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下颌开闭口康复机器人的设计

更新时间:2009-03-28

下颌骨的无障碍运动使得人类可以自由地进行吞咽、歌唱、交流以及打鼾等动作,颞下颌关节紊乱综合征(TMD)是下颌运动障碍的多发疾病,已被WHO列为影响人类健康的第4位口腔流行病[1-2]。颞下颌关节紊乱综合征使患者日常的咀嚼、言谈等方面造成了困难,给患者的生活带来了很大影响。针对这一问题,该项研究提出了一种用于颞下颌关节紊乱综合征患者开闭口方向康复训练的新型机器人。

1下颌开闭口运动轨迹描记

应用下颌运动轨迹描记仪对下颌开闭口运动轨迹进行描记,作为开闭口康复训练机器人设计的医学理论基础。下颌运动轨迹描记仪由磁钢、磁敏传感器及显示装置组成[3],磁钢与下颌中切牙唇侧固连,磁敏传感器将磁钢得到的磁场变化信号转换成电信号,再经由示波器的放大装置将电信号显示在屏幕上,显示屏显示的曲线即为下颌开闭口运动轨迹。

下颌开闭口方向运动过程可以分为切碎、研磨2个阶段,所以下颌开闭口运动的运动轨迹可以分为2种:其一为切碎阶段轨迹,如图1所示;其二为研磨阶段轨迹,轨迹图类似水滴形状,如图2所示。

  

图1 下颌切碎阶段运动轨迹

  

图2 下颌研磨阶段运动轨迹

下颌切碎运动阶段和研磨运动阶段相关参数,如表1所示。

 

1 下颌切碎运动阶段和研磨运动阶段相关参数

  

开口相/s闭口相/s咬合口相/s咀嚼周期/s最大垂直开口距离/mm最大水平开口距离/mm切碎过程0.3220.3230.2620.907353.5研磨过程0.2680.2870.2400.1852812

2 开闭口康复机器人的设计

2.1 开闭口康复机器人的设计要求

患者病情以及康复需求的互异导致开闭口康复训练行程需因人而异,故开闭口康复训练机器人的康复训练行程应具有可调节性,行程的可调是一种实现机构柔顺运动的方法,并且符合现代机械发展趋势[4]。开闭口康复训练机器人直接作用于患者下颌,康复训练过程中应保证患者的安全性以及康复的有效性,即康复训练机器人的运动需要遵循一定运动规律,又考虑到下颌运动轨迹较为复杂,可以认为是有多条不同种的曲线组合而成的密闭曲线,为了满足以上要求,故选择能完成相对比较复杂的轨迹曲线的五杆机构和螺旋机构串联而成。

下颌康复机器人的工作对象是人体下颌,下颌的安全性必须得到保障,因此,在选择伺服电机的过程中必须选择具有较高安全储备系数的伺服电机,同时要求所选择的伺服电机的转速也要符合康复训练中所需的转速要求。

2.2 五杆机构的设计

经医学解刨研究得知,下颌角是下颌体与下颌支效果处所形成的角状结构,正常的下颌角的角度是120°。下颌支或称下颌升支为几乎垂直的长方形骨板,可分为嚎突、髓突及内外两面,下颌支高度平均值为63.9 mm,下颌体平均长度为72.6 mm,在做下颌康复时,为了防止人与康复机器人之间发生接触,出于安全性考虑与下颌体连接处增加50 mm的增量。颞下颌关节是一个在可移动基底上的关节,张嘴发生在下关节腔内的下颌头的旋转,随之关节盘与下颌头一起在上关节腔向前移位,到关节结节的下方,综合考虑选取髁状突前伸的角度约37°,前伸的长度为8 mm,同时考虑到在做康复训练时人体面部不能与康复机器人发生碰撞,增加23°倾角也确保人体的安全,五杆机构的结构简图如图3所示,A点为下颌切碎阶段和下颌研磨阶段康复训练的2条轨迹。

患者的康复训练依靠开闭口康复训练机器人进行,故开闭口康复训练机器人的运动位移应小于正常无症状受试者边缘运动的极限位移,故选择下颌开闭口方向康复训练机器人运动位移分别为切碎阶段32.5 mm和研磨阶段23.472 mm。

