机器人在义齿排列和种植中的应用

第 34卷第 5期 2012年 9月 机器人 ROBOT Vol.34, No.5Sep., 2012 DOI：10.3724/SP.J.1218.2012.00634 机器人在义齿排列和种植中的应用 姜金刚，张永德 （哈尔滨理工大学智能机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150080） 摘 要：机器人在义齿排列和种植中的应用是机器人在医学领域的又一全新应用，这类机器人主要实现诸如义 齿种植、全口义齿排列和局部义齿排列．本文综述了国内外关于机器人在义齿排列和种植中应用的研究现状，分析 了该应用研究中面临的问，总结了其关键技术，并对其发展趋势和未来研究工作进行了探讨和展望． 关键词：机器人；义齿排列；义齿种植 中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1002-0446(2012)-05-0634-07 Application of Robot to Tooth-arrangement and Dental Implantology JIANG Jingang，ZHANG Yongde (Intelligent Machine Institute, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080，China) Abstract: Application of robot to tooth-arrangement and dental implantology is a novel application of robot technology in medical field. This kind of robots can realize the dental implantology and the arrangement of complete denture and partial denture. In this paper, research status of the application of robot to tooth-arrangement and dental implantology is reviewed, the main problems in its development are analyzed, the key technologies are summarized, the development trend is foreseen, and the future research is discussed. Keywords: robot; tooth-arrangement; dental implantology 1 引言（Introduction） 机器人不仅可以提高工人的生产效率，代替人 类完成重复乏味和危险的工作，还能完成人类所 不能胜任的某些工作 [1]，因此日益受到人们的重视 并得到广泛应用．20 世纪 90 年代，机器人的应用 研究逐渐从传统的工业领域向家庭、医学等领域扩 展，1994年第一届医用机器人和计算机辅助外科会 议在美国宾夕法尼亚州的匹兹堡市召开．医疗机器 人系统的研究和开发日益引起了许多发达国家如美 国、意大利、日本等国政府和学术界的极大关注，并 投入了大量的人力和财力 [2-3]．以医疗机器人系统的 研究为基础发展起来的医疗电子设备的产值在过去 几年以每年 10%的速度增长，大于工业方面的增长 速度．人们预计，医用机器人在今后五年内还会以 每年 20%～ 40%的速度增长 [4]．各国政府不仅希望 医疗机器人系统的研究能为疾病的治疗带来方便， 产生良好的社会效益，更希望医疗机器人的系统研 究能生成一个新的经济增长点，获得良好的经济效 益． 根据美国牙科协会统计，大约 1.13亿美国成年 人缺少至少一颗牙齿，0.19亿人根本没有牙齿 [5-6]． 人类口腔内的天然牙丧失后，患者的颌面形态发生 了变化，发音和咀嚼功能也受到严重影响．为恢复 患者的颌面形态及生理功能，保护颌面组织和下颌 关节的健康，需要及时地为患者进行口腔修复 [7]． 长期以来，口腔修复医学都是以视觉效果的评价和 手工操作为基础、以积累和归纳总结为主要发 展方式、以形象思维和形式逻辑为主要思维方式的 形象科学．正是这种原因导致在临床医疗过程中存 在很大的随机性和局限性，同时也极大地阻碍了口 腔修复医学的发展，并使口腔修复医学的发展水平 远远落后于世界科学技术的发展水平 [8]．随着机器 人技术和人工智能等理论的发展以及口腔修复医学 的迫切需求，出现了一类新型的医疗机器人，该类 机器人可以实现诸如全口义齿、局部义齿排列和义 齿种植．