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专利号: 2019103543981
申请人: 哈尔滨理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 医学或兽医学;卫生学
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种正畸弓丝弯制机器人,由钳Ⅰ(1)、钳Ⅱ(2)、柱坐标系转台(3)、机器人主体外壳(4)四部分组成,其特征在于:所述钳Ⅰ(1)中的钳Ⅰ丝杠导轨滑台(1-1)通过螺栓与柱坐标系转台(3)的转台(3-3)相连接,柱坐标系转台(3)的转台(3-3)通过螺栓与机器人主体外壳(4)内部的连接底盘(4-6)相连接,钳Ⅱ(2)通过螺栓固定在机器人主体外壳(4)外部的外壳顶部(4-7);所述的钳Ⅰ(1)属于柱坐标式,它包括:钳Ⅰ丝杠导轨滑台(1-1)、钳Ⅰ丝杠(1-2)、钳Ⅰ旋转主动齿轮(1-3)、钳Ⅰ锥形夹头(1-4)、夹头外壳(1-4-1)、夹头夹芯(1-4-2)、夹头主轴(1-4-3)、钳Ⅰ夹紧被动齿轮(1-5)、钳Ⅰ夹紧主动齿轮(1-6)、挡圈(1-7)、弹簧(1-8)、拨叉(1-9)、推杆(1-10)、钳Ⅰ直线电机推杆(1-11)、滑动挡圈(1-12)、钳Ⅰ夹紧电机(1-13)、钳Ⅰ旋转被动齿轮(1-14)、钳Ⅰ支架(1-15)、钳Ⅰ旋转电机(1-16)、钳Ⅰ丝杠电机(1-17)、钳Ⅰ丝杠螺母(1-18)、钳Ⅰ旋转主轴(1-19)、钳Ⅰ夹紧主轴(1-20)、送丝入口(1-21),钳Ⅰ丝杠(1-2)通过轴孔装配安装在钳Ⅰ丝杠导轨滑台(1-1)中,钳Ⅰ丝杠螺母(1-18)与钳Ⅰ丝杠(1-2)通过螺纹相连接,钳Ⅰ丝杠电机(1-17)通过钳Ⅰ丝杠导轨滑台(1-1)安装在钳Ⅰ丝杠(1-2)的末端,以驱动钳Ⅰ丝杠(1-2)绕钳Ⅰ丝杠电机(1-17)的电机轴旋转,使得钳Ⅰ丝杠螺母(1-18)实现沿钳Ⅰ丝杠(1-2)的轴向左右移动,钳Ⅰ支架(1-15)的下底面通过螺栓与钳Ⅰ丝杠螺母(1-18)相连接,钳Ⅰ旋转电机(1-16)通过钳Ⅰ支架(1-15)与钳Ⅰ旋转主动齿轮(1-3)完成装配,以驱动钳Ⅰ旋转主动齿轮(1-3)绕钳Ⅰ旋转电机(1-16)的电机轴旋转,钳Ⅰ旋转被动齿轮(1-14)、钳Ⅰ夹紧被动齿轮(1-5)和钳Ⅰ锥形夹头(1-4)均安装在钳Ⅰ旋转主轴(1-19)上,钳Ⅰ旋转主轴(1-

