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机器人 2015年第1期37卷 43-52页

作者：杜婧丛明温海营王贵飞徐卫良大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024 新西兰奥克兰大学机械工程系

为实现人体下颌的运动,针对下颌系统的冗余特性和颞下颌关节运动的独特性,提出一种新型的冗余驱动的仿下颌运动机器人.首先,根据人体下颌运动机理以及仿生设计参数对仿下颌运动机器人进行样机设计.然后,基于虚拟仿真软件,对冗余驱动的... 详细信息

为实现人体下颌的运动,针对下颌系统的冗余特性和颞下颌关节运动的独特性,提出一种新型的冗余驱动的仿下颌运动机器人.首先,根据人体下颌运动机理以及仿生设计参数对仿下颌运动机器人进行样机设计.然后,基于虚拟仿真软件,对冗余驱动的仿下颌运动机器人进行轨迹规划.最后,在样机上进行下颌功能运动实验,分别模拟下颌的开闭、前后和侧方运动.结果证明该仿下颌运动机器人能够实现人体下颌的运动,特别是颞下颌关节的运动.

关键词：仿下颌运动机器人冗余驱动并联机构轨迹规划仿生颞下颌关节

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仿下颌运动机器人的样机设计和实验研究

仿下颌运动机器人的样机设计和实验研究

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作者：杜婧大连理工大学

学位级别：硕士

在人体生理活动中,下颌系统担任着食物咀嚼、语言表达及表情控制等重要生理功能。人体下颌由肌肉驱动,以颞下颌关节作为联结关节,相对上颌执行开闭、前后、侧方等功能运动。仿下颌运动机器人是集机构学、生物力学、机械电子学及运动控... 详细信息

在人体生理活动中,下颌系统担任着食物咀嚼、语言表达及表情控制等重要生理功能。人体下颌由肌肉驱动,以颞下颌关节作为联结关节,相对上颌执行开闭、前后、侧方等功能运动。仿下颌运动机器人是集机构学、生物力学、机械电子学及运动控制等多项技术于一体的工程科学,其研究成果在口腔医学和食品科学等领域具有广阔应用前景。例如可用于义齿材料磨损实验、义齿疲劳寿命测试和医学教学等。为了实现人体下颌的运动,本文根据人体下颌运动的冗余特性和机械仿生原理,基于带有点接触高副的6PUS-2HP的并联机构,提出一种新型的四自由度的冗余驱动的仿下颌运动机器人。首先,简述选题背景及研究意义,分别介绍仿下颌运动机器人和冗余并联机构的研究现状,提出论文的主要工作和研究内容。其次,根据人体下颌运动机理进行颞下颌关节仿生数据的采集和肌肉设计参数的收集,确定颞下颌关节在下颌中的位置,确定咬肌、颞肌、翼外肌在下颌的插入点位置以及肌肉作用线的长度,并对颞骨关节面曲线进行拟合。接着,根据仿生设计参数,对选用的6PUS-2HP机构进行仿生设计。对六自由度6PUS机构建立了运动学模型,由于本文的四自由度6PUS-2HP机构的运动学逆解和轨迹是基于传统的六自由度的6PUS机构进行求解和规划,因此6PUS机构的运动学模型对于本文机器人的设计尤为重要。然后,采用虚拟仿真软件Adams,对仿下颌运动机器人的6PUS-2HP机构进行运动学仿真实验。根据关节零件的运动范围,对仿下颌运动机器人进行零件的选型,对样机的机械结构进行详细的设计。并且,采用可编程控制器PEC6A00对仿下颌运动机器人进行运动控制,对其控制系统进行硬件和软件的设计。随后,采用Adams对四自由度六驱动的仿下颌运动机器人进行轨迹规划。在约束机器人两侧颞下颌关节的髁状突始终与颞骨关节面接触的前提下,求解六个电机的驱动脉冲。最后,在仿下颌运动机器人的样机上进行下颌功能运动实验研究。分别模拟人体的开闭运动、前后运动、侧方运动,结果证明该仿下颌运动机器人能够将下颌运动与颞下颌关节的运动较好地结合起来,能够实现人体下颌的运动,特别是颞下颌关节的运动。

