一种用于正畸弓丝弯制运动规划的有限点寻回展成方法与流程

本发明专利涉及一种用于正畸弓丝弯制运动规划的有限点寻回展成方法，属于正畸弓丝弯制技术领域。

背景技术：

随着生活水平的提高，美丽与健康越来越得到注重，美丽的外形，健康的体魄能给人们带来自信，但一直被称为门面的牙合颌有时却阻碍着这个愿望的实现，牙颌的健康不仅直接影响面部的美观，还关系到正常的口腔功能，口腔错颌畸形是危害人体健康的重大口腔疾病，呈现较高的发病率，临床口腔治疗中，患者多佩戴正畸矫治器，近年来，随着数字化制造技术的发展，正畸矫治器中弓丝的数字化加工已经成为必然趋势。

在目前口腔正畸弓丝弯制机器人(cn103892929a)弯制个性化正畸弓丝的过程中，个性化正畸弓丝与机器人弯制手爪间可能发生干涉，干涉即个性化正畸弓丝与机器人弯制手爪发生碰撞，干涉发生后会大大影响个性化正畸弓丝的弯制精度，进而影响矫治效果，致使所弯制的个性化正畸弓丝无法应用于临床治疗；研究发现，在正向弯制个性化正畸弓丝的过程中，正向弯制即由未弯制的正畸弓丝弯制成复杂的成形弓丝，干涉往往是由于不合理的成形控制点弯制顺序引起的，而合理的正向弯制成形控制点弯制顺序可以有效地避免干涉的发生，获得合理的正向弯制成形控制点弯制顺序是实现正畸弓丝数字化弯制的必要前提，但目前正畸弓丝弯制技术领域缺少正向弯制成形控制点弯制顺序的规划方法，难以实现正畸弓丝数字化弯制。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种用于正畸弓丝弯制运动规划的有限点寻回展成方法，解决目前正畸弓丝弯制技术领域缺少正向弯制成形控制点弯制顺序规划方法的问题，进而实现正畸弓丝数字化弯制。

本发明为解决上述问题所采取的方案为：

一种用于正畸弓丝弯制运动规划的有限点寻回展成方法，其特征在于：所述方法的具体实现过程为：

步骤一、数据导入：

医生根据患者有i个成形控制点、g个特殊功能曲、g+1个序列曲线段的个性化正畸弓丝曲线，输入个性化正畸弓丝曲线成形控制点信息集m＝{m1,m2,m3,…,mi},mi＝(ui,vi,wi)′为每个个性化正畸弓丝曲线成形控制点的坐标，每一个正畸弓丝曲线成形控制点mi均对应一个成形控制点机器人运动信息单元ni，所以输入的成形控制点的机器人运动信息集为n＝{n1,n2,n3,…,ni}，ni表示机器人在弯制该点时的成形控制点坐标及弯制角度，ni＝(ui,vi,wi,αi)′，ui、vi、wi为该成形控制点mi的坐标，αi为机器人作用在成形控制点mi上的弯制角度，将正畸弓丝曲线成形控制点信息集m、成形控制点的机器人运动信息集n输入到导入正畸弓丝弯制系统中；

步骤二、划分个性化正畸弓丝曲线：

个性化正畸弓丝曲线由特殊功能曲及连接特殊功能曲的序列曲线段组成，一条有g个特殊功能曲、g+1个序列曲线段的个性化正畸弓丝曲线可被划分为g个特殊功能曲区域和g+1个序列曲区域，得到特殊功能曲区域信息集q＝{q1,q2,q3,…,qg},序列曲区域信息集x＝{x1,x2,x3,…,xg+1},按个性化正畸弓丝曲线上特殊功能曲及序列曲线段的排列方式生成正畸弓丝曲线区域信息集z＝{x1,q1,x2,q2,x3,…,xg,qg,xg+1}；

步骤三、计算区域内控制点个数，将各区域降序排列：

计算每个区域(x1,q1,x2,q2,x3,…,xg,qg,xg+1)上控制点个数b，获得控制点个数信息集b1＝{bx1,bq1,bx2,bq2,...,bxg+1}，比较各区域内控制点个数b，得到bq1＞bx1＞…＞bq2，则以控制点个数b为指标将2g+1个区域降序排列，若两区域控制点个数b相等，则按区域序号为指标降序排列，特殊功能曲区域的弯制顺序优先于序列曲区域，得到降序区域信息集为a1＝{q1,x1,…q2}；

