Un robot de masticación actuado de manera redundante basado en la biomecánica musculoesquelética humana: cinemática diferencial, análisis de rigidez, optimización de la fuerza de conducción y experimento
Autores: Wen, Haiying; Cong, Ming; Zhang, Zhisheng; Wang, Guifei; Zhuang, Yan
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2021
Acceso abierto
Artículo científico
2021
Un robot de masticación actuado de manera redundante basado en la biomecánica musculoesquelética humana: cinemática diferencial, análisis de rigidez, optimización de la fuerza de conducción y experimento
Categoría
Tecnología de Equipos y Accesorios
Subcategoría
Diseño de equipos y herramientas
Palabras clave
Sistema masticatorio
Redundancia
Robot
Rigidez
Optimización
Fuerzas
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 35
Citaciones: Sin citaciones
El sistema masticatorio humano exhibe una rigidez óptima, eficiencia energética y fuerzas de masticación necesarias para la descomposición de los alimentos debido a su singular redundancia de actuación musculoesquelética. Hemos propuesto un robot paralelo actuado redundante (RAPR) 6PUS-2HKP (6 cadenas prismáticas-universales-esféricas, 2 pares cinemáticos superiores) basado en su biomecánica musculoesquelética. Este artículo estudia la rigidez y la optimización de la fuerza de conducción del robot masticador inspirado en la biología. Para entender el efecto del HKP de contacto puntual en el rendimiento del RAPR, se estima la rigidez del RAPR en función de la matriz jacobiana homogéneamente dimensional derivada. Al analizar la influencia del HKP en la dinámica del robot, se optimizan las fuerzas de conducción de seis juntas prismáticas adoptando el método de optimización pseudo-inversa. Los resultados numéricos muestran que el RAPR 6PUS-2HKP tiene un mejor rendimiento de rigidez y una potencia de conducción más homogénea que su contraparte no redundante 6-PUS, verificando los beneficios que el HKP de contacto puntual aporta al RAPR. Se llevan a cabo experimentos para medir la fuerza de la articulación temporomandibular (ATM) y la fuerza oclusal que el robot puede generar. Se estudia la relación entre estas dos fuerzas en un movimiento de masticación típico. Los resultados de simulación y experimentales revelan que la existencia de ATMs en el sistema masticatorio humano puede proporcionar una transmisión de fuerza de masticación más homogénea y eficiente.
Descripción
El sistema masticatorio humano exhibe una rigidez óptima, eficiencia energética y fuerzas de masticación necesarias para la descomposición de los alimentos debido a su singular redundancia de actuación musculoesquelética. Hemos propuesto un robot paralelo actuado redundante (RAPR) 6PUS-2HKP (6 cadenas prismáticas-universales-esféricas, 2 pares cinemáticos superiores) basado en su biomecánica musculoesquelética. Este artículo estudia la rigidez y la optimización de la fuerza de conducción del robot masticador inspirado en la biología. Para entender el efecto del HKP de contacto puntual en el rendimiento del RAPR, se estima la rigidez del RAPR en función de la matriz jacobiana homogéneamente dimensional derivada. Al analizar la influencia del HKP en la dinámica del robot, se optimizan las fuerzas de conducción de seis juntas prismáticas adoptando el método de optimización pseudo-inversa. Los resultados numéricos muestran que el RAPR 6PUS-2HKP tiene un mejor rendimiento de rigidez y una potencia de conducción más homogénea que su contraparte no redundante 6-PUS, verificando los beneficios que el HKP de contacto puntual aporta al RAPR. Se llevan a cabo experimentos para medir la fuerza de la articulación temporomandibular (ATM) y la fuerza oclusal que el robot puede generar. Se estudia la relación entre estas dos fuerzas en un movimiento de masticación típico. Los resultados de simulación y experimentales revelan que la existencia de ATMs en el sistema masticatorio humano puede proporcionar una transmisión de fuerza de masticación más homogénea y eficiente.