CN103558104A - 基于耦合仿生的食品脆性测试仪及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于耦合仿生的食品脆性测试仪，包括用于实现模拟人类咀嚼系统咀嚼破碎食物的咀嚼模拟器、用于采集咀嚼模拟器咀嚼时产生的压力信号和声音信号的脆裂信号采集系统和用于接收信号并进行数据处理分析获取食品脆性预测结果的数据处理分析系统；本发明采用通过仿生技术模拟人类咀嚼系统与听觉系统建立耦合仿生测试装置，获取食物咀嚼时的力学、声学信号，并建立脆性感官评定与力、声信号间的预测模型，利用此模型综合判断出食物的脆性。构建成以低能耗获取最大环境适应性为特征的人工技术集成系统。本发明从脆性形成机理出发进行测试，要优于从裂纹等其它指标进行脆性评定；优于单纯从力学信号评判。

Description

基于耦合仿生的食品脆性测试仪及测试方法

技术领域

本发明涉及食品检测领域，特别涉及一种基于耦合仿生的食品脆性测试仪及测试方法。

背景技术

食品的脆性是食品的重要感官指标，对食品物料的新鲜度、贮藏性、安全性等有重要影响。目前，对食品脆性的测定主要有感官评价法、仪器测定法。感官评价是人类通过对口腔咀嚼食物时力和声音的感知，然后分析判断，它是最准确的脆性评价方法。但是，感官评价不仅需要具有一定判断能力的评价人员，而且评价过程也费时费力，其结果还带有主观因素，评价很不稳定。脆性的仪器测定法有通用的食品质构仪测定和一些脆性专用测试仪器测定。通用食品质构仪多是采用探头刺压食物块，通过获取力学信号曲线，按照TPA分析法从曲线上获取食物脆性数据；这种方法有时并不能获取食物脆性值，只能得到硬度值，而且在探头运动方式上、温湿环境上与人类口腔存在很大的区别，不能反映真实的脆性。

其它的用于食品质地评价和咀嚼模拟的装置有：发明专利201180036198.3公开了一种食品脆度测定法，即利用一个有刃的刀侵入多孔性食品进行破碎，用与刀密接的振动检测器对基于破碎被测定物之际产生裂纹的裂纹振动进行检测，计算机从检测出的裂纹振动抽出各个裂纹持续时间内的裂纹振动所含有的给定振动功率以下的小裂纹振动，根据对所抽出的小裂纹振动计数得到的计数(裂纹数)计测脆度。这种脆度测试方法是通过食品破碎的裂纹来判断食物的脆性的，没有模拟人类咀嚼食物时对脆性的感知，而且这种方法只能用于油炸食品等多孔性食品脆性的测定；发明专利201010255196.0公开了一种食品物性仿生检测机器人，该机器人包括控制装置与仿生口腔，所述的仿生口腔由上颚与下巴组成，上颚的上牙与下巴的下牙相配合；上颚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一移动副一球副机构连接；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。该机器人能够对食品物性作出科学、客观地评价。食品物性仿生检测机器人虽然模拟了人类的口腔咀嚼情况，但是只是从力学传感器中获取食物物性的数据，没有获取食物破碎时的声音，而且主要适合测定硬度、弹性、韧性等质地指标测定，对脆性的测定没有优势，甚至不能测定。发明专利201010115381.X公开了一种柔索驱动的冗余并联咀嚼机器人，该机器人由机架、电机、减速器、索轮、柔索、人类下颌骨模型和颅骨牙齿模型组成。机架为整个机器人的支撑平台，安装有可移动横梁，电机通过电机座固定在横梁上。电机通过减速器与索轮相连，索轮上缠有柔索，柔索另一端与下领骨模型相连，驱动下领骨模型实现三维空间内的咀嚼运动。颅骨牙齿模型通过机架的固定支架固定。该发明采用的柔索驱动具有对肌肉模拟更真实、柔顺性更好等特点，整体结构相对紧凑，工作空间大，冗余机构也更符合人类咀嚼系统的实际情况。该发明主要模拟人类咀嚼情况，没有设置传感器，不能用于感知食品质地，也不能用于食品脆性的测定。

