一种用于牙齿医疗的口腔内自动作业装置的制作方法

本发明属于医疗器械技术领域，特别涉及一种可在患者口腔内精确地对目标患牙进行髓腔打开和牙体预备操作的自动作业装置。

背景技术：

在牙科治疗中，牙体预备是对目标患齿进行修复治疗的必要步骤，髓腔打开是根管治疗的必要步骤。但现今牙科临床上，牙体预备与髓腔打开仍然需要医生长时间低头观察并进行手工操作，严重影响口腔医疗效率，且医生长时间工作极易产生疲劳，降低诊疗质量。再者，牙齿治疗质量因操作者经验、熟练程度、疲劳程度等的不同存在巨大差异，这导致牙齿医疗质量参差不齐。因此，亟需一种稳定、精确的牙齿治疗的自动化装置代替手工操作，实现标准化精准治疗。

目前已公开的口腔与牙齿治疗自动化装置或手术机器人系统，其作业单元主体置于口腔外，通过工业机械手或类似机械手结构将牙科手机伸入患者口腔内进行操作。由于口外的作业单元主体与人体口腔需在统一坐标系下，因此治疗过程中对患者头部的固定极为严格，头部或口腔的轻微运动都可能对治疗精度产生严重负面影响，甚至存在安全隐患。然而，人体无法实现完全静止不动。因此，为保证牙齿治疗精确性，此类装置必须配套高速高精度的口腔定位感测系统实现随动控制，以补偿人体自然微动或疼痛导致的突发剧烈运动所产生的人-机相对位移；并且，为了防止工业机器人因电磁干扰或程序代码出错导致的运动失控，必须配套高速精密力反馈与急停系统，以保障患者的生命安全。因而，此类设备软件设计与硬件制造的成本极高，难以在临床推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种用于牙齿医疗的小型化口腔内自动作业装置，以解决现有用于牙齿开髓、牙体预备的口腔外作业装置结构笨重、定位精度低、操作繁琐、制造成本高等问题，部分替代牙医人工操作，缩短牙齿诊疗时间，有效提升牙科医生临床治疗效率及质量。

本发明所述用于牙齿医疗的口腔内自动作业装置，由定位单元、作业单元和控制单元组成；所述定位单元包括牙套、齿条和牙套板，牙套由第一u形板、第二u形板和两根连接条组合而成，第一u形板的外侧面上部设置有与作业单元组合的沟槽，第二u形板位于第一u形板内侧并与第一u形板平行，它们之间保留有便于患者牙列进入的间距，两根连接条分别将第一u形板、第二u形板两臂的端部上缘连接，形成含u形通孔的套体，齿条为与第二u形板内侧面匹配的u形齿条，固定在第二u形板的内侧面，牙套板使用时覆盖在u形通孔上端并与第一u形板、第二u形板组合；所述作业单元包括外壳，与外壳匹配和组合的盖板，位于外壳内的x向驱动电机、y向驱动电机、z向驱动电机、x向直角减速器、y向直角减速器、z向直角减速器、平面齿轮传动机构、x向丝母、x向丝杠、z向丝母、z向丝杠、滑动轮、弹簧、磨削电机连接件和磨削电机，位于外壳之外的滚动齿轮、滚针和磨针及用于安装滚针并与外壳组合的卡紧滑块，所述滚动齿轮与定位单元中的齿条匹配，所述外壳的外形尺寸以能放入患者的口腔为限；x向丝杠的一端安装在外壳上，另一端与安装在外壳上的x向直角减速器的动力输出端连接，x向直角减速器的动力输入端与安装在外壳上的x向驱动电机连接，x向丝母安装在x向丝杠上并与外壳上设置的第一限位面接触；y向驱动电机安装在外壳上，y向驱动电机与y向直角减速器的动力输入端连接，y向直角减速器的动力输出端与滚动齿轮连接；z向丝杠的上端与z向直角减速器的动力输出端连接，z向丝杠的下端与滑动轮连接，z向直角减速器的动力输入端与平面齿轮传动机构的动力输出端连接，平面齿轮传动机构的动力输入端与z向驱动电机连接，平面齿轮传动机构的箱体与x向丝母连接，z向丝母安装在z向丝杠上并与外壳上设置的第二限位面接触，滑动轮位于外壳底板上设置的限位滑槽内；磨削电机通过磨削电机连接件与z向丝母连接，磨针与磨削电机的动力输出轴连接；卡紧滑块通过弹簧实现与外壳组合，滚针为两个，分别安装在卡紧滑块下部的两侧；作业单元安装在定位单元的牙套上，安装时将作业单元的两滚针嵌入牙套的第一u形板外侧面设置的沟槽中，将作业单元的滚动齿轮与定位单元的齿条啮合；所述控制单元用于控制作业单元中x向驱动电机、y向驱动电机、z向驱动电机的运行。

