一種基于氣動人工肌肉的下頜咀嚼機器人的制作方法

本發明涉及仿生機器人領域，更具體的說是涉及一種基于氣動人工肌肉的下頜咀嚼機器人。

背景技術：

咀嚼是咀嚼肌群依次收縮所組成的復雜的反射性活動。咀嚼肌的收縮使下頜向上下、左右及前方運動,這樣上下牙列相互接觸,將大塊的食物切割、磨碎。頰肌和舌肌的收縮可將食物置于上下牙列之間,便于咀嚼。再加上舌的攪拌,食物與唾液充分混合,形成食團,便于吞咽,且有利于化學性消化的進行。咀嚼機器人是一類可以模擬人類咀嚼行為的機器人。它可以真實地復現人類的咀嚼動作并采集分析咀嚼的信息,包括咀嚼力、速度、振動等內容。咀嚼機器人是集軌跡規劃、感知系統、實時控制系統及生物模擬于一體的綜合仿生機器人系統,廣泛應用于牙科訓練、食品評估、語言醫療等領域。

隨著技術發展的越來越快，目前研究者們對機器人關節所應具有的運動柔順性的要求越來越高，隨之出現了很多增強關節柔順性的設計，包括由彈簧為主要部件設計的柔順性關節、由球齒輪相互嚙合而設計的柔順性關節、根據萬向節而設計的柔順性關節、以橡膠作為彈性材料而設計的柔順性關節等。除了在關節的結構形式上的創新來增強關節的柔順性以外，研究者們還通過采取不同的驅動形式來進一步增強關節的柔順性，因為以傳統的電機驅動與純剛性桿件組合的機構不具備柔順性，所以近年來國內外已出現了很多具有柔順性的驅動方式，柔索式驅動、特殊功能材料驅動等。雖然依目前的科技水平無法完全達到生物體所具有的柔性軀體構型，但能在最大程度上模擬和逼近生物的結構和運動特性一直是國內外研究人員的追求目標。咀嚼機器人近年來飛速發展，國內大連理工大學、吉林大學、江南大學在咀嚼機器人方面做出巨大努力也取得了一定成就。

專利申請號為CN201310602874.X的發明專利公布了“一種具有仿生顳下頜關節的冗余驅動咀嚼機器人”，該冗余驅動咀嚼機器人通過伺服驅動實現機器人在三維空間的運動，模擬人類下頜的運動和生物力學特征。所述機械本體結構包括1:1顱骨模型、上頜靜平臺、仿生顳下頜關節、六組驅動裝置、六條PUS支鏈和下頜動平臺。所述1:1顱骨模型，是以健康成年人顱骨的CT掃描實驗結果為依據加工的，包括上頜骨模型和下頜骨模型。所述上頜骨模型和下頜骨模型通過內六角螺栓分別固定在上頜靜平臺和下頜動平臺上。所述上頜靜平臺，包括下支撐板、上支撐板、六根等長立柱、上頜骨模型安裝座。下支撐板通過地腳螺栓固定在實驗平臺上。六根等長立柱兩端分別與下支撐板和上支撐板通過內六角螺釘固定連接。六根等 長立柱的安裝位置根據咀嚼肌肉與上頜骨的連接位置確定，并通過銷連接精確定位。所述上頜骨模型安裝座由豎直板一、豎直板二、水平板、上彎板組成，通過內六角螺釘固定在上支撐板上，用于支撐上頜骨模型。上頜靜平臺可承載整個機器人的重量。所述仿生顳下頜關節，采用的是一種點接觸高副結構，包括關節面安裝板、兩個仿生關節面、兩個仿生髁狀突。所述關節面安裝板通過內六角螺釘固定在上頜骨模型安裝座中的水平板上。所述兩個仿生關節面分別固定在關節面安裝板的兩側，其關節面的曲面是通過對健康成年人顳下頜關節面的尺寸數據進行擬合得到的。所述仿生髁狀突為圓柱狀，上端為半球狀，下部有螺紋。仿生髁狀突通過螺紋連接固定在下頜動平臺上，在下頜動平臺運動過程中，上端始終沿著仿生關節面運動，可實現轉動和滑動的復合運動形式。采用點接觸高副結構的仿生顳下頜關節能夠模擬人類顳下頜關節的功能及其復合運動形式。