  

图3 五杆机构简图

2.3 电机和螺旋传动机构的设计

常见的驱动方式包括:液压驱动、气压驱动以及电机驱动[5]。下颌开闭口方向康复机器人是针对那些颞下颌关节紊乱综合征患者设计的,患者颞下颌运动障碍的程度不同和个体差异等特征,要求下颌康复机器人需要有不同的康复速度,又要求该种机器人具有污染小、响应迅速等特点,故选取伺服电机作为机器人的源动力。

伺服电机驱动螺旋机构,由螺旋机构将力通过连杆传递给下颌,下颌开闭口方向运动的主要作用肌为咬肌,咬肌竖直方向最大肌力[6]

刚才,留在家里的唐雯多少有点失落。还好,张仲平很快返身上了楼,一边搂着她一边说了祝贺的话,她的一颗心这才放回原处。张仲平提醒她中午十二点半在枫叶咖啡厅共进午餐,让她千万别忘了。

前伸运动主要靠的是颞肌,最大前伸方向肌力:

2号滑块除了传动的同时还启动支撑的作用,其总机械效率低,故电机最大功率:

1号滑块平均速度:

第四,当前社会信息化的程度越来越高,各种信息的传播速度越来越快,加之社会大众、新闻媒体对案件侦查的“热心”,这种“热心”往往会增加侦查决策时的压力。

 

(1)

(3)加大科技运用,确保“人证对照”的快速实现。充分利用邮轮本身在登船口安置的门禁体系。与船方做好充分的沟通,由船方做好旅客照片采集工作,并将旅客房卡号、采集的照片和旅客证件一一对应编码,保证录入编码后,即可取得与证件相对应的该名旅客登船时采集的照片。随船办理检查手续时,检查员利用3M机采集旅客生物信息,并在采集项目中增加“房卡号”一项,履行查验、盖章等手续。邮轮停泊后,乘客便可下船。乘客下船时,检查员在计算机中输入乘客提供的“房卡号”,即可立即调出旅客的生物信息,在极短的时间内就可完成人证对照。

考虑到康复训练的安全性,下颌开闭口方向运动的康复训练对下颌的作用力大小:

2号滑块平均速度:

(2)

侧重于具体的文体研究的论文有:江西上饶师范学院王顺贵教授的《宋诗选本<凡例>、<跋>研究》高度重视容易为人们忽略的选本的《凡例》和《跋》这两种文体,在总结了选本的凡例反映编选者个人诗学蕲尚和诗学观这一作用后,特别指出并非所有选本凡例都能比较完整地反映选编者的意图和诗学观;论证选本的跋的作用一是用来叙述选本的编撰、刊行和流传情况,二是对序言和凡例中未能言及的情况的补充。

为了降低系统的成本,2个伺服电机选用同一种型号,选择FAULHABER公司的型号为2036U024B伺服电机,输出轴Φ=2 mm,L=5.2 mm,质量M=50 g,FAULHABER提供的伺服电机参数如表2所示。同时配合使用FAULHABER公司生产的型号为20/1的行星减速器。

喷头是水射流的发生元件,是高压水射流切割、除锈除磷的执行元件;主要功能是将高压水中的压力能转化为动能,使磨料粒子获得较高的速度与良好的射流特性。圆形喷嘴射流聚集能量较好,射流打击力大,且加工简单,所以采用圆形喷嘴对线材表面进行处理效果更好。喷头的结构示意图如图3所示。

2个螺旋机构都选择滑动螺旋,1号螺旋选择单线梯形螺纹Tr 124,2号螺旋选择单线梯形螺纹Tr 144。

萍萍给他取的绰号是从“心肝”开始的,接下去有“宝贝”,“王子”,“骑士”,“马儿”,这是比较优雅的,往后就是食物了,全是“卷心菜”,“豆干”,“泥肠”,“土豆”之类的,还有我们都听不明白的“气势汹汹”和“垂头丧气”。

 

2 2036U024B伺服电机参数

  

