一种球形正畸弓丝弯制机器人及使用方法与流程

本发明属于口腔正畸治疗设备领域，特别是一种涉及一种球形正畸弓丝弯制机器人及使用方法。

背景技术：

错颌畸形是一种牙齿排列不齐、上下牙弓间的牙颌关系异常、颌骨大小形态位置异常等症状的口腔疾病，严重危害人类的身心健康。佩戴矫正弓丝是错颌畸形最为常见和有效的治疗方法。弯制成形的正畸弓丝通过对粘结在牙齿上的托槽施加正畸力，使牙齿移动达到矫正的作用，其中正畸弓丝精准的弯制成形是矫正治疗的关键。正畸专科医师往往需要较长时间的弓丝弯制训练，才能达到高标准正畸治疗水平。因此，设计一种用于正畸弓丝弯制的机器人是很有必要的。对于正畸弓丝弯制机器人已有部分公开的专利，但目前设计的装置仍然存在着尚未解决的问题。

例如，发明专利授权公告号为cn103892929b以及实用新型专利授权公告号为cn203898469u所述的口腔正畸弓丝弯制机器人均采用直角坐标式运动方式，主要是以直角坐标三个方向的移动为基础，增加部分自由度补充完成相应的弯丝操作，进而完成整个正畸弓丝弯制机器人运动方案的设计，但在实际弯制过程中，由于已成形部分具有一定的空间结构，使得送丝旋转过程中会占据较大的空间范围，使得正畸弓丝弯制机器人容易发生干涉现象，阻碍弯制过程，另外，上述两种直角坐标式正畸弓丝弯制机器人的所采用的弯曲模具无法夹紧正畸弓丝，因此，正畸弓丝弯制机器人在弯曲过程中，使得弯曲模具夹头处与正畸弓丝之间存在弯制间隙，弯制间隙会导致正畸弓丝变形处出现滑移翘曲的现象，进而降低了正畸弓丝弯制机器人弯制正畸弓丝的质量，使得正畸弓丝弯制机器人无法弯制得到理想的正畸弓丝。由于直角坐标式正畸弓丝弯制机器人的结构限制，使得在弯制过程中容易干涉现象和滑移翘曲的现象，导致直角坐标式正畸弓丝弯制机器人只能弯制第一序列曲和个别第二序列曲，其无法满足医生和患者对所有第二序列曲的弯制要求。

同样的，实用新型专利授权公告号为cn204562423u的直角坐标型正畸弓丝弯制机器人虽然能够通过改变正畸弓丝弯制角度曲率半径，实现对t形曲的弯制，但直角坐标式与绕弯弯制相结合的正畸弓丝弯制机器人仍然无法避免直角坐标式结构的局限性，使得正畸弓丝弯制机器人无法超越人手弯制，无法突破正畸弓丝弯制机器人的关键技术难题。

类似的专利还有授权公告号为cn205324558u的一种用于正畸弓丝弯制机器人的弯制装置，该专利通过电机的正反转实现了对正畸弓丝的夹紧和进给，但该弯制装置结构复杂，且只能实现正畸弓丝的夹紧和松开，无法弯制复杂的序列曲，该专利相比上述两种直角坐标式的正畸弓丝弯制机器人功能有限，应用范围较小。

综合分析已有的正畸弓丝弯制机器人仅能实现第一序列弓形的弯制和少数简单第二序列曲的弯制，而牙科弯丝技师根据多年临床经验可以灵巧弯制诸如欧米茄曲、t型曲、泪滴曲、匣形曲等具有特殊形状的弓丝用于临床治疗，另外，牙科弯丝技师可以根据不同患者的实际情况，弯制个性化的正畸弓丝，个性化的正畸弓丝需要包含一种或多种第二、第三序列的特殊功能曲，结构复杂程度不同、包含第二、第三序列曲的种类和数目多样，而且在弯制个性化的正畸弓丝时，弯丝空间狭小，使得正畸弓丝机器人在弯制过程中容易产生干涉问题，因此，制约了正畸弓丝机器人技术的发展。另外，在实际弓丝弯制过程中，直角坐标式正畸弓丝弯制机器人的所采用的弯曲模具无法夹紧正畸弓丝使得弯制过程中，产生弯制间隙，导致了滑移翘曲现象的发生，此类弯制方式也导致已弯制的正畸弓丝处于悬臂梁状态，影响了正畸弓丝弯制机器人的弯制精度，通过对比上述已有的直角坐标式的正畸弓丝机器人，设计了一种球形正畸弓丝弯制机器人。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种球形正畸弓丝弯制机器人及使用方法。

