CN101915708A - 食品物性仿生检测机器人及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种食品物性仿生检测机器人及检测方法，包括控制装置与仿生口腔，所述的仿生口腔由上腭与下巴组成，上腭的上牙与下巴的下牙相配合；上腭顶部固定在机架的上部，下巴底部固定在动平台上，动平台与机架底座之间通过若干个球副-移动副-球副机构连接；在口腔内部不同位置设置有若干传感器；所述控制装置控制所述移动副的运动，并且从传感器接收数据并存储处理。本发明能够对食品物性作出科学、准确、客观地评价，可以代替传统的质构仪鉴定与感官鉴定相结合的食品评定方法，既可以降低检测成本、提高检测效率，还可以提高检测准确度，从而为食品的加工研制提供科学的理论依据。

Description

食品物性仿生检测机器人及检测方法 

技术领域

本发明涉及食品检测技术领域，尤其是食品物性仿生检测机器人及检测方法。

背景技术

人类食用的食品具有不同的物理特性，不但会造成不同的口感，而且也会引起不同的口腔咀嚼运动方式，而不同的咀嚼运动方式对口腔的健康特别是牙齿的健康会产生很大的影响，也会对脑血流、记忆力等产生影响；因此，食品物性为食品评价体系中的一个重要指标。现有的食品物性检测多采用专用检测仪器--质构仪，如发明专利200910033291公开了一种米饭粒硬度粘度质构特性自动检测仪，即是一种可以对米饭粒的物性进行检测的改进型质构仪。对梨果类水果如苹果也可以利用与上述检测仪结构基本类似的质构仪进行物性检测，检测时，质构仪的探头以稳定速度进行下压，以穿透样品时受到的最大阻力来表示苹果的硬度。

通过上述的质构仪进行食品物性检测的设备与方法存在以下缺陷：一：由于质构仪的单一探头简单结构本质上只能检测到产品的硬度值等数据，这种检测数据在温度、湿度、食品运动方式上与人类口腔存在很大的区别，不能反映真实的口感。二：质构仪也不能够记录不同物性食品在咀嚼过程中对口腔特别是对牙齿造成的影响，包括食品对牙齿的作用力大小和方式的变化情况等动态数据。三：不同物性食品在被吞咽前的咀嚼分解情况会直接影响到食品的消化吸收，如咀嚼不够会降低消化效率，造成消化不良和肠胃胀气，因此需要获得食品在咀嚼过程中的物性变化动态数值，目前的质构仪无法实现这些检测目的。

发明内容

本申请人针对现有食品物性检测中存在着检测设备与方法单一，无法真实模拟口腔环境，进而准确获知食品物性，进行数据分析比较等缺点，提供一种结构合理、适用性广的食品物性仿生检测机器人及检测方法，从而可以全面真实的获得食品物性的检测数据。

本发明所采用的技术方案如下：

一种食品物性仿生检测机器人，包括控制装置与仿生口腔，所述的仿生口腔由上腭与下巴组成，上腭的上牙与下巴的下牙相配合；上腭顶部固定在机架的上部，下巴底部固定在动平台上，动平台与机架底座之间通过若干个球副-移动副-球副机构连接；在口腔内部不同位置设置有传感器；所述控制装置控制所述移动副的运动，并且从传感器接收数据并存储处理。其进一步特征在于：

所述球副-移动副-球副机构设置为六个，所述移动副为伸缩杆，伸缩杆通过上球副与所述动平台底部连接，通过下球副与所述底座连接；

所述伸缩杆包括外部套筒与内部可上下伸缩运动的活动杆，在套筒的一侧设置有伺服电机，通过底部的传动装置与套筒内部的丝杠相连接；丝杠与丝杠螺母相啮合，丝杠螺母通过端部连接板与活动杆的端部固定为一体，活动杆与套筒之间设置有导套；在活动杆顶端设置有上圆球，在减速箱箱体底部设置有下圆球；