所述驅動裝置，包括電機、聯軸器、滾珠絲杠、絲杠螺母、工作臺、連接板、滑塊、導軌、角接觸球軸承和軸承座。電機固定在上頜靜平臺的支撐板上，并通過聯軸器與滾珠絲杠連接；滾珠絲杠的下軸頭通過兩個角接觸球軸承與軸承座固定連接，軸承座通過螺釘固定在上頜靜平臺的等長立柱上；絲杠螺母與工作臺通過內六角螺釘固定連接，工作臺通過連接板與導軌上的滑塊固定連接，導軌固定連接在等長立柱上。所述PUS支鏈，包括斜塊、關節連接塊、萬向節、連桿、球副。斜塊通過螺釘固定連接在驅動裝置的工作臺上。通過關節連接塊，將斜塊與萬向節固定連接。所述連桿一端設有銷孔，另一端加工有螺紋，分別通過銷、螺紋與萬向節和球副連接。連桿的長度和安裝角度根據咀嚼肌肉的長度和作用線方向確定。電機通過滾珠絲杠驅動工作臺在豎直方向運動，工作臺帶動PUS支鏈運動，最終PUS支鏈驅動下頜動平臺運動。所述下頜動平臺，包括六個球副安裝塊、左側板、中間板、下彎板、右側板。左側板和右側板通過銷和內六角螺釘對稱安裝在中間板上。六個球副安裝塊通過內六角螺釘對稱固定在左側板和右側板上，其分布根據人類咀嚼肌肉與下頜骨的連接位置確定。PUS支鏈末端的球副通過球副安裝塊連接到下頜動平臺上。左側板和右側板的頂部設有螺紋孔，用于安裝仿生顳下頜關節的兩個仿生髁狀突。下彎板通過螺釘固定在中間板上。在左側板和右側板上還留有螺栓孔，用于固定下頜骨模型。下彎板和上頜靜平臺上彎板的相對位置，是機器人安裝和調試的重要參數。將六組驅動裝置和六條PUS支鏈通過相同的方式組裝，共同連接機器人的上頜靜平臺和下頜動平臺，完成具有仿生顳下頜關節的冗余驅動咀嚼機器人的組裝。

該咀嚼機器人通過滾珠絲杠驅動工作臺在豎直方向運動，工作臺帶動PUS支鏈運動，最終PUS支鏈驅動下頜動平臺運動，通過并聯機構反解，可以較好的完成運動三維軌跡。但是， 滾珠絲杠機構和PUS支鏈均為剛性結構，無論引入多少機械零件來提高咀嚼機器人的性能都無法模擬真實的咀嚼肌肉，其柔順性較差。反而，由于引入過多機械零件，該咀嚼機器的結構復雜、緊湊性較差，安裝非常不方便，并且成本很高。

氣動肌肉是一種將氣體壓力轉化為機械拉力的驅動器，由編織網、柔性橡膠管、兩端剛性連接件組成。由于氣動肌肉收縮位移在25％到30％之間，與人類肌肉位移接近，有應用于仿生機器人的前景。氣動肌肉長度可以根據具體實用裁剪，在使用時，能簡化了設計。氣動肌肉主要由橡膠和細的金屬格柵網組成產品，重量輕結構簡單，輸出力/自重比大，其初始輸出力是同缸徑氣缸初始輸出力的10倍。現有技術中，沒有將氣動肌肉應用于咀嚼機器人的先例。

技術實現要素：

本發明克服了現有技術的不足，提供一種柔順性能好、結構緊湊的下頜咀嚼機器人，解決了現有咀嚼機器人仿生性差、結構復雜的問題。

為解決上述的技術問題，本發明采用以下技術方案：

一種基于氣動人工肌肉的下頜咀嚼機器人，包括支架，支架為半工字形，支架的豎板固定安裝有上頜靜平臺，上頜靜平臺位于支架的頂板與底板之間，上頜靜平臺與支架的底板之間設置有下頜動平臺；支架與下頜動平臺之間連接有顳肌機構和翼肌機構，顳肌機構的一端通過球鉸連接于支架的頂板，顳肌機構的另一端通過球鉸連接于下頜動平臺內側，翼肌機構的一端通過球鉸連接于支架的豎板，翼肌機構的另一端通過球鉸連接于下頜動平臺內側；上頜靜平臺和下頜動平臺之間連接有咬肌機構，咬肌機構的一端通過球鉸連接于上頜靜平臺的中部，咬肌機構的另一端通過球鉸連接于下頜動平臺的中部；顳肌機構、咬肌機構、翼肌機構均包括氣動肌肉，氣動肌肉通過氣路連接有氣動回路，氣動回路電連接有控制系統；顳肌機構、咬肌機構、翼肌機構均為兩組，且兩組顳肌機構、兩組咬肌機構、兩組翼肌機構均分別對稱設置于支架的左右兩側。