本发明的一种球形正畸弓丝弯制机器人，它包括底座支架、送丝机构、角度调整机构、弓丝夹紧机构和弯丝机械臂，送丝机构通过螺栓连接在底座支架的左侧的外部，角度调整机构通过螺栓固定在底座支架的左侧的内部，弓丝夹紧机构固连在角度调整机构的顶部，弯丝机械臂位于底座支架的左右两侧的中间部分，并且通过轴承连接在底座支架上。

作为优选，所述的送丝机构包括送丝机构机架、送丝电机、主动压辊、被动压辊和送丝外壳，送丝外壳通过螺栓固连在送丝机构机架上，送丝电机通过螺栓固连在送丝机架上，主动压辊与送丝电机通过轴固定连接，被动压辊通过轴连接在送丝机构机架，送丝电机与主动压辊通过联轴器固定连接，送丝电机旋转带动主动压辊旋转，从而带动被动压辊转动，靠主动压辊和被动压辊之间的摩擦力将弓丝送入角度调整机构内。

作为优选，所述的角度调整机构包括角度调整平台i、角度调整平台ii、角度调整平台iii、角度平台ii直线电机、角度平台iii直线电机，角度调整平台i的正面有四个凹球关节，并且四个凹球关节分别与四个角度平台ii直线电机的左端凸球关节配合连接，角度调整平台ii的反面有四个凹球关节，并且四个凹球关节分别与四个角度平台ii直线电机的右端凸球关节配合连接，以此构成i级并联平台，角度调整平台ii的正面有四个凹球关节，并且四个凹球关节分别与四个角度平台iii直线电机的左端凸球关节配合连接，角度调整平台iii的反面有四个凹球关节，并且四个凹球关节分别与四个角度平台iii直线电机的右端凸球关节配合连接，以此构成ii级并联平台，因此角度调整平台i、角度平台ii直线电机、角度调整平台ii、角度平台iii直线电机、和角度调整平台iii构成了两个并联机构串联在一起的角度调整机构，角度调整机构将送丝机构送来的弓丝进行位置和姿态的调整，从而避免在弓丝弯制中自身的干涉。

作为优选，所述的弓丝夹紧机构包括夹紧头外壳、分离式夹头、电磁铁内圈、电磁铁外圈、电磁铁底座和柔性软管，在角度调整平台iii的末端固定连接夹紧头外壳，电磁铁底座、电磁铁外圈、分离式夹头和夹紧头外壳它们在同一条轴线上，电磁铁外圈固连在电磁铁底座上，电磁铁内圈嵌在电磁铁外圈的内部，电磁铁内圈与分离式夹头的端部接触但不挤压，夹紧头外壳和分离式夹头相互接触但不挤压，当电磁铁外圈通电后，在磁力的作用下，电磁铁内圈被推向夹紧头外壳方向运动，由力的传递作用，分离式夹头被电磁铁内圈推向夹紧头外壳方向，又由于夹紧头外壳与分离式夹头的锥面相互接触，从而分离式夹头夹紧，柔性软管的一端固定连接到电磁铁底座，另一端固定连接到送丝机构支架，并且起到保护和支撑弓丝的作用。