关键词：冗余驱动并联机构轨迹规划仿生颞下颌关节仿下颌运动机器人

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一种新型仿下颌运动机器人设计及运动性能分析

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机器人 2013年第2期35卷 239-248页

作者：丛明刘同占温海营杜婧徐卫良大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024 机器人学国家重点实验室辽宁沈阳110016 奥克兰大学机械工程系

为实现高仿生性要求,基于机械仿生原理提出一种新型仿下颌运动机器人.首先,针对人类下颌系统驱动肌肉的分布不对称、作用力方向不同以及与上下颌连接点不共面的生物力学特性,建立基于6-PUS并联机构的仿下颌运动机器人.其次,推导其运动... 详细信息

为实现高仿生性要求,基于机械仿生原理提出一种新型仿下颌运动机器人.首先,针对人类下颌系统驱动肌肉的分布不对称、作用力方向不同以及与上下颌连接点不共面的生物力学特性,建立基于6-PUS并联机构的仿下颌运动机器人.其次,推导其运动学反解方程和雅可比矩阵,并进行工作空间、奇异值、灵活度等运动性能分析,以验证机构设计的可行性.最后,在建立的虚拟样机平台上进行下颌运动仿真实验,对仿下颌运动机器人的轨迹及驱动系统进行分析,并与人类下颌真实运动进行比较.结果证明该仿下颌运动机器人能满足人类下颌运动轨迹真实性的要求.

关键词：仿下颌运动机器人并联机构工作空间奇异值灵活度

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冗余驱动仿下颌运动机器人工作空间分析及试验验证

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机器人 2015年第3期37卷 286-297页

作者：温海营丛明王贵飞杜婧徐卫良大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024 新西兰奥克兰大学机械工程系

根据人类下颌系统冗余驱动的生理特性,即下颌受颞下颌关节约束且受多于本身自由度数目的下颌肌肉驱动的特点,介绍了一种采用点接触高副模拟人体颞下颌关节的6PUS-2HKP(higher kinematic pair)冗余驱动并联机构来完成下颌运动,该机构可... 详细信息

根据人类下颌系统冗余驱动的生理特性,即下颌受颞下颌关节约束且受多于本身自由度数目的下颌肌肉驱动的特点,介绍了一种采用点接触高副模拟人体颞下颌关节的6PUS-2HKP(higher kinematic pair)冗余驱动并联机构来完成下颌运动,该机构可应用于牙科义齿性能测试.首先,建立机器人的坐标系,针对机构存在点接触高副的特点,分析和推导了冗余并联机构的独立位置参数和运动学方程.然后,采用下颌运动轨迹描记仪对实验对象下颌切点边缘性运动进行了采集.通过分析各驱动机构及点接触高副的运动范围,采用数值分析的方法获得了机器人的工作空间.最后,采用实验的方法,测量了仿下颌运动机器人做最大运动时下颌切点的运动轨迹.通过对比实验对象切点边缘性运动和工作空间仿真结果可知,该仿下颌运动机器人能够满足人类下颌运动空间要求.

关键词：仿下颌运动机器人冗余驱动点接触高副并联机构工作空间

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仿下颌运动机器人设计及仿生性能研究

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作者：刘同占大连理工大学

学位级别：硕士

仿下颌运动的机器人是一类可以模拟人类下颌运动行为,再现人类下颌运动和力的机器人,在牙科学、食品科学、生物力学等领域具有广泛应用前景。本课题综合研究人类下颌系统肌肉的仿生机构原理,提出的新型仿下颌运动机器人符合人类下颌系... 详细信息

