多操作机排牙机器人的计算机控制

论文摘要

多操作机排牙机器人系统是机器人在医学领域的又一全新应用,它的成功应用将实现定量化的全口义齿修复,促进口腔修复学及相关基础理论的发展,并能解决单操作机排牙难以实现人工牙的精确抓取以及依次定位和固定问题,使得全口义齿的制作既能满足无牙颌患者的生理功能和美观要求,又能达到规范化、标准化和自动化的水平,提高制作的效率,降低返修率。同时多操作机排牙机器人系统的实现,解决了批量步进电机的同步控制和协调运动问题。本文在分析多操作机排牙机器人基本结构的基础上,提出采用PC机与开关量的接口卡配合光电隔离板构成的运动控制方案。首先,基于电机集成驱动芯片A3977开发了步进电机驱动器。其次,在分析了几种高精度软件定时方法的基础上,编制了适合多操作机排牙机器人控制的软件定时模块程序,为多电机的同步协调运动奠定了良好的基础。然后,对多操作机排牙机器人的运动初始位置进行了标定,研究了多操作机排牙机器人的运动控制参数的计算方法和运动规划理论,针对具体的患者颌弓参数进行实例计算,并通过Matlab进行计算结果和运动规划理论的验证。最后,构建了多操作机排牙机器人的硬件控制系统,研究了批量电机的协调运动控制算法,开发了基于VC++ 6.0的多操作机全口义齿排牙机器人系统控制软件,针对具体的实例,对滑台机构部分进行了控制实验研究,实验结果表明多操作机排牙机器人运动控制参数的计算和规划以及运动控制方案是合理、可行的。多操作机排牙机器人的研制是将机器人技术应用于口腔修复医学的又一次大胆尝试。本文的研究对高精度软件定时技术、多关节机器人的运动学分析和运动轨迹规划以及批量电机的同步协调运动控制这几个方面具有重要的参考价值,并为进一步实现多操作机排牙机器人的全闭环控制奠定了基础,因而本文的研究具有极大的现实意义和应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题来源
• 1.3 国内外口腔修复医学机器人发展现状
• 1.4 机器人运动控制技术发展现状
• 1.5 课题研究的目的意义及主要研究内容
• 1.5.1 课题研究的目的和意义
• 1.5.2 课题主要研究内容
• 第2章 排牙机构的分析和控制系统方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 多操作机排牙机器人机构的分析
• 2.3 多操作机排牙机器人控制系统方案设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 步进电机驱动器的设计
• 3.1 引言
• 3.2 步进电机的工作原理和细分驱动的特点
• 3.2.1 步进电机的工作原理和特点
• 3.2.2 步进电机细分驱动特点
• 3.3 排牙机器人中步进电机的选择
• 3.3.1 步距角的确定
• 3.3.2 静转矩的确定
• 3.4 步进电动机的集成电路驱动设计
• 3.4.1 A3977 的工作原理和功能特点
• 3.4.2 A3977 应用设计概要
• 3.4.3 驱动电路设计
• 3.4.4 驱动电路板干扰抑制
• 3.5 本章小结
• 第4章 高精度软件定时的研究
• 4.1 引言
• 4.2 通用微机的定时机制分析
• 4.3 精确定时的方法
• 4.3.1 使用Window52000 提供的常规计时器
• 4.3.2 使用API 函数GetTickCount（）
• 4.3.3 使用多媒体计时器
• 4.3.4 利用CPU 时间戳进行高精度计时
• 4.3.5 利用高解析度计数器
• 4.4 各种软件定时方法的比较和具体实现
• 4.4.1 软件定时方法的比较
• 4.4.2 软件定时的具体实现
• 4.5 本章小结
• 第5章 多操作机排牙机器人运动参数计算和规划
• 5.1 引言
• 5.2 弓形数学模型
• 5.2.1 无牙颌弓及牙弓的数学模型
• 5.2.2 人工牙列和无牙颌弓的形态适配方程
• 5.3 排牙规则的实现
• 5.3.1 散牙在牙弓曲线上的位置计算
• 5.3.2 散牙在牙弓曲线上的位置补偿
• 5.4 多操作机排牙机器人初始位置的标定
• 5.4.1 滑台机构初始位置的标定
• 5.4.2 近远中向关节关节初始位置的标定
• 5.4.3 唇舌向和颊舌向关节初始位置的标定
• 5.5 单个操作机在牙弓曲线发生器上的位置计算
• 5.5.1 单个操作机在牙弓曲线发生器上的初始位置标定
• 5.5.2 单个操作机在牙弓曲线发生器上的位置计算
• 5.6 滑台机构的运动参数计算和规划
• 5.6.1 滑台机构运动参数的计算
• 5.6.2 滑台机构运动参数的规划
• 5.6.3 滑台机构运动参数的Matlab 分析
• 5.7 上电机座和下电机座电机运动参数的分析
• 5.8 本章小结
• 第6章 排牙机器人控制系统设计
• 6.1 引言
• 6.2 控制系统硬件部分
• 6.2.1 PC6401 简介
• 6.2.2 光电隔离端子板的设计
• 6.2.3 硬件系统的构建和I/O 分配
• 6.3 控制系统软件设计
• 6.3.1 软件的设计原则
• 6.3.2 软件的开发工具
• 6.3.3 排牙机器人控制软件界面设计
• 6.3.4 排牙机器人控制软件主要实现
• 6.4 本章小结
• 第7章 多操作机排牙机器人控制实验
• 7.1 引言
• 7.2 实验指标
• 7.3 实验内容
• 7.3.1 实验用例的选择
• 7.3.2 实验系统
• 7.3.3 实验方法
• 7.4 实验结果
• 7.5 结果分析
• 7.6 结论
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