19)为空心轴,其中钳Ⅰ旋转被动齿轮(1-14)安装在钳Ⅰ支架(1-15)内部,与钳Ⅰ旋转主动齿轮(1-3)相啮合,形成一对啮合齿轮,钳Ⅰ夹紧被动齿轮(1-5)和钳Ⅰ锥形夹头(1-4)安装在钳Ⅰ支架(1-15)外部,送丝入口(1-21)位于钳Ⅰ旋转主轴(1-19)的左侧,正畸弓丝(5)通过送丝入口(1-21)穿过钳Ⅰ旋转主轴(1-19)的内部,可以将待弯制的正畸弓丝(5)送至位于钳Ⅰ旋转主轴(1-19)末端的钳Ⅰ锥形夹头(1-4),完成机器人的送丝,其中钳Ⅰ锥形夹头(1-4)由夹头外壳(1-4-1)、夹头夹芯(1-4-2)、夹头主轴(1-4-3)组成,夹头外壳(1-4-1)通过螺纹与夹头主轴(1-4-3)相连接,夹头夹芯(1-4-2)位于旋转夹头外壳(1-4-1)和夹头主轴(1-4-3)的中间,当顺时针旋转夹头外壳(1-4-1)时,夹头外壳(1-4-1)与夹头主轴(1-4-3)之间的空间缩小,此时夹头夹芯(1-4-2)受到夹头外壳(1-4-1)的挤压,使得夹头夹芯(1-4-2)保持夹紧状态,以实现对正畸弓丝(5)的夹紧,反之,逆时针旋转夹头夹芯(1-4-2)实现了对正畸弓丝(5)的松开;钳Ⅰ夹紧被动齿轮(1-5)与钳Ⅰ夹紧主动齿轮(1-6)相啮合,形成一对啮合齿轮,钳Ⅰ夹紧电机(1-13)通过螺纹连接安装在钳Ⅰ支架(1-15)的上顶面,钳Ⅰ夹紧电机(1-13)的主轴与钳Ⅰ夹紧主轴(1-20)相连接,以驱动钳Ⅰ夹紧主轴(1-20)绕轴向旋转,拨叉(1-9)、滑动挡圈(1-12)、弹簧(1-8)、挡圈(1-7)和钳Ⅰ夹紧主动齿轮(1-6)通过轴孔装配从左至右依次的被安装在钳Ⅰ夹紧主轴(1-20)上,拨叉(1-9)通过螺栓与滑动挡圈(1-12)相连接,弹簧(1-8)被镶嵌在滑动挡圈(1-12)和挡圈(1-7)中,挡圈(1-7)通过螺栓与钳Ⅰ夹紧主动齿轮(1-6)相连接,钳Ⅰ夹紧主轴(1-20)远离电机主轴方向的末端设有轴肩,用于限定钳Ⅰ夹紧主轴(1-20)上已装配零件的位置,推杆(1-10)末端安装有钳Ⅰ直线电机推杆(1-11),推杆(1-

10)与推杆(1-10)垂直下方的拨叉(1-9)相连接,钳Ⅰ直线电机推杆(1-11)安置在钳Ⅰ夹紧电机(1-13)上,当钳Ⅰ直线电机推杆(1-11)推动或拉回推杆(1-10)时,与推杆(1-10)相连接的拨叉(1-9)可带动滑动挡圈(1-12)、弹簧(1-8)、挡圈(1-7)和钳Ⅰ夹紧主动齿轮(1-6)沿钳Ⅰ夹紧主轴(1-20)轴向左右移动,进而控制钳Ⅰ夹紧主动齿轮(1-6)与钳Ⅰ夹紧被动齿轮(1-5)的啮合情况,另外,钳Ⅰ夹紧电机(1-13)可驱动钳Ⅰ夹紧被动齿轮(1-5)绕钳Ⅰ夹紧主轴(1-

20)旋转,从而控制与钳Ⅰ夹紧被动齿轮(1-5)相连的钳Ⅰ锥形夹头(1-4)的顺时旋转或逆时旋转,最终实现了对正畸弓丝(5)的夹紧与松开;所述的钳Ⅱ(2)属于直角坐标式,它包括:

