一种仿真口腔加工机器人及其控制方法与流程

本发明属于体外消化仿真领域，具体而言，本发明涉及一种仿真口腔加工机器人及其控制方法。

背景技术

传统体外消化实验忽略了口腔在消化食物过程中的重要性，往往使用简单的切割和搅拌来打碎食物，而人的咀嚼是一个复杂的过程，其主要作用：将食物自身结构分割和研磨成小颗粒，并加入唾液使其软化形成可吞咽的食糜。食物在口腔加工过程中的结构产生了巨大的变化，产生颗粒的大小及分布直接影响了酶解反应速率、胃清空速率甚至是血糖的变化。所以单纯的将食物机械地打磨成统一大小的颗粒，将严重制约了现有常规的体外模拟系统对食物真实消化过程和预测其血糖值的能力。

技术实现要素：

因此，本发明所解决的技术问题在于：革新传统体外口腔加工的方法，使其更加贴近真实的人体咀嚼过程，从而更加准确的利用体外消化系统模拟人体消化和测量食物的消化吸收过程。因此，本发明提供了一种仿真口腔加工机器人及其控制方法。

一方面，本发明提供了一种仿真口腔加工机器人，所述机器人包括一支座、控制器、仿真人体上颚和仿真人体下颚，所述仿真人体上颚与设置于所述支座上的第一驱动装置固定连接，所述仿真人体下颚与设置于所述支座上的第二驱动装置固定连接，所述控制器分别与所述的第一驱动装置、第二驱动装置电性连接，用于程序控制所述第一驱动装置和第二驱动装置的协同动作；所述第一驱动装置用于驱动所述仿真人体上颚做直线往复研磨运动，所述第二驱动装置用于驱动所述仿真人体下颚做旋转运动，控制所述仿真人体下颚与仿真人体上颚间的开合。

所述第一驱动装置为一线性致动器，所述线性致动器上设置一滑台，所述仿真人体上颚设置于所述滑台上，所述控制器驱动所述线性致动器动作时，所述滑台带动所述仿真人体上颚作线性研磨运动。

所述第二驱动装置为一旋转致动器，所述旋转致动器的驱动轴上设置一旋转支架，所述仿真人体下颚固定于所述旋转支架上；启动所述旋转致动器时，所述旋转致动器的驱动轴带动旋转支架旋转，并驱动所述仿真人体下颚与所述仿真人体上颚实现开合动作。

