機器人化全口義齒排牙技術

第1章緒論/1
1.1醫用機器人的研究進展/1
1.2口腔修復機器人的國內外研究綜述/2
1.3機器人排牙的目的和意義/3
1.4機器人排牙的研究基礎和背景/4

第2章全口義齒排牙的口腔修復學基礎/6
2.1排牙原則/6
2.2牙齒的常規排列/7
2.2.1前牙的常規排列/7
2.2.2後牙的常規排列/8

2.3排牙順序/9
2.4牙的型號選擇/9
2.4.1前牙的選擇/9
2.4.2後牙的選擇/10

第3章排牙演算法/11
3.1散牙描述/11
3.2無牙頜弓及牙弓的數學模型/12
3.3人工牙列和無牙頜弓的曲線形狀適配方程/14
3.4牙在牙弓曲線上的位置計算/15
3.5散牙長方體在牙弓曲線上位置的調整/17
3.6排牙規則的實現/18

第4章三維互動式排牙及其軟件開發/22
4.1軟件的總體介紹/22
4.1.1開發環境和開發工具/22
4.1.2介面設計/23
4.1.3流程控制/24
4.1.4主要數據結構/25
4.1.5文件管理/26
4.2專家預排模塊/27
4.3模擬顯示和交互調整模塊/30
4.3.1計算機的圖形顯示/30
4.3.2弓形曲線的顯示和牙弓參數的調整/33
4.3.3義齒牙列的顯示和義齒位姿的調整/35

第5章採用CRS機器人實現全口義齒排牙/40
5.1全口義齒機器人製作系統總論/40
5.2系統軟件結構/41
5.3系統硬體結構/42
5.4部分硬體的設計製作/42
5.4.1專用電磁手爪的設計製作/42
5.4.2光纜線的結構設計製作及光源的改造/44
5.4.3工作檯及排牙盛膠托盤的設計及製作/45
5.4.4光敏材料的試驗/46

第6章CRS機器人的軌跡規劃及控制/47
6.1排牙器排牙法/47
6.2三維模擬排牙與機器人實際排牙的坐標變換關係/49
6.2.1義齒與定位過渡塊的位姿變換/49
6.2.2定位過渡塊位姿參數的計算/53
6.3RAPL機器人語言/55
6.4機器人工具末端的偏置量設置/56
6.5電磁手爪和光敏燈的控制/57
6.6機器人軌跡規劃/58
6.6.1機器人軌跡規劃的演算法/58
6.6.2機器人實際排牙的軌跡規劃/60
6.7機器人控制程式的編制/61

第7章CRS機器人系統的排牙實驗/64
7.1排牙實驗的意義和患者頜弓參數的測量/64
7.2機器人系統製作牙列/65
7.3手工製作牙列/66
7.4排牙實驗結果分析/68（HJ）（LM）

第8章用微型多指靈巧手排牙/69
8.1排牙多指手的結構參數優化設計/69
8.1.1目標函數的建立/69
8.1.2各目標函數的實現/71
8.1.3約束條件的建立及計算結果/74
8.2排牙多指手的運動學分析和工作空間/77
8.2.1三指靈巧手運動學分析/77
8.2.2三指靈巧手的工作空間/81
8.3排牙多指手的抓取規劃/83
8.3.1抓取模式的分類/83
8.3.2常見的接觸模型/85
8.3.3抓取映射/87
8.3.4力封閉抓取/88
8.4排牙多指手的三維建模及模擬/97
8.4.1Unigraphics簡介/97
8.4.2基於UG模擬分析的基本步驟/97
8.4.3基於UG機構建模/98
8.4.4運動學模擬分析/102

第9章採用多機器人操作機排牙/105
9.1採用多操作機的排牙系統方案/106
9.1.1單操作機排牙方案的分析/106
9.1.2多操作機排牙方案的分析/107
9.1.3系統搆成/108
9.1.4製作全口義齒的工作過程/109
9.2多操作機排牙機構的設計/110
9.2.1系統具體的結構設計/110
9.2.2自由度的分析/110
9.2.3關鍵元件的選取/111
9.2.4轉動機構的設計/113
9.2.5移動機構的設計/113
9.2.6元件的位置排放/117
9.3排牙機器人機構的三維設計/121
9.4排牙機器人的參數優化設計/123
9.4.1優化方法綜述/123
9.4.2優化模型的建立/123
9.4.3優化模型的計算/125
9.5多操作機排牙運動學及路徑規劃/133
9.5.1排牙機器人運動學問題分析/133
9.5.2排牙機器人運動學逆運算/134
9.6排牙機器人運動路徑控制/140
9.6.1路徑規劃和運動控制解決的問題/140
9.6.2直角坐標空間路徑規劃演算法/141
9.6.3二自由度機械臂的插補演算法/142
9.6.4排牙機器人的路徑控制/143