上述用于牙齿医疗的口腔内自动作业装置，所述牙套的第一u形板上端设置有朝向u形通孔的第一凸沿，第二u形板上端设置有朝向u形通孔的第二凸沿，以便更有利于使用时在牙套的u形通孔内填充硅橡胶印模材料，且能使定位单元安置于牙列上时更加稳固而不会上下晃动。

上述用于牙齿医疗的口腔内自动作业装置，所述外壳由第一壳体和第二壳体组合而成；第一壳体包括基板、第一护翼板、第二护翼板和第一底板，第一护翼板、第二护翼板分别位于基板两侧并与基板固连或为一体化结构，第一底板位于基板下端，其一侧与基板固连、一端与第一护翼板固连，另一端与第二护翼板之间保留有安装卡紧滑块的间距，所述第二护翼板的内侧面上部设置有用于安装x向丝杠的支承座，所述基板内侧面上部设置有防止x向丝母旋转的第一限位面，所述第一底板靠第二护翼板的部位设置有第一弹簧固定架，在第一弹簧固定架与第一护翼板之间设置有用于安装y向驱动电机的支架，在支架与第一护翼板之间设置有用于y向直角减速器的动力输出端穿过的第一通孔，所述第一弹簧固定架上设置有导向管；第二壳体包括第二底板和环绕第二底板的围板，所述围板的下端与第二底板固连或为一体化结构，围板的后侧面内侧设置有防止z向丝母旋转的第二限位面，所述第二底板上设置有用于滑动轮定向滑动的限位滑槽和用于磨削电机穿过的第二通孔，限位滑槽以第二限位面为其一侧面，且底面与第二限位面垂直，第二通孔位于围板的前侧面内侧与限位滑槽之间；所述卡紧滑块由支撑板、设置在支撑板顶面一侧的第二弹簧固定架、设置在支撑板底面另一侧的滚针固定架和设置在第二弹簧固定架上的导向杆构成，支撑板的长度与所述第一底板和第二护翼板之间的间距匹配，支撑板的宽度与所述第一底板的宽度匹配；所述第二弹簧固定架上的导向杆插入所述第一弹簧固定架上设置的导向管内孔，滚针固定架位于第一壳体之外，所述弹簧套装在导向管上，它的两端分别与第一弹簧固定架和第二弹簧固定架连接，两滚针分别安装在滚针固定架的两侧；所述x向丝杠的一端安装在第一壳体中第二护翼板内侧面上部设置的支承座上，所述x向直角减速器、x向驱动电机和y向直角减速器安装在第一壳体中基板的内侧面上，所述y向驱动电机通过第一壳体中底板上设置的支架固定，所述z向驱动电机和平面齿轮传动机构位于第一壳体内；所述z向直角减速器、z向丝杠和磨削电机位于第二壳体内，与z向丝杠下端连接的滑动轮位于第二壳体的第二底板上设置的限位滑槽内。

上述用于牙齿医疗的口腔内自动作业装置，所述控制单元主要由安装有控制程序的cnc数控系统及与该数控系统连接的x向电机驱动器、y向电机驱动器和z向电机驱动器组成。

上述用于牙齿医疗的口腔内自动作业装置，所述x向驱动电机、y向驱动电机、z向驱动电机可选用微型步进电机或伺服电机，所述磨削电机选用小型直流电机。

上述用于牙齿医疗的口腔内自动作业装置，所述x向丝母和z向丝母为方形滑块式丝母，以便于更好地与第一限位面、第二限位面接触，防止旋转的发生，使运动传递更精确。

本发明所述用于牙齿医疗的小型化口腔内自动作业装置的运动原理如下：磨针的x向运动由x向驱动电机驱动，经x向直角减速器动力放大后驱动x向丝杠旋转，从而驱动x向丝母沿x向滑动，实现磨针的x向运动；磨针的y向运动由y向驱动电机驱动，经y向直角减速器动力放大后驱动滚动齿轮在齿条上运动，实现磨针的y向运动；磨针的z向运动由z向驱动电机驱动，经平面齿轮传动机构的传动及z向直角减速器动力放大后驱动z向丝杠旋转，从而驱动z向丝母沿z向滑动，实现磨针的z向运动；上述运动原理可使磨针进行三维运动以实现对牙齿的磨削，达到自动化口腔开髓与备牙等医学操作。

