【正文】 口腔診所也要有一個(gè)技術(shù)室加工義齒，既浪費(fèi)機(jī)器、設(shè)備、材料、效率又低的局面，使義齒加工的質(zhì)量從根本上得到全面的提高，從而提高國(guó)家的整體口腔修復(fù)水平?；趩尾僮鳈C(jī)的直角坐標(biāo)式排牙機(jī)器人實(shí)際上是一套計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、機(jī)器人輔助操作的全口義齒制作系統(tǒng)，從而替代經(jīng)驗(yàn)豐富的牙科醫(yī)生和技師在全口義齒制作中的大部分工作，實(shí)現(xiàn)定量排牙，確保義齒質(zhì)量，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本的目的。在臨床上，傳統(tǒng)的全口義齒的制作方法基本上是靠手工來(lái)完成。在現(xiàn)實(shí)生活中，這樣的醫(yī)生和技師只是鳳毛麟角，這樣的搭配更是少之又少。在目前的機(jī)器人技術(shù)和人工智能等理論基礎(chǔ)上，由機(jī)器人系統(tǒng)完成全口義齒的排牙和制作是完全可行的。采用專家系統(tǒng)軟件將牙科專家和牙科技師的豐富經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)集成起來(lái)，再由機(jī)器人這一高度自動(dòng)化的設(shè)備完成排牙和全口義齒的制作，融合機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及控制等技術(shù)和牙托處理等口腔醫(yī)學(xué)技術(shù)，就組成了一套全口義齒的機(jī)器人制作系統(tǒng)。所以，全口義齒機(jī)器人制作系統(tǒng)的研制具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。本系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅使目前定性的全口義齒修復(fù)理論部分地過(guò)渡到定量理論水平，并將帶動(dòng)口腔修復(fù)學(xué)及相關(guān)基礎(chǔ)理論的定量化研究，還加速了傳統(tǒng)的口腔修復(fù)醫(yī)學(xué)與現(xiàn)代科技的緊密結(jié)合，從而提高口腔修復(fù)醫(yī)學(xué)的整體科學(xué)水平，促進(jìn)學(xué)科的發(fā)展。但是，實(shí)際上，他們個(gè)人之間由于各種原因存在著差異，因而并不是每個(gè)醫(yī)生都能成為專家。特別是利用機(jī)器人來(lái)代替手工排牙，不但可以用比高級(jí)口腔修復(fù)醫(yī)療專家和技術(shù)員更精確的動(dòng)作重復(fù)操作，同時(shí)還能避免專家因疲勞、疾病、情緒、疏忽等原因造成的失誤。因而具有極大地現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。1998年7月美國(guó)Kentucky大學(xué)Wang, ，使用該系統(tǒng)可以測(cè)試義齒與口腔附屬組織之間力的傳遞情況。這種用于產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)和力的傳遞模型的機(jī)器人系統(tǒng)的使用極大的方便了評(píng)價(jià)義齒植入操作的標(biāo)準(zhǔn)化。獲取義齒數(shù)據(jù)后，用CAD重建3D模型，并用CNC磨削技術(shù)制造單科牙。2004年日本的Mitsuhiro Tsuji等利用非接觸式3D激光掃描儀使用斷層掃描技術(shù)直接掃描患者，提取數(shù)據(jù)后使用數(shù)控銑床加工成形義齒，可以減少患者的痛苦和更好的處理數(shù)據(jù)，但是仍然屬于部分牙齒修復(fù)領(lǐng)域。不同的是，通過(guò)采用掃描患者咬在模型上的印痕的方法，而不是直接掃描牙頜模型，獲取數(shù)據(jù)。但是這屬于口腔修復(fù)領(lǐng)域中的義齒固定問(wèn)題。 圖11 CAD/CAM在義齒種植中的應(yīng)用 圖12 可摘除牙頜托架的CAD模型2002年德國(guó)Gottingen大學(xué)的Dankmar Ihlow等人對(duì)牙弓和牙列接觸進(jìn)行了生物力學(xué)的分析，建立了連接鏈模型（如圖3所示）。2006年法國(guó)的Ferenccz等人從理論的角度對(duì)牙弓曲線進(jìn)行了分析和研究。