排牙机器人的结构优化设计与正运动仿真

排牙机器人的结构优化设计与正运动仿真

随着科学技术的进步和医疗水平的提高，世界上许多发达国家都进入了老龄化社会。许多老年人因完整的牙齿（也称为无牙牙齿）而解体，需要用完整的牙齿修复。现在，中国的人口正在老龄化，没有牙齿的患者数量日益增加。人工清洁是修复无牙牙齿、语言功能和面部美的关键。长期以来，口腔医学中不同类型的假牙的设计和生产一直依靠丰富的经验来完成。然而，手动生产无法满足患者的需求。机器人灵巧手相当于安装在机器人臂上的可独立实现精细操作运动的一组机器人,是真正拟人化并能实现灵活操作的机器人手.目前机器人灵巧手的研究属国际前沿课题,欧美等国正在尝试利用机器人从事空间站的物品搬运、装配及空间站维修等工作,此外,将机器人灵巧手用于战场探雷、排雷,检测维修核工业设备等危险作业也是国内外研究人员正在研究解决的一个重要课题;在残疾人用假手、老人院生活服务等领域也有较好的应用前景.排牙机器人可以实现排牙的任意位置和姿态控制,相当于快速培养和造就了一批高级口腔修复医疗专家和技术员.通过采用虚拟现实技术对排牙机器人自动排牙系统进行仿真研究,实现排牙机器人的三维排牙操作和示教,对设计和优化排牙机器人系统以及实现其医学的临床应用具有极为重要的意义.1多维结构的使用为了能够准确快速的实现所排人工牙齿的定位和姿态,必须要有个灵巧的多指手.本文这里主要讨论多指手关节的运动副形式、手指的数目、手指的选材,驱动和传动等方面的内容.1.1多次健全的摩擦健全含血管稀使用术中的嘴唇相关研究多指灵巧手的手指数目若小于3个,则无法实现对抓取物体的微细操作;当手指数为3时,一般可以实现稳定抓取,当手指数大于3小于或等于5时,是仿造人手的手指数目和结构,已经存在冗余手指;若手指数目多于5个,由于存在太多的冗余手指,控制困难,显然没有实际意义.所以多指灵巧手的手指数目一般取3～5个.若手指数取得较多,由于每个关节需要独立驱动,如果再加上若干传感器,规划过程和控制过程都相当复杂,很难保证实时性.因此,多指灵巧手的手指数目应在可以实现抓取和微细操作的前提下,尽可能取最小值.根据有关文献对人手抓取任意物体方式的分析,可以将人手的抓取方式分为:手掌接触抓取、手指内侧接触抓取、手指侧面接触抓取、3个虚拟指的抓取、混合抓取.从其抓取方式的研究还可以看出,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)来实现.因此,排牙机器人选用的多指手采用三指手结构,可实现直接对义齿的抓取、移动以及调整姿态等操作.1.2有有效的对外载荷人类的手有手掌,因此仿人多指灵巧手一般也都有手掌,但是,一些不是完全仿人的多指灵巧手也可以没有手掌.没有手掌的多指灵巧手其抓取和操作的灵巧性都比较好,对抓取尺寸比较小的物体并对物体进行微细操作有利.手掌可以增加对物体的约束,其操作能力大大增强,尤其对要求抓取力比较大的情况有利.就一般性和通用性而言,有手掌的灵巧手具有更大的适应性,应优先采用有手掌的结构型式.1.3排牙机器人的关节驱动方式多指灵巧手的关节驱动方式、运动及动力的传动方式问题是多指灵巧手结构设计的难点,也是瓶颈问题,一旦突破,机器人多指灵巧手的结构和性能将会发生根本的变化.综合考虑各种因素,排牙机器人多指灵巧手的关节驱动采用电驱动方式,电机组安装在臂关节上.根据前述多指灵巧手优化设计的结论,得出排牙机器人多指灵巧手采用3指9个自由度,每个手指由3个自由度组成,每个自由度是按小系统进行控制.2机器人第i杆坐标系的基本思想排牙机器人是一个3个手指、9个自由度的多指灵巧手,每个手指有3个关节,用第三节手指进行物体的抓取.根据机器人运动学正问题,采用D-H坐标法对该多指手建立动力学模型.设关节i为转动关节,则第i杆坐标系的相对位置与方位的D-H变换公式为Ai=∣∣∣∣∣∣cosθi?−sinθicosαisinθicosαiαicosθisinθicosθicosαi−cosθisinαiαisinθi0sinαicosαidi0001∣∣∣∣∣∣Ai=|cosθi?-sinθicosαisinθicosαiαicosθisinθicosθicosαi-cosθisinαiαisinθi0sinαicosαidi0001|同理,设关节i为移动关节,则其D-H变换公式为:Ai=∣∣∣∣∣∣cosθi−sinθicosαisinθicosαiαicosθisinθicosθicosαi−cosθisinαiαisinθi0sinαicosαidi0001∣∣∣∣∣∣Ai=|cosθi-sinθicosαisinθicosαiαicosθisinθicosθicosαi-cosθisinαiαisinθi0sinαicosαidi0001|其中:di为运动副长,θi为转角,αi为杆长.机器人第i杆坐标系在其基本坐标系中的位置和方位定义为Ti=A1A2A3…Ai3虚拟仿真系统设计虚拟现实(VirtualReality,简称VR)是近年来十分活跃的技术研究领域,是一系列高新技术的汇集,这些技术包括计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术以及高度并行的实时计算技术,还包括人的行为学研究等多项关键技术.VR技术与机器人技术的有机结合成为极具发展潜力和应用前景的研究方向之一.虚拟现实技术应用于机器人系统是利用三维建模软件建立机器人及相应环境物体的三维模型,在模型中引入机器人机构学和场景动力学,对机器人的行为及其场景的交互加入约束条件使之更加自然真实.VR系统设计的主要原则是模块化、标准化和面向对象的开放性和可重用性,它包括具有临场感的输入输出系统、具有真实感的虚拟环境仿真系统,利用图形快速生成系统对这些模型或系统进行三维绘制,操作者能够利用操纵杆等设备操纵机器人手臂的转动和机器人在场景中的移动.Matlab中的虚拟现实工具箱可在Matlab/Simulink环境中设计、调整并控制,带来强大的虚拟视觉化、模拟以及实证动力学系统.VirtualRealityToolbox借由VRML所构成的浏览器与Matlab和Simulink紧密连结,通过Matlab和Simulink环境生成三维场景,实现三维模型中观察动态系统的模拟.机器人系统的机械部分经常可以简化成机构系统的仿真,而SimMechanics和Matlab/Simulink之间的有机结合又允许将机构系统和电控部分在同一仿真框架下同时进行,因此利用MathWork公司新推出的SimMechanics可以直接对多刚体机器和它们的组件进行建模,如构件、铰接点、约束、执行器和传感器等,能够把机械系统模型和它们相应的控制系统模型连接起来提供有效直观的工具,不仅对其动作进行仿真和分析,而且还可以依赖虚拟现实工具箱(VirtualRealityToolbox),对仿真的机构进行动画显示,见图1.4口腔修复学中的机器人利用机器人手代替手工排牙,不但比排牙技术专家以更精确的数字方式操作,同时还能避免专家因疲劳、情绪、疏忽等原因造成的失误,使全口义齿排牙达到规范化、标准化、自动化、工业化的水平,用机器劳动代替人类劳动,既缓解了人类的劳动强度又提高了工作的效率和质量.随着排牙机器人技术的不断创新、发展和成熟,为口腔修复学智能化治疗研究与临床应用提供