作為本發明的優選方案，所述上頜靜平臺和下頜動平臺之間還連接有彈簧韌帶，彈簧韌帶的一端固定連接于上頜靜平臺的中部，彈簧韌帶的另一端固定連接于下頜動平臺的內側，彈簧韌帶為兩組，兩組彈簧韌帶對稱設置于支架的左右兩側。

作為本發明的優選方案，所述氣動回路包括氣泵，氣泵上設置有電動開關，氣泵的出口通過氣路順次連接有儲氣罐、氣動三聯件、單向閥、氣壓傳感器、比例閥、電磁換向閥，氣動肌肉與電磁換向閥通過氣路連接，電磁換向閥上安裝有消音器。

作為本發明的優選方案，所述控制系統包括工控機，工控機通過電連接有數據采集卡，氣壓傳感器與數據采集卡的AD口電連接，數據采集卡的AD口還通過電連接有位移傳感 器、角度傳感器、陀螺儀；位移傳感器為六組，六組位移傳感器分別安裝于六組氣動肌肉上，角度傳感器和陀螺儀安裝于下頜動平臺上；數據采集卡的DA口分別與氣泵的電磁閥、比例閥、電磁換向閥電連接。

作為本發明的優選方案，氣動肌肉的輸出力f(x)和伸長量l滿足以下關系式：

其中，P_th是克服橡膠管膨脹時的徑向彈性力所需壓力的臨界值，K_P凡是反映橡膠管和編織網的剪切力的一個線性彈性常數,K是現有伸長量占伸長總量的比例參數，nl(L)是因氣動肌肉為非理想圓柱體而附加的一個非線性項，(L-L0)為伸長量，l為原長，lmin為極限位置的長度，P為輸入壓強。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1、本發明使用氣動肌肉作為咀嚼機器人的驅動機構，將氣體壓力轉化為機械拉力的驅動器，橡膠管的收縮膨脹很好地模擬了真實肌肉的生物特性。本發明的驅動機構的剛度就是非線性變化的，力-位移輸出的連續函數與真實的咀嚼肌肉動作相似，該驅動機構具有剛性結構無法比擬的柔順性，使咀嚼機器人的仿生性大大提高。

2、本發明在沒有引入過多機械零件的基礎上，實現了下頜動平臺的6個自由度，相較于目前存在的傳統并聯咀嚼機器人大大提高了機構的緊湊性，使安裝更加方便、機構的成本更低。

3、氣動肌肉主要由橡膠和細的金屬格柵網組成產品，重量輕結構簡單，輸出力/自重比大。因此，使用氣動肌肉的咀嚼機器人的重量相應減輕，輸出力/自重比大，使用方便。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明的左視圖；

圖3為氣動回路布置圖；

圖4為控制系統示意圖。

圖中，1-支架，2-上頜靜平臺，3-下頜動平臺，4-顳肌機構，5-翼肌機構，6-咬肌機構，7-彈簧韌帶，8-氣動肌肉，91-氣泵，92-電動開關，93-儲氣罐，94-氣動三聯件，95-單向閥，96-氣壓傳感器，97-比例閥，98-電磁換向閥，99-消音器。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明作詳細的說明。

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

實施例一

一種基于人體仿生學的人工肌肉咀嚼機器人，使用氣動肌肉8替代人體主要三類咀嚼肌。下頜骨作為動平臺與各氣動肌肉8配合。該機器人是在下頜骨結構和咀嚼肌肉的生物力學模型上建立的。咀嚼過程分為開口與閉口兩大過程，由于開口過程有重力作用，而且是為閉合咀嚼做準備，并沒有做有用功，因此，我們將重點對閉口肌群(咬肌、顳肌、翼狀肌)以及顳下頜關節韌帶進行仿生設計。主要考慮的閉口肌群包括了咬肌、翼肌、顳肌。該咀嚼機器人是由線性執行器——氣動肌肉8進行驅動的。肌肉之間的連接模型化為球鉸鏈連接，提高了各關節的自由度,依據人體解剖學，每一個驅動器的運動方向都與所肌肉力的方向一致。機器人的尺寸和人類尺寸基本一致。