并對(duì)牙齒排列進(jìn)行了規(guī)劃，提出了“三角形近似原理”（如圖4）建立了兩個(gè)假設(shè)：（1）最理想的咬合面中上下頜均是三角形近似的；理想的咬合平面近似為三角形。（2）單科牙齒與單科牙齒之間的連接是兩個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的剛性連接，連接點(diǎn)的連線成為連接鏈；這種方法的最終目的是實(shí)現(xiàn)功能需求和面部美觀的結(jié)合，創(chuàng)造了一種牙齒矯正術(shù)，頜骨手術(shù)等的新方法，將對(duì)全口義齒修復(fù)產(chǎn)生重大影響，但其屬于牙弓的理論研究。 圖13 牙弓曲線的連接鏈與剛性連接點(diǎn)模型圖14 牙弓曲線的三角形近似模型、劉清濱等人對(duì)RP技術(shù)在牙科領(lǐng)域做了詳細(xì)的研究與探討，包括CAD模型的重建、數(shù)據(jù)獲得、處理、通信、RP原理，實(shí)際應(yīng)用與潛在應(yīng)用。但是RP技術(shù)只應(yīng)用在單科義齒領(lǐng)域，沒有對(duì)全口義齒領(lǐng)域進(jìn)行研究。 圖15 輔助定位塊和牙套排牙 圖16 全口義齒排牙機(jī)器人的硬件系統(tǒng)組成國(guó)內(nèi)研究的口腔修復(fù)領(lǐng)域雖然起步晚，但是發(fā)展迅速，特別是在全口義齒排牙的研究方面。首先對(duì)牙齒掃描、對(duì)每顆標(biāo)準(zhǔn)散牙進(jìn)行描述，建立了不同牙的參考坐標(biāo)系等工作。牙套與單科牙是共軛關(guān)系，而輔助定位塊是單獨(dú)的、上面有兩個(gè)定位孔的簡(jiǎn)單長(zhǎng)方體，將牙套固定在定位塊上，即可實(shí)現(xiàn)所有牙位姿的確定。湖北醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院程祥榮等人利用知識(shí)庫(kù)開發(fā)出了一套全口義齒設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助/制作系統(tǒng)。這些工作為實(shí)現(xiàn)全口義齒的機(jī)器人制作提供了醫(yī)學(xué)上的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和理論保證。但是主要研究的是單科牙，而且材料是鈦粉。該系統(tǒng)重點(diǎn)在于附帶了完全類型的人工牙數(shù)據(jù)庫(kù)。2004年哈爾濱理工大學(xué)的張永德教授等提出了基于多操作機(jī)的排牙機(jī)器人思想。多操作機(jī)排牙機(jī)器人有50個(gè)步進(jìn)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)調(diào)整一顆牙的精度，并創(chuàng)造性的通過(guò)牙弓曲線發(fā)生器（如圖7）的方法減少了14個(gè)電機(jī)，具有排牙效果精度高，效率高的優(yōu)點(diǎn)，如圖8所示。雖然可以掃描一排牙，但是只能制造出局限材料的單科牙或連接在一起的部分牙齒，不屬于全口義齒修復(fù)領(lǐng)域。 圖19 ACT對(duì)牙齒模型掃描 圖110 利用4自由度數(shù)控磨加工齒2008年孫宇春、呂培軍等3D斷面掃描儀和激光掃描儀相結(jié)合的方法（如圖11），對(duì)于義齒表面、無(wú)牙頜模型和邊界進(jìn)行聯(lián)合掃描，并建立牙和牙之間的垂直、水平關(guān)系的3D圖像數(shù)據(jù)庫(kù)。然后利用AMT（先進(jìn)制造技術(shù)）和合適的義齒材料制作出有著咬合關(guān)系的鑄牙盒模型，將義齒分別插入到無(wú)牙的鑄牙盒模型中，并澆上蠟，建立全口義齒模型。 圖111 （a）基座的界面曲線（b）基座的光滑表面（c）上牙頜座的褶皺部分（d）頜座的半球形邊界(e)完成的全口義齒模型（f）虛擬鑄牙盒。 本章小結(jié)通過(guò)本章的敘述，傳統(tǒng)的全口義齒的制作方法基本上是靠手工來(lái)完成。而現(xiàn)實(shí)生活中，這樣的醫(yī)生和技師只是鳳毛麟角，這樣的搭配更是少之又少。在目前的機(jī)器人技術(shù)和人工智能等理論基礎(chǔ)上，由機(jī)器人系統(tǒng)完成全品義齒的排牙和制作是完全可行的。這樣的機(jī)器人系統(tǒng)必然會(huì)徹底改變目前口腔學(xué)中全口義齒的制作形式，極大地提高其生產(chǎn)效率及產(chǎn)品的質(zhì)量降低其生產(chǎn)成本。