本发明所述用于牙齿医疗的口腔内自动作业装置的使用方法如下：

1、对患者的牙列进行三维扫描，得到牙列模型数据；

2、将定位单元中的牙套板覆盖在牙套的u形通孔上端并与第一u形板、第二u形板组合，然后将硅橡胶印模材料填入牙套的u形通孔中；

3、将填充了硅橡胶印模材料的定位单元放入患者口腔，让患者的牙齿咬合住定位单元并使其牙列完全进入牙套的u形通孔，再取下牙套板；

4、对患者口腔进行第二次三维扫描，得到牙套与牙列组合后的模型数据，然后根据步骤1所得牙列模型数据与此次扫描所得牙套与牙列组合后的模型数据进行反求，得到磨针的运动轨迹，将磨针的运动轨迹进行处理并解算得到x向驱动电机、y向驱动电机、z向驱动电机的运行驱动程序，再将该运行驱动程序输入cnc数控系统；

5、将作业单元放入患者口腔并与定位单元组合，将控制单元与作业单元连接，即可在控制单元的控制下进行开髓或备牙等操作。

上述“根据步骤1所得牙列模型数据与此次扫描所得牙套与牙列组合后的模型数据进行反求，得到磨针的运动轨迹”可参考国防工业出版社出版的《反编译技术与软件逆向分析》书籍(2009年11月，作者赵荣彩等)；上述“将磨针的运动轨迹进行处理并解算得到x向驱动电机、y向驱动电机、z向驱动电机的运行驱动程序”可参考科学出版社出版的《电机驱动技术》书籍(2008年7月，作者王淑芳)。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明所述口腔内自动作业装置的定位单元既便于与患者牙列组合，又能作为作业单元的运动导轨，由于作业单元的外壳体积小(不大于8立方厘米)，作业单元工作时位于口腔内，依靠定位单元来确定基准，因而使用本发明所述口腔内自动作业装置进行牙齿开髓、牙体预备手术时无需将患者头部严格固定，就能保证治疗精度，不仅简化了患者头部固定的操作，而且使患者更舒适。

2、由于本发明所述口腔内自动作业装置的作业单元中的卡紧滑块通过弹簧与第一壳体组合，且两个滚针安装在卡紧滑块下部，由于作业单元与定位单元的组合是将两滚针嵌入牙套的第一u形板外侧面设置的沟槽中，将作业单元的滚动齿轮与定位单元的齿条啮合，因此通过卡紧滑块既可使作业单元稳定的安装在定位单元上，又可保证作业单元的y向坐标轴始终与齿条的弯曲轨迹相切，同时在运动中滚针的滚动作用可减少运动的摩擦力。