项目名称参数值额定电压/V24电机转速/rpm49000功率/W19最大效率/%69

3 开闭口康复机器人的设计

采用CREO软件画出开闭口康复训练机器人三维实体图,如图4所示。将三维图输入ADAMS软件中进行仿真,用以验证所设计机构的可行性。分别将切碎阶段轨迹和研末阶段轨迹输入ADMAS软件中对五杆机构进行仿真。

  

图4 开闭口方向康复机器人CREO图

下颌上下运动一次为一个周期,Xu WL等人通过实验得到正常人咀嚼率为每分钟60~120次[7],为了保证下颌康复的有效性以及安全性,开闭口方向康复训练时间不宜过短,但考虑到患者康复训练时的心理因素,又不宜采用过长的康复训练时间,选取切碎阶段康复训练周期T=5.6 s,正中牙合位接触点A在下颌切碎运动阶段的位移、速度、加速度曲线,如图5~图7所示。

  

图5 下颌切碎运动阶段A点的位移关系图

  

图6 下颌切碎运动阶段A点的速度关系图

  

图7 下颌切碎运动阶段A点的加速度关系图

研磨阶段康复训练周期T=5.21 s,在下颌研磨运动阶段A点的位移、速度、加速度曲线,如图8~图10所示。

  

图8 下颌研磨运动阶段A点的位移关系图

  

图9 研磨运动阶段A点的速度关系图

  

图10 研磨运动阶段A点的加速度关系图

由图8~图10得知,下颌开闭口机构在切碎运动阶段A点的速度极值V=0.028 m/s,加速度的极值a=0.052 m/s,做研磨运动阶段A点的速度极值V=0.018 m/s,加速的极值a=0.026 m/s,速度极值和加速度极值都在人体下颌所能承受的范围内,故所设计的开闭口康复机构方案合理。

4 结论

(1)使用下颌运动轨迹描记仪对下颌运动轨迹进行了描记,得到2条运动轨迹曲线:第1条为下颌开闭口运动过程中切碎阶段运动轨迹曲线,其形状类似于一条细长的水蛭。该轨迹曲线在竖直方向上的最大位移为,在水平方向上位最大移范围为;第2条为开闭口运动过程中研磨阶段运动轨迹曲线,其形状类似水滴状。该曲线在竖直方向上最大位移为,在水平方向上最大位移为。

(2)对下颌开闭口康复机器人整体结构的方案进行了设计。采用五杆机构作为康复机器人的基本机构,选定了FAULHABER公司生产的型号为2036U024B的伺服电机,并选择了型号为20/1行星减速器与所选伺服电机配套使用。(3)用CREO软件画出下颌康复机器人实体三维图,通过ADAMS软件对实体三维图进行运动仿真,验证了所设计的下颌康复机器人能够实现下颌康复运动,验证了所设计机器人的合理性。

(2)计算机网络教学重点不适应社会发展的需求。当前,很多高校把理论知识的完整性和系统性作为教学的重点,未充分考虑企业对人才知识的需求。因此,才出现在毕业生就业前后进行“二次教育”的社会现象,这也充分地说明了高校理论和实践教育不适应社会发展的问题。

参考文献

[1] 黄家珍. 颞下颌关节紊乱综合征中医治疗研究进展[J]. 中国科技信息. 2012,13(13):136-136.

[2] 季尚华. 颞下颌关节紊乱病的流行病学调查及其治疗的研究[D]. 青岛:青岛大学,2003.

[3] 马达,唐亮,唐昭,等. 下颌运动轨迹的描记在口腔修复中的运用(综述)[J]. 暨南大学学报(自然科学与医学版). 2002,23(2):84-87.

[4] 吕仲文. 机械创新设计[M]. 北京:机械工业出版社,2004.

[5] 崔冰艳,梁霞,李占贤,等.2_URS_UPS下肢康复机器人的设计与仿真[J].机械传动. 2014,8(08):96-99.

[6] 宋佳. 仿下颌运动并联机器人的性能分析与参数优化[D]. 大连:大连理工大学,2013.

[7] 林宝山,姜婷,孔宁华. 冷热循环机械载荷咀嚼模拟疲劳试验机的研制及标定[J]. 北京口腔医学, 2006,14(2):23-25.

 
刘艳绰,程秀芳
《华北理工大学学报(自然科学版)》2018年第02期文献

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