所述机架的顶部设置有唾液注入口与上腭相连通；

所述传感器包括应力传感器、温度传感器、湿度传感器或位移传感器；

所述控制装置包括上位机与单片机，所述上位机通过单片机与所述移动副与所述传感器连接。

一种利用权上述的食品物性仿生检测机器人进行食品物性仿生的检测方法，包含如下步骤：

一、 上位机计算球副-移动副-球副机构的运动模式并存储在数据库中；

二、 在仿生口腔中放入所需要检测的食品，从上位机数据库中取得对应的控制参数，由单片机发送并控制伺服电机工作实现移动副运动，使下巴根据要求进行仿生咀嚼；

三、 进行咀嚼运动时，传感器将测试数据通过单片机上传至上位机；

四、 上位机的检测程序记录数据并进行数据分析。其进一步特征在于

在所述步骤二中通过唾液注入口向上腭注入唾液；

在所述步骤二中将所述仿生检测机器人放入温湿度试验箱。

本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的仿生检测机器人通过六支球副-移动副-球副机构（SPS机构）灵活控制仿生口腔的下巴运动，可实现上下咬合、左右磨碎、门齿切断等多种动作，逼真的模拟口腔咀嚼动作；采用伺服电机控制伸缩杆的伸缩运动，可以准确的实现行程控制，提高了机器人动作的精确性；在咀嚼过程中可以注入模拟唾液，控制口腔温湿度，进一步真实的模仿人类的口腔环境。

本发明的仿生检测机器人在仿生口腔内布置的多个力、位移、温度、湿度的传感器，建立了食品硬度、弹性、粘性等物性的新的检测方法。由于检测环境中检测对象是处于咀嚼运动状态下的食品样品，因此检测的数据能更为科学、更为客观地反映人们对食品的口感；相比于现有的食品物性检测仪器，能够对食品物性作出更科学、准确、客观地评价；本发明可以代替传统的质构仪鉴定与感官鉴定相结合的食品评定方法，既可以降低检测成本、提高检测效率，还可以提高检测准确度。

在仿生检测机器人的基础上，建立了上位机-检测机器人相互通讯的食品物性的实时检测系统与检测方法。该系统与方法可实现对被咀嚼食品在进食咀嚼运动过程中的物性变化的实时检测记录，可实现不同物性食品在进食咀嚼过程中对牙齿作用力的记录，可实现不同物性食品在咀嚼过程中分解过程的记录。通过这些记录的原始数据，可以进行食品口感品质的鉴定，可以建立食品物性与牙齿健康间的关系，可以建立食品物性与消化吸收之间的关系，从而为加工研制符合人们口味、更有利于牙齿健康、更有利于消化吸收的食品的加工研制提供科学的理论依据。

附图说明

图1为本发明的立体图。

图2为本发明的伸缩杆的主视图，局部剖视。

图3为图2的左视图，局部剖视。

图4为图1中动平台组件的俯视图。

图5为下巴张开至下极限位置的示意图。

图6为下巴移动至左极限位置的示意图。

图7为本发明仿生检测方法的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明所述的食品物性仿生检测机器人为由上腭7与下巴3组成的仿生口腔，上腭7的上牙5与下巴3的下牙4相配合，在机架1的顶部设置有唾液注入口6与上腭7相连通；上腭7顶部固定在机架1的上部，下巴3底部固定在动平台2上，动平台2与底座9之间设置有六支伸缩杆8a～8f，每一支伸缩杆8通过上球副11与动平台2的底部相连，通过下球副10与底座9相连接。在口腔内部不同位置，例如在上牙5、下牙4表面设置有拉、压应力传感器、位移传感器，在上腭7表面设置温度传感器、湿度传感器等多种传感器。本发明通过控制装置进行对仿生口腔控制，控制装置的作用是对伺服电机进行控制以及对多种传感器的检测数据进行记录或处理。