采用专家系统软件将口腔修复专家和技师 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51205093,50675054）；黑龙江省研究生创新科研重点项目（YJSCX2011-004HLJ）；黑龙江省科技攻关 资助项目（GC03A514）；黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12521081）． 通讯作者：姜金刚，jiangjingang1982@163.com 收稿／录用／修回：2012-01-15/2012-06-04/2012-08-17 634 第 34卷第 5期 姜金刚等：机器人在义齿排列和种植中的应用 635 的丰富经验和技术集成，由机器人这一高度自动化 的设备完成全口义齿或局部义齿的排列，然后由机 器人完成全口义齿或局部义齿种植工作．义齿排列 和义齿种植相辅相成，是口腔修复学的关键组成部 分．机器人在义齿排列和种植中的应用研究是机器 人在全新领域应用中的一种理论和技术上的创新和 突破．它的出现不仅使目前定性化的全口义齿修复 理论部分地过渡到定量化理论水平，而且将带动口 腔修复学及相关基础理论的定量化研究，还加速了 传统的口腔修复学与现代科技的紧密结合，从而提 高口腔修复学和机器人学的科学水平． 2 机器人在义齿排列和种植中的应用研究 现状（State of the application of robot to tooth-arrangement and dental implantol- ogy） 2.1 义齿排列机器人 哈尔滨理工大学的张永德教授和北京大学口腔 医学院的吕培军等人基于加拿大的 6自由度 CRS机 器人平台研制了用于全口义齿排列的机器人系统， 对义齿排列机器人的结构组成、排牙算法和运动控 制技术进行了大量的研究 [9-11]．该系统基于 VC++ 和 OpenGL开发了 3维交互式的虚拟排牙软件，构 建了包括 6 自由度 CRS 机器人、电磁手爪、工作 台、盛胶托盘、光缆和光源设备等硬件和基于 RAPL 语言开发的机器人控制软件的整个机器人排牙系 统 [12-13]．该全口义齿排列机器人系统的硬件组成如 图 1所示 [14]．3维交互式的虚拟排牙软件集成了专 家排牙经验，实现了自动排牙计算及牙弓、颌弓曲 线的显示和所排牙列的 3维显示，能够完成牙列到 排牙定位块的坐标变换等．该软件的良好交互性允 许医生方便地进行牙弓、颌弓曲线参数及牙的位姿 的修改和调整．该机器人系统最大负荷为 3 kg，最 大线速度为 4.35m/s，重复定位精度为±0.05 mm．该 系统进行了全口义齿人工牙列的制作实验，为一个 典型患者排出了基本满足要求的牙列．图 2为单操 作机排牙机器人进行排牙操作的工作图． 张永德教授还研究了基于 Motoman UP6 机器 人排牙多指手的排牙实现，主要进行了排牙多 指手的结构、抓取理论、抓取仿真和工作空间分析 的研究 [15-17]．该多指手具有 3个手指，每个手指有 3 个自由度．通过工作空间分析和运动仿真分析， 该排牙多指手理论上可以满足排牙要求，但是因为 人工牙相对复杂，实际上难以实现精确地抓取人工 牙． Ꮉ԰ৄ ⲯ㛊ᠬⲬ ܝ⑤䆒໛ ϧ⫼⬉⺕᠟⟾CRSᴎ఼Ҏ ᴎ఼Ҏ᥻ࠊᶰ 䅵ㅫᴎঞᴎ఼ Ҏ᥻ࠊ䕃ӊ 图 1 单操作机全口义齿排列机器人系统 Fig.1 Single manipulator tooth-arrangement robot system for full denture 图 2 单操作机全口义齿排列机器人系统进行排牙操作 工作图 Fig.2 Working picture of the single manipulator tooth-arrangement robot system for full denture 张永德教授还设计了如图 3 所示的 84 自由度 的多操作机排牙机器人．采用 14个独立的机器人操 作机分别实现 14个与相应人工牙共轭的牙套的位 姿，获得牙套列，再进一步转换为牙列，每个操作机 结构相同，由 6个自由度组成，这样可以实现空间 任意的位置和姿态．整个系统共由 84个电机驱动， 这种方式避开了机器人手爪直接抓取人工牙，因而 也就省略了手爪的结构、人工牙在牙库中的预定位、 排牙过程中的人工牙依次固定等问题 [18]，而这些问 题是单个机器人操作机系统所必需解决的，因而使 系统的精度得到大幅度的提高． 对于 84自由度多操作机排牙机器人，由于驱动 电机数目较多，其控制和运动计算尤其复杂．基于 此问题，张永德教授团队又提出了基于牙弓曲线发 生器和辅助排牙器的排牙策略 [19]．图 4为多操作机 排牙机器人实验系统．图 5为多操作机排牙机器人 制作的牙列．该多操作机排牙机器人用一个弹性可 变形材料通过电机驱动形成牙弓曲线，将 14个操作 机分别安装在弹性材料上，操作机可以在上面进行 滑动，以适应不同人的牙弓长度．这样每个操作机 只需要有 3个转动自由度就可以实现牙齿的姿态调 636 机 器 人 2012年 9月 整．