所述第一驱动装置的研磨区间为0～7mm，其研磨速度为0～10mm/s。

所述第二驱动装置的旋转开合角度为0～10°，其旋转开合角速度为0～10°/s。

另一方面，本发明还提供了一种仿真口腔加工机器人的控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

步骤一，设定控制器执行参数；

步骤二，驱动第二驱动装置，使仿真人体下颚向着仿真人体上颚方向旋转，直至仿真人体上颚与仿真人体下颚处于咬合状态；

步骤三，控制第二驱动装置停止旋转动作；

步骤四，驱动第一驱动装置，使其带动仿真人体上颚作一个往复线性研磨动作；

步骤五，控制第一驱动装置停止线性研磨动作；

步骤六，驱动第二驱动装置，使仿真人体下颚向着远离仿真人体上颚的方向旋转，直至仿真人体上颚与仿真人体下颚处于打开状态；

重复步骤二至步骤六，直至完成一个系列指定次数的咀嚼动作。

所述步骤一中的设定控制器执行参数，具体包括：第一驱动装置线性研磨区间及其研磨速度的参数设定，和第二驱动装置旋转开合角度和旋转开合角速度的参数设定。

或优选地，本发明还提供了一种仿真口腔加工机器人的控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

步骤一，设定控制器执行参数；

步骤二，驱动第二驱动装置，使仿真人体下颚向着仿真人体上颚方向旋转，直至仿真人体上颚与仿真人体下颚处于咬合状态并达到控制器所设定的咬合力矩阈值；

步骤三，第二驱动装置在检测到咬合力矩阈值后自动停止旋转动作；

步骤四，驱动第一驱动装置，使其带动仿真人体上颚作一个往复线性研磨动作；

步骤五，控制第一驱动装置停止线性研磨动作；

步骤六，驱动第二驱动装置，使仿真人体下颚向着远离仿真人体上颚的方向旋转，直至仿真人体上颚与仿真人体下颚处于打开状态；

重复步骤二至步骤六，直至完成一个系列指定次数的咀嚼动作。

所述步骤一中的设定控制器执行参数，具体包括：第一驱动装置线性研磨区间及其研磨速度的参数设定及仿真人体上颚与仿真人体下颚间咬合力矩阈值的设定。

本发明技术方案，具有如下优点：

a.本发明通过第一驱动装置控制仿真人体上颚，实现防真人体上颚进行的研磨动作，采用第二驱动装置控制仿真人体下颚，实现对仿真人体下颚的旋转动作，目的是实现与仿真人体上颚的开合动作，第一驱动装置和第二驱动装置在控制器的程序控制下，第一驱动装置和第二驱动装置之间的相对运动仿照人体咀嚼时的下颚动作，实现了高度仿真人体在咀嚼时的咀嚼动作，准确模拟食物在口腔加工中的过程，为利用体外消化系统模拟人体消化和测量食物的消化吸收提供准确数据。

b.本发明将下颚的运动分解到上颚和下颚两个部分，简化了设计的繁复性，并提高了机器人的可控性，可动态模拟人体咀嚼过程随时间的变化，为之后选取不同咀嚼程度的食糜提供可能。

c.本发明通过控制器可以设定仿真人体上颚和仿真人体下颚的咬合力矩阈值，可以针对不同的食物进行咬合力矩的设定，根据食物的大小可以控制仿真人体下颚的开合角度，适应性强，具有可程序控制的研磨区间和研磨速度，可对食物进行不同研磨强度和切割力度的试验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的仿真空腔加工机器人整体结构主视图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的左视图；

图4为本发明控制上颚和下颚的运动轨迹逐步参数设置流程图；

图5为本发明所提供的上颚与下颚咬合力矩限定控制流程图。

图中：1-支座；2-仿真人体上颚；3-仿真人体下颚；4-第一驱动装置；5-第二驱动装置；6-滑台；7-旋转支架。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，本发明提供了一种仿真口腔加工机器人，包括一支座1、控制器及仿真人体上颚2和仿真人体下颚3，仿真人体上颚2与设置于支座1上的第一驱动装置4固定连接，仿真人体下颚3与设置于支座1上的第二驱动装置5固定连接，控制器分别与第一驱动装置4、第二驱动装置5电性连接，用于程序控制第一驱动装置4和第二驱动装置5的协同动作；第一驱动装置4用于驱动仿真人体上颚2做直线往复研磨运动，第二驱动装置5用于驱动仿真人体下颚3做旋转运动，控制仿真人体下颚3与仿真人体上颚2间的开合。本发明通过第一驱动装置4来控制仿真人体上颚2进行直线往复运动，实现对仿真人体上颚2的研磨动作，而采用第二驱动装置5控制仿真人体下颚3，实现对仿真人体下颚3的旋转动作，通过控制第二驱动装置5旋转可以实现仿真人体下颚3的开合。第一驱动装置4和第二驱动装置5在控制器的程序控制下，实现了高度仿真人体在咀嚼时的咀嚼动作，准确模拟食物在口腔加工中的过程，为利用体外消化系统模拟人体消化和测量食物的消化吸收提供准确数据。

本发明中的第一驱动装置4优选采用线性致动器，在线性致动器上设置一滑台6，仿真人体上颚2设置于滑台6上，控制器驱动线性致动器动作时，滑台6带动仿真人体上颚2作线性研磨运动。可以通过控制器所预先设定的参数，来控制第一驱动装置4的研磨区间和研磨速度，本发明优选的研磨区间设定为0-7mm，研磨速度优选为0～10mm/s。这里的线性驱动器为现有技术，采用orientalmotor公司生产的ezsm6d010azac致动器，其运动范围和运动速度参考人真实咀嚼时的上颚运动参数。

另外，第二驱动装置5采用旋转致动器，旋转致动器的驱动轴上设置一旋转支架7，仿真人体下颚3固定于旋转支架7上；启动旋转致动器时，旋转致动器的驱动轴带动旋转支架7旋转，并驱动仿真人体下颚3与仿真人体上颚2实现开合动作。本发明通过控制器程序控制第二驱动装置5的旋转开合角度为0～10°，其旋转开合角速度为0～10°/s，可以根据不同的试验食物种类在控制器中进行参数预先设定。旋转致动器采用orientalmotor公司生产的azm66ac-hs100旋转致动器，此运动角度和运动角速度的参数需参考人真实咀嚼时的下颚运动参数。

