多操作机排牙机器人运动学建模及精确控制

论文摘要

口腔修复机器人作为近年来迅速发展的新兴学科,以其操作的规范化、标准化和自动化等优点,成为现代口腔修复学发展的必然趋势。目前采用的单操作机排牙,难以实现人工牙的依次抓取和定位问题,且抓取效率和精度低。本文提出采用多操作机进行全口义齿排列的方法,利用多个操作机的协调配合实现人工牙位置和姿态的精确控制,使得全口义齿的排列既能满足无牙颌患者的生理功能和美观要求,又能提高排牙的效率和精度。针对多操作机排牙机器人的运动学问题和排牙规则量化问题,进行了多操作机排牙机器人运动学建模研究。建立了考虑牙位转矩角和轴倾角的不同型号解剖形态人工牙定量化表达坐标系。在牙弓曲线幂函数模型的基础上,建立多操作机排牙机器人牙弓曲线发生器的数学模型,提出采用牙宽迭代法实现人工牙在牙弓曲线上位置的计算,并利用人工牙控制点实现散牙在牙弓曲线发生器上的位置补偿。利用解析法建立了多操作机排牙机器人的运动学模型,并利用患者病例进行了计算和仿真,验证了运动学模型建立的正确性。针对牙弓曲线发生器的协调运动问题,进行了牙弓曲线发生器的运动规划和联合仿真。提出了采用牙弓参数等增量法实现牙弓曲线发生器各控制点的运动规划,仿真分析比较了三种规划方法时牙弓曲线发生器运动过程中的应力情况,验证了该运动规划方法的有效性;进行了牙弓曲线发生器的联合仿真,各控制点联合仿真轨迹与理论轨迹对比分析的结果验证了柔性牙弓曲线发生器及其驱动模块动力学模型、控制模型的准确性和结构设计的合理性。针对排牙操作协调运动和精度要求高的特点,进行了多操作机排牙机器人精确运动控制的研究。提出了采用高解析度预设定时、高解析度实时定时和CPU时间戳定时器实现控制脉冲输出的方法。进行了上述三种方法实现控制脉冲输出的精度和稳定性的分析,并给出了以上三种软件定时方法实现控制脉冲输出误差存在的原因。结果表明:高解析度实时定时实现脉冲输出的稳定性和精度满足多操作机排牙机器人精确控制的要求。搭建了多操作机排牙机器人实验平台,进行了牙弓曲线发生器的控制实验和排牙实验。牙弓曲线发生器控制实验表明牙弓曲线发生器运动的实际轨迹、联合仿真轨迹和理论轨迹具有一致性,验证了高解析度实时定时产生控制脉冲控制多操作机排牙机器人同步精确控制的可行性和有效性,进一步证明了联合仿真模型的合理性和精确性。以单点最大误差作为排牙结果的量化评价依据,进行了两例不同牙槽嵴吸收程度患者的排牙实验研究,结果表明上下牙列的单点最大误差均不大于1.72mm。并将机器人排牙结果与手工排牙结果进行对比分析,机器人排牙结果验证了排牙量化理论和运动学模型的准确性和多操作机实现全口义齿排列策略的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景、目的和意义
• 1.1.1 课题的研究背景
• 1.1.2 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外机器人技术在义齿排列中应用的研究现状
• 1.2.1 国外机器人技术在义齿排列中应用的研究现状
• 1.2.2 国内机器人技术在义齿排列中应用的研究现状
• 1.3 国内外软件定时实现步进电机精确控制研究现状
• 1.4 联合仿真技术国内外研究现状
• 1.5 现有研究存在的问题
• 1.6 论文的课题来源及研究内容
• 1.6.1 课题来源
• 1.6.2 论文的研究内容
• 第2章 多操作机排牙机器人运动学建模
• 2.1 引言
• 2.2 多操作机排牙机器人机构分析
• 2.3 牙弓曲线发生器数学模型
• 2.3.1 无牙颌弓及牙弓的数学模型
• 2.3.2 人工牙列和无牙颌弓的形态适配方程
• 2.3.3 牙弓曲线发生器的数学模型
• 2.4 多操作机排牙机器人坐标系的建立
• 2.5 排牙规则的数字化表达
• 2.5.1 数字化人工牙坐标系的建立
• 2.5.2 人工牙在牙弓曲线上的位置计算
• 2.5.3 人工牙在牙弓曲线上的位置补偿
• 2.6 多操作机排牙机器人初始位置的确定
• 2.6.1 牙弓曲线发生器机构初始位置的确定
• 2.6.2 手动转轴初始位置的标定
• 2.6.3 调整螺杆初始位置的标定
• 2.6.4 单个操作机在牙弓曲线发生器上的初始位置标定
• 2.7 多操作机排牙机器人运动学计算
• 2.7.1 牙弓曲线发生器控制点的位置计算
• 2.7.2 近远中向转动角度计算
• 2.7.3 调整螺杆移动距离计算
• 2.7.4 单个操作机在牙弓曲线发生器上的位置计算
• 2.8 本章小结
• 第3章 多操作机排牙机器人柔性牙弓曲线发生器联合仿真
• 3.1 引言
• 3.2 柔性体建模理论
• 3.2.1 柔性体的表示
• 3.2.2 柔性体运动微分表达式
• 3.3 牙弓曲线发生器驱动机构的动力学模型
• 3.4 牙弓曲线发生器驱动控制数学模型的建立
• 3.5 牙弓曲线发生器运动规划方法
• 3.5.1 牙弓曲线发生器运动规划方法分析
• 3.5.2 牙弓曲线发生器运动规划方法仿真比较
• 3.6 牙弓曲线发生器联合仿真
• 3.7 本章小结
• 第4章 多操作机排牙机器人的精确运动控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 多操作机排牙机器人的运动控制方案
• 4.3 高解析度定时控制脉冲实现方法
• 4.3.1 高解析度预设定时控制脉冲实现方法
• 4.3.2 高解析度实时定时控制脉冲实现方法
• 4.4 高解析度定时实现控制脉冲输出的精度和稳定性分析
• 4.4.1 高解析度预设定时和实时定时实现控制脉冲输出精度分析
• 4.4.2 高解析度预设定时和实时定时实现控制脉冲输出稳定性分析
• 4.5 CPU时间戳定时控制脉冲实现方法
• 4.6 高解析度实时定时和CPU时间戳定时实现控制脉冲输出精度和稳定性比较
• 4.6.1 高解析度实时定时和CPU时间戳定时实现控制脉冲输出的精度比较
• 4.6.2 高解析度实时定时和CPU时间戳定时实现控制脉冲输出稳定性比较
• 4.7 本章小结
• 第5章 多操作机排牙实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验系统与实验步骤
• 5.2.1 实验系统
• 5.2.2 实验步骤
• 5.3 实验指标
• 5.4 牙弓曲线发生器控制实验
• 5.4.1 未考虑前馈控制的牙弓曲线发生器控制实验
• 5.4.2 考虑前馈控制的牙弓曲线发生器控制实验
• 5.5 多操作机排牙实验
• 5.5.1 无全口义齿经历患者的排牙实验
• 5.5.2 多次全口义齿经历患者的排牙实验
• 5.6 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 专利
• 获奖
• 致谢