同时只需要改变弹性材料上的几个点就可以改 变曲线的形状，使其逼近真正的牙弓曲线．这样可 以将电机的数目减少到 50 个，使系统结构精巧紧 凑，在很大程度上降低了控制难度．张永德教授和 姜金刚博士就牙弓曲线发生器的协调运动控制 [20]、 基于软件定时的排牙机器人高精度同步控制 [21]、多 操作机排牙机器人的运动学分析和规划 [22] 等进行 了大量的研究工作．该机器人进行一次全口义齿排 列仅需要 30 min，每一个单操作机的重复定位精度 可以达到 ±0.07 mm,整个机器人系统的重复定位精 度为 ±0.10 mm． 图 3 84自由度的多操作机排牙机器人结构 Fig.3 Structure of the 84DOF multi-manipulator tooth-arrangement robot Computer and Motion Control Software Multi-manipulator Tooth- arrangement Robot Power Supply Photoelectric Isolation Board Dental Arch Generator 图 4 50自由度的多操作机排牙机器人系统 Fig.4 50DOF multi-manipulator tooth-arrangement robot system 图 5 多操作机排牙机器人系统制作的全口义齿 Fig.5 Complete denture made by the multi-manipulator tooth-arrangement robot system 以实用化为目标，张永德教授基于 TRIZ理论设 计了一种专用小型直角坐标式排牙机器人，建立了 直角坐标式排牙机器人的 3维模型，利用 ADAMS 对模型进行了运动学仿真分析 [23-24]．直角坐标式排 牙机器人结构图如图 6所示． 图 6 直角坐标式排牙机器人虚拟样机 Fig.6 Virtual prototype for tooth-arrangement robot of Cartesian type 2.2 义齿种植机器人 美国肯塔基大学的Wang等人搭建了如图 7所 示的基于 SCARA机器人的用于测量义齿种植后咀 嚼力的测力系统 [25]，该研究对于义齿种植的种植角 度和种植深度的选择具有指导意义，主要就实施义 齿种植后咬合接触面、种植义齿与骨组织接触面的 垂直和水平方向上的力分布进行了测量． monitor robot controller F/T sensor controller ADEPT robot F/T sensor test fixture system control HP data acquisition unit strain gauge displacement output output Bentley/Nevada sensor conditioner 图 7 用于测量义齿种植后咀嚼力的测力系统 Fig.7 Measurement system for mastication force after dental implantology 法国巴黎矿业大学机器人技术中心的 Dutreuil 和瑞典乌默奥大学的 Zoreda等人建立了如图 8所示 的用于实施机器人义齿种植的实验系统 [26]．他们提 出了一种义齿种植外科的新方法，编制了术前规划 软件，基于 CT扫描数据建立患者颌的 3维数据模 型，机器人在术前规划软件的协助下在预先规划的 第 34卷第 5期 姜金刚等：机器人在义齿排列和种植中的应用 637 位置上将牙种植体植入患者颌上．所使用的机器人 具有 5个自由度，3个移动关节和 2个旋转关节，移 动关节的重复定位精度为 ±0.04 mm，旋转关节的重 复定位精度为 ±0.15◦．实际实验中，在以不透明的 放射性球作为标定基准时，这个义齿种植系统的定 位精度为 ±0.3 mm，在以 CT扫描数据为基准时，这 个义齿种植系统的定位精度为 ±0.25 mm．他们的实 验结果表明所有种植体都能被植入准确的位置． 图 8 包括术前规划和术中钻孔的机器人化的义齿种植平台 Fig.8 Robotic implant denture workbench, from pre-operative planning to splint drilling 中国上海交通大学的 Chen等人搭建了计算机 辅助义齿种植系统 [27]．对义齿种植术前 3维建模方 法、基于光学跟踪定位系统的实时导航进行了研究， 并通过临床实验评定了该系统的精度和可靠性．该 系统的研究为实现机器人的自动义齿种植奠定了基 础． 葡萄牙科英布拉大学的 Pires 等人基于 ABB IRB2400/M98机器人搭建了如图 9所示的义齿种植 机器人系统 [28]．该系统由工业机器人操作臂、数据 采集卡、应变仪、配备有加速器的力／力矩传感器等 组成，可以用于钻孔和种植体的植入．