六自由度植牙手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)特性分析

張順心，王曉東，尹立軼，馬志廣，韓立

（1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300130；2.天津醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，天津300203）

六自由度植牙手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)特性分析

張順心1，王曉東1，尹立軼1，馬志廣1，韓立2

（1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300130；2.天津醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，天津300203）

植牙手術(shù)機(jī)器人將是醫(yī)療外科手術(shù)領(lǐng)域一個(gè)全新的突破，但是現(xiàn)有植牙手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)繁雜，末端缺乏靈活性，難以順利地實(shí)現(xiàn)口腔內(nèi)的鉆孔操作.緊密結(jié)合植牙手術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)更加緊湊、末端靈活性更高地六自由度植牙手術(shù)機(jī)器人.然后建立了植牙手術(shù)機(jī)器人的有限元模型，利用ANSYS Workbench分析其動(dòng)態(tài)特性，主要包括模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，其中模態(tài)分析得到了植牙手術(shù)機(jī)器人固有頻率，諧響應(yīng)分析得到了植牙手術(shù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)在頻率105 Hz和844 Hz處容易發(fā)生共振，為工況下防止出現(xiàn)共振現(xiàn)象提供了重要的科學(xué)依據(jù).

植牙手術(shù)機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；動(dòng)態(tài)特性；模態(tài)分析；諧響應(yīng)分析

0 引言

調(diào)查顯示中國(guó)人口的牙齒患病率高達(dá)68%，其中需要進(jìn)行牙齒種植的病人也在逐年上升，傳統(tǒng)植牙手術(shù)中，牙醫(yī)手持種植機(jī)憑借著自己的經(jīng)驗(yàn)對(duì)病人進(jìn)行牙齒種植，這使得手術(shù)的精度大受影響，另外，牙醫(yī)在手術(shù)中的手顫也會(huì)提高手術(shù)的失敗率[1].

機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療手術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，一定程度上減少了手術(shù)創(chuàng)傷、消除了手顫、提高了手術(shù)精度[2].植牙手術(shù)機(jī)器人的主要目的是完成在牙槽骨上的鉆孔操作，與一般鉆孔的最大區(qū)別在于植牙手術(shù)機(jī)器人的末端鉆孔系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)受限于口腔空間的大小.

目前，國(guó)外在植牙手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域的研究有了一定的發(fā)展，最具代表性地就是美國(guó)老道明大學(xué)Sun等人構(gòu)建的圖像引導(dǎo)的自動(dòng)義齒種植機(jī)器人系統(tǒng)，但總體上處在實(shí)驗(yàn)階段，還未應(yīng)用于臨床，由于其末端鉆孔系統(tǒng)的靈活性不足，對(duì)于口腔這種狹小空間內(nèi)的鉆孔操作很難完成；國(guó)內(nèi)單純?cè)谥惭朗中g(shù)方面的機(jī)器人還沒(méi)有.

植牙鉆孔比較特殊，這對(duì)植牙手術(shù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)提出了更多的要求，主要有：

1）口腔邊緣容易與植牙手術(shù)機(jī)器人末端鉆孔裝置發(fā)生干涉，而且在對(duì)口腔內(nèi)的后牙種植時(shí)，需要預(yù)留一定的手術(shù)空間，方便醫(yī)生觀察操作，這就要求植牙鉆孔機(jī)器人的末端結(jié)構(gòu)要具有更高的靈活性，換言之就是需要適當(dāng)增加機(jī)器人末端結(jié)構(gòu)的自由度.

2）空間較小的口腔要求植牙手術(shù)機(jī)器人的末端結(jié)構(gòu)尺寸要很小，末端關(guān)節(jié)電機(jī)要后置，可利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制精度高的優(yōu)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，另外在牙槽骨上的鉆孔需要很高的精度，所以在增加末端鉆孔系統(tǒng)自由度的同時(shí)需要注意其結(jié)構(gòu)的緊湊型.

3）鉆頭在牙槽骨上鉆孔需要一定的力矩和轉(zhuǎn)速，這對(duì)植牙手術(shù)機(jī)器人末端鉆孔系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人中的絲傳動(dòng)顯然不能實(shí)現(xiàn)，研究中采用了軟軸和剛性軸聯(lián)合傳動(dòng)的方式.

本研究設(shè)計(jì)了一種六自由度的植牙手術(shù)機(jī)器人鉆孔裝置，主要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，為植牙手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究提供了重要的參考依據(jù).

