食品物性仿生檢測機器人的製作方法

2023-05-31 09:18:06 1

專利名稱：食品物性仿生檢測機器人的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及食品檢測技術領域，尤其是食品物性仿生檢測機器人。
背景技術：
人類食用的食品具有不同的物理特性，不但會造成不同的口感，而且也會引起 不同的口腔咀嚼運動方式，而不同的咀嚼運動方式對口腔的健康特別是牙齒的健康會產 生很大的影響，也會對腦血流、記憶力等產生影響；因此，食品物性為食品評價體系中的 一個重要指標。現有的食品物性檢測多採用專用檢測儀器一質構儀，如實用新型專利 200910033291公開了一種米飯粒硬度粘度質構特性自動檢測儀，即是一種可以對米飯粒的 物性進行檢測的改進型質構儀。對梨果類水果如蘋果也可以利用與上述檢測儀結構基本類 似的質構儀進行物性檢測，檢測時，質構儀的探頭以穩定速度進行下壓，以穿透樣品時受到 的最大阻力來表示蘋果的硬度。通過上述的質構儀進行食品物性檢測的設備與方法存在以下缺陷一由於質構 儀的單一探頭簡單結構本質上只能檢測到產品的硬度值等數據，這種檢測數據在溫度、溼 度、食品運動方式上與人類口腔存在很大的區別，不能反映真實的口感。二 質構儀也不能 夠記錄不同物性食品在咀嚼過程中對口腔特別是對牙齒造成的影響，包括食品對牙齒的作 用力大小和方式的變化情況等動態數據。三不同物性食品在被吞咽前的咀嚼分解情況會 直接影響到食品的消化吸收，如咀嚼不夠會降低消化效率，造成消化不良和腸胃脹氣，因此 需要獲得食品在咀嚼過程中的物性變化動態數值，目前的質構儀無法實現這些檢測目的。

實用新型內容本申請人針對現有食品物性檢測中存在著檢測設備與方法單一，無法真實模擬口 腔環境，進而準確獲知食品物性，進行數據分析比較等缺點，提供一種結構合理、適用性廣 的食品物性仿生檢測機器人，從而可以全面真實的獲得食品物性的檢測數據。本實用新型所採用的技術方案如下一種食品物性仿生檢測機器人，包括控制裝置與仿生口腔，所述的仿生口腔由上 顎與下巴組成，上顎的上牙與下巴的下牙相配合；上顎頂部固定在機架的上部，下巴底部固 定在動平臺上，動平臺與機架底座之間通過若干個球副_移動副_球副機構連接；在口腔內 部不同位置設置有傳感器；所述控制裝置控制所述移動副的運動，並且從傳感器接收數據 並存儲處理。其進一步特徵在於所述球副-移動副-球副機構設置為六個，所述移動副為伸縮杆，伸縮杆通過上球 副與所述動平臺底部連接，通過下球副與所述底座連接；所述伸縮杆包括外部套筒與內部可上下伸縮運動的活動杆，在套筒的一側設置有 伺服電機，通過底部的傳動裝置與套筒內部的絲槓相連接；絲槓與絲槓螺母相嚙合，絲槓螺 母通過端部連接板與活動杆的端部固定為一體，活動杆與套筒之間設置有導套；在活動杆 頂端設置有上圓球，在減速箱箱體底部設置有下圓球；[0009]所述機架的頂部設置有唾液注入口與上顎相連通；所述傳感器包括應力傳感器、溫度傳感器、溼度傳感器或位移傳感器；所述控制裝置包括上位機與單片機，所述上位機通過單片機與所述移動副與所述 傳感器連接。本實用新型具有以下有益的技術效果本實用新型的仿生檢測機器人通過六支球副_移動副_球副機構(SPS機構)靈活 控制仿生口腔的下巴運動，可實現上下咬合、左右磨碎、門齒切斷等多種動作，逼真的模擬 口腔咀嚼動作；採用伺服電機控制伸縮杆的伸縮運動，可以準確的實現行程控制，提高了機 器人動作的精確性；在咀嚼過程中可以注入模擬唾液，控制口腔溫溼度，進一步真實的模仿 人類的口腔環境。