步骤四、对区域内弯制点弯制顺序进行排序：

按降序区域信息集a1＝{q1,x1,…,q2}中各区域的顺序读取各区域中控制点成形控制点的机器人运动信息，q1＝{n2,n3}、x1＝{n4,n5}…q2＝{ni-2,ni-1,ni}，按机器人运动信息ni＝(ui,vi,wi,αi)′中αi的大小为指标，将各区域成形控制点降序排列，若α3>α2、α4>α5、…、αi>αi-2>αi-1，则个性化正畸弓丝曲线成形控制点坐标降序矩阵为m1＝{m3,m2,m4,...,mi-1}，机器人运动降序信息集为n1＝{n3,n2,n4,...,ni-1}；

步骤五、计算逆向弯制信息集：

运用逆向弯制的思想，即将已成形个性化正畸弓丝弯制回未加工的正畸弓丝，将个性化正畸弓丝曲线成形控制点坐标降序矩阵m1＝{m3,m2,m4,...,mi-1}和机器人运动降序信息集n1＝{n3,n2,n4,...,ni-1}转化为个性化正畸弓丝曲线成形控制点坐标逆向矩阵m1′＝{m3′,m2′,m4′,...,mi-1′}和机器人运动逆向信息集n1′＝{n3′,n2′,n4′,...,ni-1′}；

步骤六、检测弯制点处是否干涉：

将个性化正畸弓丝曲线成形控制点坐标逆向矩阵m1′＝{m3′,m2′,m4′,...,mi-1′}和机器人运动逆向信息集n1′＝{n3′,n2′,n4′,...,ni-1′}输入至ros系统中，按矩阵中成形控制点坐标的顺序m3′,m2′,m4′,...,mi-1′依次模拟逆向弯制个性化正畸弓丝，模拟过程中，机器人模型和个性化正畸弓丝模型同时运动，运用ros碰撞检测算法检测机器人在个性化正畸弓丝曲线成形控制点对个性化正畸弓丝进行逆向弯制时，是否会与个性化正畸弓丝发生干涉：

如果发生干涉：

将干涉处成形控制点弯制顺序后移，对个性化正畸弓丝曲线成形控制点坐标逆向矩阵m1′＝{m3′,m2′,m4′,...,mi-1′}和机器人运动逆向信息集n1′＝{n3′,n2′,n4′,...,ni-1′}进行重新排序，获得新的个性化正畸弓丝曲线成形控制点坐标矩阵m2＝{m3′,m2′,...,m4′,mi-1′}和机器人运动信息集n2＝{n3′,n2′,...,n4′,ni-1′}，重新运行步骤六，将新的个性化正畸弓丝曲线成形控制点坐标矩阵m2＝{m3′,m2′,...,m4′,mi-1′}和机器人运动信息集n2＝{n3′,n2′,...,n4′,ni-1′}输入至ros系统中；

如果未发生干涉：

跳转至步骤七；

步骤七、获得最终弯制点弯制顺序：

将成形控制点弯制顺序m2＝{m3′,m2′,...,m4′,mi-1′}、n2＝{n3′,n2′,...,n4′,ni-1′}倒序排列，获得并输出最终弯制点弯制顺序m3＝{mi-1′,m4′,...,m2′,m3′}、n3＝{ni-1′,n4′,...,n2′,n3′}，程序结束。

本发明的有益效果为：

1、本发明在进行控制点弯制顺序规划时，将患者个性化正畸弓丝曲线成形控制点信息集、成形控制点的机器人运动信息集导入ros系统中，模拟机器人弯制个性化正畸弓丝的过程，同时用碰撞检测算法检测干涉，在模拟过程中正畸弓丝与机器人同时运动，因此，在进行干涉检测时，本发明既考虑了正畸弓丝自身运动引发的干涉，也考虑了正畸弓丝与机器人间相对运动引发的干涉，提高了正畸弓丝弯制运动规划的正确性。

2、本发明采用将复杂的个性化正畸弓丝曲线划分为特殊功能曲区域以及序列曲区域，符合口腔正畸学中对正畸弓丝曲线中各曲线段的分类方式，以每段曲线上成形控制点个数为指标对各曲线进行弯制顺序的降序排序，提高了正畸弓丝弯制运动规划的效率。