其具體結構為：一種基于氣動人工肌肉的下頜咀嚼機器人，包括支架1，支架1為半工字形，支架1的豎板固定安裝有上頜靜平臺2，上頜靜平臺2位于支架的頂板與底板之間，上頜靜平臺2與支架1的底板之間設置有下頜動平臺3；支架1與下頜動平臺3之間連接有顳肌機構4和翼肌機構5，顳肌機構4的一端通過球鉸連接于支架1的頂板，顳肌機構4的另一端通過球鉸連接于下頜動平臺3內側，翼肌機構5的一端通過球鉸連接于支架1的豎板，翼肌機構5的另一端通過球鉸連接于下頜動平臺3內側；上頜靜平臺2和下頜動平臺3之間連接有咬肌機構6，咬肌機構6的一端通過球鉸連接于上頜靜平臺2的中部，咬肌機構6的另一端通過球鉸連接于下頜動平臺3的中部；顳肌機構4、咬肌機構6、翼肌機構5均包括氣動肌肉8，氣動肌肉8通過氣路連接有氣動回路，氣動回路電連接有控制系統；顳肌機構4、咬肌機構6、翼肌機構5均為兩組，且兩組顳肌機構4、兩組咬肌機構6、兩組翼肌機構5均分別對稱設置于支架1的左右兩側。

本發明使用氣動肌肉8作為咀嚼機器人的驅動機構，將氣體壓力轉化為機械拉力的驅動器，橡膠管的收縮膨脹很好地模擬了真實肌肉的生物特性。本發明的驅動機構的剛度就是非線性變化的，力-位移輸出的連續函數與真實的咀嚼肌肉動作相似，該驅動機構具有剛性結構無法比擬的柔順性，使咀嚼機器人的仿生性大大提高。本發明在沒有引入過多機械零件的基礎上，實現了下頜動平臺3的6個自由度，相較于目前存在的傳統并聯咀嚼機器人大大提高了機構的緊湊性，使安裝更加方便、機構的成本更低。氣動肌肉主要由橡膠和細的金屬 格柵網組成產品，重量輕結構簡單，輸出力/自重比大。因此，使用氣動肌肉的咀嚼機器人的重量相應減輕，輸出力/自重比大，使用方便。

實施例二

一種基于人體仿生學的人工肌肉咀嚼機器人，使用氣動肌肉8替代人體主要三類咀嚼肌。下頜骨作為動平臺與各氣動肌肉8配合。使用彈簧代替顳下頜關節的韌帶的阻尼作用。該機器人是在下頜骨結構和咀嚼肌肉的生物力學模型上建立的。咀嚼過程分為開口與閉口兩大過程，由于開口過程有重力作用，而且是為閉合咀嚼做準備，并沒有做有用功，因此，我們將重點對閉口肌群(咬肌、顳肌、翼狀肌)以及顳下頜關節韌帶進行仿生設計。主要考慮的閉口肌群包括了咬肌、翼肌、顳肌。該咀嚼機器人是由線性執行器——氣動肌肉8進行驅動的。肌肉之間的連接模型化為球鉸鏈連接，提高了各關節的自由度,依據人體解剖學，每一個驅動器的運動方向都與所肌肉力的方向一致。機器人的尺寸和人類尺寸基本一致。

其具體結構為：一種基于氣動人工肌肉的下頜咀嚼機器人，包括支架1，支架1為半工字形，支架1的豎板固定安裝有上頜靜平臺2，上頜靜平臺2位于支架的頂板與底板之間，上頜靜平臺2與支架1的底板之間設置有下頜動平臺3；支架1與下頜動平臺3之間連接有顳肌機構4和翼肌機構5，顳肌機構4的一端通過球鉸連接于支架1的頂板，顳肌機構4的另一端通過球鉸連接于下頜動平臺3內側，翼肌機構5的一端通過球鉸連接于支架1的豎板，翼肌機構5的另一端通過球鉸連接于下頜動平臺3內側；上頜靜平臺2和下頜動平臺3之間連接有咬肌機構6，咬肌機構6的一端通過球鉸連接于上頜靜平臺2的中部，咬肌機構6的另一端通過球鉸連接于下頜動平臺3的中部；顳肌機構4、咬肌機構6、翼肌機構5均包括氣動肌肉8，氣動肌肉8通過氣路連接有氣動回路，氣動回路電連接有控制系統；顳肌機構4、咬肌機構6、翼肌機構5均為兩組，且兩組顳肌機構4、兩組咬肌機構6、兩組翼肌機構5均分別對稱設置于支架1的左右兩側。所述上頜靜平臺2和下頜動平臺3之間還連接有彈簧韌帶7，彈簧韌帶7的一端固定連接于上頜靜平臺2的中部，彈簧韌帶7的另一端固定連接于下頜動平臺3的內側，彈簧韌帶7為兩組，兩組彈簧韌帶7對稱設置于支架1的左右兩側。