作为优选，所述的弯丝机械臂包括球形外壳、弧形导轨、弧形滑块、大臂、小臂、关节旋转舵机弓丝机械手、弯丝钳旋转电机、弯丝钳旋转主动齿轮、弯丝钳旋转被动齿轮、弯丝钳旋转外壳、弯丝钳夹紧电机、弯丝钳夹紧凸轮、活动钳柄、固定钳柄、球形外壳被动齿轮、球形外壳主动齿轮、球形外壳旋转电机，球形外壳旋转电机带动球形外壳被动齿轮，球形外壳被动齿轮与球形外壳主动齿轮相啮合，球形外壳主动齿轮与球形外壳通过焊接方式固定连接，从而使得球形外壳可沿轴向旋转，弧形导轨沿球形外壳的内表面的经线方向固定，弧形滑块与弧形导轨配合滑动，弧形滑块与大臂通过焊接方式固定，小臂与大臂可沿轴向滑动，小臂的末端与弓丝机械手相连接，通过关节旋转电机控制弓丝机械手相对小臂完成转动，弯丝钳转动电机带动弯丝钳旋转主动齿轮、弯丝钳旋转主动齿轮与弯丝钳旋转被动齿轮啮合，从而带动弯丝钳旋转外壳沿其轴向转动，实现了活动钳柄与固定钳柄的旋转弯丝运动，弯丝钳夹紧电机带动弯丝钳夹紧凸轮，钳夹紧凸轮不同的旋转半径所产生的位移带动了活动钳柄运动，从而实现弓丝的夹紧。

本发明的有益效果为：

1、本发明的正畸弓丝弯制机器人采用的是球坐标和并联机构相结合的方式，其中送丝机构与角度调整机构是由并联机构组成，使得弓丝机器人在满足刚度需求情况下能够运动灵活，弯丝机械臂是由球坐标系构成，相比于直角坐标系，运动更加灵活且能够有效的避免干涉问题的发生。

2、本发明的送丝机构是由送丝电机带动主动压辊从而带动被动压辊，最后将弓丝送入到角度调节机构，其中有柔性软管作为导管和支撑将弓丝导入到弓丝夹紧机构，由夹紧电磁铁的内圈与外圈的配合，可实现对弓丝的快速夹紧。

3、本发明的角度调整机构的角度调节部分是由两个并联机构串联起来，不但响应迅速、调整灵活，而且满足了一定的机构刚性。

4、本发明的弯丝机械臂采用球坐标系的方式，将机械臂主体远离弓丝中心，避免与弯制成型的弓丝发生干涉。

5、本发明的弯丝机械手的夹紧方式是利用了凸轮不同的旋转半径所产生的位移，能使其快速夹紧并自锁，从而带动活动钳柄运动，实现了活动钳柄与固定钳柄的夹紧。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的整体结构透视图；

图3是本发明的送丝机构示意图；

图4是本发明的调整机构示意图；

图5是本发明的弓丝夹紧机构爆炸示意图；

图6是本发明的弯丝机械臂外观示意图；

图7是本发明的弯丝机械臂剖视图；

图8是本发明的弯丝机械臂内部示意图；

图9是本发明的弯丝机械手爆炸示意图。

图中：1、底座支架；2、送丝机构；2-1、送丝机构机架；2-2、送丝电机；2-3、主动压辊；2-4、被动压辊；2-5、送丝外壳；3、角度调整机构；3-1、角度调整平台i；3-2、角度调整平台ii；3-3、角度调整平台iii；3-4、角度平台ii直线电机；3-5、角度平台iii直线电机；4-1、夹紧头外壳；4-2、分离式夹头；4-3、电磁铁内圈；4-4、电磁铁外圈；4-5、电磁铁底座；4-6、柔性软管；5、弯丝机械臂；5-1、球形外壳；5-2、弧形导轨；5-3、弧形滑块；5-4、大臂；5-5、小臂；5-6、关节旋转舵机；5-7、弓丝机械手；5-8、弯丝钳旋转电机；5-9、弯丝钳旋转主动齿轮；5-10、弯丝钳旋转被动齿轮；5-11、弯丝钳旋转外壳；5-12、弯丝钳夹紧电机；5-13、弯丝钳夹紧凸轮；5-14、活动钳柄；5-15、固定钳柄；5-16、球形外壳被动齿轮；5-17、球形外壳主动齿轮；5-18、球形外壳旋转电机。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，本具体实施方式采用以下技术方案：