操作臂末端 的换刀装置还可以实现义齿种植的自动钻孔和应用 图 9 基于 ABB IRB2400/M98型机器人的义齿种植系统 Fig.9 Dental implantology system using the ABB IRB2400/M98 robot 种植体装配的压力再现模拟咀嚼过程．该系统的软 件基于 Matlab编制，包括机器人标定模块、钻孔规 划模块、钻孔轨迹加载模块、钻孔执行模块和数据 采集与处理模块．通过对不同钻孔位置、不同钻孔 角度下种植力、颌骨组织应力应变的分析寻求最佳 的钻孔方位和钻孔个数，但是没有考虑和分析钻孔 深度对种植力和颌骨组织应力应变的影响情况． 上海交通大学的 Zheng等人搭建了用于义齿种 植的计算机辅助术前预规划和外科导航系统 [29]．该 系统分为术前预规划和外科导航两个子系统，基于 CT图像实现的术前预规划子系统的规划流程为：确 定咬合平面、确定牙弓曲线和进行钻孔轨迹的预规 划，外科导航系统采用导航摄像机的红外光实现手 术器械的精确定位．这两个子系统的无缝紧密连接 使得在同一坐标空间内钻孔深度和方向可以实现实 时跟踪，这也保证了术前预规划位置与实时导航位 置匹配的精度．实验结果表明，平均深度和角度误 差分别为 0.772 mm和 0.554◦． 德国杜塞尔多夫大学的 Wilmes 等人搭建了如 图 10所示的义齿种植机器人系统 [30-31]．该系统由一 个机器人操作臂、角度传感器、应变仪、力矩传感器 等组成．该系统用于研究种植体植入深度、植入角 度，预钻孔尺寸，种植体的尺寸对植入转矩和植入 体稳定性的影响．研究结果表明，植入体尺寸对植 入转矩和植入体的稳定性影响较大，植入角度在 60◦ 到 70◦ 范围时，植入转矩最大．但是植入转矩过大， 会增加义齿种植失败的几率，这主要是因为植入 转矩过大会导致骨组织的压缩．植入体植入越深， 植入转矩越大．预钻孔尺寸过大会导致植入转矩和 Robot arm Angle sensor Torque sensor Mini-implants in bone 图 10 杜塞尔多夫大学搭建的种植外科系统 Fig.10 Implant surgery system constructed by the University of Duesseldorf 638 机 器 人 2012年 9月 种植体稳定性的降低，因此合理协调种植体本身参 数与预钻孔尺寸之间的关系对于植入转矩和种植体 的稳定性十分重要． 韩国朝鲜大学的 Jeong等人设计了一个如图 11 所示的用于义齿种植外科的人–机器人合作的机器 人操作臂 [32]．该机器人操作臂有 3 个自由度，分 为植入单元和角度调整单元，植入单元用于调节 钻孔深度，角度调整单元由移动关节和旋转关节组 成，用于调整钻孔的角度．双平行四边形机构在角 度调整单元的应用可以提高手术中的安全性和可 靠性．他们就该机器人的运动学、动力学以及基于 OpenGL和 LabVIEW的 3维运动仿真进行了一些研 究． Rotation stage Translation stage(linear guide) Translation stage(linear guide) Angulation Part Insertion Part 图 11 朝鲜大学设计的义齿种植操作臂 Fig.11 Dental implantology manipulator designed by Chosun University 泰国曼谷国立玛希隆大学的 Suthakorn 和国立 科学技术开发机构的 Sinthanayothin 等人构建了机 器人辅助义齿种植的外科导航系统 [33]，使用光学跟 踪器和立体摄像机采用光学跟踪法实现了手术器械 的跟踪路径生成．该术中导航系统显示了导航路径 和手术器械的位置关系，基于手术器械末端执行器 和 CT与立体摄像机图像中导航路径的关系，通过 均匀变化算法可以计算出钻孔方位和深度信息，但 是该系统只是提出了想法和进行了虚拟的实验，并 未进行临床验证． 美国老道明大学 Sun 等人构建了如图 12 所示 的图像引导的自动义齿种植机器人系统 [34]．基于这 个系统进行了模拟手术，基于术前 CT图像重建了 特定患者的 3维模型，基于此模型进行了种植规划， 采用两步法标定实现了种植体植入的术前规划到机 器人术中操作的转换．在这个系统中，引入了坐标 测量机作为参考坐标系，以避免机器人和患者的直 接接触，确保患者的安全性．