1 結(jié)構(gòu)原理

由機(jī)器人學(xué)可知，對(duì)于某個(gè)旋轉(zhuǎn)鉆頭進(jìn)行定位和定向，需要5個(gè)自由度即可[3]，但是人體口腔因人而異且空間較小，所以設(shè)計(jì)的植牙手術(shù)機(jī)器人末端結(jié)構(gòu)需要更高的靈活性，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能的緊湊、簡(jiǎn)單.根據(jù)現(xiàn)有種植機(jī)的尺寸大小和手術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了1種6自由度的植牙手術(shù)機(jī)器人鉆孔裝置，該裝置與傳統(tǒng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的區(qū)別是在末端鉆孔系統(tǒng)中增加了1個(gè)冗余的彎曲自由度，其平面機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，其中第6個(gè)關(guān)節(jié)所代表的便是增加的冗余自由度，由于末端鉆頭需要在剛性軸的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，而要使剛性軸在自身高速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下還能彎曲運(yùn)動(dòng)，就給設(shè)計(jì)提高了難度，這也是本研究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處.

植牙手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要由兩大部分組成：機(jī)械臂和末端鉆孔系統(tǒng).其中機(jī)械臂主要由底座、驅(qū)動(dòng)臂座、大臂、中臂、小臂、伺服電機(jī)、RV減速器、軸承等部件組成，末端鉆孔系統(tǒng)主要由植牙特種電機(jī)、內(nèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、外傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、軸套、鉆頭等部件組成.通過(guò)SolidWorks建立植牙手術(shù)機(jī)器人的虛擬樣機(jī)模型，如圖2所示.其中底座高218 mm，外徑260 mm，大臂軸間距320 mm，寬100 mm，大臂到小臂軸間距L=440 mm，末端鉆孔系統(tǒng)伸直狀態(tài)下總長(zhǎng)225 mm.

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是末端鉆孔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要組成部分.其中，內(nèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)8安裝于軸套內(nèi)部，主要組成部分包括：小錐齒輪、前傳動(dòng)軸、前軸承、軟軸、后軸承、連接軸、后傳動(dòng)軸，如圖3所示.其中，后傳動(dòng)軸與植牙特種電機(jī)連接；后傳動(dòng)軸、連接軸、軟軸以及前傳動(dòng)軸之間通過(guò)銷釘連接，前軸承與后軸承各由兩個(gè)高精密深溝球軸承組成，外部與軸套配合；前傳動(dòng)軸通過(guò)錐齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)鉆頭運(yùn)動(dòng).系統(tǒng)控制植牙特種電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將這種運(yùn)動(dòng)傳遞到鉆頭.

圖1 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of mechanism

圖2 虛擬樣機(jī)模型Fig.2 Virtual prototype model

圖3 內(nèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.3 Internal drive mechanism

外傳動(dòng)采用的是由連桿2、連桿3、后曲柄4和后軸套5組成的平行四邊形機(jī)構(gòu)，在后軸套5的側(cè)面設(shè)有曲柄4，在前軸套1和后軸套5的連接處設(shè)置有連桿2，且連桿2與前軸套1固定連接，曲柄4和連桿2之間通過(guò)連桿3連接在一起，前軸套另一端和機(jī)頭殼相連.傳動(dòng)原理是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)，平行四邊形機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給前軸套，前軸套配合軟軸的作用下實(shí)現(xiàn)末端鉆孔系統(tǒng)自身的彎曲運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示.

系統(tǒng)通過(guò)控制相應(yīng)關(guān)節(jié)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，使植牙手術(shù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度的靈活運(yùn)動(dòng)，從而使植牙手術(shù)機(jī)器人在可達(dá)到的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意方向的定位、定向，并精確地進(jìn)行鉆孔操作[4].

2 動(dòng)力學(xué)方程

根據(jù)動(dòng)力學(xué)理論可知，在外部載荷F（t）作用下的結(jié)構(gòu)受迫振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為

其中：[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；{x¨}為節(jié)點(diǎn)加速度列陣；{x˙}為節(jié)點(diǎn)速度列陣；{x}為節(jié)點(diǎn)位移列陣；{F（t）}為載荷列陣.

