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基于冗余驱动咀嚼机器人技术的义齿磨损性能测试研究

一、绪论

1.1研究背景与意义

随着人口老龄化的加剧以及人们对口腔健康重视程度的提高，义齿修复作为解决牙齿缺失问题的重要手段，在临床中的应用越来越广泛。义齿在长期使用过程中，由于受到咀嚼力、食物摩擦以及口腔环境等多种因素的作用，不可避免地会发生磨损。义齿磨损不仅会导致义齿的形态和尺寸发生改变，影响其美观性和舒适度，还会降低义齿的咀嚼效率，进而影响患者的消化功能和营养摄入。严重的义齿磨损甚至可能导致口腔黏膜损伤、溃疡，增加口腔疾病的发生风险，如牙周炎、口腔癌等，对患者的口腔健康和全身健康造成严重威胁。例如，不合适的假牙反复刺激口腔黏膜，可能引发口腔溃疡，长期不愈则可能恶化为口腔癌，像武汉的胡婆婆和张女士，就因假牙磨损问题导致口腔健康出现严重状况。

目前，义齿的设计和制造主要依赖于临床经验和传统的测试方法，对于义齿在实际使用过程中的磨损性能缺乏深入的了解和准确的预测。因此，开展义齿磨损性能测试研究，揭示义齿磨损的机制和规律，对于优化义齿的设计和制造工艺，提高义齿的质量和使用寿命，保障患者的口腔健康具有重要的理论意义和实际应用价值。

咀嚼机器人作为一种能够模拟人类咀嚼运动的设备，可以在实验室条件下对义齿的磨损性能进行精确测试和分析。通过对咀嚼机器人的运动参数、力学特性以及口腔环境等因素进行精确控制和模拟，可以更加真实地再现义齿在口腔中的实际使用情况，为义齿磨损性能测试提供了一种有效的手段。同时，冗余驱动技术的应用可以提高咀嚼机器人的运动精度、承载能力和可靠性，使其能够更好地满足义齿磨损性能测试的要求。因此，研究基于冗余驱动的咀嚼机器人技术，对于推动义齿磨损性能测试技术的发展，提高义齿修复的质量和效果具有重要的意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1义齿磨损性能测试方法研究现状

目前，义齿磨损性能测试方法主要包括实验室模拟测试和临床观察测试。实验室模拟测试是在实验室环境下，利用各种磨损测试设备模拟义齿在口腔中的咀嚼运动和受力情况，对义齿的磨损性能进行测试和分析。常用的实验室模拟测试方法有循环研磨法、循环磨损法、穿孔磨损法等。循环研磨法是将陶瓷义齿与对磨材料在特定条件下进行摩擦，通过测量磨损量来评价耐磨性；循环磨损法是模拟口腔环境，将陶瓷义齿在特定的温度、湿度、pH值条件下进行磨损测试；穿孔磨损法是通过测量陶瓷义齿在特定条件下发生穿孔的时间来评价其耐磨性。实验室模拟测试具有测试条件可控、测试结果重复性好等优点，但由于其难以完全模拟口腔的复杂环境和个体差异，测试结果与实际情况可能存在一定的偏差。

临床观察测试是通过对患者佩戴义齿后的使用情况进行长期观察和记录，来评价义齿的磨损性能。临床观察测试能够真实反映义齿在实际使用中的磨损情况，但由于受到患者个体差异、口腔环境、使用习惯等多种因素的影响，测试结果的主观性较强，且测试周期长，成本高，难以进行大规模的研究。

1.2.2咀嚼机器人研究现状

咀嚼机器人的研究始于20世纪末，国外在这方面的研究起步较早，取得了一系列的研究成果。美国、日本、德国等国家的科研机构和高校先后研制出了多种类型的咀嚼机器人，如美国密西根大学研制的具有6个自由度的咀嚼机器人，能够模拟人类的咀嚼运动，对食物的咀嚼过程进行研究；日本东京工业大学研制的咀嚼机器人，采用了并联机构，具有较高的运动精度和承载能力，可用于义齿磨损性能测试等。这些咀嚼机器人在结构设计、运动控制、传感技术等方面不断创新和改进，逐渐向智能化、仿生化方向发展。

国内对咀嚼机器人的研究相对较晚，但近年来也取得了显著的进展。大连理工大学、燕山大学等高校在咀嚼机器人的研究方面开展了大量工作，研制出了多种具有自主知识产权的咀嚼机器人。例如，大连理工大学研制的基于6PUS-2HKP空间冗余驱动并联仿生咀嚼机器人，设计了可安装牙模的仿生上颌、下颌结构，能够实现高仿生的咀嚼运动，为义齿性能测试提供了有力的工具。国内的咀嚼机器人研究在借鉴国外先进技术的基础上，结合国内的实际需求和应用场景，注重创新和实用性，在某些方面已达到国际先进水平。

1.2.3咀嚼运动规划方法研究现状

现有的咀嚼运动规划算法主要包括基于轨迹跟踪的方法和基于生物力学模型的方法。基于轨迹跟踪的方法是通过测量人类咀嚼运动的轨迹，然后利用机器人运动学和动力学原理，将该轨迹转化为机器人的控制指令，使机器人能够跟踪该轨迹进行咀嚼运动。这种方法的优点是实现简单，易于控制，但由于人类咀嚼运动的复杂性和个体差异，很难精确地获取和复现真实的咀嚼运动轨迹，导致机器人的咀嚼运动仿生性不足。

基于生物力学模型的方法是通过建立口腔生物力学模型，考虑颞下颌关节的运动机理、咀嚼肌肉的力学特性以及牙齿的咬合关系等因素，对咀嚼运动进行模拟和规划。例如，一种基于颞