本發明使用氣動肌肉8作為咀嚼機器人的驅動機構，將氣體壓力轉化為機械拉力的驅動器，橡膠管的收縮膨脹很好地模擬了真實肌肉的生物特性。本發明的驅動機構的剛度就是非線性變化的，力-位移輸出的連續函數與真實的咀嚼肌肉動作相似，該驅動機構具有剛性結構無法比擬的柔順性，使咀嚼機器人的仿生性大大提高。本發明在沒有引入過多機械零件的基礎上，實現了下頜動平臺3的6個自由度，相較于目前存在的傳統并聯咀嚼機器人大大提高了機構的緊湊性，使安裝更加方便、機構的成本更低。氣動肌肉主要由橡膠和細的金屬 格柵網組成產品，重量輕結構簡單，輸出力/自重比大。因此，使用氣動肌肉的咀嚼機器人的重量相應減輕，輸出力/自重比大，使用方便。由于咀嚼和閉口時，口腔韌帶會對咀嚼肌肉起一定阻尼作用，因此使用彈簧代替顳下頜關節的韌帶能很好地提高咀嚼機器人的仿生性。

實施例三

一種基于人體仿生學的人工肌肉咀嚼機器人，使用氣動肌肉8替代人體主要三類咀嚼肌。下頜骨作為動平臺與各氣動肌肉8配合。使用彈簧代替顳下頜關節的韌帶的阻尼作用。該機器人是在下頜骨結構和咀嚼肌肉的生物力學模型上建立的。咀嚼過程分為開口與閉口兩大過程，由于開口過程有重力作用，而且是為閉合咀嚼做準備，并沒有做有用功，因此，我們將重點對閉口肌群(咬肌、顳肌、翼狀肌)以及顳下頜關節韌帶進行仿生設計。主要考慮的閉口肌群包括了咬肌、翼肌、顳肌。該咀嚼機器人是由線性執行器——氣動肌肉8進行驅動的。肌肉之間的連接模型化為球鉸鏈連接，提高了各關節的自由度,依據人體解剖學，每一個驅動器的運動方向都與所肌肉力的方向一致。機器人的尺寸和人類尺寸基本一致。

其具體結構為：一種基于氣動人工肌肉的下頜咀嚼機器人，包括支架1，支架1為半工字形，支架1的豎板固定安裝有上頜靜平臺2，上頜靜平臺2位于支架的頂板與底板之間，上頜靜平臺2與支架1的底板之間設置有下頜動平臺3；支架1與下頜動平臺3之間連接有顳肌機構4和翼肌機構5，顳肌機構4的一端通過球鉸連接于支架1的頂板，顳肌機構4的另一端通過球鉸連接于下頜動平臺3內側，翼肌機構5的一端通過球鉸連接于支架1的豎板，翼肌機構5的另一端通過球鉸連接于下頜動平臺3內側；上頜靜平臺2和下頜動平臺3之間連接有咬肌機構6，咬肌機構6的一端通過球鉸連接于上頜靜平臺2的中部，咬肌機構6的另一端通過球鉸連接于下頜動平臺3的中部；顳肌機構4、咬肌機構6、翼肌機構5均包括氣動肌肉8，氣動肌肉8通過氣路連接有氣動回路，氣動回路電連接有控制系統；顳肌機構4、咬肌機構6、翼肌機構5均為兩組，且兩組顳肌機構4、兩組咬肌機構6、兩組翼肌機構5均分別對稱設置于支架1的左右兩側。所述上頜靜平臺2和下頜動平臺3之間還連接有彈簧韌帶7，彈簧韌帶7的一端固定連接于上頜靜平臺2的中部，彈簧韌帶7的另一端固定連接于下頜動平臺3的內側，彈簧韌帶7為兩組，兩組彈簧韌帶7對稱設置于支架1的左右兩側。

本發明使用氣動肌肉8作為咀嚼機器人的驅動機構，將氣體壓力轉化為機械拉力的驅動器，橡膠管的收縮膨脹很好地模擬了真實肌肉的生物特性。本發明的驅動機構的剛度就是非線性變化的，力-位移輸出的連續函數與真實的咀嚼肌肉動作相似，該驅動機構具有剛性結構無法比擬的柔順性，使咀嚼機器人的仿生性大大提高。本發明在沒有引入過多機械零件的基礎上，實現了下頜動平臺3的6個自由度，相較于目前存在的傳統并聯咀嚼機器人大大 提高了機構的緊湊性，使安裝更加方便、機構的成本更低。氣動肌肉主要由橡膠和細的金屬格柵網組成產品，重量輕結構簡單，輸出力/自重比大。因此，使用氣動肌肉的咀嚼機器人的重量相應減輕，輸出力/自重比大，使用方便。由于咀嚼和閉口時，口腔韌帶會對咀嚼肌肉起一定阻尼作用，因此使用彈簧代替顳下頜關節的韌帶能很好地提高咀嚼機器人的仿生性。