此外，国内外还有一些咀嚼模拟器或仿生口腔，大体上是模拟人类咀嚼动作制成的，在牙齿形态、口腔温室环境上与人类口腔有较大差异，主要用于医疗领域、食物咀嚼时食物团以及挥发气味分析。

通过以上分析研究，目前国内外还没有准确的食品脆性测试方法和测试仪器，更没有通过人类咀嚼食物时的力、声来判断食物脆性的仿生检测方法。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于耦合仿生的食品脆性测试仪及测试方法。

本发明的目的之一是提出一种基于耦合仿生的食品脆性测试仪；本发明的目的之二是提出一种基于耦合仿生的食品脆性测试方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的一种基于耦合仿生的食品脆性测试仪，包括咀嚼模拟器、脆裂信号采集系统和数据处理分析系统；

所述咀嚼模拟器，用于实现模拟人类咀嚼系统咀嚼破碎食物；

所述脆裂信号采集系统包括力学脆裂信号采集单元和声音脆裂信号采集单元；

所述力学脆裂信号采集单元，用于采集咀嚼模拟器咀嚼时产生的压力信号；

所述声音脆裂信号采集单元，用于采集咀嚼模拟器咀嚼时产生的声音信号；

所述数据处理分析系统，用于接收从脆裂信号采集系统输入的脆裂信号并进行数据处理分析获取食品脆性预测结果。

进一步，所述咀嚼模拟器包括仿生颌骨、仿生牙齿、仿生颞下颌关节、仿生咀嚼肌和驱动机构；

所述仿生颌骨包括仿生上颌骨和仿生下颌骨；

所述驱动机构包括可调速电动机、传动轴、偏心轮、凸轮和压板；

所述仿生颞下颌关节包括仿生髁突和颞骨关节窝；

所述仿生牙齿依次设置于仿生上颌骨和仿生下颌骨的牙槽中；

所述仿生髁突与颞骨关节窝分别设置于仿生颌骨上；所述仿生髁突与颞骨关节窝实现转动配合；

所述仿生上颌骨通过压板与偏心轮接触，所述偏心轮通过凸轮与传动轴连接，所述传动轴与可调速电动机的转轴连接；

所述仿生咀嚼肌一端设置于仿生上颌骨上，另一端设置于仿生下颌骨上，所述仿生咀嚼肌设置位置和驱动机构的设置位置分别位于所述仿生颞下颌关节的两侧，使得所述仿生上颌骨和仿生下颌骨实现模拟人咀嚼运动动作。

进一步，所述咀嚼模拟器还包括设置于咀嚼模拟器上的仿生口腔温湿环境部件；所述仿生口腔温湿环境部件包括人工唾液分泌装置和自动调温设备；所述人工唾液分泌装置包括计量泵、输液管和人造唾液输液器；所述自动调温设备包括自控温电热带、温度传感器和温度控制器；

所述输液管按牙列形状设置于仿生牙齿根部内侧，所述输液管外侧刺有小孔；所述人造唾液输液器通过计量泵控制将人造唾液输入到仿生牙齿上；

所述自控温电热带和温度传感器分别设置于仿生颌骨内侧，所述自控温电热带和温度传感器分别与温度控制器连接，所述温度传感器用于获取仿生颌骨内腔的温度信号并将温度信号输入到温度控制器，所述温度控制器通过信号处理产生用于控制自控温电热带的工作命令并将工作命令输入到自控温电热带中。

