專利名稱：食品物性仿生檢測機器人及檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及食品檢測技術領域，尤其是食品物性仿生檢測機器人及檢測方法。
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(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體系中的一個重 要指標。現(xiàn)有的食品物性檢測多采用專用檢測儀器一質(zhì)構儀，如發(fā)明專利200910033291 公開了一種米飯粒硬度粘度質(zhì)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(zhì)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(zhì)構儀進 行物性檢測，檢測時，質(zhì)構儀的探頭以穩(wěn)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(zhì)構儀進行食品物性檢測的設備與方法存在以下缺陷一由于質(zhì)構 儀的單一探頭簡單結構本質(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、食品運動方式上與人類口腔存在很大的區(qū)別，不能反映真實的口感。二 質(zhì)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(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)構儀無法實現(xiàn)這些檢測目的。
發(fā)明內(nèi)容
本申請人針對現(xiàn)有食品物性檢測中存在著檢測設備與方法單一，無法真實模擬口 腔環(huán)境，進而準確獲知食品物性，進行數(shù)據(jù)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及檢測方法，從而可以全面真實的獲得食品物性的檢測數(shù)據(jù)。本發(fā)明所采用的技術方案如下
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(nèi)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，并且從傳感器接收數(shù)據(jù)并存 儲處理。其進一步特征在于
所述球副-移動副-球副機構設置為六個，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)部可上下伸縮運動的活動桿，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(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置有導套；在活動桿頂端 設置有上圓球，在減速箱箱體底部設置有下圓球；所述機架的頂部設置有唾液注入口與上腭相連通； 所述傳感器包括應力傳感器、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。一種利用權上述的食品物性仿生檢測機器人進行食品物性仿生的檢測方法，包含 如下步驟
一、上位機計算球副_移動副_球副機構的運動模式并存儲在數(shù)據(jù)庫中；
二、在仿生口腔中放入所需要檢測的食品，從上位機數(shù)據(jù)庫中取得對應的控制參數(shù)， 由單片機發(fā)送并控制伺服電機工作實現(xiàn)移動副運動，使下巴根據(jù)要求進行仿生咀嚼；
三、進行咀嚼運動時，傳感器將測試數(shù)據(jù)通過單片機上傳至上位機；
四、上位機的檢測程序記錄數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)分析。其進一步特征在于 在所述步驟二中通過唾液注入口向上腭注入唾液；
在所述步驟二中將所述仿生檢測機器人放入溫濕度試驗箱。本發(fā)明具有以下有益的技術效果
本發(fā)明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(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；采用伺服電機控制伸縮桿的伸縮運動，可以準確的實現(xiàn)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，控制口腔溫濕度，進一步真實的模仿人類的口 腔環(huán)境。本發(fā)明的仿生檢測機器人在仿生口腔內(nèi)布置的多個力、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 咀嚼運動狀態(tài)下的食品樣品，因此檢測的數(shù)據(jù)能更為科學、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、準確、客觀地評價； 本發(fā)明可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的質(zhì)構儀鑒定與感官鑒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(tǒng)與檢測方法。該系統(tǒng)與方法可實現(xiàn)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(xiàn)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(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系，可以建立食品物性與消化吸 收之間的關系，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的理論依據(jù)。
圖1為本發(fā)明的立體圖。圖2為本發(fā)明的伸縮桿的主視圖，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。
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圖6為下巴移動至左極限位置的示意圖。圖7為本發(fā)明仿生檢測方法的原理示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖，說明本發(fā)明的具體實施方式
。如圖1所示，本發(fā)明所述的食品物性仿生檢測機器人為由上腭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，在機架1的頂部設置有唾液注入口 6 與上腭7相連通；上腭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桿8a 8f，每一支伸縮桿8通過上球副11與動平臺2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 面設置有拉、壓應力傳感器、位移傳感器，在上腭7表面設置溫度傳感器、濕度傳感器等多 種傳感器。本發(fā)明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(shù)據(jù)進行記錄或處理。如圖2、圖3所示，伸縮桿8是通過活動桿802在套筒803內(nèi)的上下伸縮運動實現(xiàn)， 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(nèi)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中軸連接于伺 服電機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之間還設置有導套812， 以保證活動桿802在套筒803內(nèi)居中穩(wěn)定運動，同時也起限位作用。在活動桿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。