如图2、图3所示，伸缩杆8是通过活动杆802在套筒803内的上下伸缩运动实现，在套筒803的一侧设置有伺服电机809，在套筒803的底部设置有减速箱箱体808，减速箱箱体808内部设置有一对啮合的主动齿轮807与从动齿轮805，主动齿轮807中轴连接于伺服电机809的输出轴，而从动齿轮805中轴与套筒803内部的丝杠804相连接，因此可以利用伺服电机809驱动丝杠804；丝杠804与丝杠螺母810相啮合，丝杠螺母810通过端部连接板811与活动杆802的端部固定为一体，活动杆802与套筒803之间还设置有导套812，以保证活动杆802在套筒803内居中稳定运动，同时也起限位作用。在活动杆802顶端设置有上圆球801，在减速箱箱体808底部设置有下圆球806。

如图4所示，在动平台2的底部基本以0°、120°、240°方向设置有六个球窝，每个方向设置两个球窝；对应的，在底座9也设置有六个球窝；伸缩杆8的上圆球801与动平台2底部球窝相配合，组成上球副11；伸缩杆8的下圆球806与底座9的球窝相配合，组成下球副10。

本发明的上腭7固定不动，依靠下巴3的运动来实现口腔咀嚼的仿真；通过伺服电机809驱动主动齿轮807，主动齿轮807带动从动齿轮805，从动齿轮805带动丝杠804转动，丝杠804的转动通过丝杠螺母810转化为丝杠螺母810的移动，带动活动杆802在套筒803内进行伸缩运动，六支伸缩杆8的合成移动与球副-移动副-球副机构（SPS机构）实现动平台2的位置和姿态控制，从而实现下巴3的指定运动，如上下咬合、左右磨碎、门齿切断等动作。在本发明的一种具体实施例中，单支伸缩杆8压缩至最短极限位置为360mm，拉伸至最长极限位置为510mm；当六支伸缩杆8a～8f均设置在460mm的位置时，下巴3与上腭7闭合，定义此位置为初始位置。

如图5所示，当前面的两个伸缩杆8a与8b收缩35.2mm的长度，而同时后面的两个伸缩杆8d与8e伸长16.7mm的长度，则下巴3与上腭7成张开30度角，定义此位置为最大张开位置。当伸缩杆在上述范围内作往复协同运动，则下巴3可以反复在初始位置与最大张开位置之间运动，可以实现上下咬合、门齿切断等动作。

如图6所示，当伸缩杆8a缩短4.4mm，伸缩杆8f缩短13.95mm，伸缩杆8e伸长40.93mm，伸缩杆8d伸长42.59mm，伸缩杆8c伸长8.49mm，伸缩杆8b伸长15.4mm时，此时下巴3与上腭7成磨切角30度的位置；当伸缩杆在上述范围内作往复协同运动，则可以实现左右磨碎动作。

利用食品物性仿生检测机器人进行食品物性仿生检测作业的原理如图7所示：

首先，根据各种食品的不同的特性及所需检测的物性，与仿生检测机器人的运动方式，咬合、磨压或剪切，计算出多种模式的驱动六个球副-移动副-球副机构（SPS）的伺服电机的转角数值，存储在上位机的数据库中。

每次检测时在仿生口腔中放入所需要检测的食品，通过唾液注入口向仿生口腔中注入模拟唾液；可以将仿生检测机器人放入温湿度试验箱，控制所需要的温度与湿度；根据实际要求，从上位机数据库中取得对应的控制参数，将这些数值转化为脉冲量由单片机发送给伺服电机。

伺服电机的转动实现伸缩杆的缩短或伸长，从而使下巴根据设定的程序值进行仿生咀嚼。当仿生检测机器人进行咀嚼运动时，安装在口腔内的各种传感器将口腔内的力、位移、湿度、温度等数据转换为电信号，通过模数转换芯片转换为数字信号并传送给单片机；上位机通过串口与单片机系统连接，传感器采集的数据通过RS232 串口传输到上位机。

上位机的检测程序记录下被测食品在咀嚼运动过程中受到拉伸、压缩、剪切时的受力数据，被测食品在咀嚼运动中的物性数据，例如形状、大小等，被测食品咀嚼运动过程中牙齿的受力数据，被测食品的分解数据。利用这些记录数据，计算食品的物性及物性变化，全面评估食品的口感、食品对口腔健康的影响，食品的营养消化吸收程度。

