一种仿生下颌运动咀嚼装置的制作方法

本发明涉及仿生机器人领域，具体涉及一种仿生下颌运动咀嚼装置。

背景技术：

仿生咀嚼是用于模拟人类咀嚼时上下颚运动的一种装置，它能够模拟再现人类咀嚼过程。在食品科学和口腔医学等领域当中的相关实验中，通过仿生咀嚼装置模拟人类的咀嚼过程，从而完成对食物的咀嚼分析、义齿磨损情况及寿命分析等试验。

人类下颌由咀嚼肌肉驱动,在颞下颌关节的约束下,相对上颌骨在三维空间内做复杂的开闭运动。人类上下颌的开颌运动分为小开颌运动、大开颌运动和最大开颌运动三个阶段。小开颌运动，下颌下降约2cm，髁突仅作转动运动。大开颌运动，下颌下降约2cm以上，髁突不仅有转动运动，同时还有滑动运动。最大开颌运动，如在打哈欠时的下颌运动就是最大开颌运动。一般情况下，咀嚼过程中最常见的运动为小开颌运动和大开颌运动。

现有的仿生咀嚼装置在进行咀嚼运动模拟时，通常只注重上下颌骨的闭合的咬合动作，而忽略了在决绝过程中上下额骨通过水平方向相对运动从而将食物磨碎的动作，对人类咀嚼动作的运动形式和生物力学特征的还原性不高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种对生物力学特征和运动形式还原度高仿生下颌运动咀嚼装置。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种仿生下颌运动咀嚼装置，包括安装架、连接架、悬吊架、上颌架和下颌架及模具义齿；所述安装架前方设有上颌架和下颌架，所述的安装架外周设有连接架，在连接架顶部安装有悬吊架，所述的悬吊架内设有升降架，所述的升降架连接咬合驱动电机；所述的安装架前方中部设有竖直转轴，所述竖直转轴向上贯穿连接架并与悬吊架底端固定连接，所述的竖直转轴中部两侧对称的固定有水平轴；所述的上颌架和下颌架相对放置，在上颌架、下颌架内安装模具义齿；所述的上颌架后部固定在安装架上，两侧的水平轴外端分别固定安装在下颌架后部两端的内侧；所述的安装架上安装有双头伺服电机，双头伺服电机左右两端分别通过一根第一牵拉绳与下颌架后部两端相连；所述的升降架在水平方向的两端均固定连接有一根第二牵拉绳，所述第二牵拉绳向下延伸，分别通过牵拉弹簧与下颌架两侧相连。

所述的上颌架包括前部中空的上颌壳，上颌壳后端连接竖直连接板，所述的竖直连接板顶端连接水平安装板，所述的水平安装板固定在安装架上，所述的水平安装板中间开孔，用于穿过竖直转轴；所述的下颌架包括前部中空的下颌壳，下颌壳后端两侧凸起，凸起处开安装水平轴。

所述的上颌壳与下颌壳的中空部分相对放置，在壳体间形成容纳模具义齿的空间，所述的上颌壳与下颌壳的前端面均为圆弧面。

所述的咬合驱动电机固定连接在悬吊架顶端且位于升降架的上方，所述咬合驱动电机的电机轴沿竖直向下的方向延伸且同轴固定连接有丝杆，所述的丝杆贯穿升降架且与升降架螺纹配合，所述的丝杆与悬吊架底端转动连接，所述升降架具有水平方向的两个侧翼，侧翼端部分别固定连接一根第二牵拉绳。

所述的下颌架左右两边下侧分别对称的设有连接轴，所述第二牵拉绳远离升降架的一端分别连接有牵拉弹簧，所述牵拉弹簧与下颌架两侧的连接轴连接。

所述双头伺服电机的电机轴两端上分别固定连接有垂直于双头伺服电机电机轴的驱动杆，两端的驱动杆相互平行且延伸方向相反，驱动杆远离双头伺服电机电机轴的一端设有转动座，转动座的端部分别与一根第一牵拉绳固定连接，两根第一牵拉绳的长度相等，下颌架外侧在与水平轴相对的位置上均固定连接有连轴，所述连轴与第一牵拉绳远离驱动杆的一端固定连接。

所述的上颌架和下颌架内部均设有连接槽，在连接槽上安装模具义齿；所述连接槽的槽底开设有若干腰型通槽，所述模具义齿朝向连接槽槽底的一侧开设有若干螺纹孔，所述腰型通槽内设有若干与模具义齿上螺纹孔相匹配的螺钉。