钳Ⅱ可动钳口(2-1)、可动楔形滑块(2-1-1)、钳Ⅱ固定钳口(2-2)、夹紧滑块(2-3)、夹紧楔形滑块(2-3-1)、钳Ⅱ直线电机推杆(2-4)、直线电机(2-5)、钳Ⅱ旋转被动齿轮(2-6)、钳Ⅱ外壳(2-7)、钳Ⅱ丝杠(2-8)、钳Ⅱ丝杠电机(2-9)、钳Ⅱ丝杠螺母(2-10)、钳Ⅱ旋转主动齿轮(2-11)、钳Ⅱ旋转电机(2-12)、复位弹簧(2-13),以钳Ⅱ可动钳口(2-1)垂直向下为参考方向,钳Ⅱ丝杠电机(2-9)安装在钳Ⅱ外壳(2-7)的顶部,以驱动钳Ⅱ丝杠(2-8),其中钳Ⅱ丝杠(2-8)与钳Ⅱ丝杠螺母(2-10)通过螺纹连接配合,通过钳Ⅱ丝杠电机(2-9)驱动钳Ⅱ丝杠(2-8)可以实现钳Ⅱ丝杠螺母(2-10)沿钳Ⅱ丝杠(2-8)轴线方向上下移动;直线电机(2-5)、钳Ⅱ旋转被动齿轮(2-6)、钳Ⅱ旋转主动齿轮(2-11)以及钳Ⅱ旋转电机(2-12)均安装在钳Ⅱ丝杠螺母(2-10)内,其中钳Ⅱ旋转电机(2-12)与钳Ⅱ旋转主动齿轮(2-11)通过轴孔配合相连接,钳Ⅱ旋转主动齿轮(2-11)与钳Ⅱ旋转被动齿轮(2-6)相啮合,形成一对啮合齿轮,以实现钳Ⅱ旋转被动齿轮(2-6)的旋转,另外,直线电机(2-5)通过轴孔配合被安装在钳Ⅱ旋转被动齿轮(2-6)中,钳Ⅱ直线电机推杆(2-4)安装在直线电机(2-5)中,在直线电机(2-

5)和钳Ⅱ旋转被动齿轮(2-6)的作用下,钳Ⅱ直线电机推杆(2-4)既可实现绕钳Ⅱ旋转被动齿轮(2-6)的轴线进行旋转,又可沿钳Ⅱ旋转被动齿轮(2-6)的轴线进行平移;夹紧滑块(2-

3)通过螺栓连接固定在钳Ⅱ直线电机推杆(2-4)上,夹紧滑块(2-3)上装有夹紧楔形滑块(2-3-1),而钳Ⅱ可动钳口(2-1)上装有可动楔形滑块(2-1-1),当钳Ⅱ直线电机推杆(2-4)被直线电机(2-5)推出时,夹紧楔形滑块(2-3-1)与可动楔形滑块(2-1-1)发生挤压,推动钳Ⅱ可动钳口(2-1)向钳Ⅱ固定钳口(2-2)方向移动,实现了钳Ⅱ(2)对正畸弓丝(5)的夹紧,当钳Ⅱ直线电机推杆(2-4)被直线电机(2-5)拉回时,夹紧楔形滑块(2-3-1)与可动楔形滑块(2-1-1)发生分离,复位弹簧(2-13)将钳Ⅱ可动钳口(2-1)推离钳Ⅱ固定钳口(2-2),实现了钳Ⅱ(2)对正畸弓丝(5)的松开。

2.根据权利要求1所述的一种正畸弓丝弯制机器人,其特征在于:所述的柱坐标系转台(3)包括:转台电机(3-1)、转台主动齿轮(3-2)、转台(3-3)、转台被动齿轮(3-4),转台电机(3-1)通过轴孔装配与转台主动齿轮(3-2)相连接,以驱动转台主动齿轮(3-2)绕转台电机(3-1)的电机轴旋转,转台主动齿轮(3-2)与转台被动齿轮(3-4)相啮合,形成一对啮合齿轮,转台(3-3)与转台被动齿轮(3-4)通过螺栓连接相互固定,以实现转台被动齿轮(3-4)带动转台(3-3)绕转台(3-3)中心旋转;所述的机器人主体外壳(4)包括:底座(4-1)、环形拉门(4-2)、环形外壳(4-3)、主体支撑(4-4)、外壳支柱(4-5)、连接底盘(4-6)、外壳顶部(4-7),连接底盘(4-6)通过螺栓连接安装在机器人主体外壳(4)的内部,外壳顶部(4-7)通过螺栓连接安装在机器人主体外壳(4)的外部,通过环形拉门(4-2)可实现机器人主体外壳(4)的开合,以保护操作人员和柱坐标与直角坐标组合式正畸弓丝弯制机器人;主体支撑(4-4)和外壳支柱(4-5)用于支撑机器人主体外壳(4)。