进一步，所述仿生咀嚼肌为数根碳素弹簧钢丝的拉簧。

进一步，所述脆裂信号采集单元还包括设置于仿生牙齿上的仿生牙周膜和仿生听觉采集器；

所述仿生牙周膜，用于采集食品脆裂时力学信号；

所述仿生听觉采集器，用于采集食品脆裂时声音信号；

所述仿生牙周膜包括压电薄膜传感器、多通道信号采集器和仿生牙周膜转换放大电路；

所述压电薄膜传感器设置于仿生牙齿的周围或底部用于获取仿生牙齿咀嚼食品时的压力信号；

所述多通道信号采集器与压电薄膜传感器连接用于接收压电薄膜传感器获取的压力信号；

所述仿生牙周膜转换放大电路，用于将力学信号进行信号处理后输入到数据处理分析系统中；

所述仿生听觉采集器包括声音传感器和声音采集卡；

所述声音传感器设置于仿生牙齿的周围用于获取仿生牙齿咀嚼食品时的声音信号；

所述声音采集卡与声音传感器连接用于接收声音传感器获取的声音信号。

进一步，还包括喂料驱动机构，所述喂料驱动机构包括导向杆、喂料板、大支撑板、小支撑板、凸轮从动件、圆柱凸轮、传动轴、偏心轮和喂料可调速电动机；

所述导向杆设置于平行设立的两个大支撑板之间；

所述喂料板设置于导向杆上，所述小支撑板对称设置于喂料板两侧；

所述凸轮从动件和圆柱凸轮对称设置于喂料板两侧，所述凸轮从动件一端与导向杆连接，另一端与圆柱凸轮连接；所述传动轴设置于大支撑板之间，所述偏心轮设置于传动轴上；所述圆柱凸轮转动时带动凸轮从动件和导向杆水平往复移动；所述传动轴与喂料可调速电动机的转轴连接；

所述导向杆带动喂料板在仿生下颌骨中心位置到仿生牙齿的牙列间往复运动，所述喂料板将位于仿生下颌骨内腔的食物块送入到仿生牙齿上。

进一步，所述数据处理分析系统包括数据预处理模块、特征值提取模块、数据运算分析模块和脆性预测模块；

所述数据预处理模块，用于处理获取的待测样品力声信号中的噪声信号；

所述特征值提取模块，用于提取从数据预处理模块输出信号中与脆性关联的特征值数据信号；

所述数据运算分析模块，用于建立脆性预测模型；所述脆性预测模型构建是通过以下步骤来建立的：首先将食品样品同时进行耦合仿生脆性测试仪测试和专家感官脆性评定，然后从力声信号数据和感官评定结果提取特征值后建立关系模型，最后再使用不同的食品样品验证模型；

所述脆性预测模块，用于根据数据运算分析模块中所建立的脆性预测模型来判断待测样品的脆性结果。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的利用基于耦合仿生的食品脆性测试仪进行食品脆性测试方法，包括以下步骤：

S1：设置食品脆性测试仪中咀嚼模拟器中的咀嚼环境；

S2：将待测食品喂入咀嚼模拟器中；

S3：启动咀嚼模拟器咀嚼待测食品；

S4：采集咀嚼模拟器咀嚼时产生的压力信号；

S5：采集咀嚼模拟器咀嚼时产生的声音信号；

S6：将压力信号和声音信号输入到数据处理分析系统；

S7：通过数据处理分析获取食品脆性预测结果。

进一步，所述步骤S1中的咀嚼环境具体如下：

所述咀嚼模拟器内的温度为35～37℃，所述咀嚼模拟器内的湿度为（补充内容），所述咀嚼环境是通过仿生口腔温湿环境部件来实现的；所述仿生口腔温湿环境部件包括人工唾液分泌装置和自动调温设备；所述人工唾液分泌装置包括计量泵、输液管和人造唾液输液器；所述输液管按牙列形状设置于仿生牙齿根部内侧，所述输液管外侧刺有小孔；所述人造唾液输液器通过计量泵控制将人造唾液输入到仿生牙齿上；

所述自动调温设备包括自控温电热带、温度传感器和温度控制器；所述自控温电热带和温度传感器分别设置于仿生颌骨内侧，所述自控温电热带和温度传感器分别与温度控制器连接，所述温度传感器用于获取仿生颌骨内腔的温度信号并将温度信号输入到温度控制器，所述温度控制器通过信号处理产生用于控制自控温电热带的工作命令并将工作命令输入到自控温电热带中。

进一步，所述步骤S7中的食品脆性预测结果是通过数据处理分析系统按照以下步骤来实现的：

S71：处理获取的待测样品力声信号中的噪声信号；

S72：提取从数据预处理模块输出信号中与脆性关联的特征值数据信号；

S73：建立脆性预测模型；所述脆性预测模型构建是通过以下步骤来建立的：首先将食品样品同时进行耦合仿生脆性测试仪测试和专家感官脆性评定，然后从力声信号数据和感官评定结果提取特征值后建立关系模型，最后再使用不同的食品样品验证模型；

