仿生咀嚼机器人基于人体咀嚼运动机理,结合机器人运动控制技术、电机驱动技术以及嵌入式控制技术,是一类用于仿生人体下颌咀嚼功能的机器人。它对于口腔医学中口腔康复治疗、义齿材料检测以及咀嚼运动机理研究具有深远意义,同时也对食品科学中质构检测仪的研发具有指导意义。本文综合了作者目前参与设计的两代仿生咀嚼机器人样机的相关工作,主要研究内容如下:首先,介绍了课题研究的背景及意义,随后介绍了仿生咀嚼机器人的研究现状,并总结分析了多种仿生咀嚼机器人的控制系统和仿生咀嚼机构设计思路;之后简要介绍人体下颌咀嚼运动系统的整体构造和咀嚼运动机理,并总结了下颌运动常见运动形式,同时对仿生下颌运动自由度要求、咀嚼性能参数和仿生下颌结构尺寸参数的简化方案进行了分析。其次,根据总结的运动自由度要求、咀嚼性能参数和仿生机构设计思路,设计了两代样机的仿生机械结构;建立了样机的运动学模型,基于螺旋理论对样机进行空间运动自由度分析,对下颌咀嚼平台位姿进行运动学分析计算,为后面控制系统的运动控制及轨迹跟踪提供理论基础。设计Matlab程序对仿生下颌的工作空间进行验证。基于Simscape Multibody模块建立了样机的机电系统仿真模型,设定运动轨迹进行仿真跟踪实验,为后面嵌入式运动控制系统提供参考的输入数据。其次,为一代样机设计并搭建了以STM32F407嵌入式开发板为主板的嵌入式运动控制系统。包含有多通道传感器数据采集系统、多轴步进电机驱动系统及基于STemWin的嵌入式GUI控制界面,且基于μCOS III嵌入式实时控制系统进行各任务分配并实时运行。文中给出了关键器件的选型方案以及控制系统及嵌入式图形化人机交互界面(GUI)设计的关键技术,并对整体控制系统结构的重难点以及主要控制流程进行了说明。最后,为了验证样机结构的仿生性能、运动控制系统的控制性能以及人机界面的数据显示和人机交互功能,将一代样机的运动控制系统部分与机械结构部分进行整合,搭建了仿生咀嚼机器人整体系统。在不同运动模式下,通过人机界面,进行了仿生咀嚼实验,对各个系统的实际工作能力进行了验证,得到了相应咬合力曲线以及平台运动轨迹,对照在Simscape Multibody中的咀嚼运动轨迹仿真数据,验证所设计仿生咀嚼机器人系统的仿生咀嚼功能。