机器人正畸弓丝弯制回弹机理及耦合动力学建模研究

Fixed appliance technology is the most common and effective malocclusion orthodontic treatment method, and the key step of fixed appliance technology is the bending of orthodontic archwire. Because of archwire hyperelasticity, shape complexity of formed archwire and the uncertainty of manual operation, it is difficult to realize the personalized archwire bending..In this project, a robot is used to bend orthodontic archwire. Precise position and posture control ability and stiffness bolding ability of robot is used to overcome the archwire hyperelasticity. Springback mechanism of different material orthodontic archwire is revealed using the springback principle of minimum potential energy. The optimal theoretical model between the position and angel of bending point and the formed precision of orthodontic archwire is deduced using the finite point extension method. High accuracy point-to-point motion planning strategy for the bending of orthodontic archwire is studied using a third-order profile planning method. Rigid-flexible coupling dynamics of robot and orthodontic archwire is studied. Orthodontic wires bending robot is designed and developed based on TRIZ theory, and the robotic orthodontic wires bending experimental system is established, and simulation and experimental study is executed.This project is expected to give theoretical development and practical application to improve the bending accuracy and efficiency of personalized archwire and promote the development of orthodontics.

固定矫治技术是目前常见且有效的错颌畸形治疗方法，其中正畸弓丝的弯制是固定矫治技术的关键部分。由于弓丝的超弹性、成形弓丝的形状复杂性和手工操作的不确定性，难以实现快速、精确的个性化正畸弓丝的弯制。.本项目提出采用机器人实现正畸弓丝弯制，利用机器人的位姿精确控制能力和刚性保持能力克服弓丝的超弹性实现弓丝弯制。利用回弹最小势能原理揭示不同材料正畸弓丝弯制回弹机理；提出有限点展成法建立成形弓丝弯制点关键参数优化理论模型；采用三阶轨迹规划研究机器人正畸弓丝弯制点对点的精密运动规划方法；利用Hamilton原理和Newton-Euler法建立机器人-弓丝的耦合动力学模型；完成正畸弓丝弯制机器人的设计和研制，搭建机器人弓丝弯制实验系统，开展仿真和实验研究。本项目对于提高个性化正畸弓丝弯制的精度、效率，推动口腔正畸医学的发展，具有重要理论意义和实际应用价值。

随着我国社会的发展和人民生活水平的不断提高，人们越来越注重口腔健康的问题；健康、整齐的牙齿不仅能给人以良好的第一印象，更能提高咀嚼功能、保护口腔健康。目前矫正弓丝的弯制是基于医生手工操作的，该过程不仅效率低，而且劳动强度大；医生需要边弯制弓丝边与口腔模型相比对，不断调整弯曲角度使其成形。本项目提出在对弓丝成形规划进行分析的基础上，采用机器人进行弓丝弯制加工，利用机器人的位姿精确控制能力克服手工弯制弓丝的缺点，提高正畸弓丝的弯制精度和效率。.为了保证弓丝弯制机器人的精确运动，降低运动过程中的冲击和残余振动，提出分段自调整加减速分配方案。首先，基于弓丝弯制机器人运动平台的物理参数构建了三阶纯S加减速曲线；其次，以此加减速过程所确定的运动距离为标准，当弓丝弯制机器人的运动距离大于该标准时，提出采用5段S加减速曲线的加减速规划方法；再次，当弓丝弯制机器人的运动距离小于该标准时，提出采用修正的S加减速曲线规划方法。通过仿真研究，验证了提出的加减速方法的平稳性和柔顺性。.建立了标准正畸弓丝数学模型和带外展弯的目标正畸弓丝数学模型，在此模型的基础上，提出增量法和有限点展成法对机器人弯制弓丝成形过程中的控制节点位置和数目进行了规划；分别将两种规划方法所得到的控制节点拟合成曲线，与理想目标弓丝曲线进行了误差对比分析；在规划出的控制节点位置和数目的基础上采用斜率法对各控制节点处需要弯制的角度进行了计算。.针对弓丝弯制属于大曲率弯曲变形的特点，从考虑弯曲过程中中性层内移和弯曲力臂影响的角度出发，以弓丝拉伸试验所得材料本构模型为基础，分别建立了方形截面弓丝和圆形截面弓丝的弯曲回弹理论计算公式。回弹角随弯曲角的增大而增大；在小角度弯曲度时回弹角占总弯曲角的比例较大；在大角度弯曲时，回弹角占总弯曲角的比例较小。在进行了正畸弓丝弯曲回弹实验，得到了不同弯曲角度下的回弹角度和成形角度。.设计了弓丝弯制机器人的总体机构、弯曲模具机构和弓丝支撑机构，并对关键零部件进行了有限元强度分析。针对一例患者的口腔参数，采用有限点展成法规划出了控制节点信息，采用斜率法规划出了节点处的弯曲角度信息，并采用弯曲回弹理论计算模型计算所得回弹角度对弯曲角度进行了修正；在此基础上以弓丝弯制机器人实验平台开展了方形不锈钢弓丝与澳丝弯制实验；对所得实验结果进行了测量并与理想成形弓丝进行了对比分析。