本研究是針對(duì)于無(wú)阻尼自由振動(dòng)系統(tǒng)，式（1）可簡(jiǎn)化為

對(duì)式（2），系統(tǒng)的特征方程為

其中：ω為系統(tǒng)的固有圓頻率（rad/s），ω=2π fi；i為系統(tǒng)的模態(tài)頻率（Hz）.而在植牙手術(shù)機(jī)器人裝置進(jìn)行鉆孔工作時(shí)鉆頭會(huì)受到軸向載荷和扭矩的作用，使得植牙手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的每一階模態(tài)頻率fi（0＜f1＜f1＜…＜fi）都有可能被激活，進(jìn)而導(dǎo)致植牙手術(shù)機(jī)器人裝置發(fā)生共振響應(yīng)，當(dāng)振幅達(dá)到一定程度時(shí)，必然會(huì)影響牙齒種植手術(shù)的精度和質(zhì)量，甚至?xí)o病人帶來(lái)創(chuàng)傷，因此非常有必要研究分析植牙手術(shù)機(jī)器人裝置的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性.

3 模態(tài)分析

模態(tài)分析是最基本的動(dòng)力學(xué)分析，也是其它動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，模態(tài)分析可以幫助確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型.如果通過(guò)模態(tài)分析搞清楚結(jié)構(gòu)在某個(gè)易受影響的頻率范圍內(nèi)，就可以預(yù)知結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)，受外界載荷作用下的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振、優(yōu)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性提供參考依據(jù)[5].

為了減輕研究的復(fù)雜程度和利于軟件分析計(jì)算，在建立有限元模型前，首先要對(duì)SolidWorks建立的植牙手術(shù)機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行合理的模型簡(jiǎn)化.

植牙手術(shù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)受到的外載荷主要作用在末端鉆孔系統(tǒng)上，由于機(jī)器人執(zhí)行鉆孔操作時(shí)，主要是末端鉆孔系統(tǒng)的內(nèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)，其它各關(guān)節(jié)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)非常小，在簡(jiǎn)化模型時(shí)，將機(jī)械臂上各關(guān)節(jié)處的電機(jī)、減速器、軸承、關(guān)節(jié)軸等效成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)量塊，去掉模型上螺栓、蓋等小部件以及妨礙軟件分析的倒角、圓角等影響甚微的小特征，另外，不考慮關(guān)節(jié)處零部件之間的摩擦、阻尼等因素的影響，假設(shè)為理想的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，本文為了突出研究的重點(diǎn)，針對(duì)植牙手術(shù)機(jī)器人末端鉆孔系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，主要研究外部載荷與末端鉆孔系統(tǒng)相互作用下對(duì)機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性的影響，本設(shè)計(jì)中建立了軟軸模型，是由3層鋼絲與一根鋼絲軸繞制而成，由于分析中軟軸主要受扭轉(zhuǎn)作用，可忽略各層鋼絲直接的摩擦，簡(jiǎn)化好模型后就可以進(jìn)行有限元模型的建立，主要過(guò)程可分為如下幾步.

第1步，配置好ANSYS Workbench中與CAD軟件的集成設(shè)置，將植牙手術(shù)機(jī)器人某一工況下的虛擬樣機(jī)模型導(dǎo)入到Workbench軟件的DS中做進(jìn)一步的模型簡(jiǎn)化，主要是根據(jù)零部件間有沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，把沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的Body（零部件）組合成一個(gè)Part，這樣可以大大節(jié)省后面添加接觸的時(shí)間.接著在Engineering Data中設(shè)置材料屬性，在后續(xù)Modal（模態(tài)）等動(dòng)態(tài)分析時(shí)，選擇相應(yīng)材料施加到相應(yīng)部件中即可，其中，與口腔接觸的末端鉆孔系統(tǒng)的主要零部件賦予304不銹鋼材質(zhì)，機(jī)械臂關(guān)節(jié)1處的主要零部件采用碳素結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)，為了減輕臂部質(zhì)量，關(guān)節(jié)2到關(guān)節(jié)5處的主要零部件采用的材料是6061鋁材，材料屬性如表1所示.

第2步，網(wǎng)格劃分.對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將連續(xù)模型離散化.采用的方法是自由劃分網(wǎng)格方法（四面體網(wǎng)格為主導(dǎo)，六面體輔助的方法），并通過(guò)調(diào)節(jié)relevance的大小來(lái)控制網(wǎng)格的質(zhì)量，離散后的網(wǎng)格化模型如圖5所示，其一共包括106 693個(gè)單元，204 300個(gè)節(jié)點(diǎn).