3.一种弯丝运动映射模型建立方法,其特征在于:本方法应用于一种正畸弓丝弯制机器人。

4.一种弯丝运动映射模型建立方法,其特征在于:所述方法的具体实现过程为:

步骤一、建立人手弯丝的轨迹特征模型坐标系:

在正畸弓丝坐标系OiXiYiZi的XiOiYi平面内,以离散的几何单元在二维平面内,建立弯制过程中正畸弓丝的数学模型;将正畸弓丝看成若干个直线段、圆弧段的几何单元的排列组合,直线段、圆弧段的表达式分别为L1、L2、…和M1、M2、…,则弯制过程中正畸弓丝未成形部分的弯制后形态的表达式为f=f{L1,L2,M1,...},函数f{L1,L2,M1,...}表示L1、M1、L2等几何单元的首尾顺次连接,在进行坐标变换计算时需要将f转换成坐标点矩阵的形式;因此,在几何单元的数字化表达上也采用坐标点的形式,直线段Li的长度表达用两个端点坐标表示Li=(xi+1-xi,yi+1-yi,zi+1-zi),圆弧段的表达是利用微分的原理将连续的圆弧曲线转化成离散的有限若干点的形式,由此得出在第i+1个弯制点处的人手弯丝运动轨迹特征模型的坐标矩阵[Fi+1]为:式中,Mi+1为将弓丝圆弧段以t=n·Δt(0<t<θi+1)分成n个点(t表示局部圆弧段,Δt表示圆弧上被划分的每个小圆弧段),n个点的坐标矩阵为[Mi+1];

步骤二、建立机器人弯丝的轨迹特征模型的坐标系:

采用与人手弯丝运动轨迹坐标系相同的建立方式,建立机器人弯丝的轨迹特征模型的坐标系,以第i-1、i、i+1个弯制点构建弯制第i+1个弯制点的机器人弯制过程的正畸弓丝三维姿态的圆柱坐标系Oi-ρθZ,以第i+1个弯制的为原点Oi,以第i个点到第i+1个弯制点的直线方向θ=0的位置,以第i-1、i、i+1个弯制点为确定弯制平面为极坐标系Oiρθ所在的平面,为机器人弯丝过程的正畸弓丝三维姿态仍采用若干离散的几何单元首尾顺次拼接的形似表达,机器人弯制过程正畸弓丝三维姿态的表达式如式(2)所示:步骤三、人手弯制运动轨迹信息转换为机器人弯丝运动轨迹信息:

将人手弯丝的运动轨迹信息转化成机器人弯丝运动轨迹信息,主要实现从直角坐标系OiXYZ下的坐标转成圆柱坐标系Oi-ρθZ下的坐标;因为在建立坐标系时二者之间具有一定联系,故推导出两个坐标系的坐标变换公式,如式(3)所示:

步骤四、弯丝运动映射模型的建立:

根据圆柱坐标系Oi-ρθZ下,由正畸弓丝三维姿态信息表示的机器人弯丝的运动轨迹信息,推导出机器人各自由度的运动信息,β表示弯制点弯折运动钳Ⅰ弯折旋转角度和位置调整时钳Ⅱ沿Z轴方向旋转的角度;r表示弯制点处钳Ⅱ的曲率半径,用于推导出钳Ⅱ沿z轴方向移动的距离;坐标点(ρ0,0,0)可以推导出位置调整时钳Ⅰ在沿极径方向移动的距离;根据机器人弯丝运动轨迹信息推导出关于机器人各自由度的运动信息表达式,即弯丝运动映射模型如式(4)所示:式中,g(β)表示弯制角度为β时的回弹角度值,h是钳Ⅱ沿Z轴方向移动的成常量值,r0和h0分别表示正畸钳头圆锥体的最大底面半径和高。