通過(guò)對(duì)本次課題的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人在排牙方面的研究。第2章 排牙機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 排牙方式選擇與總體方案確定 排牙方式選擇對(duì)于全口義齒排列的制作來(lái)說(shuō)，總共有三種方法：（1）快速成型法；（2）單操作機(jī)排牙；（3）多操作機(jī)排牙。對(duì)于快速成型法來(lái)說(shuō)，存在的最主要是缺點(diǎn)是：成本高。對(duì)于單操作機(jī)排牙機(jī)器人存在的缺點(diǎn)是：1. 采用的機(jī)器人不專業(yè)；由于采用6DOF的CRS通用關(guān)節(jié)型機(jī)器人，開環(huán)控制，而且體積比較大，不適合專門排牙；2. 排牙過(guò)程中定位保持會(huì)出現(xiàn)干涉；在光敏樹脂被激光照射固化的時(shí)候，不可避免的將鄰近的一顆甚至是邊緣處幾顆牙的樹脂也固化，這樣在對(duì)輔助排牙塊定位時(shí)會(huì)出現(xiàn)累積誤差；3. 系統(tǒng)復(fù)雜，不適合醫(yī)學(xué)人士使用；全口義齒排牙機(jī)器人包括自主研制的非接觸式掃描儀，激光源，光敏樹脂，CRS機(jī)器人，軟件，機(jī)器人控制柜等，對(duì)于非機(jī)械專業(yè)人士來(lái)說(shuō)不容易掌握；對(duì)于多操作排牙機(jī)器人，存在的主要問(wèn)題是：多電機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作控制難、排牙精度不高等問(wèn)題。雖然單操作機(jī)的排牙效率低，但由于其可控性強(qiáng)，容易維修和使用，成本低，因此本文采用單操作機(jī)排牙的方式。直角坐標(biāo)式排牙機(jī)器人采用上位機(jī)與單片機(jī)共同控制的方式，由上位機(jī)輸入運(yùn)動(dòng)軌跡，單片機(jī)接受到信號(hào)以后控制各個(gè)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)牙齒位姿的確定。圖21機(jī)器人總體系統(tǒng)圖 電機(jī)比較與選擇 各種電機(jī)比較直流電動(dòng)機(jī) 直流電機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能打的裝置，是機(jī)器人平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)。另外，它的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)。到目前為止，直流電機(jī)仍是輸出功率最強(qiáng)勁的電機(jī)，數(shù)十年的研究使的直流電機(jī)變得更快、更強(qiáng)、更高效，優(yōu)質(zhì)的直流電機(jī)效率可達(dá)90%。具有控制方便，體積小等特點(diǎn)，在智能儀表和位置控制中得到了廣泛的應(yīng)用，例如辦公設(shè)備中的打字機(jī)、電傳機(jī)、復(fù)印機(jī)和繪圖儀等的驅(qū)動(dòng)以及數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人。其工作原理是：控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)?；趩纹瑱C(jī)的舵機(jī)控制方法具有簡(jiǎn)單、精度高、成本低、體積小的特點(diǎn)，并可根據(jù)不同的舵機(jī)數(shù)量加以靈活應(yīng)用。舵機(jī)可以在微機(jī)電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡(jiǎn)單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與之接口。手爪選用微型步進(jìn)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)小距離，低功率的抓取。具體參數(shù)如表21所示：表2157BYGH102參數(shù)型號(hào)相數(shù)電壓電流電阻電感靜轉(zhuǎn)矩機(jī)身長(zhǎng)定位轉(zhuǎn)矩出軸長(zhǎng)重量單位VAΩmHmmmmKg57BYGH10224521幾何尺寸參數(shù)和外觀如圖22所示。 