表1 材料屬性Tab.1 Material properties

第3步，對(duì)模型施加邊界條件和約束.針對(duì)本文研究的植牙手術(shù)機(jī)器人，與一般結(jié)構(gòu)不同之處在于結(jié)構(gòu)中存在許多回轉(zhuǎn)鉸鏈連接，鉸鏈的處理直接關(guān)系到模態(tài)分析的精度，為此，在有限元建模時(shí)需要精確的處理鉸鏈連接的模型，模態(tài)分析只對(duì)Bonded（綁定）和無(wú)分離（No Separation）線性接觸有效，模態(tài)分析時(shí)添加其它非線性接觸會(huì)被忽略，本研究中根據(jù)實(shí)際植牙手術(shù)機(jī)器人各零部件間的實(shí)際接觸情況，在Contact設(shè)置中對(duì)鉸鏈連接處進(jìn)行Bonded或No Separation處理，這種方法處理鉸鏈連接可以達(dá)到較好的效果.在植牙手術(shù)機(jī)器人底座上的螺紋定位孔上施加固定約束，另外，由于伺服電機(jī)的約束作用，鉆孔操作時(shí)組成運(yùn)動(dòng)副的零部件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)非常小，在關(guān)節(jié)連接處主要設(shè)置No Separation接觸（這種接觸類型適用于法向無(wú)分離，切向允許小范圍內(nèi)滑動(dòng)的接觸區(qū)域），其中，與關(guān)節(jié)軸承外圈配合地方施加Bonded接觸，與軸承內(nèi)圈配合的位置施加No Separation接觸；在大臂與驅(qū)動(dòng)臂座、大臂與中臂、小臂與夾具接觸的地方施加No Separation接觸；在末端鉆孔系統(tǒng)上鉸鏈連接處施加No Separation接觸；內(nèi)部傳動(dòng)軸與軸承接觸地方添加圓柱副，其中要約束其徑向、軸向自由度，保留其切向自由度；其它零部件在沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的接觸位置都設(shè)置成Bonded接觸.

最后對(duì)植牙手術(shù)機(jī)器人的有限元模型進(jìn)行求解，得到其1～8階模態(tài)頻率，如表2所示.

表2 模態(tài)頻率Tab.2 Modal frequency

4 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析在復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)分析中應(yīng)用十分廣泛，此類旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各式各樣的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，尤其是當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的主軸與外界激勵(lì)載荷相互作用下的振動(dòng)頻率與機(jī)身的模態(tài)頻率接近或者重合時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振響應(yīng)[5-6].對(duì)于植牙手術(shù)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其工作過(guò)程中的振動(dòng)主要是由植牙手術(shù)機(jī)器人末端鉆孔系統(tǒng)內(nèi)傳動(dòng)軸在電機(jī)帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)對(duì)整個(gè)植牙手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來(lái)很大的影響.手術(shù)中為了防止醫(yī)療事故的發(fā)生，提高手術(shù)精度和手術(shù)質(zhì)量，就必須對(duì)植牙手術(shù)機(jī)器人等醫(yī)療器械的穩(wěn)定性提出更高的要求.

圖5 網(wǎng)格化模型Fig.5 Grid model

通過(guò)諧響應(yīng)分析可以得到植牙手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)在某一工況（θ1=0°，θ2=115°，θ3= 90°，θ4=0°，θ5=15°，θ6=0°，θi代表相鄰兩連桿夾角）下的應(yīng)力-頻率響應(yīng)和位移-頻率響應(yīng)曲線，以此為評(píng)估植牙手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性提供參考依據(jù).激振點(diǎn)選在植牙手術(shù)機(jī)器人末端鉆孔系統(tǒng)的內(nèi)傳動(dòng)軸機(jī)構(gòu)靠近鉆頭一端，即小錐齒輪的外表面，在此處施加切向載荷10 N[7].激勵(lì)頻率相對(duì)結(jié)構(gòu)本身的固有頻率來(lái)說(shuō)，是處于一個(gè)較小的頻率范圍內(nèi)，所以分析中一般選取低階模態(tài)分析即可.根據(jù)模態(tài)分析得到的前8階模態(tài)頻率變化范圍，將頻率變化區(qū)間設(shè)置為0～1 000 Hz，求解過(guò)程設(shè)置為200個(gè)子步驟.

