專利名稱：食品物性仿生檢測機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及食品檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是食品物性仿生檢測機(jī)器人。
背景技術(shù)：
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(yùn)動方式，而不同的咀嚼運(yùn)動方式對口腔的健康特別是牙齒的健康會產(chǎn) 生很大的影響，也會對腦血流、記憶力等產(chǎn)生影響；因此，食品物性為食品評價(jià)體系中的 一個(gè)重要指標(biāo)。現(xiàn)有的食品物性檢測多采用專用檢測儀器一質(zhì)構(gòu)儀，如實(shí)用新型專利 200910033291公開了一種米飯粒硬度粘度質(zhì)構(gòu)特性自動檢測儀，即是一種可以對米飯粒的 物性進(jìn)行檢測的改進(jìn)型質(zhì)構(gòu)儀。對梨果類水果如蘋果也可以利用與上述檢測儀結(jié)構(gòu)基本類 似的質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行物性檢測，檢測時(shí)，質(zhì)構(gòu)儀的探頭以穩(wěn)定速度進(jìn)行下壓，以穿透樣品時(shí)受到 的最大阻力來表示蘋果的硬度。通過上述的質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行食品物性檢測的設(shè)備與方法存在以下缺陷一由于質(zhì)構(gòu) 儀的單一探頭簡單結(jié)構(gòu)本質(zhì)上只能檢測到產(chǎn)品的硬度值等數(shù)據(jù)，這種檢測數(shù)據(jù)在溫度、濕 度、食品運(yùn)動方式上與人類口腔存在很大的區(qū)別，不能反映真實(shí)的口感。二 質(zhì)構(gòu)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(tài)數(shù)據(jù)。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(tài)數(shù)值，目前的質(zhì)構(gòu)儀無法實(shí)現(xiàn)這些檢測目的。

實(shí)用新型內(nèi)容本申請人針對現(xiàn)有食品物性檢測中存在著檢測設(shè)備與方法單一，無法真實(shí)模擬口 腔環(huán)境，進(jìn)而準(zhǔn)確獲知食品物性，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析比較等缺點(diǎn)，提供一種結(jié)構(gòu)合理、適用性廣 的食品物性仿生檢測機(jī)器人，從而可以全面真實(shí)的獲得食品物性的檢測數(shù)據(jù)。本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案如下一種食品物性仿生檢測機(jī)器人，包括控制裝置與仿生口腔，所述的仿生口腔由上 腭與下巴組成，上腭的上牙與下巴的下牙相配合；上腭頂部固定在機(jī)架的上部，下巴底部固 定在動平臺上，動平臺與機(jī)架底座之間通過若干個(gè)球副_移動副_球副機(jī)構(gòu)連接；在口腔內(nèi) 部不同位置設(shè)置有傳感器；所述控制裝置控制所述移動副的運(yùn)動，并且從傳感器接收數(shù)據(jù) 并存儲處理。其進(jìn)一步特征在于所述球副-移動副-球副機(jī)構(gòu)設(shè)置為六個(gè)，所述移動副為伸縮桿，伸縮桿通過上球 副與所述動平臺底部連接，通過下球副與所述底座連接；所述伸縮桿包括外部套筒與內(nèi)部可上下伸縮運(yùn)動的活動桿，在套筒的一側(cè)設(shè)置有 伺服電機(jī)，通過底部的傳動裝置與套筒內(nèi)部的絲杠相連接；絲杠與絲杠螺母相嚙合，絲杠螺 母通過端部連接板與活動桿的端部固定為一體，活動桿與套筒之間設(shè)置有導(dǎo)套；在活動桿 頂端設(shè)置有上圓球，在減速箱箱體底部設(shè)置有下圓球；[0009]所述機(jī)架的頂部設(shè)置有唾液注入口與上腭相連通；所述傳感器包括應(yīng)力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器或位移傳感器；所述控制裝置包括上位機(jī)與單片機(jī)，所述上位機(jī)通過單片機(jī)與所述移動副與所述 傳感器連接。本實(shí)用新型具有以下有益的技術(shù)效果本實(shí)用新型的仿生檢測機(jī)器人通過六支球副_移動副_球副機(jī)構(gòu)(SPS機(jī)構(gòu))靈活 控制仿生口腔的下巴運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)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；采用伺服電機(jī)控制伸縮桿的伸縮運(yùn)動，可以準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)行程控制，提高了機(jī) 器人動作的精確性；在咀嚼過程中可以注入模擬唾液，控制口腔溫濕度，進(jìn)一步真實(shí)的模仿 人類的口腔環(huán)境。