S74：根据数据运算分析模块中所建立的脆性预测模型来判断待测样品的脆性结果。

本发明的优点在于：本发明采用通过仿生技术模拟人类咀嚼系统与听觉系统建立耦合仿生测试装置，获取食物咀嚼时的力学、声学信号，综合评判咀嚼食物时力和声音，从而综合判断出食物的脆性。通过耦合仿生是将两种或两种以上的仿生体系（特征、系统）耦合，从而构建成以低能耗获取最大环境适应性为特征的人工技术集成系统。

本发明在结构上从牙齿、牙周膜、颌骨、仿生颞下颌关节、咀嚼肌、唾液分泌、听神经等方面模拟了人类咀嚼系统和听觉系统；在功能上从咀嚼运动、口腔环境、触压力感知、声音感知等方面模拟了人类咀嚼系统和听觉系统；在脆性测试判断过程上，完全从脆性感知机理出发。因此，可以说本发明在食品脆性测试上，完全达到了食品品评专家的评判，而且克服了人类感官评判的主观性、不稳定性。

本发明从脆性形成机理出发进行测试，要优于从裂纹等其它指标进行脆性评定；而且本发明从力、声音两方面进行综合分析评判食物脆性，要优于单纯从力学信号评判。

本发明从在实现咀嚼三维运动时，采用仿生咀嚼肌带动仿生上颌骨在仿生颞下颌关节中实现，仿生颞下颌关节的关节窝的空间结构就可以保证仿生上颌骨三维运动空间，只需使用仿生咀嚼肌一个动力源，不但简化了结构，而且降低了成本。在此方面优于三动力源实现三维运动的机构。

本发明的咀嚼模拟器能有提供口腔温湿环境，湿度采用微型计量泵供给人工唾液实现，在分泌速度和分泌量上和人类类似，而且人工唾液采用和人类唾液成分类似的配方；在温度保持上，采用自动限温带，可以保持类似口腔的温度。在此方面，判断食物脆性上更接近人类口腔，优于通用食品质构仪和其它咀嚼模拟器。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为仿生脆性测试仪结构原理示意图；

图2为食物脆性测试过程图；

图3为仿生牙齿；

图4为仿生颌骨；

图5为仿生颞下颌关节；

图6为咀嚼驱动机构；

图7为喂料驱动机构；

图8为仿口腔温湿环境；

图9为仿生牙周膜；

图10为仿生牙周膜转换放大电路。

图中，1、仿生下颌骨；2、仿生听觉采集器；3、仿生咀嚼肌；4、仿生颞下颌关节；5、驱动机构；6、计算机；7、仿生上颌骨；8、仿生牙齿；9、食物块；10、仿生牙周膜；11、导向杆；12、喂料板；13、大支撑板；14、小支撑板；15、凸轮从动件；16、圆柱凸轮；17、传动轴；18、偏心轮。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

实施例1

图1为仿生脆性测试仪结构原理示意图，图2为食物脆性测试过程图，图3为仿生牙齿，图4为仿生颌骨，图5为仿生颞下颌关节，图6为咀嚼驱动机构，图7为喂料驱动机构，图8为仿口腔温湿环境，图9为仿生牙周膜，图10为仿生牙周膜转换放大电路，，如图所示：本发明提供的一种基于耦合仿生的食品脆性测试仪，包括咀嚼模拟器、脆裂信号采集系统和数据处理分析系统；