本實用新型的仿生檢測機器人在仿生口腔內布置的多個力、位移、溫度、溼度的傳 感器，建立了食品硬度、彈性、粘性等物性的新的檢測方法。由於檢測環境中檢測對象是處 於咀嚼運動狀態下的食品樣品，因此檢測的數據能更為科學、更為客觀地反映人們對食品 的口感；相比於現有的食品物性檢測儀器，能夠對食品物性作出更科學、準確、客觀地評價； 本實用新型可以代替傳統的質構儀鑑定與感官鑑定相結合的食品評定方法，既可以降低檢 測成本、提高檢測效率，還可以提高檢測準確度。在仿生檢測機器人的基礎上，建立了上位機_檢測機器人相互通訊的食品物性的 實時檢測系統與檢測方法。該系統與方法可實現對被咀嚼食品在進食咀嚼運動過程中的物 性變化的實時檢測記錄，可實現不同物性食品在進食咀嚼過程中對牙齒作用力的記錄，可 實現不同物性食品在咀嚼過程中分解過程的記錄。通過這些記錄的原始數據，可以進行食 品口感品質的鑑定，可以建立食品物性與牙齒健康間的關係，可以建立食品物性與消化吸 收之間的關係，從而為加工研製符合人們口味、更有利於牙齒健康、更有利於消化吸收的食 品的加工研製提供科學的理論依據。

圖1為本實用新型的立體圖。圖2為本實用新型的伸縮杆的主視圖，局部剖視。圖3為圖2的左視圖，局部剖視。圖4為圖1中動平臺組件的俯視圖。圖5為下巴張開至下極限位置的示意圖。圖6為下巴移動至左極限位置的示意圖。圖7為本實用新型仿生檢測方法的原理示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖，說明本實用新型的具體實施方式
。如圖1所示，本實用新型所述的食品物性仿生檢測機器人為由上顎7與下巴3組 成的仿生口腔，上顎7的上牙5與下巴3的下牙4相配合，在機架1的頂部設置有唾液注入 口 6與上顎7相連通；上顎7頂部固定在機架1的上部，下巴3底部固定在動平臺2上，動 平臺2與底座9之間設置有六支伸縮杆8a 8f，每一支伸縮杆8通過上球副11與動平臺
42的底部相連，通過下球副10與底座9相連接。在口腔內部不同位置，例如在上牙5、下牙 4表面設置有拉、壓應力傳感器、位移傳感器，在上顎7表面設置溫度傳感器、溼度傳感器等 多種傳感器。本實用新型通過控制裝置進行對仿生口腔控制，控制裝置的作用是對伺服電 機進行控制以及對多種傳感器的檢測數據進行記錄或處理。如圖2、圖3所示，伸縮杆8是通過活動杆802在套筒803內的上下伸縮運動實現， 在套筒803的一側設置有伺服電機809，在套筒803的底部設置有減速箱箱體808，減速箱 箱體808內部設置有一對嚙合的主動齒輪807與從動齒輪805，主動齒輪807中軸連接於伺 服電機809的輸出軸，而從動齒輪805中軸與套筒803內部的絲槓804相連接，因此可以利 用伺服電機809驅動絲槓804 ；絲槓804與絲槓螺母810相嚙合，絲槓螺母810通過端部連 接板811與活動杆802的端部固定為一體，活動杆802與套筒803之間還設置有導套812， 以保證活動杆802在套筒803內居中穩定運動，同時也起限位作用。在活動杆802頂端設 置有上圓球801，在減速箱箱體808底部設置有下圓球806。