咀嚼机器人作为一种能够复现人体口颌系统真实咬合行为的特种机器人,在义齿力学性能测试领域存在广阔的应用前景。然而,现有的牙科测试咀嚼机器人不仅无法复现出仿生的咬合过程,更不能输出适应现行牙科测试标准的咬合力,因此难以对义齿性能进行有效的测试与评估。进一步地,驱动机构仿生设计、节律性运动生成以及自适应咬合力控制,是牙科测试咀嚼机器人克服上述咬合性能不足所涉及的三项关键技术。为此,与大连医科大学附属口腔医院修复科协作,开展牙科测试咀嚼机器人关键技术研究,主要内容如下:搭建用于义齿测试的仿生咬合环境,提出咀嚼机器人高仿生度和高适应性的咬合指标。设计全接触咬合模型及其附属的固定和湿润机构作为咀嚼机器人咬合环境。为简化义齿试样制备流程,对咬合模型进行可拆化和系列化设计。然后根据髁突位移与开闭口角度对三自由度开闭口运动进行建模,并以切牙、非工作侧髁突与工作侧髁突的顺序对六自由度咀嚼运动进行建模,两者均实现对临床下颌运动特征的复现。采用有限元法对咬合模型进行静动态咬合力分析,分别呈现指数变化和近似正弦变化。基于临床咬合过程,设计出开闭口运动和节律性咀嚼运动复现指标、高咬合力和可控咬合力输出指标。仿照人体口颌系统中咀嚼肌群和颞下颌关节的解剖结构,采用六条并联支链模拟咀嚼肌群的同时,采用点接触高副结合弹性元件模拟颞下颌关节,形成带有并联弹性驱动特性的刚柔耦合咀嚼机器人。新机构具备六轴运动能力,弹性关节的引入并未导致咀嚼机器人自由度的减少。基于支链闭环约束和关节形面约束,计算移动副驱动幅值和弹性关节变形量。咀嚼机器人支持开闭口运动和咀嚼运动的复现,同时弹性关节在咀嚼过程中发生的微小伸缩。建立拉格朗日方程,进行有无弹性关节两种情况下的咀嚼机器人动力学分析,分析驱动力、驱动功率和承载力等动力学表现。在弹性关节的作用下,静动态承载力增加幅度达到35.75%。仿照节律性运动的发生理论,提出基于中枢模式发生器模型的节律性咀嚼运动生成方法。方法包括基于变体相位振荡器的模型设计,采用龙格-库塔算法的模型求解,以及借助形状函数的模型调制。另外,利用咀嚼机器人虚拟样机搭建运动生成算法验证平台。首先分析固定节律性运动的移动副误差、切牙误差和稳定性。此时移动副驱动幅值的最大误差仅为0.04mm,复现准确度高,同时干扰恢复的柔顺性好。然后分析变周期、变偏置、变幅值和变模式等动态节律性运动的轨迹变化特征。动态节律性运动呈现出了预期的参数变化特征,且切换过程保持连续与柔顺。提出基于自适应阻抗算法的咀嚼机器人咬合力控制方法。采用质量-弹簧-阻尼系统等效咬合模型,建立阻抗控制方程。采用模型参考算法和环境参数学习算法对方程中的参考轨迹进行定义,分别建立直接和间接阻抗自适应控制方法。另外,补充等效咬合模型进入咀嚼机器人虚拟样机,搭建力控算法仿真平台。首先进行定值目标控制,分析算法面对不同定值目标时的适应性。然后进行线性目标的控制,同时利用单神经元网络自适应PID控制框架对力控算法控制参数进行调优。两种算法均表现出良好的定值咬合力适应性,都实现了咬合力的线性跟踪控制。搭建牙科测试咀嚼机器人试验样机,开展咬合指标验证实验和义齿体外测试应用。开闭口运动和节律性咀嚼运动复现过程中,弹性颞下颌关节运动、切牙运动、咬合力剖面等均呈现出了预期的变化特征。执行极限紧咬和咀嚼运动,验证高咬合力输出指标。在定值和线性咬合力控制过程中,咬合力跟踪稳定。在口腔修复科医生的协助下,制备全冠义齿、种植义齿、双端固定桥和局部可摘义齿,实施静动态测试。获取义齿断裂抗力和磨损面分布特征,讨论咀嚼机器人测试结果的可信性。研发的新型咀嚼机器人将为后续开展义齿性能的全面评估提供高仿生度的体外测试设备。