趋势、满足日益发展的社会需要,又促进了机器人技术、口腔修复学全口义齿制作技术的发展,因而课题的研究具有良好的社会效果和应用前景。


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