通过图4和图5具体描述仿真口腔加工机器人的控制的两种方法，第一种方法具体包括如下步骤：

步骤一，设定控制器执行参数；

这里的执行参数包括第一驱动装置研磨区间及研磨速度的设定，及第二驱动装置旋转开合角度和开合角度的设定。可根据不同的试验材料在控制器中进行提前设定，高度仿真人的咀嚼动作。

步骤二，驱动第二驱动装置，使仿真人体下颚向着仿真人体上颚方向旋转，直至仿真人体上颚与仿真人体下颚处于咬合状态；

步骤三，控制第二驱动装置停止旋转动作；

步骤四，驱动第一驱动装置，使其带动仿真人体上颚作一个往复线性研磨动作；

步骤五，控制第一驱动装置停止线性研磨动作；

步骤六，驱动第二驱动装置，使仿真人体下颚向着远离仿真人体上颚的方向旋转，直至仿真人体上颚与仿真人体下颚处于打开状态；

重复步骤二至步骤六，直至完成一个系列指定次数的咀嚼动作。

第二种方法的具体包括如下步骤：

步骤一，设定控制器执行参数；

这里的执行参数包括第一驱动装置线性研磨区间及其研磨速度的参数设定和第二驱动装置旋转开合角度，旋转开合角速度以及咬合力矩阈值的参数设定。

步骤二，驱动第二驱动装置使仿真人体下颚向着仿真人体上颚方向旋转，直至仿真人体上颚与仿真人体下颚处于咬合状态并达到咬合力矩阈值；

步骤三，第二驱动装置在检测到咬合力矩阈值后自动停止旋转动作；

步骤四，驱动第一驱动装置，使其带动仿真人体上颚作一个往复线性研磨动作；

步骤五，控制第一驱动装置停止线性研磨动作；

步骤六，驱动第二驱动装置，使仿真人体下颚向着远离仿真人体上颚的方向旋转，直至仿真人体上颚与仿真人体下颚处于打开状态；

重复步骤二至步骤六，直至完成一个系列指定次数的咀嚼动作。

在仿真口腔加工机器人中优选采用如下两种参数设置方式，逐步参数设置和咬合力矩参数设置，下面分别通过实施例1和实施例2进行描述。

实施例1

如图4所示，线性致动器和旋转致动器的运动参数被分别在控制器中设定并保证其之间的配合。

1、线性致动器等待1秒钟，旋转致动器以10°/s的旋转角速度进行旋转10°，至下颚关闭咬合食物；

2、旋转致动器等待1.3s；

3、启动线性致动器，使其单方向移动6.5mm，研磨速度为10mm/s；

4、启动线性致动器反方向进行研磨6.5mm，研磨速度为研磨速度为10mm/s；

5、旋转致动器打开至张开状态，重复上述步骤，直至完成控制器所指定次数的咀嚼动作。

上述线性致动器和旋转致动器的等待时间可以在控制器中设定。

实施例2

如图5所示，仿真上下颚间的制动配合通过咬合力矩进行限定控制。

1、线性致动器等待1秒钟，旋转致动器以10°/s的旋转角速度进行旋转，至下颚关闭咬合食物；

2、当仿真上下颚间所形成的咬合力矩达到指定力度时，旋转致动器等待，这里的指定咬合力矩的大小可以通过控制器进行设定，通过旋转致动器进行检测；

这里的咬合力矩通过测试人体真实咀嚼力度来获得，具体来说，使用肌电仪测试人体咀嚼过程中的咬合力，并对数据加以选择(例如取平均值，选择老年人咀嚼力度等等)，在控制器上设置相应控制数值。

3、启动线性致动器，使其一次往复滑动6.5mm，研磨速度为10mm/s；

4、旋转致动器打开至张开状态，重复上述步骤，直至完成控制器所指定次数的咀嚼动作。

当仿真上下颚之间关闭并逐渐咬紧食物时，旋转致动器所受力矩会逐渐增加，当力矩增大到所设定的数值时，仿真人体下颚的咬合动作停止，这时通过仿真人体上颚水平方向的研磨来撕扯开面包的结构已达到咀嚼的作用。

通过在控制器中对咬合力矩的数值进行设定，可以对不同年龄段的口腔加工过程开展咀嚼试验研究，其适应性更广。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。