一种球形正畸弓丝弯制机器人及使用方法，它包括底座支架1、送丝机构2、角度调整机构3、弓丝夹紧机构4和弯丝机械臂5，所述的送丝机构2通过螺栓连接在底座支架1的左侧的外部，角度调整机构3通过螺栓固定在底座支架1的左侧的内部，弓丝夹紧机构4固连在角度调整机构3的顶部，弯丝机械臂5位于底座支架1的左右两侧的中间部分，并且通过轴承连接在底座支架1上。

进一步的，所述的送丝机构2包括送丝机构机架2-1、送丝电机2-2、主动压辊2-3、被动压辊2-4和送丝外壳2-5，送丝外壳2-5通过螺栓固连在送丝机构机架2-1上，送丝电机2-2通过螺栓固连在送丝机架2-1上，主动压辊2-3与送丝电机2-2通过轴固定连接，被动压辊2-4通过轴连接在送丝机构机架2-1，送丝电机2-2与主动压辊2-3通过联轴器固定连接，送丝电机2-2旋转带动主动压辊2-3旋转，从而带动被动压辊2-4转动，靠主动压辊2-3和被动压辊2-4之间的摩擦力将弓丝送入角度调整机构3内。

进一步的，所述的角度调整机构3包括角度调整平台i3-1、角度调整平台ii3-2、角度调整平台iii3-3、角度平台ii直线电机3-4、角度平台iii直线电机3-5，角度调整平台i3-1的正面有四个凹球关节，并且四个凹球关节分别与四个角度平台ii直线电机3-4的左端凸球关节配合连接，角度调整平台ii3-2的反面有四个凹球关节，并且四个凹球关节分别与四个角度平台ii直线电机3-4的右端凸球关节配合连接，以此构成i级并联平台，角度调整平台ii3-2的正面有四个凹球关节，并且四个凹球关节分别与四个角度平台iii直线电机3-5的左端凸球关节配合连接，角度调整平台iii3-3的反面有四个凹球关节，并且四个凹球关节分别与四个角度平台iii直线电机3-5的右端凸球关节配合连接，以此构成ii级并联平台，因此角度调整平台i3-1、角度平台ii直线电机3-4、角度调整平台ii3-2、角度平台iii直线电机3-5、和角度调整平台iii3-3构成了两个并联机构串联在一起的角度调整机构3，角度调整机构3将送丝机构2送来的弓丝进行位置和姿态的调整，从而避免在弓丝弯制中自身的干涉。

进一步的，所述的弓丝夹紧机构4包括夹紧头外壳4-1、分离式夹头4-2、电磁铁内圈4-3、电磁铁外圈4-4、电磁铁底座4-5和柔性软管4-6，在角度调整平台iii3-3的末端固定连接夹紧头外壳4-1，电磁铁底座4-5、电磁铁外圈4-4、分离式夹头4-2和夹紧头外壳4-1它们在同一条轴线上，电磁铁外圈4-4固连在电磁铁底座4-5上，电磁铁内圈4-3嵌在电磁铁外圈4-4的内部，电磁铁内圈4-3与分离式夹头4-2的端部接触但不挤压，夹紧头外壳4-1和分离式夹头4-2相互接触但不挤压，当电磁铁外圈4-4通电后，在磁力的作用下，电磁铁内圈4-3被推向夹紧头外壳4-1方向运动，由力的传递作用，分离式夹头4-2被电磁铁内圈4-3推向夹紧头外壳4-1方向，又由于夹紧头外壳4-1与分离式夹头4-2的锥面相互接触，从而分离式夹头4-2夹紧，柔性软管4-6的一端固定连接到电磁铁底座4-5，另一端固定连接到送丝机构支架2-1，并且起到保护和支撑弓丝的作用。

