程秀芳，張 超

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

0 引言

下頜運動障礙指的是由于多因素的影響使得咀嚼系統(tǒng)在運動時相對于正確位置有偏離，最嚴重的情況將導(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)于下頜運動障礙的準確發(fā)病機理，電療法、放松訓(xùn)練、生物反饋以及運動療法經(jīng)常被用于下頜的康復(fù)治療，而運動療法是配合理療師治愈患者最有利也是最省時省力的療法之一，并且被廣泛接受。本文闡述了咀嚼系統(tǒng)的運動特性、主要驅(qū)動來源以及國內(nèi)外對于下頜康復(fù)機器人的研究進展，并對各個研究的優(yōu)缺點進行論述。

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動完成咀嚼，而參與這一系列運動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)機器人的研究進展

最早的下頜康復(fù)機器人的雛形還要追溯到20世紀90年代末期日本早稻田大學(xué)研究的WY系列口腔訓(xùn)練機器人(如圖3所示)，主要用于治療患有咀嚼運動障礙的病人。WY系列咀嚼機器人可以引導(dǎo)患者進行開口、閉口、側(cè)方等運動，在治療師的操作下實現(xiàn)患者開口階段的治療。WY系列口腔訓(xùn)練機器人能實現(xiàn)下頜6自由度的運動，可以精準地完成咀嚼運動，并且實現(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)機構(gòu)咀嚼機器人，6個驅(qū)動器分別代替下頜周圍的肌肉控制下頜平臺的運動，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，所以沒有辦法真實地模擬口腔環(huán)境，進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機器人

圖4 咀嚼機器人模型及其驅(qū)動結(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)動器，對咀嚼機器人進行了建模，在保證咀嚼系統(tǒng)生物力學(xué)特性的同時又簡化了機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[4]。通過對機器人自由度與運動學(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)機器人基于生物力學(xué)的進一步研制提供了新見解，可以很好地滿足人類咀嚼運動的要求。

華北理工大學(xué)李文玉通過下頜運動軌跡掃描儀得到了下頜咀嚼運動的運動軌跡——水滴狀曲線，以水滴狀曲線為基礎(chǔ)建立康復(fù)訓(xùn)練運動學(xué)模型，如圖6所示。結(jié)合相關(guān)約束條件建立了如圖6所示運動學(xué)模型的數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB對其進行運動學(xué)分析，結(jié)合人體實際尺寸及生理需求，完成了機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。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)機器人的三維模型[5]，如圖7所示。該下頜康復(fù)機器人在機構(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)的機器人圖6實現(xiàn)近似水滴狀運動的機構(gòu)簡圖圖7下頜康復(fù)機器人三維模型

3 結(jié)論和展望

目前國內(nèi)對于咀嚼機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)機器人的發(fā)展提供新的思路。

參考文獻：

[1] McDevitt W E.Functional anatomy of the masticatory system[M].[s.l.]:Butterworth & Co,1989.

[2] Takanobu H,Takanishi A,Ozawa D,et al.Integrated dental robot system for mouth opening and closing training[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation.[s.l.]:IEEE,2002:1428-1433.

[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)的咀嚼機器人建模[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,39(增刊2):13-17.

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