所述的安装架背部安装双头伺服电机，所述的安装架外周设有连接架，所述的连接架为框架结构，包括底座、左框架、右框架及顶部框架，在顶部框架上安装有悬吊架，所述悬吊架顶部安装有咬合驱动电机，所述竖直转轴向上贯穿连接架的顶部框架并与悬吊架底端固定连接。

所述牵拉弹簧与第二牵拉绳之间为可拆卸连接，且所述牵拉弹簧与下颌架之间为可拆卸连接，所述模具义齿与连接槽的槽壁之间为可拆卸连接。

所述下颌架后部设有开槽，用于竖直转轴穿过，竖直转轴下端安装在的连接架的底座上；所述义齿模具位于连接槽内的一端具有填充块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的仿生下颌运动咀嚼装置具有通过设置咬合驱动装置和水平驱动装置对下颌架进行竖直和水平两个方向的运动，使下颌在模仿咬合动作的同时模仿牙齿摩擦的咀嚼过程，从而提高了对人类实际咀嚼过程的还原度的效果。

附图说明

图1是本实施例用于体现装置整体的结构示意图。

图2是本实施例用于体现竖直转轴和水平轴连接关系的示意图。

图3是本实施例用于体现下颌结构的结构示意图。

图4是本实施例用于体现连接槽和腰型通槽的结构示意图。

图5是图1另一个方向视角的结构示意图。

图6是图5中a部分的局部放大示意图。

图7是本实施例用于体现升降架和悬吊架的结构示意图。

图中，1、安装架；11、双头伺服电机；111、第一牵拉绳；112、转动座；113、驱动杆；2、连接架；21、竖直转轴；211、水平轴；22、悬吊架；23、升降架；231、第二牵拉绳；232、牵拉弹簧；3、上颌架；4、下颌架；41、连轴；5、模具义齿；511、螺钉；6、咬合驱动装置；61、咬合驱动电机；611、丝杆；7、水平驱动装置；8、连接槽；81、腰型通槽；9、填充块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种仿生下颌运动咀嚼装置，包括安装架1、连接架2、悬吊架22、上颌架3和下颌架4及模具义齿5；所述安装架1前方设有上颌架3和下颌架4，所述的安装架1外周设有连接架2，在连接架2顶部安装有悬吊架22，所述的悬吊架22内设有升降架23，所述的升降架23连接咬合驱动电机61；所述的安装架1前方中部设有竖直转轴21，所述竖直转轴21向上贯穿连接架2并与悬吊架22底端固定连接，所述的竖直转轴21中部两侧对称的固定有水平轴211；所述的上颌架3和下颌架4相对放置，在上颌架3、下颌架4内安装模具义齿5；所述的上颌架3后部固定在安装架1上，两侧的水平轴211外端分别固定安装在下颌架4后部两端的内侧；所述的安装架1上安装有双头伺服电机11，双头伺服电机11左右两端分别通过一根第一牵拉绳111与下颌架4后部两端相连；所述的升降架23在水平方向的两端均固定连接有一根第二牵拉绳231，所述第二牵拉绳231向下延伸，分别通过牵拉弹簧232与下颌架4两侧相连。

所述的上颌架3包括前部中空的上颌壳，上颌壳后端连接竖直连接板，所述的竖直连接板顶端连接水平安装板，所述的水平安装板固定在安装架1上，所述的水平安装板中间开孔，用于穿过竖直转轴21；所述的下颌架4包括前部中空的下颌壳，下颌壳后端两侧凸起，凸起处开安装水平轴211。

所述的上颌壳与下颌壳的中空部分相对放置，在壳体间形成容纳模具义齿5的空间，所述的上颌壳与下颌壳的前端面均为圆弧面。

所述的咬合驱动电机61固定连接在悬吊架22顶端且位于升降架23的上方，所述咬合驱动电机61的电机轴沿竖直向下的方向延伸且同轴固定连接有丝杆611，所述的丝杆611贯穿升降架23且与升降架23螺纹配合，所述的丝杆611与悬吊架22底端转动连接，所述升降架23具有水平方向的两个侧翼，侧翼端部分别固定连接一根第二牵拉绳231。