进一步的，所述的弯丝机械臂5包括球形外壳5-1、弧形导轨5-2、弧形滑块5-3、大臂5-4、小臂5-5、关节旋转舵机5-6、弓丝机械手5-7、弯丝钳旋转电机5-8、弯丝钳旋转主动齿轮5-9、弯丝钳旋转被动齿轮5-10、弯丝钳旋转外壳5-11、弯丝钳夹紧电机5-12、弯丝钳夹紧凸轮5-13、活动钳柄5-14、固定钳柄5-15、球形外壳被动齿轮5-16、球形外壳主动齿轮5-17、球形外壳旋转电机5-18，球形外壳旋转电机5-18带动球形外壳被动齿轮5-16，球形外壳被动齿轮5-16与球形外壳主动齿轮5-17相啮合，球形外壳主动齿轮5-17与球形外壳5-1通过焊接方式固定连接，从而使得球形外壳5-1可沿轴向旋转，弧形导轨5-2沿球形外壳5-1的内表面的经线方向固定，弧形滑块5-3与弧形导轨5-2配合滑动，弧形滑块5-3与大臂5-4通过焊接方式固定，小臂5-5与大臂5-4可沿轴向滑动，小臂5-5的末端与弓丝机械手5-7相连接，通过关节旋转电机5-6控制弓丝机械手5-7相对小臂5-4完成转动，弯丝钳转动电机5-8带动弯丝钳旋转主动齿轮5-9、弯丝钳旋转主动齿轮5-9与弯丝钳旋转被动齿轮5-10啮合，从而带动弯丝钳旋转外壳5-11沿其轴向转动，实现了活动钳柄5-14与固定钳柄5-15的旋转弯丝运动，弯丝钳夹紧电机5-12带动弯丝钳夹紧凸轮5-13，弯丝钳夹紧凸轮5-13不同的旋转半径所产生的位移带动了活动钳柄5-14运动，从而实现弯丝钳的夹紧。

实施例2：球形正畸弓丝弯制机器人的初始上电位置；

根据实施例1中所述的装置，当球形正畸弓丝弯制机器人处于初始上电状态时，角度调整平台i3-1、角度调整平台ii3-2、和角度调整平台iii3-3互相平行并垂直于水平线，角度平台ii直线电机3-4、角度平台iii直线电机3-5处于收缩状态；在角度调整平台iii3-3的末端的夹紧头外壳4-1、分离式夹头4-2相互接触但不压紧，电磁铁内圈4-3与分离式夹头4-2相互接触但不压紧，电磁铁外圈4-5处于断电状态，夹紧头外壳4-1与分离式夹头4-2的锥面相互接触但不压紧，此时处于放松状态；弧形导轨5-2处于垂直于水平面的正上方的位置，弧形滑块5-3处于弧形导轨5-3的中心位置，小臂5-5位于大臂5-4中，没有伸出，在小臂5-5的末端的弓丝机械手5-7垂直于水平面，弯丝钳夹紧凸轮5-13处于旋转半径最大位置，活动钳柄5-14相对固定钳柄5-15张开。