3、本发明首先以每段曲线上成形控制点个数为指标为第一种方法获得成形控制点弯制顺序；又将该弯制顺序输入到ros系统中模拟弯制运动，运用ros系统中的碰撞检测算法检测个性化正畸弓丝与机器人间的干涉，采用将发生干涉的成形控制点的弯制顺序后移的方式为第二种方法获得新的成形控制点弯制顺序，并用ros系统检测新的弯制顺序；因此在获得最终弯制顺序的过程中，本发明先后使用了两种规划弯制顺序的方法，提高了规划弯制顺序的可靠性。

4、本发明运用了逆向弯制的思想，即由复杂的成形弓丝弯制回未弯制的正畸弓丝，由于在逆向弯制的弯制过程中，复杂的成形个性化正畸弓丝在弯制时占用的空间较未加工的正畸弓丝更多，更易与机器人发生干涉，且在逆向弯制的过程中，个性化正畸弓丝的复杂程度由高到低逐步变化，所以弯制时占用的空间由大到小逐步变化，弯制时正畸弓丝与机器人发生干涉的可能性由高到低逐步变化；而应用常用的正向弯制思想弯制正畸弓丝时，正向弯制即由未弯制的正畸弓丝弯制成复杂的成形弓丝，正向弯制时正畸弓丝与机器人发生干涉的可能性由低到高逐步变化，所以在相同的弯制顺序下，应用满足逆向弯制思想的弯制顺序更难在不发生干涉的条件下完成个性化正畸弓丝的弯制，因此满足逆向弯制的弯制顺序一定适用于正向弯制，不会发生干涉，保障了本发明规划弯制顺序的正确性。

5、本发明在干涉检测时，采用将干涉处弯制点弯制顺序后移的方法生成新的弯制点弯制顺序，后又将新的弯制点弯制顺序倒序排列产生最终的弯制点弯制顺序，即在最终的弯制点弯制顺序中，易发生干涉的点优先弯制，符合机器人弯制正畸弓丝的特点。

6、本发明按机器人运动信息中弯制角度的大小为指标，将各区域成形控制点降序排列获得区域内部各成形控制点弯制顺序，以弯制角度的大小为指标符合机器人弯制正畸弓丝的原理，提高了本规划方法的可靠性。

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为一种用于正畸弓丝弯制运动规划的有限点寻回展成方法的流程图；

图2为个性化正畸弓丝成形控制点分布示意图；

图3为以特殊功能曲区域、序列曲区域划分个性化正畸弓丝曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明专利的目的、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专利，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专利的范围，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专利的概念。

如图1、图2、图3所示，本具体实施方式采用以下技术方案：一种用于正畸弓丝弯制运动规划的有限点寻回展成方法，

其特征在于：所述方法的具体实现过程为：

步骤一、数据导入：

医生根据患者有i个成形控制点、g个特殊功能曲、g+1个序列曲线段的个性化正畸弓丝曲线，输入个性化正畸弓丝曲线成形控制点信息集m＝{m1,m2,m3,…,mi},mi＝(ui,vi,wi)′为每个个性化正畸弓丝曲线成形控制点的坐标，每一个正畸弓丝曲线成形控制点mi均对应一个成形控制点机器人运动信息单元ni，所以输入的成形控制点的机器人运动信息集为n＝{n1,n2,n3,…,ni}，ni表示机器人在弯制该点时的成形控制点坐标及弯制角度，ni＝(ui,vi,wi,αi)′，ui、vi、wi为该成形控制点mi的坐标，αi为机器人作用在成形控制点mi上的弯制角度，将正畸弓丝曲线成形控制点信息集m、成形控制点的机器人运动信息集n输入到导入正畸弓丝弯制系统中；

步骤二、划分个性化正畸弓丝曲线：

个性化正畸弓丝曲线由特殊功能曲及连接特殊功能曲的序列曲线段组成，一条有g个特殊功能曲、g+1个序列曲线段的个性化正畸弓丝曲线可被划分为g个特殊功能曲区域和g+1个序列曲区域，得到特殊功能曲区域信息集q＝{q1,q2,q3,…,qg},序列曲区域信息集x＝{x1,x2,x3,…,xg+1},按个性化正畸弓丝曲线上特殊功能曲及序列曲线段的排列方式生成正畸弓丝曲线区域信息集z＝{x1,q1,x2,q2,x3,…,xg,qg,xg+1}；