3、本发明所述口腔内自动作业装置对患者牙齿进行预备时，磨削精度高，能更准确的预备出理想的基牙，使得牙齿治疗效果更加完美。

4、本发明所述口腔内自动作业装置属于自动化设备，能智能化的对牙齿进行操作，大幅减轻了牙医的工作强度，降低人力成本，并提高工作效率。

5、本发明所述口腔内自动作业装置工作电压低(仅为5v)，运动幅度精密、细微，且作业单元密闭式的外壳能防止磨针超量程运动，因而有利于保证患者的安全。

6、由于本发明所述口腔内自动作业装置中的作业单元体积小，构件易于加工制作，因而与现有牙齿治疗自动化装置或手术机器人系统相比，制造成本大幅度降低。

附图说明

图1是本发明所述用于牙齿医疗的口腔内自动作业装置的定位单元和作业单元的组合示意图；

图2是本发明所述用于牙齿医疗的口腔内自动作业装置中作业单元的三维直角坐标系示意图

图3是本发明所述用于牙齿医疗的口腔内自动作业装置中定位单元的结构示意图；

图4是本发明所述用于牙齿医疗的口腔内自动作业装置中定位单元的爆炸图；

图5是本发明所述用于牙齿医疗的口腔内自动作业装置中作业单元的爆炸图；

图6是本发明所述用于牙齿医疗的口腔内自动作业装置中作业单元去除盖板后的示意图；

图7是图6的a-a剖视图；

图8是作业单元中第一壳体及位于第一壳体内的构件的分布示意图；

图9是作业单元中第一壳体的结构示意图；

图10是作业单元中第二壳体的结构示意图；

图11是作业单元中平面齿轮传动机构的结构示意图；

图12是作业单元中卡紧滑块的结构示意图；

图13是本发明所述用于牙齿医疗的口腔内自动作业装置中控制单元的一种示意图。

图中，1-牙套，1.1-第一u形板，1.1.1-沟槽，1.1.2-第一凸沿，1.2-第二u形板，1.2.1-第二凸沿，1.3-连接条，1.4-u形通孔，2-齿条，3-牙套板，4-第一壳体，4.1-基板，4.2-第一护翼板，4.3-支架，4.4-第一弹簧固定架，4.5-导向管，4.6-第一限位面，4.7-支承座，4.8-第一底板，4.9-第二护翼板，4.10-第一通孔，5-第二壳体，5.1-第二底板，5.2-第二限位面，5.3-限位滑槽，5.4-围板，5.5-第二通孔，6-盖板，7-x向驱动电机，8-y向驱动电机，9-z向驱动电机，10-x向直角减速器，11-y向直角减速器，12-z向直角减速器，13-滚动齿轮，14-平面齿轮传动机构，14.1-箱体，14.2-齿轮，15-x向丝母，16-x向丝杠，17-z向丝母，18-z向丝杠，19-滑动轮，20-弹簧，21-卡紧滑块，21.1-第二弹簧固定架，21.2-导向杆，21.3-滚针固定架，21.4-支撑板，22-滚针，23-磨削电机连接件，24-磨削电机，25-磨针。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明所述用于牙齿医疗的口腔内自动作业装置作进一步说明。

本实施例所述用于牙齿医疗的口腔内自动作业装置，由定位单元、作业单元和控制单元组成。

定位单元的结构如图3、图4所示，包括牙套1、齿条2和牙套板3；牙套1由第一u形板1.1、第二u形板1.2和两根连接条1.3组合而成，第一u形板1.1和第二u形板1.2两臂前部段下端为斜面，第一u形板的外侧面上部设置有与作业单元组合的沟槽1.1.1，第二u形板位于第一u形板内侧并与第一u形板平行，它们之间保留有便于患者牙列进入的间距，两根连接条分别将第一u形板、第二u形板两臂的端部上缘连接，形成含u形通孔1.4的套体，所述第一u形板1.1上端还设置有朝向u形通孔1.4的第一凸沿1.1.2，第二u形板1.2上端设置有朝向u形通孔1.4的第二凸沿1.2.1；齿条2为与第二u形板内侧面匹配的u形齿条，通过粘接的方式固定在第二u形板1.2的内侧面；牙套板3使用时覆盖在u形通孔1.4上端并与第一u形板1.1、第二u形板1.2组合。

作业单元如图2、图5、图6、图7、图8所示，包括外壳、与外壳匹配和组合的盖板6、x向驱动电机7、y向驱动电机8、z向驱动电机9、x向直角减速器10、y向直角减速器11、z向直角减速器12、平面齿轮传动机构14、x向丝母15、x向丝杠16、z向丝母17、z向丝杠18、滑动轮19、弹簧20、卡紧滑块21、磨削电机连接件23、磨削电机24、滚动齿轮13、滚针22和磨针25，所述滚动齿轮13与定位单元中的齿条2匹配。

作业单元中的外壳如图6所示，由第一壳体4和第二壳体5组合而成。第一壳体4如图9所示，包括基板4.1、第一护翼板4.2、第二护翼板4.9和第一底板4.8，第一护翼板4.2、第二护翼板4.9分别位于基板两侧并与基板为一体化结构，第一底板位于基板下端，其一侧与基板通过粘接固连、其一端通过粘接与第一护翼板固连，另一端与第二护翼板之间保留有安装卡紧滑块21的间距，所述第二护翼板4.9的内侧面上部设置有用于安装x向丝杠的支承座4.7，所述基板4.1内侧面上部设置有防止x向丝母旋转的第一限位面4.6，所述第一底板靠第二护翼板4.9的部位设置有第一弹簧固定架4.4，在第一弹簧固定架与第一护翼板之间设置有用于安装y向驱动电机的支架4.3，在支架与第一护翼板之间设置有用于y向直角减速器11的动力输出端穿过的第一通孔4.10，所述第一弹簧固定架上设置有导向管4.5。第二壳体5如图10所示，包括第二底板5.1和环绕第二底板的围板5.4，所述围板的下端与第二底板固连，围板的后侧面内侧设置有防止z向丝母旋转的第二限位面5.2，所述第二底板上设置有用于滑动轮定向滑动的限位滑槽5.3和用于磨削电机穿过的第二通孔5.5，限位滑槽5.3以第二限位面5.3为其一侧面，且底面与第二限位面5.2垂直，第二通孔5.5位于围板的前侧面内侧与限位滑槽5.3之间。第一壳体4和第二壳体5通过粘接组合，组合好后，其体积为20mm×20mm×20mm。