圖23 Z向步進(jìn)電機(jī)外觀與幾何尺寸圖繞X、Y、Z軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的舵機(jī)選擇TowerPro公司的MG995舵機(jī)，其具體參數(shù)如表23所示，外觀與幾何尺寸如圖24所示。）()(℃)（181。圖25 手爪電機(jī)外形及幾何尺寸 滑軌與滑塊選擇移動(dòng)方式采用移動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠結(jié)合的方式。目前世界上生產(chǎn)直線導(dǎo)軌的制造生產(chǎn)商，有中國(guó)大陸VAV導(dǎo)軌、臺(tái)灣ABBA直線導(dǎo)軌、臺(tái)灣上銀HIWIN直線導(dǎo)軌等，根據(jù)上述要求，再考慮價(jià)格等因素，決定選用上銀集團(tuán)HIWIN型直線導(dǎo)軌，具體型號(hào)為:EGH15SA其中：EG——低載荷系列代號(hào)，H——滑塊為四方型，15——尺寸系列，S——中負(fù)荷，A——滑塊固定方式為上鎖式。圖26 滑軌長(zhǎng)度的確定該系列中P=60mm，E=20mm，標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為160、2280、3460、6820等。 滑塊采用與該系列導(dǎo)軌配套的通用四方形雙螺栓滑塊。圖27雙螺栓上鎖式滑塊 滾珠絲杠選擇 滾珠絲杠的特點(diǎn)滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。高精度；微進(jìn)給可能；無(wú)側(cè)隙、剛性高；實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給；由于滾珠絲杠的諸多優(yōu)點(diǎn)，目前滾珠絲杠已經(jīng)取代了梯形絲杠占領(lǐng)了市場(chǎng)的95%以上的位置，成為直線運(yùn)動(dòng)的主要選擇。由于導(dǎo)軌選用了上銀HIWIN系列，為了使用和售后的方便，在滿足精度等前提下，選擇臺(tái)灣上銀HIWIN生產(chǎn)的滾珠絲杠，型號(hào)代號(hào)為：轉(zhuǎn)造級(jí)RSVType 。HIWIN轉(zhuǎn)造級(jí)螺桿具有高順暢、長(zhǎng)壽命、低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，用于比較精密的場(chǎng)合。圖28 RSVType 具體參數(shù)參照表24。表25 各向絲杠長(zhǎng)度表絲杠種類X向絲杠Y向絲杠Z向絲杠絲杠長(zhǎng)度(mm)400250100該型號(hào)導(dǎo)軌的導(dǎo)程精度選用C7級(jí)，導(dǎo)程精度定義為：在有效螺紋長(zhǎng)度內(nèi)，任意300mm的累積導(dǎo)程誤差的容許值。保持手爪對(duì)輔助排牙塊的定位與緊固，然后在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)支持下，確定輔助排牙塊的位姿，因此，選擇合適的手爪至關(guān)重要。螺旋桿的兩次的螺旋方向相反，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)螺旋桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上面的手爪將向兩側(cè)平行移動(dòng)。如圖29所示。在總體方案的基礎(chǔ)上，選擇了臺(tái)灣上銀HIWIN生產(chǎn)的直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠，同時(shí)選擇了合適的手爪以實(shí)現(xiàn)對(duì)輔助排牙塊的抓取。輔助排牙塊在模型庫(kù)里面，排牙區(qū)域在另外一側(cè)，機(jī)械手爪在該范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)排牙塊的任意移動(dòng)和姿態(tài)的調(diào)整。圖31 排牙機(jī)器人側(cè)視圖圖32 直角坐標(biāo)式排牙機(jī)器人主視圖直角坐標(biāo)式排牙機(jī)器人的移動(dòng)方式全部采用直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠、滑塊組合的方式。 