所述咀嚼模拟器，用于实现模拟人类咀嚼系统咀嚼破碎食物；

所述脆裂信号采集系统包括力学脆裂信号采集单元和声音脆裂信号采集单元；

所述力学脆裂信号采集单元，用于采集咀嚼模拟器咀嚼时产生的压力信号；

所述声音脆裂信号采集单元，用于采集咀嚼模拟器咀嚼时产生的声音信号；

所述数据处理分析系统，用于接收从脆裂信号采集系统输入的脆裂信号并进行数据处理分析获取食品脆性预测结果。

所述咀嚼模拟器包括仿生颌骨、仿生牙齿8、仿生颞下颌关节4、仿生咀嚼肌3和驱动机构5；

所述仿生颌骨包括仿生上颌骨7和仿生下颌骨1；

所述驱动机构包括可调速电动机、传动轴、偏心轮、凸轮和压板；

所述仿生颞下颌关节4包括仿生髁突和颞骨关节窝；

所述仿生牙齿8依次设置于仿生上颌骨7和仿生下颌骨1的牙槽中；

所述仿生髁突与颞骨关节窝分别设置于仿生颌骨上；所述仿生髁突与颞骨关节窝实现转动配合；

所述仿生上颌骨7通过压板与偏心轮接触，所述偏心轮通过凸轮与传动轴连接，所述传动轴与可调速电动机的转轴连接；

所述仿生咀嚼肌一端设置于仿生上颌骨上，另一端设置于仿生下颌骨上，所述仿生咀嚼肌设置位置和驱动机构的设置位置分别位于所述仿生颞下颌关节4的两侧，使得所述仿生上颌骨7和仿生下颌骨1实现模拟人咀嚼运动动作。

所述咀嚼模拟器还包括设置于咀嚼模拟器上的仿生口腔温湿环境部件；所述仿生口腔温湿环境部件包括人工唾液分泌装置和自动调温设备；所述人工唾液分泌装置包括计量泵、输液管和人造唾液输液器；所述自动调温设备包括自控温电热带、温度传感器和温度控制器；

所述输液管按牙列形状设置于仿生牙齿根部内侧，所述输液管外侧刺有小孔；所述人造唾液输液器通过计量泵控制将人造唾液输入到仿生牙齿上；

所述自控温电热带和温度传感器分别设置于仿生颌骨内侧，所述自控温电热带和温度传感器分别与温度控制器连接，所述温度传感器用于获取仿生颌骨内腔的温度信号并将温度信号输入到温度控制器，所述温度控制器通过信号处理产生用于控制自控温电热带的工作命令并将工作命令输入到自控温电热带中。

所述仿生咀嚼肌为数根碳素弹簧钢丝的拉簧。

所述脆裂信号采集单元还包括设置于仿生牙齿上的仿生牙周膜10和仿生听觉采集器2；

所述仿生牙周膜，用于采集食品脆裂时力学信号；

所述仿生听觉采集器，用于采集食品脆裂时声音信号；

所述仿生牙周膜包括压电薄膜传感器、多通道信号采集器和仿生牙周膜转换放大电路；

所述压电薄膜传感器设置于仿生牙齿的周围或底部用于获取仿生牙齿咀嚼食品时的压力信号；

所述多通道信号采集器与压电薄膜传感器连接用于接收压电薄膜传感器获取的压力信号；

所述仿生牙周膜转换放大电路，用于将力学信号进行信号处理后输入到数据处理分析系统中；

所述仿生听觉采集器包括声音传感器和声音采集卡；

所述声音传感器设置于仿生牙齿的周围用于获取仿生牙齿咀嚼食品时的声音信号；

所述声音采集卡与声音传感器连接用于接收声音传感器获取的声音信号。

还包括喂料驱动机构，所述喂料驱动机构包括导向杆11、喂料板12、大支撑板13、小支撑板14、凸轮从动件15、圆柱凸轮16、传动轴17、偏心轮18和喂料可调速电动机；

所述导向杆设置于平行设立的两个大支撑板之间；

所述喂料板设置于导向杆上，所述小支撑板对称设置于喂料板两侧；

所述凸轮从动件和圆柱凸轮对称设置于喂料板两侧，所述凸轮从动件一端与导向杆连接，另一端与圆柱凸轮连接；所述传动轴设置于大支撑板之间，所述偏心轮设置于传动轴上；所述圆柱凸轮转动时带动凸轮从动件和导向杆水平往复移动；所述传动轴与喂料可调速电动机的转轴连接；

所述导向杆带动喂料板在仿生下颌骨中心位置到仿生牙齿的牙列间往复运动，所述喂料板将位于仿生下颌骨内腔的食物块9送入到仿生牙齿8上。

所述数据处理分析系统包括数据预处理模块、特征值提取模块、数据运算分析模块和脆性预测模块；

所述数据预处理模块，用于处理获取的待测样品力声信号中的噪声信号；

所述特征值提取模块，用于提取从数据预处理模块输出信号中与脆性关联的特征值数据信号；

所述数据运算分析模块，用于建立脆性预测模型；所述脆性预测模型构建是通过以下步骤来建立的：首先将食品样品同时进行耦合仿生脆性测试仪测试和专家感官脆性评定，然后从力声信号数据和感官评定结果提取特征值后建立关系模型，最后再使用不同的食品样品验证模型；