传感器记录下食品在被咀嚼过程中的食品的变形、受力及时间的数据，绘制应力-时间曲线，以时间为横坐标，应力为纵坐标，压力传感器检测值为正，拉力传感器检测值为负；变形-时间曲线，以时间为横坐标，变形为纵坐标；应力-变形曲线，以变形为横坐标，以应力为纵坐标；根据这些曲线，相关物性数据检测方法如下。

①咬劲(硬度)：应力-时间曲线上最大峰值所对应的力，数值越大，说明食品越硬，越有咬劲。

②粘着性：应力-时间曲线上横坐标线以下的倒峰面积，表示食品的粘着性，该数值绝对值越大，表示食品粘性越强，食品口感粘牙。

③弹性(拉断力)：应力-变形曲线上用最大峰值所对应的力与拉伸距离的乘积来表示，数值越大，拉伸距离越长，则食品弹性越好。

④延伸性(拉伸时间)：变形-时间曲线上从开始拉伸到拉断食品所需时间，该值越大，延伸性越好。

⑤韧性：应力-变形曲线上食品被咀嚼切断时，切断力与切断距离的乘积，即切断时所作的功；该数值越大，韧性就越好。

⑥最大切断力：应力-变形曲线上最大峰值所对应的力，数值越大，切断食品时所用的力越大。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (9)

1.一种食品物性仿生检测机器人，其特征在于：包括控制装置与仿生口腔，所述的仿生口腔由上腭与下巴组成，上腭的上牙与下巴的下牙相配合；上腭顶部固定在机架的上部，下巴底部固定在动平台上，动平台与机架底座之间通过若干个球副-移动副-球副机构连接；在口腔内部不同位置设置有传感器；所述控制装置控制所述移动副的运动，并且从传感器接收数据并存储处理。

2.按照权利要求1所述的食品物性仿生检测机器人，其特征在于：所述球副-移动副-球副机构设置为六个，所述移动副为伸缩杆，伸缩杆通过上球副与所述动平台底部连接，通过下球副与所述底座连接。

3.按照权利要求2所述的食品物性仿生检测机器人，其特征在于：所述伸缩杆包括外部套筒与内部可上下伸缩运动的活动杆，在套筒的一侧设置有伺服电机，通过底部的传动装置与套筒内部的丝杠相连接；丝杠与丝杠螺母相啮合，丝杠螺母通过端部连接板与活动杆的端部固定为一体，活动杆与套筒之间设置有导套；在活动杆顶端设置有上圆球，在减速箱箱体底部设置有下圆球。

4.按照权利要求1所述的食品物性仿生检测机器人，其特征在于：所述机架的顶部设置有唾液注入口与上腭相连通。

5.按照权利要求1所述的食品物性仿生检测机器人，其特征在于：所述传感器包括应力传感器、温度传感器、湿度传感器或位移传感器。

6.按照权利要求1所述的食品物性仿生检测机器人，其特征在于：所述控制装置包括上位机与单片机，所述上位机通过单片机与所述移动副与所述传感器连接。

7.一种利用权利要求1所述的食品物性仿生检测机器人进行食品物性仿生的检测方法，其特征在于包含如下步骤：

一、上位机计算球副-移动副-球副机构的运动模式并存储在数据库中；

二、在仿生口腔中放入所需要检测的食品，从上位机数据库中取得对应的控制参数，由单片机发送并控制伺服电机工作实现移动副运动，使下巴根据要求进行仿生咀嚼；

三、进行咀嚼运动时，传感器将测试数据通过单片机上传至上位机；

四、上位机的检测程序记录数据并进行数据分析。

8.按照权利要求7所述的食品物性仿生检测方法，其特征在于：在所述步骤二中通过唾液注入口向上腭注入唾液。

9.按照权利要求7所述的食品物性仿生检测方法，其特征在于：在所述步骤二中将所述仿生检测机器人放入温湿度试验箱。

Images