论文摘要
咀嚼模拟机器人通过模拟人类咀嚼运动可以辅助医生治疗下颌运动疾病，进行牙齿修复材料的检测，咬合力的测试和食品质地评估等。近年来，咀嚼模拟机器人从简单的开闭口运动发展到实现逼真的下颌运动。本文在前期工作中提出的基于四杆机构的咀嚼机构基础上，采用AutoCAD和SolidWorks2012软件对咀嚼模拟机器人进行结构设计和三维建模，并在SolidWorks2012的Simulation模块中对四杆机构及主要零部件进行静态分析，在RecurDyn多体系统分析软件中进行咀嚼模拟机器人运动仿真，并和咀嚼试验获得的咀嚼轨迹进行对比分析，为整机的结构改进提供技术参考。主要工作内容包括：1.咀嚼模拟机器人结构设计与三维建模通过分析咀嚼模拟机器人工作原理和结构，对四杆机构、减震器机构、上牙移动平台和锥齿轮传动机构等进行了结构设计和三维建模，采用自上而下相结合的方式完成对整机的装配，并在SolidWorks Motion2012中对装配体进行了装配干涉检验和模拟运动。2.咀嚼模拟机器人运动轨迹与咀嚼试验运动轨迹对比分析在RecurDyn多体系统分析软件中建立了三种地杆尺寸的咀嚼模拟机器人样机模型。通过运动仿真，获取装置牙齿支座底面中心点的运动轨迹，并将运动轨迹的位移、速度和加速度参数进行分析。通过对位移参数的分析，地杆尺寸为50mm时的模型运动轨迹开口角α为112°，闭口角β为46°，与咀嚼试验研磨阶段的运动参数基本吻合；地杆尺寸为38mm时的模型运动轨迹开口角α为105°，闭口角β为99°，轨迹夹角为6°，与咀嚼试验切碎阶段的运动参数基本吻合。通过对速度参数的分析，运动轨迹在不同地杆尺寸值时的速度变化范围包含不同阶段咀嚼试验中速度的变化范围，速度的变化趋势与咀嚼过程速度的变化规律相同。在加速度分析过程中，得到加速度的最大值位于运动轨迹最低点，最小值位于水平位置最左点，加速度的变化趋势为增大—减小—最小值—增大—最大值—减小。3.四杆机构有限元分析在SolidWorks2012的Simulation模块中对四杆机构进行有限元分析，定义四杆机构的材料为锻制不锈钢，在牙齿上添加150N的咬合力。通过运行分析，获得四杆机构在受到150N咬合力的作用下，最大位移变化量发生在牙齿支座的底端，位移变化为0.005mm，可以忽略不计，机构受力最大值发生在引导牙齿横向运动的轴与牙齿相交的部位，受力最大值为2.67MPa，在许用应力范围内，最大应变也发生在与最大应力值同一部位，最大应变值为9.06e×10-6，在极限值之内。通过分析，该四杆机构结构强度和刚度符合设计要求。