如圖4所示，在動平臺2的底部基本以0°、120°、240°方向設置有六個球窩，每 個方向設置兩個球窩；對應的，在底座9也設置有六個球窩；伸縮杆8的上圓球801與動平 臺2底部球窩相配合，組成上球副11 ；伸縮杆8的下圓球806與底座9的球窩相配合，組成 下球副10。本實用新型的上顎7固定不動，依靠下巴3的運動來實現口腔咀嚼的仿真；通過 伺服電機809驅動主動齒輪807，主動齒輪807帶動從動齒輪805，從動齒輪805帶動絲槓 804轉動，絲槓804的轉動通過絲槓螺母810轉化為絲槓螺母810的移動，帶動活動杆802 在套筒803內進行伸縮運動，六支伸縮杆8的合成移動與球副-移動副-球副機構(SPS機 構)實現動平臺2的位置和姿態控制，從而實現下巴3的指定運動，如上下咬合、左右磨碎、 門齒切斷等動作。在本實用新型的一種具體實施例中，單支伸縮杆8壓縮至最短極限位置 為360mm，拉伸至最長極限位置為510mm ；當六支伸縮杆8a 8f均設置在460mm的位置時， 下巴3與上顎7閉合，定義此位置為初始位置。如圖5所示，當前面的兩個伸縮杆8a與8b收縮35. 2mm的長度，而同時後面的兩 個伸縮杆8d與Se伸長16. 7mm的長度，則下巴3與上顎7成張開30度角，定義此位置為最 大張開位置。當伸縮杆在上述範圍內作往復協同運動，則下巴3可以反覆在初始位置與最 大張開位置之間運動，可以實現上下咬合、門齒切斷等動作。如圖6所示，當伸縮杆8a縮短4. 4mm,伸縮杆8f縮短13. 95mm,伸縮杆8e伸長 40. 93mm,伸縮杆8d伸長42. 59mm,伸縮杆8c伸長8. 49mm,伸縮杆8b伸長15. 4mm時，此時 下巴3與上顎7成磨切角30度的位置；當伸縮杆在上述範圍內作往復協同運動，則可以實 現左右磨碎動作。利用食品物性仿生檢測機器人進行食品物性仿生檢測作業的原理如圖7所示首先，根據各種食品的不同的特性及所需檢測的物性，與仿生檢測機器人的運動 方式，咬合、磨壓或剪切，計算出多種模式的驅動六個球副-移動副-球副機構(SPS)的伺 服電機的轉角數值，存儲在上位機的資料庫中。每次檢測時在仿生口腔中放入所需要檢測的食品，通過唾液注入口向仿生口腔中 注入模擬唾液；可以將仿生檢測機器人放入溫溼度試驗箱，控制所需要的溫度與溼度；根 據實際要求，從上位機資料庫中取得對應的控制參數，將這些數值轉化為脈衝量由單片機發送給伺服電機。伺服電機的轉動實現伸縮杆的縮短或伸長，從而使下巴根據設定的程序值進行仿 生咀嚼。當仿生檢測機器人進行咀嚼運動時，安裝在口腔內的各種傳感器將口腔內的力、位 移、溼度、溫度等數據轉換為電信號，通過模數轉換晶片轉換為數位訊號並傳送給單片機; 上位機通過串口與單片機系統連接，傳感器採集的數據通過RS232串口傳輸到上位機。上位機的檢測程序記錄下被測食品在咀嚼運動過程中受到拉伸、壓縮、剪切時的 受力數據，被測食品在咀嚼運動中的物性數據，例如形狀、大小等，被測食品咀嚼運動過程 中牙齒的受力數據，被測食品的分解數據。利用這些記錄數據，計算食品的物性及物性變 化，全面評估食品的口感、食品對口腔健康的影響，食品的營養消化吸收程度。傳感器記錄下食品在被咀嚼過程中的食品的變形、受力及時間的數據，繪製應 力_時間曲線，以時間為橫坐標，應力為縱坐標，壓力傳感器檢測值為正，拉力傳感器檢測 值為負；變形_時間曲線，以時間為橫坐標，變形為縱坐標；應力-變形曲線，以變形為橫坐 標，以應力為縱坐標；根據這些曲線，相關物性數據檢測方法如下。