本發(fā)明的上腭7固定不動，依靠下巴3的運動來實現(xiàn)口腔咀嚼的仿真；通過伺服電 機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 動，絲杠804的轉動通過絲杠螺母810轉化為絲杠螺母810的移動，帶動活動桿802在套筒 803內(nèi)進行伸縮運動，六支伸縮桿8的合成移動與球副-移動副-球副機構(SPS機構)實 現(xiàn)動平臺2的位置和姿態(tài)控制，從而實現(xiàn)下巴3的指定運動，如上下咬合、左右磨碎、門齒切 斷等動作。在本發(fā)明的一種具體實施例中，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 ；當六支伸縮桿8a 8f均設置在460mm的位置時，下巴3與上 腭7閉合，定義此位置為初始位置。如圖5所示，當前面的兩個伸縮桿8a與8b收縮35. 2mm的長度，而同時后面的兩 個伸縮桿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。當伸縮桿在上述范圍內(nèi)作往復協(xié)同運動，則下巴3可以反復在初始位置與最 大張開位置之間運動，可以實現(xiàn)上下咬合、門齒切斷等動作。如圖6所示，當伸縮桿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，此時下巴3與上腭7成磨切角30度的位置；當伸縮桿在上述范圍內(nèi)作往復協(xié)同運動，則可以實 現(xiàn)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(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，與仿生檢測機器人的運動方式，
咬合、磨壓或剪切，計算出多種模式的驅(qū)動六個球副-移動副-球副機構(SPS)的伺服電機 的轉角數(shù)值，存儲在上位機的數(shù)據(jù)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濕度試驗箱，控制所需要的溫度與濕度；根 據(jù)實際要求，從上位機數(shù)據(jù)庫中取得對應的控制參數(shù)，將這些數(shù)值轉化為脈沖量由單片機 發(fā)送給伺服電機。伺服電機的轉動實現(xiàn)伸縮桿的縮短或伸長，從而使下巴根據(jù)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(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)轉換為電信號，通過模數(shù)轉換芯片轉換為數(shù)字信號并傳送給單片機； 上位機通過串口與單片機系統(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。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(shù)據(jù)，被測食品在咀嚼運動中的物性數(shù)據(jù)，例如形狀、大小等，被測食品咀嚼運動過程 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、受力及時間的數(shù)據(jù)，繪制應 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(jù)這些曲線，相關物性數(shù)據(jù)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(shù)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(shù) 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(shù)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(shù)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(shù)值越大，切斷食品時所 用的力越大。以上描述是對本發(fā)明的解釋，不是對發(fā)明的限定，本發(fā)明所限定的范圍參見權利 要求，在不違背本發(fā)明精神的情況下，本發(fā)明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(nèi)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，并且從傳感器接收數(shù)據(jù)并存儲處理。
2.按照權利要求1所述的食品物性仿生檢測機器人，其特征在于所述球副-移動 副-球副機構設置為六個，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.按照權利要求2所述的食品物性仿生檢測機器人，其特征在于所述伸縮桿包括外 部套筒與內(nèi)部可上下伸縮運動的活動桿，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(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置有導套；在活動桿頂端設置有上圓球，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，其特征在于所述機架的頂部設 置有唾液注入口與上腭相連通。
5.按照權利要求1所述的食品物性仿生檢測機器人，其特征在于所述傳感器包括應 力傳感器、溫度傳感器、濕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，其特征在于所述控制裝置包括 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。
7. 一種利用權利要求1所述的食品物性仿生檢測機器人進行食品物性仿生的檢測方 法，其特征在于包含如下步驟一、上位機計算球副-移動副-球副機構的運動模式并存儲在數(shù)據(jù)庫中；二、在仿生口腔中放入所需要檢測的食品，從上位機數(shù)據(jù)庫中取得對應的控制參數(shù)，由 單片機發(fā)送并控制伺服電機工作實現(xiàn)移動副運動，使下巴根據(jù)要求進行仿生咀嚼；三、進行咀嚼運動時，傳感器將測試數(shù)據(jù)通過單片機上傳至上位機；四、上位機的檢測程序記錄數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)分析。
8.按照權利要求7所述的食品物性仿生檢測方法，其特征在于在所述步驟二中通過 唾液注入口向上腭注入唾液。
9.按照權利要求7所述的食品物性仿生檢測方法，其特征在于在所述步驟二中將所 述仿生檢測機器人放入溫濕度試驗箱。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種食品物性仿生檢測機器人及檢測方法，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(nèi)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，并且從傳感器接收數(shù)據(jù)并存儲處理。本發(fā)明能夠?qū)κ称肺镄宰鞒隹茖W、準確、客觀地評價，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的質(zhì)構儀鑒定與感官鑒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制提供科學的理論依據(jù)。
文檔編號G01N3/40GK101915708SQ20101025519
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月17日 優(yōu)先權日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