直角坐标式排牙机器人设计与运动仿真

论文摘要

排牙机器人是机器人技术在全口义齿修复领域的一次成功应用。随着我国社会老龄化的加速发展,需要研究一种可以量产并能够迅速投入使用的排牙机器人。目前的排牙机器人只停留在研究阶段,因此,研究一种低成本、重量轻的小型排牙机器人不仅能够满足社会广大无牙颌患者的需要,同时对于推动排牙理论的发展也具有重要的意义。本课题所研究的直角坐标式排牙机器人是用于口腔修复领域全口义齿修复的专用机器人,以推广普及为目的,提高全口义齿的制作精度,减小口腔医生的劳动量并实现自动化。本课题根据小型化、便携式排牙机器人的要求,首先基于TRIZ理论对直角坐标式排牙机器人做了功能分析,得出TRIZ理论在排牙机器人设计中的求解过程,并应用矛盾冲突矩阵和物质-场理论解决了设计中的技术冲突。在此基础上,根据模块化思想,设计了机器人的总体方案,并对机器人的移动关节和旋转关节做了具体的结构设计。同时,设计了针式单牙套来解决义齿不好抓取的问题,并设计了机器人手抓。其次,利用Pro/E建立了直角坐标式排牙机器人的虚拟样机,借助接口软件Mech/Pro 2005导入ADAMS的AView模块,采用位移驱动的方式对机器人进行运动学仿真,测算出手抓与针式单牙套的接触力。然后,利用ANSYS/Workbench对机器人进行了整体静力学分析,并利用ANSYS分析了手抓在受力情况下的变形情况。最后,借助Matlab中的SimMechanics工具箱分析了机器人的实际工作空间,并采用D-H法建立机器人的坐标系,求出广义坐标系下的末端位姿变换矩阵,推算出机器人运动学的正逆解,利用微分法对仿真结果进行了误差分析和计算,分析了误差产生的原因并给出减小误差的方法。通过对直角坐标式排牙机器人的虚拟样机建模、运动学仿真、机器人总体静力学分析和局部的静力学分析,以及工作空间分析和仿真误差计算,证明了采用TRIZ理论在排牙机器人的总体设计和结构设计的可行性和合理性,为下一步建立实际样机和实验奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的及研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.3.3 研究现状比较
• 1.4 课题来源与研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 基于TRIZ 理论的直角坐标式排牙机器人系统方案及结构设计
• 2.1 TRIZ 理论概述
• 2.1.1 TRIZ 理论的产生和发展
• 2.1.2 TRIZ 理论的定义及思考工具
• 2.2 直角坐标式排牙机器人系统方案的确定
• 2.2.1 TRIZ 理论解决排牙机器人结构设计问题的过程
• 2.2.2 排牙机器人系统功能分析
• 2.2.3 排牙机器人总体方案确定
• 2.3 TRIZ 理论在具体结构设计中的应用
• 2.3.1 旋转关节组合模块设计
• 2.3.2 义齿抓取模块结构设计
• 2.3.3 义齿位姿保持模块结构设计
• 2.4 直角坐标式排牙机器人虚拟样机建立
• 2.5 本章小结
• 第3章 直角坐标式排牙机器人虚拟样机的有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 ANSYS/Workbench 概述
• 3.3 机器人结构静力学分析
• 3.3.1 机器人整体静力学分析
• 3.3.2 舵机连接架的静力学分析
• 3.3.3 机器人执行端的有限元分析
• 3.4 小结
• 第4章 直角坐标式排牙机器人的运动学与空间分析
• 4.1 引言
• 4.2 直角坐标式排牙机器人运动学分析
• 4.2.1 机器人运动学方程
• 4.2.2 机器人运动学逆问题
• 4.3 机器人运动空间分析
• 4.3.1 机器人工作空间计算方法
• 4.3.2 SimMechanics 仿真模型的建立
• 4.4 本章小结
• 第5章 直角坐标式排牙机器人虚拟样机的运动仿真
• 5.1 仿真平台ADAMS 概述
• 5.2 直角坐标式排牙机器人运动仿真分析
• 5.2.1 虚拟样机模型导入
• 5.2.2 约束与驱动添加
• 5.2.3 接触参数设置
• 5.2.4 仿真结果后处理
• 5.3 本章小结
• 第6章 直角坐标式排牙机器人仿真误差分析
• 6.1 引言
• 6.2 静态位姿误差来源
• 6.3 静态位姿误差分析
• 6.3.1 末端执行器位姿描述
• 6.3.2 静态位姿误差计算方法
• 6.3.3 直角坐标式排牙机器人位姿误差计算
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