程秀芳，張 超

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

0 引言

下頜運(yùn)動(dòng)障礙指的是由于多因素的影響使得咀嚼系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)時(shí)相對于正確位置有偏離，最嚴(yán)重的情況將導(dǎo)致下頜無法正常閉合，咀嚼系統(tǒng)無法完成咀嚼任務(wù)。目前還沒有關(guān)于下頜運(yùn)動(dòng)障礙的準(zhǔn)確發(fā)病機(jī)理，電療法、放松訓(xùn)練、生物反饋以及運(yùn)動(dòng)療法經(jīng)常被用于下頜的康復(fù)治療，而運(yùn)動(dòng)療法是配合理療師治愈患者最有利也是最省時(shí)省力的療法之一，并且被廣泛接受。本文闡述了咀嚼系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性、主要驅(qū)動(dòng)來源以及國內(nèi)外對于下頜康復(fù)機(jī)器人的研究進(jìn)展，并對各個(gè)研究的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行論述。

1 咀嚼系統(tǒng)

咀嚼系統(tǒng)是人體最復(fù)雜的系統(tǒng)之一，通過咀嚼來完成對食物的初次分解，是吞咽食物的前提。咀嚼系統(tǒng)由下頜骨、上頜骨以及顳下頜關(guān)節(jié)(TMJ)構(gòu)成，主要是通過下頜骨的一系列運(yùn)動(dòng)完成咀嚼，而參與這一系列運(yùn)動(dòng)的主要肌肉包括二腹肌、咬肌和顱面兩側(cè)的顳肌，如圖1、圖2所示。二腹肌主要參與下頜的張開，咬肌和顳肌分別主要和次要地參與下頜的閉合[1]。

圖1 二腹肌

2 下頜康復(fù)機(jī)器人的研究進(jìn)展

最早的下頜康復(fù)機(jī)器人的雛形還要追溯到20世紀(jì)90年代末期日本早稻田大學(xué)研究的WY系列口腔訓(xùn)練機(jī)器人(如圖3所示)，主要用于治療患有咀嚼運(yùn)動(dòng)障礙的病人。WY系列咀嚼機(jī)器人可以引導(dǎo)患者進(jìn)行開口、閉口、側(cè)方等運(yùn)動(dòng)，在治療師的操作下實(shí)現(xiàn)患者開口階段的治療。WY系列口腔訓(xùn)練機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)下頜6自由度的運(yùn)動(dòng)，可以精準(zhǔn)地完成咀嚼運(yùn)動(dòng)，并且實(shí)現(xiàn)力和位置的反饋[2]。

英國布里斯托爾大學(xué)基于Stewart平臺研究了6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)咀嚼機(jī)器人，6個(gè)驅(qū)動(dòng)器分別代替下頜周圍的肌肉控制下頜平臺的運(yùn)動(dòng)，如圖4所示[3]。該裝置能夠測試用作牙齒修復(fù)材料的力學(xué)性能，但是沒有考慮到下頜的生物特性，所以沒有辦法真實(shí)地模擬口腔環(huán)境，進(jìn)而無法為下頜的康復(fù)提供有利的支持。

圖2咬肌和顳肌圖3早稻田大學(xué)WY機(jī)器人

圖4 咀嚼機(jī)器人模型及其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

叢明等人基于下頜骨的生物力學(xué)結(jié)構(gòu)，將咬肌、顳肌和翼狀肌這3組肌肉轉(zhuǎn)化為線性驅(qū)動(dòng)器，對咀嚼機(jī)器人進(jìn)行了建模，在保證咀嚼系統(tǒng)生物力學(xué)特性的同時(shí)又簡化了機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[4]。通過對機(jī)器人自由度與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立了精確的三維模型，如圖5所示。該結(jié)構(gòu)的構(gòu)建思路為下頜康復(fù)機(jī)器人基于生物力學(xué)的進(jìn)一步研制提供了新見解，可以很好地滿足人類咀嚼運(yùn)動(dòng)的要求。

華北理工大學(xué)李文玉通過下頜運(yùn)動(dòng)軌跡掃描儀得到了下頜咀嚼運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡——水滴狀曲線，以水滴狀曲線為基礎(chǔ)建立康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，如圖6所示。結(jié)合相關(guān)約束條件建立了如圖6所示運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，結(jié)合人體實(shí)際尺寸及生理需求，完成了機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在遵循工作空間優(yōu)化性原則的前提下，應(yīng)用Creo建立了下頜康復(fù)機(jī)器人的三維模型[5]，如圖7所示。該下頜康復(fù)機(jī)器人在機(jī)構(gòu)的柔順性以及保證患者安全有效性等方面基本滿足要求，但在控制系統(tǒng)方面仍有不足。

1-曲軸；2-連桿；3-搖桿；4-彈簧；5-下頜支撐件；6-牙托

圖5基于生物力學(xué)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人圖6實(shí)現(xiàn)近似水滴狀運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)簡圖圖7下頜康復(fù)機(jī)器人三維模型

3 結(jié)論和展望

目前國內(nèi)對于咀嚼機(jī)器人的研究主要集中在顳下頜關(guān)節(jié)軌跡、生物力學(xué)模型的建立等方向，在下頜康復(fù)機(jī)器人方面的相關(guān)研究還處于探索階段。但是，下頜康復(fù)的需求卻很大，因此，下頜康復(fù)機(jī)器人的市場非常廣闊。伴隨著生物力學(xué)和肌電圖的研究，生理模型的構(gòu)建將為下頜康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展提供新的思路。

參考文獻(xiàn)：

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[3] Delsignore M J,Krovi V N.Screw-theoretic analysis models for felid jaw mechanisms[J].Mechanism & Machine Theory,2008,43(2):147-159.

[4] 叢明,溫海營,劉同占,等.基于生物力學(xué)結(jié)構(gòu)的咀嚼機(jī)器人建模[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,39(增刊2):13-17.

[5] 李文玉.下頜康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)研究[D].唐山：華北理工大學(xué),2017：12-50.