直角坐標(biāo)式排牙機(jī)器人支架尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)支架是直角坐標(biāo)式排牙機(jī)器人的基本零件，所有的零件都是在它上面定位的。由于X向步進(jìn)電機(jī)的徑向尺寸較大，為57mm57mm，因此，X向直線導(dǎo)軌的位置應(yīng)該比電機(jī)的最底側(cè)高，所以，采用角鋼焊接出距離最高平面長(zhǎng)度為50mm的支架。如圖33所示。因此X支撐板的定位精度非常重要，是精度保證的前提。在圖34中，左側(cè)間距為15mm30mm的M3的4個(gè)螺紋孔，用來(lái)連接X向步進(jìn)電機(jī)連接架，從而實(shí)現(xiàn)X向電機(jī)的定位。Y向滑塊連接架，與Y向的滾珠絲杠上的滑動(dòng)螺母固連在一起，當(dāng)滑動(dòng)螺母移動(dòng)的時(shí)候，Y向滑塊連接架將與X支撐板和Y向滑塊一起移動(dòng)。X支撐板二維結(jié)構(gòu)、三維建模分別如圖3圖35所示。采用的導(dǎo)軌長(zhǎng)度為220mm，因此兩側(cè)分別有5個(gè)螺紋孔，用以連接導(dǎo)軌。 Z向?qū)к壠脚_(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Z向?qū)к壠脚_(tái)二維結(jié)構(gòu)如圖36所示（三維建模如圖37所示），用于連接X向?qū)к壣系膬蓚€(gè)滑塊，設(shè)計(jì)成中間帶凸起的形狀，是為了在空下去的區(qū)域按照Z(yǔ)向步進(jìn)電機(jī)和與X向絲杠螺母的固定塊連接。圖36 Z向?qū)к壠脚_(tái)的二維結(jié)構(gòu)圖37 Z向?qū)к壠脚_(tái)的三維建模兩側(cè)的對(duì)應(yīng)的間距為26mm的孔用來(lái)連接X向滑塊，這樣，Z向?qū)к壠脚_(tái)就可以實(shí)現(xiàn)X向的移動(dòng)。因?yàn)閄向?qū)к壍拈L(zhǎng)度不允許4個(gè)滑塊，因此采用2個(gè)滑塊，這就要求Z向?qū)к壠脚_(tái)的寬度不能超過(guò)1個(gè)滑塊的長(zhǎng)度太多，以免造成受力過(guò)大，發(fā)生變形。在俯視圖上中間直徑為的孔，用于定位Z向步進(jìn)電機(jī)，周圍的孔用于電機(jī)的固定。 RZ平臺(tái)支撐架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)RZ平臺(tái)支撐架的作用是支撐RZ舵機(jī)及相應(yīng)的連接件。如圖38所示。在平臺(tái)的中間地方間距為30mm14mm的螺紋孔，用于連接RZ舵機(jī)連接架。圖38 RZ平臺(tái)支撐架 舵機(jī)支架及U形架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 舵機(jī)支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)舵機(jī)支架作為舵機(jī)專門的連接架，具有通用性。因?yàn)槎鏅C(jī)的重量較輕，體積較小，因此舵機(jī)支架采用鈑金件的制作工藝。中間設(shè)計(jì)有4個(gè)小孔，可以與U形架連接在一起。 圖39 舵機(jī)支架二維結(jié)構(gòu) 圖310 舵機(jī)支架三維建模 U形架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)U形架（如圖31圖312）是專門用于舵機(jī)輸出軸連接的零件。為了保證與舵機(jī)連接的穩(wěn)定性，舵機(jī)的輸出軸設(shè)計(jì)有齒形連接法蘭盤，均布8個(gè)的小孔，用于和U形架的一端實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的連接。如圖311所示。如圖31313所示?！癡”型指端與可以平行移動(dòng)的零件（手指）固定連接，使之可以隨著平行移動(dòng)而張開或夾緊。手指開合螺柱中間為光軸，靠?jī)蓚?cè)軸肩的定位，保持軸向位置不竄動(dòng)。手爪二維結(jié)構(gòu)與三維建模分別如下圖31圖315所示。第4章 關(guān)鍵零件的受力分析與校核 導(dǎo)軌的受力分析與校核本設(shè)計(jì)中選用的是臺(tái)灣上銀HIWIN生產(chǎn)的直線導(dǎo)軌，具體型號(hào)為：EGH15SA。 工作靜載荷計(jì)算直線導(dǎo)軌在靜止時(shí)候受到的載荷過(guò)大時(shí)候，