經(jīng)過(guò)200次掃頻計(jì)算，得到激振點(diǎn)處X、Y、Z 3個(gè)方向的應(yīng)力-頻率響應(yīng)曲線，如圖6、圖7、圖8所示.對(duì)比分析激振點(diǎn)處的應(yīng)力-頻率響應(yīng)曲線可得，在頻率105 Hz、844 Hz處會(huì)出現(xiàn)位移峰值，這與植牙手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的第1、8階模態(tài)頻率幾乎重合，在第1、8階模態(tài)頻率處，植牙手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)在X、Y、Z方向上都會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力峰值，只是產(chǎn)生的應(yīng)力峰值大小不同.以上說(shuō)明植牙手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)在第1、8階模態(tài)頻率處發(fā)生共振時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力突變，從而對(duì)植牙手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞壽命產(chǎn)生很大的影響.

另外，激振點(diǎn)處X、Y、Z的位移-頻率響應(yīng)曲線，如圖9、圖10、圖11所示，對(duì)比分析激振點(diǎn)處的位移-頻率響應(yīng)曲線可知，在頻率105 Hz、844 Hz處會(huì)出現(xiàn)位移峰值，只是峰值大小有所區(qū)別，這與植牙手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的第1、8階模態(tài)頻率幾乎重合.這說(shuō)明植牙手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)在X、Y、Z 3個(gè)方向上的振動(dòng)響應(yīng)對(duì)第1、8階模態(tài)頻率相對(duì)敏感，當(dāng)在第1、8階模態(tài)頻率處發(fā)生共振時(shí)，X、Y、Z方向都會(huì)出現(xiàn)較大的位移響應(yīng)，其結(jié)果直接對(duì)植牙手術(shù)的精度和質(zhì)量產(chǎn)生較大影響.

圖6 X向應(yīng)力-頻率響應(yīng)曲線Fig.6 X stress-frequency response curve

圖7 Y向應(yīng)力-頻率響應(yīng)曲線Fig.7 Y stress-frequency response curve

圖8 Z向應(yīng)力-頻率響應(yīng)曲線Fig.8 Z stress-frequency response curve

圖9 X向位移-頻率響應(yīng)曲線Fig.9 X displacement-frequency response curve

圖10 Y向位移-頻率響應(yīng)曲線Fig.10 Y displacement-frequency response curve

圖11 Z向位移-頻率響應(yīng)曲線Fig.11 Z displacement-frequency response curve

5 結(jié)論

六自由度植牙手術(shù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大大提高了其末端的靈活性，使得對(duì)于口腔內(nèi)的鉆孔操作更加容易實(shí)現(xiàn)，其末端可以在狹小空間內(nèi)更加靈活地對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行定位和定向操作；另外，植牙手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性直接影響著手術(shù)鉆孔的精度、質(zhì)量以及手術(shù)安全性.本研究在模態(tài)分析基礎(chǔ)上對(duì)植牙手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行了諧響應(yīng)分析，得到了其在0～1 000 Hz頻率范圍內(nèi)的應(yīng)力-頻率和位移-頻率響應(yīng)曲線，確定了結(jié)構(gòu)在頻率105 Hz和844 Hz處容易發(fā)生共振，為工況下防止其出現(xiàn)共振現(xiàn)象和植牙特種電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)提供了重要的參考依據(jù).

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[責(zé)任編輯 田豐 夏紅梅]

Design and dynamic analysis of six degree of freedom dental implant robot

ZHANG Shunxin1,WANG Xiaodong1,YIN Liyi1,MA Zhiguang1,HAN Li2
（1.School of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.School of Medical Imaging, Tianjin Medical University,Tianjin 300203,China）

Implant surgery robot will be a new breakthrough in the field of medical surgery.However,the existing dental robot has complicated structure,and the end lacks flexibility,so it is difficult to realize the drilling operation in the oral cavity.In this paper,a new type of six degree of freedom robot is designed,which is more compact and more flexible.Then, the finite element model of the robot is established,and its dynamic characteristics are analyzed by using ANSYS Workbench including modal analysis and harmonic response analysis.The modal analysis obtained the implant surgery robot natural frequency,and harmonic response analysis of the structure of implant surgery robot show it resonates easily at the frequencies of 105 Hz and 844 Hz.It provides an important scientific basis for the prevention of resonance.

dental implant robot;structural design;dynamic characteristics;model analysis;harmonic response analysis

TH113.1

A

1007-2373（2017）04-0028-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.04.005

2017-02-22

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃（13JCYBJC41200）

張順心（1959-），男，教授.