作业单元中的卡紧滑块21如图12所示，由支撑板21.4、设置在支撑板顶面一侧的第二弹簧固定架21.1、设置在支撑板底面另一侧的滚针固定架21.3和设置在第二弹簧固定架上的导向杆21.2构成，支撑板21.4的长度与所述第一底板和第二护翼板之间的间距匹配，支撑板21.4的宽度与所述第一底板的宽度匹配。

作业单元中的平面齿轮传动机构14如图11所示，包括箱体14.1和传动齿轮14.2。作业单元中的x向丝杠16和z向丝杠18均为外径3mm的丝杠，x向丝母15和z向丝母17为与x向丝杠16、z向丝杠18匹配的方形滑块式丝母，x向驱动电机7、y向驱动电机8和z向驱动电机9选用微型伺服电机，磨削电机24选用小型直流电机。

作业单元中构件的安装组合方式如图6、图7、图8所示：x向直角减速器10、x向驱动电机7和y向直角减速器11通过粘结固定在第一壳体4中基板4.1的内侧面上，x向丝杠16的一端安装在第一壳体4中第二护翼板4.9内侧面上部设置的支承座4.7上，另一端与x向直角减速器10的动力输出端连接，且其轴线平行于第一壳体的基板4.1，x向直角减速器10的动力输入端与x向驱动电机7连接，x向丝母15安装在x向丝杠16上并与第一壳体基板4.1内侧面上部设置的第一限位面4.6接触；y向驱动电机8通过第一壳体中底板上设置的支架4.3固定，y向驱动电机8与y向直角减速器11的动力输入端连接，y向直角减速器11的动力输出端与滚动齿轮13连接；z向丝杠18的上端与z向直角减速器的动力输出端连接，z向丝杠18的下端与滑动轮19连接，z向直角减速器的动力输入端与平面齿轮传动机构14的动力输出端连接，平面齿轮传动机构的动力输入端与z向驱动电机连接，平面齿轮传动机构的箱体14.1与x向丝母15连接，z向丝母17安装在z向丝杠18上并与第二壳体围板后侧面内侧设置的第二限位面5.2接触，滑动轮19位于第二壳体的第二底板上设置的限位滑槽5.3内，磨削电机24通过磨削电机连接件23与z向丝母17连接，磨针25与磨削电机24的动力输出轴连接，所述z向驱动电机9和平面齿轮传动机构14位于第一壳体4内，所述z向直角减速器12、z向丝杠18和磨削电机24位于第二壳体5内；卡紧滑块21中第二弹簧固定架上的导向杆21.2插入第一弹簧固定架上设置的导向管4.5内孔，滚针固定架21.3位于第一壳体之外，弹簧20套装在导向管4.5上，它的两端分别与第一弹簧固定架和第二弹簧固定架连接，处于拉伸状态，施加给第一弹簧固定架和第二弹簧固定架的力为拉力，通过弹簧20的作用力实现卡紧滑块21与第一壳体4的组合，两滚针22分别安装在滚针固定架21.3的两侧。

作业单元的三维直角坐标系如图2所示，所述三维直角坐标系的y轴垂直于第一壳体的基板4.1，且作业时始终与齿条的弯曲轨迹相切，x轴垂直于y轴，z轴垂直于x轴和y轴且过三维直角坐标系的原点，三维直角坐标系的原点可位于外壳的盖板、底板或盖板与底板之间。

作业单元与定位单元的组合方式如图1所示：作业单元安装在定位单元的牙套1上，安装时将作业单元的滚动齿轮13与定位单元的齿条2啮合，将作业单元的两滚针22嵌入牙套的第一u形板外侧面设置的沟槽1.1.1中，由于两滚针22安装在卡紧滑块21上，而卡紧滑块通过弹簧20与第一壳体4组合，因而通过卡紧滑块既可使作业单元稳定的安装在定位单元上，又可保证作业单元的y向坐标轴始终与齿条的弯曲轨迹相切。

控制单元如图13所示，主要由安装有控制程序的cnc数控系统及与该数控系统连接的x向电机驱动器、y向电机驱动器和z向电机驱动器组成，cnc数控系统为西门子840d数控系统，x向电机驱动器、y向电机驱动器和z向电机驱动器为西门子v90伺服驱动器。x向电机驱动器、y向电机驱动器和z向电机驱动器分别与x向驱动电机7、y向驱动电机8、z向驱动电机9连接，操作cnc数控系统即可使x向驱动电机7、y向驱动电机8、z向驱动电机9按要求运行，通过磨针25对患者进行牙齿开髓、牙体预备操作。