机器人弯制正畸弓丝成形控制点规划及实验研究

错颌畸形是目前危害人类健康的第三大口腔疾病,固定矫治是一种常用且有效的正畸治疗手段,其中矫治弓丝的弯制是重要部分。机器人以其精确的位姿控制和刚性保持能力可以克服弓丝的超弹性实现弓丝弯制。基于幂函数模型建立了分段式的正畸弓丝数学模型,提出采用增量法实现正畸弓丝成形控制点的规划,进行了增量法实现正畸弓丝成形控制点规划策略的研究。通过正畸弓丝成形控制点规划实验,分析不同等分数下初始精度值对控制点数目和面积误差的影响规律,以及控制点数目和面积误差之间的关系。基于正畸弓丝弯制机器人实验系统,针对一例患者的口腔参数,进行了正畸弓丝弯制实验研究,结果验证了正畸弓丝成形控制点规划策略的有效性。     

基于有限点展成法的正畸弓丝成形控制点规划

错颌畸形是目前常见的口腔疾病,固定矫治是治疗错颌畸形的有效方法,其中固定矫治技术的关键是正畸弓丝的精确化弯制。机器人利用其位姿的精确控制能力可以实现精确化的弓丝弯制,其中弓丝成形控制点的规划决定了机器人弯制正畸弓丝的成形精度。基于分段式的正畸弓丝数学模型,提出采用有限点展成法实现正畸弓丝成形控制点的位置规划,对基于有限点展成法的正畸弓丝成形控制点位置规划方案进行实验验证,对不同弦弧围成面积下弦弧差值对控制点数目和面积误差的影响规律,以及控制点数目和面积误差之间的关系进行了讨论,并提出基于斜率法的正畸弓丝成形控制点角度规划策略。基于患者临床口腔数据,利用自行设计的正畸弓丝弯制机器人实验系统,通过正畸弓丝弯制实验验证了正畸弓丝成形控制点位置和角度规划策略的有效性。     

正畸弓丝弯制特性分析及实验研究

对镍钛合金弓丝、β-钛合金弓丝、澳丝和国产不锈钢弓丝这4种正畸弓丝的弯制特性进行了分析。采用MSC.Marc有限元分析软件根据实际弯制方法建立弓丝弯制有限元模型并进行仿真分析,结合弯制实验得到4种正畸弓丝的回弹特性曲线,并对实验结果进行了对比。结果表明,镍钛合金弓丝、β-钛合金弓丝、澳丝和国产不锈钢弓丝这4种正畸弓丝的回弹性依次减小,回弹角随着弯制角度的增加而增大;有限元仿真结果和实验结果基本一致。采用弓丝弯制机器人在弓丝回弹特性的基础上进行弓丝弯制,固定夹具和移动夹具的距离t=2mm时的拟合曲线要优于t=10mm时的拟合曲线;因此在使用弓丝弯制机器人弯丝时要尽量减小固定夹具和移动夹具之间的距离。     

正畸不锈钢丝弯制形状设计

在口腔正畸临床中,需要对提供正畸力的不锈钢丝弯曲成型。对不锈钢正畸丝弯曲成型和回弹问题进行了研究,运用有限元分析软件ANSYS的APDL参数化程序设计技术,对正畸临床医学中使用的正畸不锈钢丝小型方弓的弯制形状进行优化设计,得到了合适的弯制形状。使用有限元软件ABAQUS对计算结果进行了校核,验证了ANSYS优化设计计算得到的结果;并使用理论解析求解的方法验证了有限元软件计算结果。对设计不锈钢丝弯制成型器具有重要指导意义,可以减少正畸丝弯制操作的人为性,提高正畸丝弯制过程的效率。     

垂直关闭曲与 Omega 曲组合正畸弓丝矫治力建模及实验研究

目前临床正畸治疗过程主要依赖医师经验,所施加矫治力大小难以量化。 而在弓丝末端弯制 Omega 曲可以对同弓丝 弯制的垂直关闭曲实现持续及多次加力的效果,减少医师和患者的临床治疗时间,提高正畸治疗效率。 为了量化垂直关闭曲与 Omega 曲组合正畸弓丝在正畸过程中所产生的矫治力,分析一丝多曲组合正畸弓丝的受力特征,并基于梁微形变原理和相互作 用力原理,建立垂直关闭曲与 Omega 曲组合正畸弓丝的矫治力力学模型。 探究一丝多曲组合正畸弓丝弯制参数对矫治力的影 响规律。 通过构建一丝多曲组合正畸弓丝的三维模型和矫治力测量实验平台,进行有限元仿真分析和实验测量。 将力学模型 计算得到的计算数据和仿真分析得到的仿真数据分别与基于一维力传感器的矫治力测量实验得到的实验数据进行相关性分 析,得到计算数据与实验数据的相关性系数 ξT≥98. 192% ,仿真数据与实验数据的相关性系数 ξA≥97. 34% ,验证了所建立力学 模型的准确性及仿真模型和仿真过程的可靠性。 该力学模型和仿真模型能够辅助医师安全、高效的设计个性化正畸弓丝,为正 畸弓丝的应用提供理论依据,并进一步为临床数字化正畸治疗奠定基础。     

