一种用于牙科根管治疗的运动控制与力检测模拟实验装置的制作方法

本发明涉及一种用于牙科根管治疗的运动控制与力检测模拟实验装置，属于牙科根管治疗技术。

背景技术：

现代牙科医学认为良好的根管预备是评价根管治疗充填质量的关键因素，是根管治疗手术成功的基础。根管预备的主要目的是清除根管内坏死残屑及代谢产物，去除根管壁感染的牙本质，使根管成形以利于充填。良好的根管预备要求预备后的根管在形态、锥度及解剖流向上与原根管保持基本一致，形成有利于冲洗和三维充填的形状。

由于受到根管的解剖特点、使用者的操作、根管锉的特性以及根管治疗马达的输出特性的耦合性影响，在根管预备过程中易发生台阶、根管偏移、根尖孔敞开等并发症，难以保证填充质量与根尖封闭性。因此亟需研制一种实验装置，通过对根管治疗手术中根管预备过程的运动模拟，实时测量与采集运动过程中的多维力学信息，实现对上述影响因素的针对性分析与评价。

技术实现要素：

发明目的：为了解决现有技术中无法对影响根管预备质量的因素进行针对性分析与评价这一技术问题，本发明例提供了一种用于牙科根管治疗的运动控制与力检测模拟实验装置，以实现根管预备过程的运动模拟与运动过程中多维力学信息的实时测量与采集。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于牙科根管治疗的运动控制与力检测模拟实验装置，底座、二自由度进给控制装置、根管锉夹持装置、离体牙模型夹持装置、多维力学信息检测装置和二自由度偏移控制装置；以z轴作为水平轴；

所述二自由度进给控制装置包括z轴直线进给电机、l型支架和z轴旋转步进电机；z轴直线进给电机包括缸体i、伸缩轴i和u型支撑架，缸体i固定在底座上，u型支撑架与伸缩轴i固定连接并与伸缩轴i同步直线移动，u型支撑架罩设在缸体i外侧，并以缸体i作为导向相对缸体i直线移动；z轴旋转步进电机包括缸体ii和旋转轴ii，缸体ii固定在l型支架上，l型支架固定在u型支撑架上；所述伸缩轴i的移动平行于z轴，旋转轴ii的中心转轴平行于z轴；

所述根管锉夹持装置包括钻夹、钻夹套筒和根管锉，钻夹套筒与旋转轴ii固定连接并与旋转轴ii同步旋转运动，钻夹与钻夹套筒不定连接并与钻夹套筒同步旋转运动，钻夹夹持住根管锉；根管锉的中心线平行于z轴；

所述离体牙模型夹持装置包括上夹具、下夹具和传感器过渡板，所述上夹具和下夹具均固定在传感器过渡板上，通过上夹具和下夹具夹持住离体牙模型，离体牙模型正面朝向根管锉；

所述多维力学信息检测装置包括移动平台过渡板和力学传感器，力学传感器的固定端安装在移动平台过渡板，传感器过渡板安装在力学传感器的感应端；力学传感器垂直z轴安装并对z轴方向的分力进行测量；

所述二自由度偏移控制装置包括千分尺二维移动平台、支撑板和三角形支撑架，支撑板通过三角支撑架固定在底座上，千分尺二维移动平台的固定端安装在支撑板，移动平台过渡板安装在千分尺二维移动平台的移动端；千分尺二维移动平台垂直z轴安装，通过千分尺二维移动平台调节移动平台过渡板在x轴方向和y轴方向的直线移动。

优选的，所述底座通过螺纹结构与缸体i和三角支撑架固定连接，在底座上设置有缸体i连接孔和三角支撑架连接孔。底座用于固定并支撑二自由度进给控制装置和二自由度偏移控制装置。底座上预留了两组连接孔，可以根据实际离体牙模型的尺寸参数调整二自由度进给控制装置在z轴方向的安装位置。

优选的，所述l型支架的一个连接面上设置有圆形通孔，旋转轴ii穿过圆形通孔后伸出；l型支架的一个连接面上设置有缸体ii连接孔，l型支架的另一个连接面上设置有u型支撑架连接孔，缸体ii放置在l型支架的该另一个连接面上。l型支架用于过渡连接z轴直线进给电机和z轴旋转步进电机，将z轴的直线移动和转动整合在一起。

优选的，所述u型支撑架上设置有连接轴承，连接轴承的外圈与u型支撑架固定，内圈与伸缩轴i固定。

优选的，为了保证离体牙模型能够被有效加持，采用内六角螺钉固定上夹具和下夹具；所述传感器过渡板沿中心轴均匀设置有三个连接孔，力学传感器设置有对应连接孔，传感器过渡板与力学传感器通过螺纹结构以及连接孔和对应连接孔连接。通过力传感器能够实时检测和采集该装置在工作过程中的受力情况。