氣動肌肉8的氣動回路為：所述氣動回路包括氣泵91，氣泵91上設置有電動開關92，氣泵91的出口通過氣路順次連接有儲氣罐93、氣動三聯件94、單向閥95、氣壓傳感器96、比例閥97、電磁換向閥98，氣動肌肉8與電磁換向閥98通過氣路連接，電磁換向閥98上安裝有消音器99。

實施例四

一種基于人體仿生學的人工肌肉咀嚼機器人，使用氣動肌肉8替代人體主要三類咀嚼肌。下頜骨作為動平臺與各氣動肌肉8配合。使用彈簧代替顳下頜關節的韌帶的阻尼作用。該機器人是在下頜骨結構和咀嚼肌肉的生物力學模型上建立的。咀嚼過程分為開口與閉口兩大過程，由于開口過程有重力作用，而且是為閉合咀嚼做準備，并沒有做有用功，因此，我們將重點對閉口肌群(咬肌、顳肌、翼狀肌)以及顳下頜關節韌帶進行仿生設計。主要考慮的閉口肌群包括了咬肌、翼肌、顳肌。該咀嚼機器人是由線性執行器——氣動肌肉8進行驅動的。肌肉之間的連接模型化為球鉸鏈連接，提高了各關節的自由度,依據人體解剖學，每一個驅動器的運動方向都與所肌肉力的方向一致。機器人的尺寸和人類尺寸基本一致。

其具體結構為：一種基于氣動人工肌肉的下頜咀嚼機器人，包括支架1，支架1為半工字形，支架1的豎板固定安裝有上頜靜平臺2，上頜靜平臺2位于支架的頂板與底板之間，上頜靜平臺2與支架1的底板之間設置有下頜動平臺3；支架1與下頜動平臺3之間連接有顳肌機構4和翼肌機構5，顳肌機構4的一端通過球鉸連接于支架1的頂板，顳肌機構4的另一端通過球鉸連接于下頜動平臺3內側，翼肌機構5的一端通過球鉸連接于支架1的豎板，翼肌機構5的另一端通過球鉸連接于下頜動平臺3內側；上頜靜平臺2和下頜動平臺3之間連接有咬肌機構6，咬肌機構6的一端通過球鉸連接于上頜靜平臺2的中部，咬肌機構6的另一端通過球鉸連接于下頜動平臺3的中部；顳肌機構4、咬肌機構6、翼肌機構5均包括氣動肌肉8，氣動肌肉8通過氣路連接有氣動回路，氣動回路電連接有控制系統；顳肌機構4、咬肌機構6、翼肌機構5均為兩組，且兩組顳肌機構4、兩組咬肌機構6、兩組翼肌機構5均分別對稱設置于支架1的左右兩側。所述上頜靜平臺2和下頜動平臺3之間還連接有彈簧韌帶7，彈簧韌帶7的一端固定連接于上頜靜平臺2的中部，彈簧韌帶7的另一端固定連接于下頜動平臺3的內側，彈簧韌帶7為兩組，兩組彈簧韌帶7對稱設置于支架1的左右兩側。

本發明使用氣動肌肉8作為咀嚼機器人的驅動機構，將氣體壓力轉化為機械拉力的驅動器，橡膠管的收縮膨脹很好地模擬了真實肌肉的生物特性。本發明的驅動機構的剛度就是非線性變化的，力-位移輸出的連續函數與真實的咀嚼肌肉動作相似，該驅動機構具有剛性結構無法比擬的柔順性，使咀嚼機器人的仿生性大大提高。本發明在沒有引入過多機械零件的基礎上，實現了下頜動平臺3的6個自由度，相較于目前存在的傳統并聯咀嚼機器人大大提高了機構的緊湊性，使安裝更加方便、機構的成本更低。氣動肌肉主要由橡膠和細的金屬格柵網組成產品，重量輕結構簡單，輸出力/自重比大。因此，使用氣動肌肉的咀嚼機器人的重量相應減輕，輸出力/自重比大，使用方便。由于咀嚼和閉口時，口腔韌帶會對咀嚼肌肉起一定阻尼作用，因此使用彈簧代替顳下頜關節的韌帶能很好地提高咀嚼機器人的仿生性。