第10章包含14個獨立操作機的排牙機器人設計/146
10.1包含14個獨立操作機的排牙機器人系統的總體方案/146
10.1.1單機器人操作機方案分析/146
10.1.2包含14個獨立操作機的排牙機器人方案/147
10.2排牙機器人的機構設計/148
10.2.1環形軌道的設計/148
10.2.2位置機構的設計/149
10.2.3姿態機構的設計/152
10.3標準元件的選擇和連接/155
10.4機構校核/156
10.4.1前支杆的撓度計算/156
10.4.2z軸支架上的螺釘校核/157
10.5基於Pro/E的自動排牙機的三維設計/157
10.6排牙機器人設計過程分析/161
10.6.1多操作臂排牙機器人的工作過程/161
10.6.2機構設計的總體分析/161
10.6.3關於多操作臂排牙機器人的討論/162
參考文獻/164

前言

　　隨著科學技術的迅速發展和機器人技術的不斷進步，機器人的應用領域日益擴大。在傳統的工業製造領域成功應用後，機器人技術正向農業、國防、航空航太、水下、康復、醫療等其他各個領域飛速發展，其中的醫療機器人是目前機器人研究領域中最活躍、最有發展前景的方向之一。醫療機器人技術引起美、法、德、意、日等國家學術界的極大關注，自20世紀90年代起，國際先進機器人計劃(IARP)已召開過多屆醫療外科機器人研討會。在發達國家已經出現醫療外科手術機器人市場化妝品，並在臨床上開展了大量的病例應用研究。可以預見，在21世紀各種先進的機器人系統將會進入人類生活的各個領域，成為人類良好的助手和親密的朋友。

　　採用機器人技術實現全口義齒製作過程中的排牙操作是機器人在醫學領域的又一個全新應用。它將使定性的全口義齒修復理論提高到定量理論水準，同時也將帶動口腔修復學及相關基礎理論的定量化研究，提高口腔修復醫學的整體水準。這將徹底改變依靠醫生和技師個人經驗的傳統手工製作方式，使全口義齒的設計與製作達到規範化、標準化、自動化、工業化的水準，從而極大地提高其製作效率和質量。

　　本書主要講述機器人技術在口腔修復醫學上的應用，重點介紹CRS機器人全口義齒排牙、微型多指靈巧手排牙和多機器人操作機排牙三大部分內容。在介紹機器人排牙的目的和意義，以及口腔修復學理論的基礎上，重點講述了CRS機器人全口義齒排牙的機構設計、排牙軟件、排牙規劃及控制、系統的實際排牙實驗等。採用多指靈巧手實現人工牙的抓取和排列操作具有挑戰性，也具有非常廣闊的應用前景，本書對微型排牙多指手的結構參數優化設計、抓取規劃、三維運動模擬等方面進行了詳細的介紹。採用多操作機排牙是一個更加新穎的領域，這種方法將解決採用單個機器人排牙所無法解決的排牙過程中的瓶頸問題，具有很重要的研究意義。本書對多操作機排牙方案的確定、排牙機器人的機構設計、參數優化設計、排牙機器人的運動學以及路徑規劃和路徑控制等內容進行了全面闡述。

　　作者自1999年以來，一直從事排牙機器人的研究工作。負責和參與完成了排牙機器人相關的國家863計劃、黑龍江省科技攻關計劃和黑龍江省教育廳等多項課題，目前正在承擔國家自然基金和哈爾濱市留學基金課題的研究工作。先後發表了20餘篇有關機器人排牙技術的學術論文。本書的內容是作者和同事們近年來在機器人排牙領域的最新研究成果。

　　本書可供從事口腔修復醫學、機器人技術、生物醫學工程、機械電子工程的醫生、技師、教師、工程師和研究生等專業人士閱讀和參考。

　　本書所介紹的部分內容是與北京大學口腔醫學院合作研究的成果，北京理工大學的研究生宋如傑、李冰和哈爾濱理工大學的研究生於爽、趙燕江、胡騰飛、王海英、黃繼峰等同學參與了課題的研究工作。在本書的出版過程中，還得到了呂培軍教授、董玉紅教授、王勇工程師和哈爾濱理工大學的同事們的大力支持和協助。

　　衷心感謝對本書的出版做出貢獻的同事、朋友和研究生同學們！

作者
於哈爾濱