实施例3：球形正畸弓丝弯制机器人完成弯丝任务的具体实施方式；

根据实施例1中所述的装置，当弯丝医师需要正畸弓丝弯制的时候，将弓丝从送丝外壳2-5后送入到主动压辊2-3和被动压辊2-4之间压紧，送丝电机2-2驱动主动压辊2-3带动被动压辊2-4，从而将弓丝送入柔性软管4-6并达到夹紧头外壳4-1；当电磁铁外圈4-4上电后，电磁铁内圈4-3向夹紧头外壳4-1方向运动，从而将分离式夹头4-2推向夹紧头外壳4-1，又由于夹紧头外壳4-1与分离式夹头4-2的锥面相互接触挤压配合，从而使得分离式夹头4-2被夹紧，其中，柔性软管4-6起到保护和支撑弓丝的作用；球形外壳旋转电机5-18带动球形外壳主动齿轮5-16，球形外壳主动齿轮5-16与球形外壳被动齿轮5-17相啮合，球形外壳被动齿轮5-17与球形外壳5-1通过焊接方式固定连接，从而使得球形外壳5-1可沿轴向旋转，弧形导轨5-2沿球形外壳5-1的内表面的经线方向固定，弧形滑块5-3与弧形导轨5-2配合滑动，在弧形滑块5-3上通过焊接方式固定大臂5-4，小臂5-5与大臂5-4沿轴球形外壳5-1的半径方向滑动，在小臂5-5的末端与弓丝机械手5-7相连接并可通过关节旋转电机5-6控制弓丝机械手5-7相对小臂5-4完成转动，通过一定的调整，弯丝机械臂5处于弯丝位置；弯丝钳夹紧电机5-12带动弯丝钳夹紧凸轮5-13，弯丝钳夹紧凸轮5-13旋转到最小半径带动活动钳柄5-14相对固定钳柄5-15夹紧，弯丝钳转动电机5-8带动弯丝钳旋转主动齿轮5-9、与弯丝钳旋转被动齿轮5-10啮合，从而带动弯丝钳旋转外壳5-11沿其轴向转动，实现了活动钳柄5-14与固定钳柄5-15的旋转弯丝运动。

实施例4：球形正畸弓丝弯制机器人弯制过程中对弓丝的调整的具体实施方式；

根据实施例1中所述的装置，当弯丝机械臂5完成一次对弓丝的弯制后，需要对弓丝夹紧位置以及角度进行一次调整，此时弯丝钳夹紧电机5-12带动弯丝钳夹紧凸轮5-13，弯丝钳夹紧凸轮5-13旋转到半径最大位置带动活动钳柄5-14相对固定钳柄5-15松开，小臂5-5相对大臂5-4缩回；电磁铁外圈4-4断电，分离式夹头4-2被放松，从而弓丝被松开；送丝电机2-2带动主动压辊2-3从而带动被动压辊2-4将弓丝再送入一定距离；电磁铁外圈4-4上电，弓丝被夹紧；通过对角度平台ii直线电机3-4、角度平台iii直线电机3-5伸出的距离组合，调整了角度调整平台i3-1、角度调整平台ii3-2、和角度调整平台iii3-3的角度，从而调整角度调整平台3的角度，进而调整弓丝相对于弯丝机械臂5的角度，以此来避免干涉；通过调整弯丝机械臂5的位置姿态，然后进行对弓丝的弯制。

本具体实施方式的工作原理为：当医师进行正畸弓丝弯制时，弓丝从送丝外壳2-5后送入到主动压辊2-3和被动压辊2-4中并被压紧，送丝电机2-2驱动主动压辊2-3带动被动压辊2-4，从而将弓丝送入柔性软管4-6并达到夹紧头外壳4-1；当电磁铁外圈4-4上电后，电磁铁内圈4-3向夹紧头外壳4-1方向运动，从而将分离式夹头4-2推向夹紧头外壳4-1，又由于夹紧头外壳4-1与分离式夹头4-2的锥面相互接触挤压配合，从而分离式夹头4-2夹紧；通过对角度平台ii直线电机3-4和角度平台iii直线电机3-5的位移距离的调整来控制角度调整机构3的位置和姿态；球形外壳5-1沿轴向旋转，弧形滑块5-3沿弧形导轨5-2滑动，小臂5-5沿大臂5-4在球形外壳5-1的半径方向滑动，弓丝机械手5-7相对小臂5-4转动，以此来调整弯丝机械臂5的位置和姿态；弯丝钳夹紧凸轮5-13旋转到最小半径带动活动钳柄5-14相对固定钳柄5-15夹紧，弯丝钳旋转外壳5-11沿其轴向转动，从而实现了正畸弓丝的弯制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围有所附的权利要求书及其等效物界定。