个性化正畸弓丝曲线交互调整方法研究*

数字化医疗技术是口腔正畸领域发展的必然趋势,临床上开始使用正畸弓丝弯制机器人技术辅助弯制正畸弓丝,而正畸弓丝的数字化表达是机器人弯制的前提。由于人类牙齿排列的个性化,弓丝形状设计的复杂性,难以实现精确地个性化正畸弓丝曲线数字化表达。提出一种个性化正畸弓丝曲线交互调整的设计方法,根据托槽上的基准点坐标,定义了正畸弓丝曲线的托槽直线段和过渡曲线段,过渡曲线段由3阶Bezier曲线数学模型构建。参考手工弯制正畸弓丝的过程,基于离散和组合的方式建立了正畸弓丝特殊功能曲的参数化数学模型及数学模型库。通过对托槽直线段的位置调整、过渡曲线段的形状改变、选择插入特殊功能曲的位置和类型的方式,进行了个性化正畸弓丝曲线交互调整方法的研究。基于LABVIEW软件平台设计了交互调整的软件,并进行调整实验,其结果证明个性化正畸弓丝曲线交互调整的方法具有可行性和有效性。     

个性化正畸弓丝成形规划方法及实验研究

传统手工弯制正畸弓丝弯制效率低、弯制精度不高，使用正畸弓丝弯制机器人弯制正畸弓丝能够克服上述缺点。根据临床上正畸医师常用的牙位标识方法对牙位进行了标识，使用贝塞尔曲线量化正畸弓丝在三维空间内的形状、位置和约束关系，采用插补的方式以离散的运动形式表达连续的状态，以实现正畸弓丝空间曲线的弯制，提出了基于有限点展成法的成形控制点的规划方法以及基于投影面角度合成的空间角度规划方法。通过对一例临床患者一组上颌的三维节点信息进行正畸弓丝弯制实验研究，证明了正畸弓丝机器人弯制方法的有效性。     

飞机球面框型材拉弯回弹有限元模拟技术

针对飞机球面框型材为异形截面的几何特点,基于有限元分析软件Abaqus建立了等效填充离散芯模拉弯成形的有限元模型,通过合理定义边界条件及填充芯模的材料模型,提高了建模效率。根据拉弯过程型材截面弯曲中性层位置不变的假设,建立了夹钳轨迹计算模型,采用位移控制模式对飞机球面框型材拉弯回弹进行了有限元模拟,通过改变中性层位置调整有限元模拟的夹钳轨迹,模拟的回弹结果与实验结果一致,验证了建模方法的有效性。     

弓丝弯制机器人运动轨迹规划

介绍了基于Motoman UP6的弓丝弯制机器人的轨迹规划方法,弓丝弯制机器人的主要作业目的是弯制口腔医学临床使用的对错颌畸形进行矫正的矫正弓丝。根据矫正弓丝的实际形状要求,确定了在笛卡儿空间内的机器人轨迹规划方法,并选取合适的点位控制节点,插入相应的控制操作。控制节点的选取和分布决定了轨迹规划的合理性,同时也直接关系机器人作业的效率,通过限定弯制最大偏差研究了机器人控制节点的选取方式,并编写了节点计算程序。     

复杂轮胎钢帘线双尺度结构分析

对全钢载重子午线轮胎钢丝帘线的精确变形和应力分布进行了数值研究。基于子午线轮胎整体建模理论,提出了帘线局部分层建模新方法。结果表明：高伸长率帘线在拉伸仿真中能清楚地观察到结构、弹性及弹塑性变形阶段,而高强度帘线的结构变形阶段不明显;拉弯组合仿真中,单丝均独立弯曲而非统一弯曲,最内层单丝中性轴偏移到压缩区,最外层单丝中性轴几乎仍位于几何对称轴,单丝之间接触面的增大极大地提高了单丝局部压力。最后,实验结果验证了有限元方法的正确性。