优选的，采用pc上位机作为控制终端，以pc上位机发送串行指令的方式实现对z轴直线进给电机和z轴旋转步进电机的运动控制。

优选的，采用工业以太网现场总线ethercat技术与pc上位机进行实时数据通信。

优选的，pc上位机包括设备调试模块、运动控制模块、实验操作模块和力学信息采集模块；设备调试模块用于实现设备启停、急停、节点编号配置、端口号与波特率设置，运动控制模块用于实现电机与电缸启停、电机正反转、回零点、电缸往复运动、运动参数设置与保存、运动参数的实时显示、故障代码显示与报警清除；实验操作模块用于实现根管预备各项实验操作的模拟，根据实际预备需求对进给速度、进给转速、进给距离、前进后退距离进行设置；力学信息采集模块用于实现多维力学信息的实时显示与采集，以导出文本文件的形式实现数据的存储。

有益效果：本发明提供的用于牙科根管治疗的运动控制与力检测模拟实验装置，通过更换不同类型的离体牙模型能够针对性地分析不同解剖特点的根管在实际预备过程中的受力情况，通过z轴直线进给电机的直线运动与z轴旋转步进电机的旋转运动能够模拟实际根管预备过程中使用者的实际操作，通过更换不同类型的根管锉能够针对性地分析根管锉的特性对根管预备质量的影响，通过运动参数的设定可以模拟实际根管治疗马达的输出特性，通过多维力学信息检测装置能够实时测量与采集运动过程中根管锉在根管内的力学特性信息，从而实现对影响根管预备质量因素的针对性分析与评价。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明在xoz平面的结构示意图；

图3为底座的结构示意图；

图4为二自由度进给控制装置的结构示意图；

图5为根管锉夹持装置的结构示意图；

图6为离体牙模型夹持装置的结构示意图；

图7为多维力学信息检测装置的结构示意图；

图8为二自由度偏移控制装置的结构示意图；

图9为本发明中控制部分的整体架构图。

图中包括：1-底座，2-二自由度进给控制装置，3-根管锉夹持装置，4-离体牙模型夹持装置，5-多维力学信息检测装置，6-二自由度偏移控制装置；301-缸体i连接孔，302-三角支撑架连接孔；401-z轴直线进给电机，402-l型支架，403-z轴旋转步进电机，501-钻夹套筒，502-钻夹，503-根管锉，601-离体牙模型，602-上夹具，603-下夹具，604-传感器过渡板，701-力传感器，702-移动平台过渡板，801-千分尺二维移动平台，802-支撑板，803-三角形支撑架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示，为一种用于牙科根管治疗的运动控制与力检测模拟实验装置，包括底座1、二自由度进给控制装置2、根管锉夹持装置3、离体牙模型夹持装置4、多维力学信息检测装置5、二自由度偏移控制装置6六部分。

如图3所示，底座1上定制有10个缸体i连接孔301和4个三角支撑架连接孔302。底座1用于固定并支撑二自由度进给控制装置2和二自由度偏移控制装置6。缸体i连接孔301在底座1上等距分布，用于将二自由度进给控制装置2固定在底座1上。三角支撑架连接孔302用于将二自由度偏移控制装置6固定在底座1上。为了在实际使用过程中可以根据离体牙模型601以及根管锉503的实际尺寸调节二自由度进给控制装置2在z轴方向的位置，使电机在较小的行程内即可完成满足实验要求的进给任务，优选将两组(4个)缸体i连接孔301作为备选缸体i连接孔，使二自由度进给控制装置2可在z轴方向具有±30mm的等距调节范围，备选缸体i连接孔的组数可以根据实际使用过程中的调节范围进行设置。

如图4所示，二自由度进给控制装置2主要包括z轴直线进给电机401、l型支架402、z轴旋转步进电机403。z轴直线进给电机401用于完成步进电机旋转运动向终端滑台平移运动的转换，优选采用型号为moons’mla28-040-006-s-0系列的电动滑台。z轴旋转步进电机403优选采用型号为moons’tsm11q-2rm的集成式步进伺服电机。l型支架402的底面安装在z轴直线进给电机401的u型支撑架上，直角端面与z轴旋转步进电机403的安装法兰面相连，将z轴直线进给电机401与z轴旋转步进电机403之间的过渡连接，使z轴旋转步进电机403可以在z轴直线进给电机401的带动下沿z轴做往复直线运动。

如图5所示，根管锉夹持装置3包括钻夹套筒501、钻夹502、根管锉503。钻夹套筒501的底部套接在z轴旋转步进电机403的旋转轴ii上，另一端与钻夹502套接。钻夹502优选采用型号为微型台钻jto/0.3-4mm，用于为根管锉503提供夹紧力。根管锉夹持装置3用于模拟实际根管预备过程中手持仪器的夹紧装置。