仿下颌运动的机器人是一类可以模拟人类下颌运动行为,再现人类下颌运动和力的机器人,在牙科学、食品科学、生物力学等领域具有广泛应用前景。本课题综合研究人类下颌系统肌肉的仿生机构原理,提出的新型仿下颌运动机器人符合人类下颌系统的生物力学特性,可为义齿材料磨损实验、食品机械特性实验、下颌应力分析等研究提供科学手段。为实现高仿生性要求,本文根据下颌系统驱动肌肉存在分布不对称、作用力方向不同以及与上下颌的连接点不共面的生物力学特征,基于机械仿生原理,提出一种基于6-PSS并联机构的新型仿下颌运动机器人。首先综合考虑高仿生性和机构设计可行性要求,推导出机构中各运动支链在上下颌机构的插入点位置。然后针对下颌平台需满足不同受力情况下的多学科实验研究要求,对下颌平台进行了有限元分析。随后为便于对下颌仿生性能进行有效分析,确定了在下颌平台上的相关位置参考点。根据该并联机构的特点,采用解析法对机器人的位置逆解和速度逆解进行分析,得到下颌平台位姿变换与运动支链中滑块沿导轨直线运动的非线性关系。然后考虑机构中的球面副转角、滑块行程、杆间干涉等约束条件,采用数值法确定仿下颌运动机器人的工作空间边界。由于机构上下颌的连接点不共面,可能导致存在复杂多样的奇异位形问题,在已推导出的仿下颌运动机器人雅可比矩阵基础上,采用并联机构的灵活度和可操作性指标,在机构所达工作空间并包括奇异位形附近区域,对机构运动性能进行综合分析和评价。依据已设计的结构参数,在ADAMS中建立仿下颌运动机器人的虚拟样机,进行下颌平台在不规则张合运动、咬合、左侧咀嚼、常规张合运动、右侧咀嚼等姿态下的仿真实验。结果表明,该仿下颌运动并联机构可真实再现人类下颌的运动环境,机构具有良好的仿生性能。最后设计出了仿下颌运动机器人的样机模型,并给定了样机中主要结构部件的型号参数,为实际样机的研制奠定了基础。

关键词：仿下颌运动机器人 6-PSS并联机构工作空间奇异值灵活度可操作性

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仿下颌运动并联机器人的性能分析与参数优化

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作者：宋佳大连理工大学

学位级别：硕士

人类的下颌系统具有控制表情、咀嚼食物和表达语言等重要生理功能。仿下颌运动机器人是一种能够模拟人类下颌骨运动行为的仿生机器人,主要应用于下颌系统康复训练、食品质地评估以及牙科材料测试等领域。随着仿生技术和机器人技术日渐成... 详细信息

人类的下颌系统具有控制表情、咀嚼食物和表达语言等重要生理功能。仿下颌运动机器人是一种能够模拟人类下颌骨运动行为的仿生机器人,主要应用于下颌系统康复训练、食品质地评估以及牙科材料测试等领域。随着仿生技术和机器人技术日渐成熟,仿下颌运动机器人逐渐向着拟人化程度更高的方向发展。基于高仿生性理念设计的机构在实际应用中的工作性能如何值得重点关注。本文在分析仿下颌运动机器人和并联机构研究现状的基础上,从仿下颌运动机器人的实际应用需求出发、结合并联机构的研究方法,对一种基于6-PUS并联机构的仿下颌运动机器人进行工作性能分析与结构参数优化。首先,简述了课题的研究背景及意义,介绍了仿下颌运动机器人的研究现状,总结了并联机构的研究方法,提出了本文主要研究内容。其次,介绍了本文中仿下颌运动并联机器人的基本情况;建立了机构的运动学模型,并求出滑块位置逆解、给出速度逆解以及速度雅可比矩阵的表达式;通过拉格朗日方程建立了机构的动力学模型。接着,分析了影响机构工作空间的主要因素,给出工作空间限制条件的数学模型;利用MATLAB软件编制工作空间的求解程序,并分别求出动平台在3个给定姿态下的工作空间;给出下颌骨对称张口运动的近似模拟轨迹,分析工作空间对它的包容性。然后,定义了机构在实际应用中可能存在的三种工况,根据生理学参数设定仿真轨迹以及加载状况,进行运动学和动力学仿真;仿真结果表明,该机构的运动学性能基本满足实际应用需求,但在给定工况下滑块所需驱动力较大,动力学性能有待提高。最后,针对仿真结果中驱动力较大的问题进行结构参数优化。将9个结构参数定义为设计变量,分析驱动力随每个设计变量变化的趋势及敏感程度,选取3个敏感度较大的作为优化对象进行优化计算;对优化后的机构进行全面的仿真分析,结果表明优化方案可行且有效,在相同工况下各滑块所需驱动力普遍减小,动力学性能得到改善。

关键词：仿下颌运动机器人并联机构运动学及动力学工作空间优化设计

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