机器人定位原理在几何测量中的应用——人体牙颌测量仪的研究

摘要

随着人民生活水平的日益提高，生活质量的日益改善，医疗保健已成为人们热心关心的话题。口腔作为人体的重要生理器官，直接关系着人体的健康。牙颌模型是口腔临床实践与研究的重要对象，因其能客观而真实地记录牙齿、牙弓、腭部的形态和位置，它的测量与分析已成为口腔正畸学用以研究儿童牙颌生长发育、诊断、和矫治设计的重要基础。长期以来，口腔医生一直使用传统的手工测量工具如钢板尺、游标卡尺对牙颌模型进行测量。这样的测量方法速度慢、精度低、费时费力，而且有些尺寸难以测得。目前国内外一些口腔医院和高等医学院校利用现代测量技术如生物近景摄影术、激光全息术对牙颌模型进行三维测量分析。但是无论生物近景摄影术、还是激光全息术，其前提条件都是建立在昂贵的仪器基础上，给推广使用带来了很大的困难。本论文所研究的人体牙颌的测量仪正是机器人的机构原理在测量领域中的实现与应用。本文所利用机器人开式连杆机构的运动学原理对牙颌模型特征尺寸进行测量分析，这种方法国内外尚未见报道。与其它方法相比，该系统设备简单，价格较低，测量精度和图象质量完全能满足临床和科研工作的需要，具有较高的实用价值。本论文针对牙颌模型测量系统的研制，着重分析了牙颌模型应用于口腔正畸学上其测量精度标准的确立以及量仪操作机杆件长度比例的优化设置和配套借口电路设计。关于牙颌模型的测量究竟可能达到何种精度、口腔临床实践与科研究竟需要多高的精度这两个问题，医学界的专家和学者到目前为止尚未进行过系统的分析与研究。本论文针对这种情况，运用数理统计方法对牙颌模型测量精度标准的确立进行了探讨。对于某一个机器人式的开放连杆机构，在总的杆件长度一定的情况下，各杆件长度比采用多少才能使连杆机构运动起来最灵活这个问题，目前国内外研究较少，本论文采用“末端执行器速度椭球体”的概念对此进行了较为深入的探索，具有一定的先进性。关键词:机器人、口腔正畸、牙颌模型、测量精度、杆长优化

目录

文摘

英文文摘

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附图

1引言

1.1问题的提出

1.2国内外研究现状

1.3牙颌模型计算机辅助测量系统概述

1.4测量系统应解决的方法的问题

2牙颌测量精度的确定

2.1几何测量概述

2.2牙颌模型测量的内容和特点

2.2.1 牙颌模型简介

2.2.2牙颌模型测量的内容

2.2.3牙颌模型测量的特点

2.3测量精度的确定

2.3.1关于如何处理误差

2.3.2测量精度的指标

3量仪功能原理设计及测点空间坐标的确定

3.1机器人操作机末端执行器相对于固定参考系位姿的确定

3.1.1 Denavit——Hartenberg表示法

3.1.2操作机运动学方程简介

3.1.3牙颌测量运动方程的确定及坐标的获取

4接口电路设计

4.1增量式光电编码器的四倍频鉴相电路设计

4.1.1增量式光电编码器的工作原理

4.1.2四倍频的方法

4.1.3相位鉴别式细分辨向电路

4.1.4用GAL实现的倍频鉴相电路

4.1.5全逻辑倍频鉴相原理

4.2计数电路的设计

4.2.1可编程定时器/计数器芯片8253介绍

4.2.2 8051单片机

4.3上下位机的通信接口设计

4.3.1计算机接口技术简介

4.3.2串行数据传送

4.3.3电平转换芯片MAX201

4.3.4 MCS—51单片机串行接口

4.3.5单片机的串行通信程序设计

5量仪杆件的优化问题

5.1奇异值分解(Singual Value Decomposition)

5.1.1奇异值、奇异值分解的定义

5.1.2奇异值σ及正交矩阵U,V分解的求法

5.2奇异值的性质

5.2.1状态系数

5.2.2 特征值

5.2.3行列式

5.3奇异值的几何性质

5.4量仪操作机的操作能力(或操作性能)

5.4.1操作机椭球体和操作能力度量

5.4.2量仪杆件结构的最优配置

本论文参考文献表

小结

致谢