本實(shí)用新型的仿生檢測機(jī)器人在仿生口腔內(nèi)布置的多個(gè)力、位移、溫度、濕度的傳 感器，建立了食品硬度、彈性、粘性等物性的新的檢測方法。由于檢測環(huán)境中檢測對象是處 于咀嚼運(yùn)動狀態(tài)下的食品樣品，因此檢測的數(shù)據(jù)能更為科學(xué)、更為客觀地反映人們對食品 的口感；相比于現(xiàn)有的食品物性檢測儀器，能夠?qū)κ称肺镄宰鞒龈茖W(xué)、準(zhǔn)確、客觀地評價(jià)； 本實(shí)用新型可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的質(zhì)構(gòu)儀鑒定與感官鑒定相結(jié)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(zhǔn)確度。在仿生檢測機(jī)器人的基礎(chǔ)上，建立了上位機(jī)_檢測機(jī)器人相互通訊的食品物性的 實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)與檢測方法。該系統(tǒng)與方法可實(shí)現(xiàn)對被咀嚼食品在進(jìn)食咀嚼運(yùn)動過程中的物 性變化的實(shí)時(shí)檢測記錄，可實(shí)現(xiàn)不同物性食品在進(jìn)食咀嚼過程中對牙齒作用力的記錄，可 實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)，可以進(jìn)行食 品口感品質(zhì)的鑒定，可以建立食品物性與牙齒健康間的關(guān)系，可以建立食品物性與消化吸 收之間的關(guān)系，從而為加工研制符合人們口味、更有利于牙齒健康、更有利于消化吸收的食 品的加工研制提供科學(xué)的理論依據(jù)。

圖1為本實(shí)用新型的立體圖。圖2為本實(shí)用新型的伸縮桿的主視圖，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(shí)用新型仿生檢測方法的原理示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，說明本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
。如圖1所示，本實(shí)用新型所述的食品物性仿生檢測機(jī)器人為由上腭7與下巴3組 成的仿生口腔，上腭7的上牙5與下巴3的下牙4相配合，在機(jī)架1的頂部設(shè)置有唾液注入 口 6與上腭7相連通；上腭7頂部固定在機(jī)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(shè)置有六支伸縮桿8a 8f，每一支伸縮桿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(nèi)部不同位置，例如在上牙5、下牙 4表面設(shè)置有拉、壓應(yīng)力傳感器、位移傳感器，在上腭7表面設(shè)置溫度傳感器、濕度傳感器等 多種傳感器。本實(shí)用新型通過控制裝置進(jìn)行對仿生口腔控制，控制裝置的作用是對伺服電 機(jī)進(jìn)行控制以及對多種傳感器的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄或處理。如圖2、圖3所示，伸縮桿8是通過活動桿802在套筒803內(nèi)的上下伸縮運(yùn)動實(shí)現(xiàn)， 在套筒803的一側(cè)設(shè)置有伺服電機(jī)809，在套筒803的底部設(shè)置有減速箱箱體808，減速箱 箱體808內(nèi)部設(shè)置有一對嚙合的主動齒輪807與從動齒輪805，主動齒輪807中軸連接于伺 服電機(jī)809的輸出軸，而從動齒輪805中軸與套筒803內(nèi)部的絲杠804相連接，因此可以利 用伺服電機(jī)809驅(qū)動絲杠804 ；絲杠804與絲杠螺母810相嚙合，絲杠螺母810通過端部連 接板811與活動桿802的端部固定為一體，活動桿802與套筒803之間還設(shè)置有導(dǎo)套812， 以保證活動桿802在套筒803內(nèi)居中穩(wěn)定運(yùn)動，同時(shí)也起限位作用。在活動桿802頂端設(shè) 置有上圓球801，在減速箱箱體808底部設(shè)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(shè)置有六個(gè)球窩，每 個(gè)方向設(shè)置兩個(gè)球窩；對應(yīng)的，在底座9也設(shè)置有六個(gè)球窩；伸縮桿8的上圓球801與動平 臺2底部球窩相配合，組成上球副11 ；伸縮桿8的下圓球806與底座9的球窩相配合，組成 下球副10。