基于UG和ADAMS的高仿真咀嚼平台运动学仿真分析

作者:李想;王加森;韩敬虎;张铁虎;俞经虎; 刊名:现代制造工程 上传者:付蓓

【摘要】对高仿真咀嚼平台在运用Unigraphics NX进行三维模型创建的基础上进行运动学仿真分析.在ADAMS环境下建立该仿真咀嚼平台的虚拟样机模型,给出动平台模拟特定人类咀嚼运动的位置、速度和加速度等变化曲线,结果表明,该咀嚼平台可以良好地实现人类咀嚼性能的模拟,同时,该仿真结果可以为高品质控制方法研究奠定良好基础.

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0引言食品物性的检测与评价具有重要的意义,不仅体现在食品品质检验应用的重要方面,而且也是食品的研发、贮存、运输及加工装备设计的参考依据。探索一种模拟人类咀嚼感知食品过程的物性仿生检测方法是当前食品质地检测评价的发展趋势。仿生机器人是将机器人学与现代仿生学结合的产物,其应用于各个领域之中且有广阔的开发前景[1]。咀嚼机器人就是根据下颌这种复杂的运动特点研制而成,它能直观地还原人下颌运动的形式。国内外已经对仿生咀嚼机器人做了一些研究。日本Nakajima等人[2]首先展开了人类咀嚼运动方式的研究,并实现了咀嚼运动的机构运动学仿真;早稻田大学的Takanobu等人[3]研制出应用于牙齿患者咀嚼康复训练的仿口腔机器人,且这种机器人已经用于临床上;新西兰的MasseyUniversity研究人员从咀嚼力和咀嚼运动方式对人类的咀嚼过程进行了运动学和动力学分析模拟;英国的Raabe等人[4]研制的六自由度运动下巴完成了对磨齿的运动轨迹与咀嚼力的记录分析,为假牙材料的研制及假牙模型的制造提供了理论数据;2010年,Xu等人[5-6]首次展开了应用于食品评估的仿生机器人研究,其中用一个执行器代表一个肌肉群,每个执行器的插入坐标通过扫描人类咀嚼的下颌骨得到,对人类咀嚼食品时咀嚼肌的活动进行了模拟;大连理工大学的丛明等人[7]对生物力学结构的咀嚼机器人进行建模研究,并取得一定的成果;电子科技大学雷孟冬[8]利用机械虚拟技术建立六自由度咀嚼虚拟样机模型。六自由度平台通常称为Stewart平台,由英国工程师Stewart[9]提出,当时此平台主要应用于飞行模拟器,随着社会的进步,六自由度机构越来越多地被应用于各种领域。运动学分析是研究其他问题的基础,其数学模型意义在于清楚地表达出输入与输出运动映射关系。为降低机械产品设计、生产制造的成本,以及缩短开发设计周期,在机械样机制造之前,需对其性能特性进行分析。目前应用较广泛的机械系统仿真软件是美国MCS公司开发的ADAMS软件。机械系统仿真技术又称虚拟样机技术,可在特定的虚拟环境中对产品进行运动学与动力学仿真分析以及参数化设计。通过算例模拟机械结构各组成部件之间的相互运动情况,获得仿真数据曲线,从而实现对整个机械系统的分析,为样机搭建提供可靠的参数依据。1咀嚼平台坐标系的建立由生物学角度可知,人类咀嚼过程中上颌骨保持静止,只有下颌骨相对头骨做空间三维运动。故本文主要对此高仿真咀嚼平台的驱动机构实现下颌仿生咀嚼的情况进行研究。为了便于后文分析说明与计算,现对咀嚼平台建立坐标系,咀嚼平台的结构简图及俯视图如图1所示,图1中Si、Pi、Ui分别表示各运动副位置;1、2分别表示上、下平台的定位角,短边U1U2对应的圆心角为1,长边S1S2对应的圆心角为2。本文将咀嚼平台整体称为动平台。首先,在并联机器人下平台上建立全局坐标系{O1}即O1-XYZ,坐标原点O1是下平台的几何中心点,轴线X垂直于短边U1U2,轴线Z经过上下平台的几何中心点向上,轴线X、Y、Z方向满足右手定则;髁突铰链轴是一条假想的穿过两侧髁突的横向轴线,由于下颌运动是基于髁突铰链轴运动,建立下颌静坐标系{O}即O-xyz,固结于下平台,坐标系原点O是左右髁突铰链轴的中心点,轴线x、y、z与全局坐标系{O1}的X、Y、Z轴平行;在生物学上,由于下颌切点是常用于观测下颌运动的标志点,容易标记,且距离下颌旋转轴较远,运动幅度大,利于观察,对其研究具有重要临床意义,所以取动坐标系(连体坐标系){P}即P-uvw固结于下颌骨上,坐标原点P为下颌切点,轴线u、v、w方向满足右手定则,

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