体外模拟实验表明目 标标定误差为 1.42±0.70 mm． CMM Patient/Phantom Robot with dental drill-bit 图 12 老道明大学搭建的图像引导的自动义齿种植机器人 系统 Fig.12 An image-guided robotic system for automated dental implantation constructed by Old Dominion University 3 机器人在义齿排列和种植中应用的关键 问题和发展方向（Key problems and fu- ture development on application of robot to tooth-arrangement and dental implan- tology） 3.1 机器人在义齿排列和种植中应用的关键问题 3.1.1 设计的基本要求 将口腔修复学中定性化描述的语言转化为定量 化描述，并通过受限空间内机械本体借助于 3维重 建的口腔特征实现自动化的义齿排列和种植，口腔 修复后能否满足不同患者口腔特征的需求是设计和 研制用于义齿排列和义齿种植机器人的主要难点． 义齿排列和义齿种植机器人研制的基本要求是： (1)对于义齿排列机器人而言，在虚拟环境中， 将口腔修复学统编教科书上定性化描述的排牙原则 和要求定量化表达，以较少的自由度实现对人工牙 的精确抓取和空间任意位置上位姿的定位功能． (2)对于义齿种植机器人来说，义齿种植机器人 系统应具有术前 3维重建和路径预规划、术中图像 实时导航功能，机器人本体应能在图像引导下在口 腔这个受限空间内实现植入角度和植入位置的灵活 调整． 3.1.2 研究难点 机器人在义齿排列和种植中应用的功能不同， 研究难点亦各不相同． (1) 参数化的数学语言描述诸如颌弓曲线和牙 弓曲线等定性化的口腔特征，复杂形状人工牙的 3 第 34卷第 5期 姜金刚等：机器人在义齿排列和种植中的应用 639 维重建、数字描述和精确抓取与定位，机器人的轨 迹规划和协调控制是义齿排列机器人研究的难点． (2) 对于义齿种植机器人来说，术前口腔内部 CT图像的 3维重建、术前重建图像和术中导航图像 的配准、受限空间内机器人的结构设计和机器人路 径预规划是义齿种植机器人系统研究的难点． 3.2 机器人在义齿排列和种植中应用的发展方向 虽然目前对机器人在义齿排列和种植中应用的 研究已经取得了一定的进展，但是还不够完善，从 国内外义齿排列和义齿种植机器人的研究现状和目 前口腔修复市场的需求来看，预计未来还需进行以 下各方面的研究工作： (1)新结构．用于义齿排列和义齿种植的机器人 需要高度的灵活性、可靠性和精度，但是工作的空 间却大多受限在口腔内部．因此灵活性和受限空间 对用于义齿排列和义齿种植的机器人来说是一对技 术矛盾，因此需要对机器人整体进行规划与优化． 在满足口腔修复的前提下，尽量减少机器人运动的 自由度．利用并联、串联机器人结构上和性能特点 上的对偶关系，将并联机器人的高精度、简化机械 机构的性能和串联机器人操作的灵活性完美结合来 实现义齿排列和义齿种植机器人对结构设计上的要 求． (2)传感器与控制技术．对于义齿排列机器人来 说，因为要实现 14颗复杂形状人工牙位姿的精确操 作和调整，所以机器人需要的运动的自由度和传感 器数量较多，因此需要寻求一种适用于义齿排列机 器人的高效协调控制算法．对于义齿种植机器人来 说，术中导航图像和术前重建图像的配准、种植深 度和种植力的实时采集和反馈是未来研究的重点． (3)人机交互技术．人机交互技术是义齿排列和 义齿种植机器人运动控制的关键技术之一．义齿排 列和义齿种植机器人作业的环境限制，可能会给操 作者带来错觉，尤其是在执行整个机器人的抓取和 调整操作、钻孔深度和钻孔位姿调整以及工作时状 态的检测等工作和在多障碍物的非结构环境中运动 时操作难度会较大．同时为了便于操作者进行操作， 需要设计人机交互性能友好的操作软件以给操作者 提供人性化的输入和反馈． 4 结论（Conclusion） 义齿排列和义齿种植机器人以其化、工业 化、智能化等优点可以实现传统的口腔修复医学定 性化到定量化的伟大变革，因此已经成为医疗机器 人的重要发展方向之一． 本文从义齿排列机器人和义齿种植机器人两个 方面重点介绍了国内外机器人在义齿排列和种植中 应用的研究现状，指出了目前机器人在义齿排列和 种植中应用的基本要求、研究难点，最后从新结构、 传感器与控制技术、人机交互技术 3个方面对机器 人在义齿排列和种植中应用的未来研究工作进行了 展望． 总体来说，目前在义齿排列机器人应用研究方 面中国处于领先地位，哈尔滨理工大学、北京理工 大学和北京大学口腔医学院均在义齿排列机器人理 论研究和应用方面做了一些有益的探索．在义齿种 植机器人方面，世界各国都进行了有益的探索，但 目前都仍处在实验室理论研究和初步实验阶段．随 着新结构、传感器和控制理论等相关技术和理论的 发展，机器人在义齿排列和种植中的应用将得到越 来越广泛的应用． 参考文献（References） [1] 孙立宁，胡海燕，李满天．连续型机器人研究综述 [J]．机器 人，2010，32(5): 688-694. 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