下颌康复机器人的研究进展

程秀芳，张 超

(华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210)

0 引言

下颌运动障碍指的是由于多因素的影响使得咀嚼系统在运动时相对于正确位置有偏离，最严重的情况将导致下颌无法正常闭合，咀嚼系统无法完成咀嚼任务。目前还没有关于下颌运动障碍的准确发病机理，电疗法、放松训练、生物反馈以及运动疗法经常被用于下颌的康复治疗，而运动疗法是配合理疗师治愈患者最有利也是最省时省力的疗法之一，并且被广泛接受。本文阐述了咀嚼系统的运动特性、主要驱动来源以及国内外对于下颌康复机器人的研究进展，并对各个研究的优缺点进行论述。

1 咀嚼系统

咀嚼系统是人体最复杂的系统之一，通过咀嚼来完成对食物的初次分解，是吞咽食物的前提。咀嚼系统由下颌骨、上颌骨以及颞下颌关节(TMJ)构成，主要是通过下颌骨的一系列运动完成咀嚼，而参与这一系列运动的主要肌肉包括二腹肌、咬肌和颅面两侧的颞肌，如图1、图2所示。二腹肌主要参与下颌的张开，咬肌和颞肌分别主要和次要地参与下颌的闭合[1]。

图1 二腹肌

2 下颌康复机器人的研究进展

最早的下颌康复机器人的雏形还要追溯到20世纪90年代末期日本早稻田大学研究的WY系列口腔训练机器人(如图3所示)，主要用于治疗患有咀嚼运动障碍的病人。WY系列咀嚼机器人可以引导患者进行开口、闭口、侧方等运动，在治疗师的操作下实现患者开口阶段的治疗。WY系列口腔训练机器人能实现下颌6自由度的运动，可以精准地完成咀嚼运动，并且实现力和位置的反馈[2]。

英国布里斯托尔大学基于Stewart平台研究了6自由度并联机构咀嚼机器人，6个驱动器分别代替下颌周围的肌肉控制下颌平台的运动，如图4所示[3]。该装置能够测试用作牙齿修复材料的力学性能，但是没有考虑到下颌的生物特性，所以没有办法真实地模拟口腔环境，进而无法为下颌的康复提供有利的支持。

图2咬肌和颞肌图3早稻田大学WY机器人

图4 咀嚼机器人模型及其驱动结构

丛明等人基于下颌骨的生物力学结构，将咬肌、颞肌和翼状肌这3组肌肉转化为线性驱动器，对咀嚼机器人进行了建模，在保证咀嚼系统生物力学特性的同时又简化了机械系统的结构[4]。通过对机器人自由度与运动学分析，建立了精确的三维模型，如图5所示。该结构的构建思路为下颌康复机器人基于生物力学的进一步研制提供了新见解，可以很好地满足人类咀嚼运动的要求。

华北理工大学李文玉通过下颌运动轨迹扫描仪得到了下颌咀嚼运动的运动轨迹——水滴状曲线，以水滴状曲线为基础建立康复训练运动学模型，如图6所示。结合相关约束条件建立了如图6所示运动学模型的数学模型，并利用MATLAB对其进行运动学分析，结合人体实际尺寸及生理需求，完成了机构的优化设计。在遵循工作空间优化性原则的前提下，应用Creo建立了下颌康复机器人的三维模型[5]，如图7所示。该下颌康复机器人在机构的柔顺性以及保证患者安全有效性等方面基本满足要求，但在控制系统方面仍有不足。

1-曲轴；2-连杆；3-摇杆；4-弹簧；5-下颌支撑件；6-牙托

图5基于生物力学结构的机器人图6实现近似水滴状运动的机构简图图7下颌康复机器人三维模型

3 结论和展望

目前国内对于咀嚼机器人的研究主要集中在颞下颌关节轨迹、生物力学模型的建立等方向，在下颌康复机器人方面的相关研究还处于探索阶段。但是，下颌康复的需求却很大，因此，下颌康复机器人的市场非常广阔。伴随着生物力学和肌电图的研究，生理模型的构建将为下颌康复机器人的发展提供新的思路。

参考文献：

[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] 丛明,温海营,刘同占,等.基于生物力学结构的咀嚼机器人建模[J].华中科技大学学报(自然科学版),2011,39(增刊2):13-17.

[5] 李文玉.下颌康复机器人设计研究[D].唐山：华北理工大学,2017：12-50.