在本案中，根管锉夹持装置3与二自由度进给控制装置2以套接的方式固定连接。二自由度进给控制装置2通过z轴直线进给电机401实现沿z轴方向的往复运动，其中z轴的推进运动用于模拟实际根管预备过程中使用者手持仪器的进给操作。通过z轴旋转步进电机403实现根管锉503绕z轴方向的转动，用于模拟实际根管预备过程中根管锉的正反转进给。

如图6所示，离体牙模型夹持装置4包括离体牙模型601、上夹具602、下夹具603和传感器过渡板604。传感器过渡板604与下夹具603固定连接，下夹具603用于支撑离体牙模型601，其上表面定制有螺纹孔，能够与上夹具602通过内六角螺钉配合的方式实现夹紧作用。

如图7所示，多维力学信息检测装置5包括力传感器701和移动平台过渡板702。力传感器701具有两个工作端面(固定端和感应端)，其中感应端与离体牙模型夹持装置4中的传感器过渡板604固定连接，固定端与移动平台过渡板702固定连接。力传感器701优选采用型号为atimini40。在装置运行过程中，利用力传感器701实时反馈根管锉在离体牙模型601根管内的力学特性信息，从而能够针对性地分析影响根管预备质量的因素。

如图8所示，二自由度偏移控制装置6包括千分尺二维移动平台801、支撑板802和两个三角形支撑架803。千分尺二维移动平台801优选采用型号为ly60-cb。该系列二维移动平台通过千分尺手柄微调，能够实现x轴与y轴方向上±6mm范围内的移动。千分尺二维移动平台801的工作端面与多维力学信息检测装置5中的移动平台过渡板702固定连接。支撑板802的一个端面与千分尺二维移动平台801的底面固定连接，起到整体支撑作用。两个三角形支撑架803的两个直角端面均定制有螺纹孔，其中一个直角端面与支撑板802的另一个端面固定连接，另一个直角端面经二自由度偏移控制装置安装孔302与底座1固定连接，起到辅助支撑作用。

在本案中，沿z轴轴向顺序分别有二自由度偏移控制装置6、多维力学信息检测装置5、离体牙模型夹持装置4。其中离体牙模型夹持装置4与多维力学信息检测装置5固定连接安装于二自由度偏移控制装置6上，通过二自由度偏移控制装置6中千分尺二维移动平台801的调节，能够实现离体牙模型601在x轴、y轴方向上的水平移动，在根管锉503与离体牙模型601相配合时能够实现中心校准，同时能够模拟实际根管预备过程中使用者手持仪器的位置偏差量。

如图9所示，pc上位机能够实现二自由度进给控制装置2中的z轴直线进给电缸401与z轴旋转步进电机403的运动控制并完成与多维力学信息检测装置5中的力传感器701之间的数据交互。pc上位机主要包括设备调试模块、运动控制模块、实验操作模块和力学信息采集模块。设备调试模块能够实现设备启停、急停、节点编号配置、端口号与波特率设置功能，运动控制模块能够实现电机与电缸启停、电机正反转、回零点、电缸往复运动、运动参数设置与保存、运动参数的实时显示、故障代码显示与报警清除功能。实验操作模块能够实现根管预备各项实验操作的模拟，可根据实际需求对进给速度、进给转速、进给距离、前进后退距离进行设置。力学信息采集模块能够实现x轴、y轴、z轴各轴力与力矩信息的实时显示与采集，以导出文本文件的形式实现数据的存储。pc上位机通过向电机驱动器发送moons’scl运动控制指令的方式实现对z轴直线进给电缸401与z轴旋转步进电机403的运动控制。pc上位机与电机驱动器之间采用rs485总线的方式，优选采用卓兰zlan5103串口服务器作为物理通信传输媒介，通过以太网转rs485的方式，将pc机的以太网口设置为虚拟串口与驱动器的串行接口相连以实现运动控制指令的传输。力传感器701采用工业以太网现场总线ethercat技术与pc上位机进行实时数据传输与采集。

本案中，z轴直线进给电缸401、z轴旋转步进电机403、力传感器701均采用24v1a线性直流稳压电源供电。

本案中，通过更换不同类型的离体牙模型601能够针对性地分析不同解剖特点的根管在实际预备过程中的受力情况，通过二自由度进给控制装置2能够模拟实际根管预备过程中使用者的实际操作，通过更换不同类型的根管锉503能够针对性地分析根管锉的特性对根管预备质量的影响，通过pc上位机对z轴直线进给电缸401与z轴旋转步进电机403运动参数的设定可以模拟实际根管治疗马达的输出特性，通过多维力学信息检测装置5能够实时测量与采集运动过程中根管锉在根管内的力学特性信息。

在实际分析与评价影响根管预备质量的因素时，仅需改变一种影响因素，保持其他影响因素不变，通过多维力学信息检测装置5实时采集根管锉在根管内的力学特性信息，并在pc上位机中以文本文件的形式保存数据，通过绘制曲线图，以图像展示的方式进行直观地分析，最后采用横向对比的方法进行综合分析与评价。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。