所述的下颌架4左右两边下侧分别对称的设有连接轴，所述第二牵拉绳231远离升降架23的一端分别连接有牵拉弹簧232，所述牵拉弹簧232与下颌架4两侧的连接轴连接。

所述双头伺服电机11的电机轴两端上分别固定连接有垂直于双头伺服电机11电机轴的驱动杆113，两端的驱动杆113相互平行且延伸方向相反，驱动杆113远离双头伺服电机11电机轴的一端设有转动座112，转动座112的端部分别与一根第一牵拉绳111固定连接，两根第一牵拉绳111的长度相等，下颌架4外侧在与水平轴211相对的位置上均固定连接有连轴41，所述连轴41与第一牵拉绳111远离驱动杆113的一端固定连接。

所述的上颌架3和下颌架4内部均设有连接槽8，在连接槽8上安装模具义齿5；所述连接槽8的槽底开设有若干腰型通槽81，所述模具义齿5朝向连接槽8槽底的一侧开设有若干螺纹孔，所述腰型通槽81内设有若干与模具义齿5上螺纹孔相匹配的螺钉511。

所述的安装架1背部安装双头伺服电机11，所述的安装架1外周设有连接架2，所述的连接架2为框架结构，包括底座、左框架、右框架及顶部框架，在顶部框架上安装有悬吊架22，所述悬吊架22顶部安装有咬合驱动电机61，所述竖直转轴21向上贯穿连接架2的顶部框架并与悬吊架22底端固定连接。

所述牵拉弹簧232与第二牵拉绳231之间为可拆卸连接，且所述牵拉弹簧232与下颌架4之间为可拆卸连接，所述模具义齿5与连接槽8的槽壁之间为可拆卸连接。

所述下颌架4后部设有开槽，用于竖直转轴21穿过，竖直转轴21下端安装在的连接架2的底座上；所述义齿模具位于连接槽8内的一端具有填充块9。

实际实验过程中，通过设置水平轴211和竖直转轴21，使下颌架4可在竖直平面内的转动以完成咬合动作，并可在水平方向的平面内转动以完成上下义齿模具的摩擦动作，从而提升了对咀嚼动作的仿生模拟，使仿生咀嚼动作更符合人类咀嚼动作的运动模式以及生物力学的特征。

双头伺服电机11工作时，电机轴同步带动两端的驱动杆113做回转运动，通过设置向相反方向延伸的两驱动杆113，当一个驱动杆113随电机轴运动而向远离下颌架4的一侧运动时，该驱动杆113拉动第一牵拉绳111，同时，另一个驱动杆113向靠近下颌架4的位置运动，对相应的第一牵拉绳111进行放松，从而使下颌架4绕竖直转轴21转动，完成水平偏转的动作，当上下模具义齿5抵紧时，下颌架4水平偏转动作与固定设置的上颌架3配合完成模具义齿5之间的摩擦动作。

当咬合驱动电机61工作时，通过咬合驱动电机61重复正转与反转的操作，使与丝杆611相互配合的升降架23沿竖直方向往复运动，从而沿竖直方向拉动各个第二牵拉绳231，各个第二牵拉绳231分别对下颌进行牵拉，进而完成模具义齿5之间的咬合动作，并通过将悬吊架22转动连接在连接架2的顶端，并且竖直转轴21顶端与悬吊架22固定连接，使当下颌在水平驱动装置7的驱动下发生偏转时，悬吊架22随下颌同步发生偏转，减少水平驱动装置7和咬合驱动装置6的运动发生干涉的可能性。

通过设置牵拉弹簧232，在实验过程，通过咬合驱动装置6驱动下颌架4向靠近上颌的一端转动时，由第二牵拉绳231拉动牵拉弹簧232从而间接拉动下颌架4，当上颌架3和下颌架4上的模具义齿5抵触时，通过牵拉弹簧232模拟咬合肌逐渐增加咬合力以将食物咬碎的力学特征，从而使咬合过程的模拟更契合实际咬合的过程。

将牵拉弹簧232分别与第二牵拉绳231和下颌架4可拆卸连接，便于实验者根据需要更换具有不同弹力系数的弹簧，或者非弹性连接绳，以模拟不同咬合力的咀嚼过程。

所述上颌架3和下颌架4相对的一侧上设有连接槽8，所述模具义齿5伸入连接槽8中，且所述模具义齿5与连接槽8的槽壁可拆卸连接。

通过设置连接槽8和模具义齿5与连接槽8槽底的可拆卸连接，便于在实验过程中，实验者根据实验需要更换不同的模具义齿5，进一步提升了仿生咀嚼结构对实际咀嚼过程模拟的相似度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。