所述脆性预测模块，用于根据数据运算分析模块中所建立的脆性预测模型来判断待测样品的脆性结果。

所述特征值提取可以采用小波分析、傅里叶分析、曲线图形分析、归一化处理方法来提取与脆性关联的数据特征；

所述脆性预测模型构建可以采用相关性分析、多元回归分析、神经网络分析方法来建立食品脆性预测。

本发明还提供了一种根据基于耦合仿生的食品脆性测试仪进行食品脆性测试方法，包括以下步骤：

S1：设置食品脆性测试仪中咀嚼模拟器中的咀嚼环境；

S2：将待测食品喂入咀嚼模拟器中；

S3：启动咀嚼模拟器咀嚼待测食品；

S4：采集咀嚼模拟器咀嚼时产生的压力信号；

S5：采集咀嚼模拟器咀嚼时产生的声音信号；

S6：将压力信号和声音信号输入到数据处理分析系统；

S7：通过数据处理分析获取食品脆性预测结果。

所述步骤S1中的咀嚼环境具体如下：

所述咀嚼模拟器内的温度为35～37℃，所述咀嚼模拟器内的湿度可以根据不同情况下人的口腔湿度的具体数值来调整，本实施例采用模拟唾液的输入量来实现。所述咀嚼环境是通过仿生口腔温湿环境部件来实现的；所述仿生口腔温湿环境部件包括人工唾液分泌装置和自动调温设备；所述人工唾液分泌装置包括计量泵、输液管和人造唾液输液器；所述输液管按牙列形状设置于仿生牙齿根部内侧，所述输液管外侧刺有小孔；所述人造唾液输液器通过计量泵控制将人造唾液输入到仿生牙齿上；

所述自动调温设备包括自控温电热带、温度传感器和温度控制器；所述自控温电热带和温度传感器分别设置于仿生颌骨内侧，所述自控温电热带和温度传感器分别与温度控制器连接，所述温度传感器用于获取仿生颌骨内腔的温度信号并将温度信号输入到温度控制器，所述温度控制器通过信号处理产生用于控制自控温电热带的工作命令并将工作命令输入到自控温电热带中。

所述步骤S7中的食品脆性预测结果是通过数据处理分析系统按照以下步骤来实现的：

S71：处理获取的待测样品力声信号中的噪声信号；

S72：提取从数据预处理模块输出信号中与脆性关联的特征值数据信号；

S73：建立脆性预测模型；所述脆性预测模型构建是通过以下步骤来建立的：首先将食品样品同时进行耦合仿生脆性测试仪测试和专家感官脆性评定，然后从力声信号数据和感官评定结果提取特征值后建立关系模型，最后再使用不同的食品样品验证模型；

S74：根据数据运算分析模块中所建立的脆性预测模型来判断待测样品的脆性结果。

实施例2

本实施例结合附图详细说明基于耦合仿生的食品脆性测试仪及测试方法：

图1为仿生脆性测试仪结构原理示意图，图2为食物脆性测试过程，如图所示，本发明的脆性测试过程主要是模拟人类进食、咀嚼、感知的过程。首先由辅助机构将食物块送入仿生下颌内，然后驱动机构将食物块送入仿生下颌牙齿颌面，同时拉动仿生咀嚼肌，驱动仿生上颌在仿生颞下颌关节中实现咀嚼破碎运动；在此过程中温湿环境部件将人造唾液输入到仿生牙齿和食物块上，并保持一定温度；仿生牙周膜感知仿生牙齿和食物块间的触压力，仿生听觉采集器获取食物在咀嚼过程中产生的声音；力学信号和声音信号传递给数据处理分析单元，进行分析处理，从而分析出食物块的脆性。