氣動肌肉8的氣動回路為：所述氣動回路包括氣泵91，氣泵91上設置有電動開關92，氣泵91的出口通過氣路順次連接有儲氣罐93、氣動三聯件94、單向閥95、氣壓傳感器96、比例閥97、電磁換向閥98，氣動肌肉8與電磁換向閥98通過氣路連接，電磁換向閥98上安裝有消音器99。

控制系統為：所述控制系統包括工控機，工控機通過電連接有數據采集卡，氣壓傳感器96與數據采集卡的AD口電連接，數據采集卡的AD口還通過電連接有位移傳感器、角度傳感器、陀螺儀；位移傳感器為六組，六組位移傳感器分別安裝于六組氣動肌肉8上，角度傳感器和陀螺儀安裝于下頜動平臺3上；數據采集卡的DA口分別與氣泵91的電磁閥、比例閥97、電磁換向閥98電連接。

控制系統工作原理：

1、在工控機上LABVIEW控制界面上，通過USB建立與數據采集卡進行通信，收集數據采集卡AD口反饋回的氣壓信息。通過數據采集卡DA口來控制氣泵91上的電磁閥動作，從而控制氣泵91開閉及進氣大小。

2、數據采集卡DA口控制電磁換向閥98閥的開閉和比例閥97的進氣流量，進而達到對六組氣動肌肉8進行不同順序、不同壓強的充放氣，實現六組仿生肌肉運動。例如，簡單的閉頜運動由對1號2號氣動肌肉8充氣完成顳肌提升作用。關閉電磁換向閥98放氣，再對3號4號充氣完成施加咀嚼力作用，再次對5號6號氣動肌肉8充氣完成翼肌左右運動。

3、安裝于下頜的陀螺儀采集下頜的位置姿態信息，通過dsp進行并聯機構姿態反解作為控制反饋量進行閉環控制，將新計算后得到各氣動肌肉8所需要的流量反饋給數據采集卡。

4、上位機通過數據采集卡DA口控制比例閥97、電磁換向閥98動作，從而控制氣動咀嚼機器人運動。同時，數據采集卡AD口將采集的角度傳感器、壓強傳感器等檢測信息反饋給 控制界面。

實施例五

一種基于人體仿生學的人工肌肉咀嚼機器人，使用氣動肌肉8替代人體主要三類咀嚼肌。下頜骨作為動平臺與各氣動肌肉8配合。使用彈簧代替顳下頜關節的韌帶的阻尼作用。該機器人是在下頜骨結構和咀嚼肌肉的生物力學模型上建立的。咀嚼過程分為開口與閉口兩大過程，由于開口過程有重力作用，而且是為閉合咀嚼做準備，并沒有做有用功，因此，我們將重點對閉口肌群(咬肌、顳肌、翼狀肌)以及顳下頜關節韌帶進行仿生設計。主要考慮的閉口肌群包括了咬肌、翼肌、顳肌。該咀嚼機器人是由線性執行器——氣動肌肉8進行驅動的。肌肉之間的連接模型化為球鉸鏈連接，提高了各關節的自由度,依據人體解剖學，每一個驅動器的運動方向都與所肌肉力的方向一致。機器人的尺寸和人類尺寸基本一致。

其具體結構為：一種基于氣動人工肌肉的下頜咀嚼機器人，包括支架1，支架1為半工字形，支架1的豎板固定安裝有上頜靜平臺2，上頜靜平臺2位于支架的頂板與底板之間，上頜靜平臺2與支架1的底板之間設置有下頜動平臺3；支架1與下頜動平臺3之間連接有顳肌機構4和翼肌機構5，顳肌機構4的一端通過球鉸連接于支架1的頂板，顳肌機構4的另一端通過球鉸連接于下頜動平臺3內側，翼肌機構5的一端通過球鉸連接于支架1的豎板，翼肌機構5的另一端通過球鉸連接于下頜動平臺3內側；上頜靜平臺2和下頜動平臺3之間連接有咬肌機構6，咬肌機構6的一端通過球鉸連接于上頜靜平臺2的中部，咬肌機構6的另一端通過球鉸連接于下頜動平臺3的中部；顳肌機構4、咬肌機構6、翼肌機構5均包括氣動肌肉8，氣動肌肉8通過氣路連接有氣動回路，氣動回路電連接有控制系統；顳肌機構4、咬肌機構6、翼肌機構5均為兩組，且兩組顳肌機構4、兩組咬肌機構6、兩組翼肌機構5均分別對稱設置于支架1的左右兩側。所述上頜靜平臺2和下頜動平臺3之間還連接有彈簧韌帶7，彈簧韌帶7的一端固定連接于上頜靜平臺2的中部，彈簧韌帶7的另一端固定連接于下頜動平臺3的內側，彈簧韌帶7為兩組，兩組彈簧韌帶7對稱設置于支架1的左右兩側。