本實(shí)用新型的上腭7固定不動，依靠下巴3的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)口腔咀嚼的仿真；通過 伺服電機(jī)809驅(qū)動主動齒輪807，主動齒輪807帶動從動齒輪805，從動齒輪805帶動絲杠 804轉(zhuǎn)動，絲杠804的轉(zhuǎn)動通過絲杠螺母810轉(zhuǎn)化為絲杠螺母810的移動，帶動活動桿802 在套筒803內(nèi)進(jìn)行伸縮運(yùn)動，六支伸縮桿8的合成移動與球副-移動副-球副機(jī)構(gòu)(SPS機(jī) 構(gòu))實(shí)現(xiàn)動平臺2的位置和姿態(tài)控制，從而實(shí)現(xiàn)下巴3的指定運(yùn)動，如上下咬合、左右磨碎、 門齒切斷等動作。在本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施例中，單支伸縮桿8壓縮至最短極限位置 為360mm，拉伸至最長極限位置為510mm ；當(dāng)六支伸縮桿8a 8f均設(shè)置在460mm的位置時(shí)， 下巴3與上腭7閉合，定義此位置為初始位置。如圖5所示，當(dāng)前面的兩個(gè)伸縮桿8a與8b收縮35. 2mm的長度，而同時(shí)后面的兩 個(gè)伸縮桿8d與Se伸長16. 7mm的長度，則下巴3與上腭7成張開30度角，定義此位置為最 大張開位置。當(dāng)伸縮桿在上述范圍內(nèi)作往復(fù)協(xié)同運(yùn)動，則下巴3可以反復(fù)在初始位置與最 大張開位置之間運(yùn)動，可以實(shí)現(xiàn)上下咬合、門齒切斷等動作。如圖6所示，當(dāng)伸縮桿8a縮短4. 4mm,伸縮桿8f縮短13. 95mm,伸縮桿8e伸長 40. 93mm,伸縮桿8d伸長42. 59mm,伸縮桿8c伸長8. 49mm,伸縮桿8b伸長15. 4mm時(shí)，此時(shí) 下巴3與上腭7成磨切角30度的位置；當(dāng)伸縮桿在上述范圍內(nèi)作往復(fù)協(xié)同運(yùn)動，則可以實(shí) 現(xiàn)左右磨碎動作。利用食品物性仿生檢測機(jī)器人進(jìn)行食品物性仿生檢測作業(yè)的原理如圖7所示首先，根據(jù)各種食品的不同的特性及所需檢測的物性，與仿生檢測機(jī)器人的運(yùn)動 方式，咬合、磨壓或剪切，計(jì)算出多種模式的驅(qū)動六個(gè)球副-移動副-球副機(jī)構(gòu)(SPS)的伺 服電機(jī)的轉(zhuǎn)角數(shù)值，存儲在上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫中。每次檢測時(shí)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(jī)器人放入溫濕度試驗(yàn)箱，控制所需要的溫度與濕度；根 據(jù)實(shí)際要求，從上位機(jī)數(shù)據(jù)庫中取得對應(yīng)的控制參數(shù)，將這些數(shù)值轉(zhuǎn)化為脈沖量由單片機(jī)發(fā)送給伺服電機(jī)。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)伸縮桿的縮短或伸長，從而使下巴根據(jù)設(shè)定的程序值進(jìn)行仿 生咀嚼。當(dāng)仿生檢測機(jī)器人進(jìn)行咀嚼運(yùn)動時(shí)，安裝在口腔內(nèi)的各種傳感器將口腔內(nèi)的力、位 移、濕度、溫度等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并傳送給單片機(jī); 上位機(jī)通過串口與單片機(jī)系統(tǒng)連接，傳感器采集的數(shù)據(jù)通過RS232串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)的檢測程序記錄下被測食品在咀嚼運(yùn)動過程中受到拉伸、壓縮、剪切時(shí)的 受力數(shù)據(jù)，被測食品在咀嚼運(yùn)動中的物性數(shù)據(jù)，例如形狀、大小等，被測食品咀嚼運(yùn)動過程 中牙齒的受力數(shù)據(jù)，被測食品的分解數(shù)據(jù)。利用這些記錄數(shù)據(jù)，計(jì)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(yǎng)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(shí)間的數(shù)據(jù)，繪制應(yīng) 力_時(shí)間曲線，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，應(yīng)力為縱坐標(biāo)，壓力傳感器檢測值為正，拉力傳感器檢測 值為負(fù)；變形_時(shí)間曲線，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，變形為縱坐標(biāo)；應(yīng)力-變形曲線，以變形為橫坐 標(biāo)，以應(yīng)力為縱坐標(biāo)；根據(jù)這些曲線，相關(guān)物性數(shù)據(jù)檢測方法如下。