步骤三、计算区域内控制点个数，将各区域降序排列：

计算每个区域(x1,q1,x2,q2,x3,…,xg,qg,xg+1)上控制点个数b，获得控制点个数信息集b1＝{bx1,bq1,bx2,bq2,...,bxg+1}，比较各区域内控制点个数b，得到bq1＞bx1＞…＞bq2，则以控制点个数b为指标将2g+1个区域降序排列，若两区域控制点个数b相等，则按区域序号为指标降序排列，特殊功能曲区域的弯制顺序优先于序列曲区域，得到降序区域信息集为a1＝{q1,x1,…q2}；

步骤四、对区域内弯制点弯制顺序进行排序：

按降序区域信息集a1＝{q1,x1,…,q2}中各区域的顺序读取各区域中控制点成形控制点的机器人运动信息，q1＝{n2,n3}、x1＝{n4,n5}…q2＝{ni-2,ni-1,ni}，按机器人运动信息ni＝(ui,vi,wi,αi)′中αi的大小为指标，将各区域成形控制点降序排列，若α3>α2、α4>α5…、αi>αi-2>αi-1，则个性化正畸弓丝曲线成形控制点坐标降序矩阵为m1＝{m3,m2,m4,...,mi-1}，机器人运动降序信息集为n1＝{n3,n2,n4,...,ni-1}；

步骤五、计算逆向弯制信息集：

运用逆向弯制的思想，即将已成形个性化正畸弓丝弯制回未加工的正畸弓丝，将个性化正畸弓丝曲线成形控制点坐标降序矩阵m1＝{m3,m2,m4,...,mi-1}和机器人运动降序信息集n1＝{n3,n2,n4,...,ni-1}转化为个性化正畸弓丝曲线成形控制点坐标逆向矩阵m1′＝{m3′,m2′,m4′,...,mi-1′}和机器人运动逆向信息集n1′＝{n3′,n2′,n4′,...,ni-1′}；

步骤六、检测弯制点处是否干涉：

将个性化正畸弓丝曲线成形控制点坐标逆向矩阵m1′＝{m3′,m2′,m4′,...,mi-1′}和机器人运动逆向信息集n1′＝{n3′,n2′,n4′,...,ni-1′}输入至ros系统中，按矩阵中成形控制点坐标的顺序m3′,m2′,m4′,...,mi-1′依次模拟逆向弯制个性化正畸弓丝，模拟过程中，机器人模型和个性化正畸弓丝模型同时运动，运用ros碰撞检测算法检测机器人在个性化正畸弓丝曲线成形控制点对个性化正畸弓丝进行逆向弯制时，是否会与个性化正畸弓丝发生干涉：

如果发生干涉：

将干涉处成形控制点弯制顺序后移，对个性化正畸弓丝曲线成形控制点坐标逆向矩阵m1′＝{m3′,m2′,m4′,...,mi-1′}和机器人运动逆向信息集n1′＝{n3′,n2′,n4′,...,ni-1′}进行重新排序，获得新的个性化正畸弓丝曲线成形控制点坐标矩阵m2＝{m3′,m2′,...,m4′,mi-1′}和机器人运动信息集n2＝{n3′,n2′,...,n4′,ni-1′}，重新运行步骤六，将新的个性化正畸弓丝曲线成形控制点坐标矩阵m2＝{m3′,m2′,...,m4′,mi-1′}和机器人运动信息集n2＝{n3′,n2′,...,n4′,ni-1′}输入至ros系统中；

如果未发生干涉：

跳转至步骤七；

步骤七、获得最终弯制点弯制顺序：

将成形控制点弯制顺序m2＝{m3′,m2′,...,m4′,mi-1′}、n2＝{n3′,n2′,...,n4′,ni-1′}倒序排列，获得并输出最终弯制点弯制顺序m3＝{mi-1′,m4′,...,m2′,m3′}、n3＝{ni-1′,n4′,...,n2′,n3′}，程序结束。

以上显示和描述了本发明专利的基本原理和主要特征和本发明专利的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明专利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专利的原理，在不脱离本发明专利精神和范围的前提下，本发明专利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专利范围内。本发明专利要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。