本發明使用氣動肌肉8作為咀嚼機器人的驅動機構，將氣體壓力轉化為機械拉力的驅動器，橡膠管的收縮膨脹很好地模擬了真實肌肉的生物特性。本發明的驅動機構的剛度就是非線性變化的，力-位移輸出的連續函數與真實的咀嚼肌肉動作相似，該驅動機構具有剛性結構無法比擬的柔順性，使咀嚼機器人的仿生性大大提高。本發明在沒有引入過多機械零件的基礎上，實現了下頜動平臺3的6個自由度，相較于目前存在的傳統并聯咀嚼機器人大大提高了機構的緊湊性，使安裝更加方便、機構的成本更低。氣動肌肉主要由橡膠和細的金屬格柵網組成產品，重量輕結構簡單，輸出力/自重比大。因此，使用氣動肌肉的咀嚼機器人的 重量相應減輕，輸出力/自重比大，使用方便。由于咀嚼和閉口時，口腔韌帶會對咀嚼肌肉起一定阻尼作用，因此使用彈簧代替顳下頜關節的韌帶能很好地提高咀嚼機器人的仿生性。

氣動肌肉8的氣動回路為：所述氣動回路包括氣泵91，氣泵91上設置有電動開關92，氣泵91的出口通過氣路順次連接有儲氣罐93、氣動三聯件94、單向閥95、氣壓傳感器96、比例閥97、電磁換向閥98，氣動肌肉8與電磁換向閥98通過氣路連接，電磁換向閥98上安裝有消音器99。

控制系統為：所述控制系統包括工控機，工控機通過電連接有數據采集卡，氣壓傳感器96與數據采集卡的AD口電連接，數據采集卡的AD口還通過電連接有位移傳感器、角度傳感器、陀螺儀；位移傳感器為六組，六組位移傳感器分別安裝于六組氣動肌肉8上，角度傳感器和陀螺儀安裝于下頜動平臺3上；數據采集卡的DA口分別與氣泵91的電磁閥、比例閥97、電磁換向閥98電連接。

控制系統工作原理：

1、在工控機上LABVIEW控制界面上，通過USB建立與數據采集卡進行通信，收集數據采集卡AD口反饋回的氣壓信息。通過數據采集卡DA口來控制氣泵91上的電磁閥動作，從而控制氣泵91開閉及進氣大小。

2、數據采集卡DA口控制電磁換向閥98閥的開閉和比例閥97的進氣流量，進而達到對六組氣動肌肉8進行不同順序、不同壓強的充放氣，實現六組仿生肌肉運動。例如，簡單的閉頜運動由對1號2號氣動肌肉8充氣完成顳肌提升作用。關閉電磁換向閥98放氣，再對3號4號充氣完成施加咀嚼力作用，再次對5號6號氣動肌肉8充氣完成翼肌左右運動。

3、安裝于下頜的陀螺儀采集下頜的位置姿態信息，通過dsp進行并聯機構姿態反解作為控制反饋量進行閉環控制，將新計算后得到各氣動肌肉8所需要的流量反饋給數據采集卡。

4、上位機通過數據采集卡DA口控制比例閥97、電磁換向閥98動作，從而控制氣動咀嚼機器人運動。同時，數據采集卡AD口將采集的角度傳感器、壓強傳感器等檢測信息反饋給控制界面。

考慮到氣動肌肉8具有非線性不利于直接進行控制的缺點，將氣動肌肉8輸出力與位移關系通過實驗擬合成為一下公式。氣動肌肉8的輸出力f(x)和伸長量l滿足以下關系式為：

其中，P_th是克服橡膠管膨脹時的徑向彈性力所需壓力的臨界值，K_P凡是反映橡膠管和編 織網的剪切力的一個線性彈性常數,K是現有伸長量占伸長總量的比例參數，nl(L)是因氣動肌肉8為非理想圓柱體而附加的一個非線性項，(L-L0)為伸長量，l為原長，lmin為極限位置的長度，P為輸入壓強。