①咬勁(硬度)應力-時間曲線上最大峰值所對應的力，數值越大，說明食品越 硬，越有咬勁。②粘著性應力_時間曲線上橫坐標線以下的倒峰面積，表示食品的粘著性，該數 值絕對值越大，表示食品粘性越強，食品口感粘牙。③彈性(拉斷力)應力-變形曲線上用最大峰值所對應的力與拉伸距離的乘積 來表示，數值越大，拉伸距離越長，則食品彈性越好。④延伸性(拉伸時間)變形_時間曲線上從開始拉伸到拉斷食品所需時間，該值 越大，延伸性越好。⑤韌性應力-變形曲線上食品被咀嚼切斷時，切斷力與切斷距離的乘積，即切斷 時所作的功；該數值越大，韌性就越好。⑥最大切斷力應力-變形曲線上最大峰值所對應的力，數值越大，切斷食品時所 用的力越大。以上描述是對本實用新型的解釋，不是對實用新型的限定，本實用新型所限定的 範圍參見權利要求，在不違背本實用新型精神的情況下，本實用新型可以作任何形式的修 改。
權利要求一種食品物性仿生檢測機器人，其特徵在於包括控制裝置與仿生口腔，所述的仿生口腔由上顎與下巴組成，上顎的上牙與下巴的下牙相配合；上顎頂部固定在機架的上部，下巴底部固定在動平臺上，動平臺與機架底座之間通過若干個球副 移動副 球副機構連接；在口腔內部不同位置設置有傳感器；所述控制裝置控制所述移動副的運動，並且從傳感器接收數據並存儲處理。
2.按照權利要求1所述的食品物性仿生檢測機器人，其特徵在於所述球副-移動 副-球副機構設置為六個，所述移動副為伸縮杆，伸縮杆通過上球副與所述動平臺底部連 接，通過下球副與所述底座連接。
3.按照權利要求2所述的食品物性仿生檢測機器人，其特徵在於所述伸縮杆包括外 部套筒與內部可上下伸縮運動的活動杆，在套筒的一側設置有伺服電機，通過底部的傳動 裝置與套筒內部的絲槓相連接；絲槓與絲槓螺母相嚙合，絲槓螺母通過端部連接板與活動 杆的端部固定為一體，活動杆與套筒之間設置有導套；在活動杆頂端設置有上圓球，在減速 箱箱體底部設置有下圓球。
4.按照權利要求1所述的食品物性仿生檢測機器人，其特徵在於所述機架的頂部設 置有唾液注入口與上顎相連通。
5.按照權利要求1所述的食品物性仿生檢測機器人，其特徵在於所述傳感器包括應 力傳感器、溫度傳感器、溼度傳感器或位移傳感器。
6.按照權利要求1所述的食品物性仿生檢測機器人，其特徵在於所述控制裝置包括 上位機與單片機，所述上位機通過單片機與所述移動副與所述傳感器連接。
專利摘要本實用新型涉及一種食品物性仿生檢測機器人，包括控制裝置與仿生口腔，所述的仿生口腔由上顎與下巴組成，上顎的上牙與下巴的下牙相配合；上顎頂部固定在機架的上部，下巴底部固定在動平臺上，動平臺與機架底座之間通過若干個球副-移動副-球副機構連接；在口腔內部不同位置設置有若干傳感器；所述控制裝置控制所述移動副的運動，並且從傳感器接收數據並存儲處理。本實用新型能夠對食品物性作出科學、準確、客觀地評價，可以代替傳統的質構儀鑑定與感官鑑定相結合的食品評定方法，既可以降低檢測成本、提高檢測效率，還可以提高檢測準確度，從而為食品的加工研製提供科學的理論依據。
文檔編號G01N3/40GK201754138SQ201020294168
公開日2011年3月2日 申請日期2010年8月17日 優先權日2010年8月17日
發明者俞經虎, 孫秀蘭, 張秋菊, 張銀志, 陳安軍 申請人:江南大學