咬合运动模式和咬合力的并联机器人模拟研究

Researches on teeth articulation are involved into a wealth of branches in stomatology. If articulating process can be precisely emulated in vitro by machines, they may furnish a novel approach to study pathogenic mechanism of occlusal diseases, to design treatment plans, to evaluate treatment effects, and so on. In comparison to its serial counterparts, parallel robots have many advantages, such as good positioning accuracy, small footprint, high stiffness, and quick motion. So, parallel type of robots is adapted to emulate the articulation process. In our research, we shall make a breakthrough on four key techniques: Acquiring biomechanical parameters of articulation process (articulation motion patterns and forces), mechanical design of parallel robot, dynamical analysis and force control of articulating robot as well as accuracy evaluation of robot emulation, and shall authentically reproduce in vitro motion patterns and force characteristics in overall phases of teeth contact between upper and lower jaws. The achievements of our project can provide a precise emulation of articulating process which satisfies needs of both clinic and research works in stomatology.

牙齿咬合是涉及口腔医学诸多分支学科的共性内容，对咬合的研究可以为探索咬合疾病的发生机制、进行治疗设计和评价治疗效果等提供新的手段，本研究利用并联机器人运动精度高、体积小、刚度强、速度快的优点模拟咬合运动过程，突破咬合运动的生物力学参数（咬合运动模式和牙齿咬合力）采集、并联机器人机构设计、机器人咬合动态分析与力控制以及机器人模拟咬合准确度评价4项关键技术，实现上下颌牙齿咬合接触全过程的运动形式和力学特征的体外机器人复现，满足口腔医学临床和科研对精度模拟咬合过程的需求。

牙齿咬合是涉及口腔医学诸多分支学科的共性内容，对咬合研究可以为探索咬合疾病的发生机制、进行治疗设计和评价治疗效果等提供新的手段，传统手段对咬合的体外模拟研究一直存在着对咬合（下颌运动特征和形式以及牙齿受力）模拟不足，对下颌的随意功能运动不能模拟，以及对咬合过程中力的控制不能体现等缺点。本研究从下颌运动的体外仿真、牙齿咬合力量轴向和侧向的全面采集入手，利用并联机器人原理实现具有上下颌牙齿咬合过程的运动模式和咬合力学特征研究，建立了符合口腔医学临床和科研使用的并联机器人三维仿真建模。为研制适合口腔医学临床、科研应用的咬合机器人提供了一定技术储备。本课题按照研究计划书的要求，对18位受试者的下颌运动轨迹进行了采集和分析，为咬合并联机器人的仿真设计对受试者的上下颌模型进行了数字化采集，设计并开发了牙齿可承受力量的探测装置，对测力装置的被测牙齿接触面进行了改进使其避免接触不充分可能导致的力量误差，在此基础通过对下颌运动的分析，并联机器人的机构综合、运动学分析等步骤实现了对咬合机器人的仿真设计，在充分考虑口腔医学临床和科研条件下开发了咬合机器人的咬合运动体外模拟仿真软件，为进一步开发具有咬合运动形式和牙齿受力反馈控制的实体并联咬合机器人进行了有益的探索。