排牙機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與正運(yùn)動(dòng)仿真

排牙機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與正運(yùn)動(dòng)仿真

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和醫(yī)療水平的提高，世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家都進(jìn)入了老齡化社會(huì)。許多老年人因完整的牙齒（也稱為無(wú)牙牙齒）而解體，需要用完整的牙齒修復(fù)。現(xiàn)在，中國(guó)的人口正在老齡化，沒(méi)有牙齒的患者數(shù)量日益增加。人工清潔是修復(fù)無(wú)牙牙齒、語(yǔ)言功能和面部美的關(guān)鍵。長(zhǎng)期以來(lái)，口腔醫(yī)學(xué)中不同類型的假牙的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)一直依靠豐富的經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成。然而，手動(dòng)生產(chǎn)無(wú)法滿足患者的需求。機(jī)器人靈巧手相當(dāng)于安裝在機(jī)器人臂上的可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)精細(xì)操作運(yùn)動(dòng)的一組機(jī)器人,是真正擬人化并能實(shí)現(xiàn)靈活操作的機(jī)器人手.目前機(jī)器人靈巧手的研究屬國(guó)際前沿課題,歐美等國(guó)正在嘗試?yán)脵C(jī)器人從事空間站的物品搬運(yùn)、裝配及空間站維修等工作,此外,將機(jī)器人靈巧手用于戰(zhàn)場(chǎng)探雷、排雷,檢測(cè)維修核工業(yè)設(shè)備等危險(xiǎn)作業(yè)也是國(guó)內(nèi)外研究人員正在研究解決的一個(gè)重要課題;在殘疾人用假手、老人院生活服務(wù)等領(lǐng)域也有較好的應(yīng)用前景.排牙機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)排牙的任意位置和姿態(tài)控制,相當(dāng)于快速培養(yǎng)和造就了一批高級(jí)口腔修復(fù)醫(yī)療專家和技術(shù)員.通過(guò)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)排牙機(jī)器人自動(dòng)排牙系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究,實(shí)現(xiàn)排牙機(jī)器人的三維排牙操作和示教,對(duì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化排牙機(jī)器人系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)其醫(yī)學(xué)的臨床應(yīng)用具有極為重要的意義.1多維結(jié)構(gòu)的使用為了能夠準(zhǔn)確快速的實(shí)現(xiàn)所排人工牙齒的定位和姿態(tài),必須要有個(gè)靈巧的多指手.本文這里主要討論多指手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)副形式、手指的數(shù)目、手指的選材,驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)等方面的內(nèi)容.1.1多次健全的摩擦健全含血管稀使用術(shù)中的嘴唇相關(guān)研究多指靈巧手的手指數(shù)目若小于3個(gè),則無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)抓取物體的微細(xì)操作;當(dāng)手指數(shù)為3時(shí),一般可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓取,當(dāng)手指數(shù)大于3小于或等于5時(shí),是仿造人手的手指數(shù)目和結(jié)構(gòu),已經(jīng)存在冗余手指;若手指數(shù)目多于5個(gè),由于存在太多的冗余手指,控制困難,顯然沒(méi)有實(shí)際意義.所以多指靈巧手的手指數(shù)目一般取3～5個(gè).若手指數(shù)取得較多,由于每個(gè)關(guān)節(jié)需要獨(dú)立驅(qū)動(dòng),如果再加上若干傳感器,規(guī)劃過(guò)程和控制過(guò)程都相當(dāng)復(fù)雜,很難保證實(shí)時(shí)性.因此,多指靈巧手的手指數(shù)目應(yīng)在可以實(shí)現(xiàn)抓取和微細(xì)操作的前提下,盡可能取最小值.根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)人手抓取任意物體方式的分析,可以將人手的抓取方式分為:手掌接觸抓取、手指內(nèi)側(cè)接觸抓取、手指?jìng)?cè)面接觸抓取、3個(gè)虛擬指的抓取、混合抓取.從其抓取方式的研究還可以看出,所有的抓取方式都可以不用五指,而只用三指(大拇指、食指、中指)來(lái)實(shí)現(xiàn).因此,排牙機(jī)器人選用的多指手采用三指手結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)直接對(duì)義齒的抓取、移動(dòng)以及調(diào)整姿態(tài)等操作.1.2有有效的對(duì)外載荷人類的手有手掌,因此仿人多指靈巧手一般也都有手掌,但是,一些不是完全仿人的多指靈巧手也可以沒(méi)有手掌.沒(méi)有手掌的多指靈巧手其抓取和操作的靈巧性都比較好,對(duì)抓取尺寸比較小的物體并對(duì)物體進(jìn)行微細(xì)操作有利.手掌可以增加對(duì)物體的約束,其操作能力大大增強(qiáng),尤其對(duì)要求抓取力比較大的情況有利.就一般性和通用性而言,有手掌的靈巧手具有更大的適應(yīng)性,應(yīng)優(yōu)先采用有手掌的結(jié)構(gòu)型式.1.3排牙機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式多指靈巧手的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力的傳動(dòng)方式問(wèn)題是多指靈巧手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn),也是瓶頸問(wèn)題,一旦突破,機(jī)器人多指靈巧手的結(jié)構(gòu)和性能將會(huì)發(fā)生根本的變化.綜合考慮各種因素,排牙機(jī)器人多指靈巧手的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)采用電驅(qū)動(dòng)方式,電機(jī)組安裝在臂關(guān)節(jié)上.