①咬勁(硬度)應(yīng)力-時(shí)間曲線上最大峰值所對應(yīng)的力，數(shù)值越大，說明食品越 硬，越有咬勁。②粘著性應(yīng)力_時(shí)間曲線上橫坐標(biāo)線以下的倒峰面積，表示食品的粘著性，該數(shù) 值絕對值越大，表示食品粘性越強(qiáng)，食品口感粘牙。③彈性(拉斷力)應(yīng)力-變形曲線上用最大峰值所對應(yīng)的力與拉伸距離的乘積 來表示，數(shù)值越大，拉伸距離越長，則食品彈性越好。④延伸性(拉伸時(shí)間)變形_時(shí)間曲線上從開始拉伸到拉斷食品所需時(shí)間，該值 越大，延伸性越好。⑤韌性應(yīng)力-變形曲線上食品被咀嚼切斷時(shí)，切斷力與切斷距離的乘積，即切斷 時(shí)所作的功；該數(shù)值越大，韌性就越好。⑥最大切斷力應(yīng)力-變形曲線上最大峰值所對應(yīng)的力，數(shù)值越大，切斷食品時(shí)所 用的力越大。以上描述是對本實(shí)用新型的解釋，不是對實(shí)用新型的限定，本實(shí)用新型所限定的 范圍參見權(quán)利要求，在不違背本實(shí)用新型精神的情況下，本實(shí)用新型可以作任何形式的修 改。
權(quán)利要求一種食品物性仿生檢測機(jī)器人，其特征在于包括控制裝置與仿生口腔，所述的仿生口腔由上腭與下巴組成，上腭的上牙與下巴的下牙相配合；上腭頂部固定在機(jī)架的上部，下巴底部固定在動平臺上，動平臺與機(jī)架底座之間通過若干個(gè)球副 移動副 球副機(jī)構(gòu)連接；在口腔內(nèi)部不同位置設(shè)置有傳感器；所述控制裝置控制所述移動副的運(yùn)動，并且從傳感器接收數(shù)據(jù)并存儲處理。
2.按照權(quán)利要求1所述的食品物性仿生檢測機(jī)器人，其特征在于所述球副-移動 副-球副機(jī)構(gòu)設(shè)置為六個(gè)，所述移動副為伸縮桿，伸縮桿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(quán)利要求2所述的食品物性仿生檢測機(jī)器人，其特征在于所述伸縮桿包括外 部套筒與內(nèi)部可上下伸縮運(yùn)動的活動桿，在套筒的一側(cè)設(shè)置有伺服電機(jī)，通過底部的傳動 裝置與套筒內(nèi)部的絲杠相連接；絲杠與絲杠螺母相嚙合，絲杠螺母通過端部連接板與活動 桿的端部固定為一體，活動桿與套筒之間設(shè)置有導(dǎo)套；在活動桿頂端設(shè)置有上圓球，在減速 箱箱體底部設(shè)置有下圓球。
4.按照權(quán)利要求1所述的食品物性仿生檢測機(jī)器人，其特征在于所述機(jī)架的頂部設(shè) 置有唾液注入口與上腭相連通。
5.按照權(quán)利要求1所述的食品物性仿生檢測機(jī)器人，其特征在于所述傳感器包括應(yīng) 力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器或位移傳感器。
6.按照權(quán)利要求1所述的食品物性仿生檢測機(jī)器人，其特征在于所述控制裝置包括 上位機(jī)與單片機(jī)，所述上位機(jī)通過單片機(jī)與所述移動副與所述傳感器連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種食品物性仿生檢測機(jī)器人，包括控制裝置與仿生口腔，所述的仿生口腔由上腭與下巴組成，上腭的上牙與下巴的下牙相配合；上腭頂部固定在機(jī)架的上部，下巴底部固定在動平臺上，動平臺與機(jī)架底座之間通過若干個(gè)球副-移動副-球副機(jī)構(gòu)連接；在口腔內(nèi)部不同位置設(shè)置有若干傳感器；所述控制裝置控制所述移動副的運(yùn)動，并且從傳感器接收數(shù)據(jù)并存儲處理。本實(shí)用新型能夠?qū)κ称肺镄宰鞒隹茖W(xué)、準(zhǔn)確、客觀地評價(jià)，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的質(zhì)構(gòu)儀鑒定與感官鑒定相結(jié)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(zhǔn)確度，從而為食品的加工研制提供科學(xué)的理論依據(jù)。
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(yōu)先權(quán)日2010年8月17日
發(fā)明者俞經(jīng)虎, 孫秀蘭, 張秋菊, 張銀志, 陳安軍 申請人:江南大學(xué)