根據(jù)前述多指靈巧手優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)論,得出排牙機(jī)器人多指靈巧手采用3指9個(gè)自由度,每個(gè)手指由3個(gè)自由度組成,每個(gè)自由度是按小系統(tǒng)進(jìn)行控制.2機(jī)器人第i桿坐標(biāo)系的基本思想排牙機(jī)器人是一個(gè)3個(gè)手指、9個(gè)自由度的多指靈巧手,每個(gè)手指有3個(gè)關(guān)節(jié),用第三節(jié)手指進(jìn)行物體的抓取.根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題,采用D-H坐標(biāo)法對(duì)該多指手建立動(dòng)力學(xué)模型.設(shè)關(guān)節(jié)i為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),則第i桿坐標(biāo)系的相對(duì)位置與方位的D-H變換公式為Ai=∣∣∣∣∣∣cosθi??sinθicosαisinθicosαiαicosθisinθicosθicosαi?cosθisinαiαisinθi0sinαicosαidi0001∣∣∣∣∣∣Ai=|cosθi?-sinθicosαisinθicosαiαicosθisinθicosθicosαi-cosθisinαiαisinθi0sinαicosαidi0001|同理,設(shè)關(guān)節(jié)i為移動(dòng)關(guān)節(jié),則其D-H變換公式為:Ai=∣∣∣∣∣∣cosθi?sinθicosαisinθicosαiαicosθisinθicosθicosαi?cosθisinαiαisinθi0sinαicosαidi0001∣∣∣∣∣∣Ai=|cosθi-sinθicosαisinθicosαiαicosθisinθicosθicosαi-cosθisinαiαisinθi0sinαicosαidi0001|其中:di為運(yùn)動(dòng)副長(zhǎng),θi為轉(zhuǎn)角,αi為桿長(zhǎng).機(jī)器人第i桿坐標(biāo)系在其基本坐標(biāo)系中的位置和方位定義為Ti=A1A2A3…Ai3虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality,簡(jiǎn)稱VR)是近年來(lái)十分活躍的技術(shù)研究領(lǐng)域,是一系列高新技術(shù)的匯集,這些技術(shù)包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能、人機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)以及高度并行的實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù),還包括人的行為學(xué)研究等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù).VR技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)的有機(jī)結(jié)合成為極具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的研究方向之一.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)是利用三維建模軟件建立機(jī)器人及相應(yīng)環(huán)境物體的三維模型,在模型中引入機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)和場(chǎng)景動(dòng)力學(xué),對(duì)機(jī)器人的行為及其場(chǎng)景的交互加入約束條件使之更加自然真實(shí).VR系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要原則是模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和面向?qū)ο蟮拈_(kāi)放性和可重用性,它包括具有臨場(chǎng)感的輸入輸出系統(tǒng)、具有真實(shí)感的虛擬環(huán)境仿真系統(tǒng),利用圖形快速生成系統(tǒng)對(duì)這些模型或系統(tǒng)進(jìn)行三維繪制,操作者能夠利用操縱桿等設(shè)備操縱機(jī)器人手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)和機(jī)器人在場(chǎng)景中的移動(dòng).Matlab中的虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱可在Matlab/Simulink環(huán)境中設(shè)計(jì)、調(diào)整并控制,帶來(lái)強(qiáng)大的虛擬視覺(jué)化、模擬以及實(shí)證動(dòng)力學(xué)系統(tǒng).VirtualRealityToolbox借由VRML所構(gòu)成的瀏覽器與Matlab和Simulink緊密連結(jié),通過(guò)Matlab和Simulink環(huán)境生成三維場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)三維模型中觀察動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的模擬.機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械部分經(jīng)?？梢院?jiǎn)化成機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的仿真,而SimMechanics和Matlab/Simulink之間的有機(jī)結(jié)合又允許將機(jī)構(gòu)系統(tǒng)和電控部分在同一仿真框架下同時(shí)進(jìn)行,因此利用MathWork公司新推出的SimMechanics可以直接對(duì)多剛體機(jī)器和它們的組件進(jìn)行建模,如構(gòu)件、鉸接點(diǎn)、約束、執(zhí)行器和傳感器等,能夠把機(jī)械系統(tǒng)模型和它們相應(yīng)的控制系統(tǒng)模型連接起來(lái)提供有效直觀的工具,不僅對(duì)其動(dòng)作進(jìn)行仿真和分析,而且還可以依賴虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱(VirtualRealityToolbox),對(duì)仿真的機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)畫顯示,見(jiàn)圖1.4口腔修復(fù)學(xué)中的機(jī)器人利用機(jī)器人手代替手工排牙,不但比排牙技術(shù)專家以更精確的數(shù)字方式操作,同時(shí)還能避免專家因疲勞、情緒、疏忽等原因造成的失誤,使全口義齒排牙達(dá)到規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、工業(yè)化的水平,用機(jī)器勞動(dòng)代替人類勞動(dòng),既緩解了人類的勞動(dòng)強(qiáng)度又提高了工作的效率和質(zhì)量.隨著排牙機(jī)器人技術(shù)的不斷創(chuàng)新、發(fā)展和成熟,為口腔修復(fù)學(xué)智能化治療研究與臨床應(yīng)用提供