本发明由咀嚼模拟器、脆裂信号采集单元、数据处理分析单元三大部分组成，结合附图说明本专利的具体实施方式。

（1）咀嚼模拟器

咀嚼模拟器包括仿生牙齿、仿生颌骨、仿生颞下颌关节、仿生咀嚼肌、驱动机构、仿口腔温湿环境等。仿生牙齿是依据人类恒牙的齿冠和齿根的大小形态，采用三维激光扫描、曲面模型重构、有限元优化设计、数控加工制得的，既保持了牙齿的齿面形态，又优化了齿根形态，不但咀嚼功能和人类一样，而且更加利于安装。仿生牙齿制作材料选用Delrin工程塑料，棒状材料，这种材料机械强度高、耐压、耐磨，生理惰性，适宜与食品接触，且加工性能好。加工后的仿生牙齿外形尺寸和人类的真牙齿近似。仿生牙齿图形，如附图3所示。

仿生颌骨是由仿生上颌骨和仿生下颌骨组成的。人类颌骨在咀嚼时，主要起到承载牙齿、带动牙列运动的作用，上颌骨固定不动，下颌骨运动。结合人类颌骨结构、形态、功能，通过螺旋CT扫描、重构优化、数控加工制得仿生颌骨，本发明的仿生上颌骨运动，仿生下颌骨不动，材料为不锈钢。本发明的仿生颌骨完全能起到人类颌骨的功能，而且简化了结构，便于加工安装。仿生颌骨图形，如图4所示，其中图4a为仿生上颌骨，图4b为仿生下颌骨。

颞下颌关节是人体最复杂的关节之一，主要由下颌骨髁状突、颞骨关节窝、关节盘、关节囊和关节韧带组成，通过转动和滑动，连接下颌骨、行使三维运动的功能。仿生颞下颌关节通过螺旋CT扫描、重构优化、数控加工制得。髁突设计为圆球，下颌支设计为圆柱体，如附图5a所示，圆柱体下端攻有螺纹，和仿生下颌体上的螺纹孔相连；关节窝设计为球槽，设计在仿生上颌骨内，如附图5b所示。

人类咀嚼食物时，是由咀嚼肌拉动下颌实现的，肌肉收缩时闭颌，舒张时开颌。在咀嚼不同食物时，所需咀嚼力不同，咀嚼力主要与肌肉横截面积、神经的支配程度有关。模拟咀嚼肌收缩、舒张运动，根据咀嚼力的范围，设计多个不同弹性系数的圆柱螺旋拉伸弹簧提供咀嚼模拟系统咀嚼力。根据仿生颞下颌关节、仿生颌骨的尺寸，设计外径为8mm，自由长度为35mm，材料为碳素弹簧钢丝的拉簧数根，通过改变钢丝直径和有效圈数，可实现弹性系数为5～60N/mm，最大极限拉力达1000N。

人类的咀嚼运动主要是由咀嚼肌肉收缩、舒张，从而驱动下颌骨闭颌、开颌运动。咀嚼肌肉的拉动力是柔性的，因此设计弹簧来模拟咀嚼肌实现拉动力；在咀嚼时，闭颌、开颌运动是周期性运动，并且闭颌时间和开颌时间近似相等，因此设计偏心轮来实现节律性驱动。将偏心轮和弹簧相互配合形成驱动机构来完成咀嚼模拟系统的驱动。咀嚼驱动机构如图6所示。在图6中，偏心轮作周期性转动，通过下压压板带动仿生上颌骨张开；安置在仿生上颌骨和仿生下颌骨上的拉簧收缩下拉仿生上颌骨，实现闭合运动，咀嚼力的大小取决于拉簧拉伸的长度；偏心轮每转动一周，实现一个开闭颌周期；为了防止拉簧拉力过大，还设置了可调节高度的防压柱。在此张开、闭合过程中，根据设计的仿生颞下颌关节的特殊结构，仿生上颌可实现前伸、侧向运动，无需其它驱动力。

除了实现咀嚼驱动外，还要实现喂料驱动。人类在摄取食物后，先是由舌头灵活地将食物块送到磨牙上，然后再由磨牙咀嚼粉碎；在咀嚼过程中，开颌时，舌头靠近牙齿将食物碎片送回到磨牙上，闭颌时，舌头远离牙齿，如此往复，实现喂料过程。模拟人类舌头喂料方式，采用圆柱凸轮、凸轮从动件和喂料板刷形成喂料驱动机构，实现往复喂料运动。喂料驱动机构如附图7所示，在图7中，两个圆柱凸轮喂料驱动机构可实现双侧同时喂料。圆柱凸轮转动带动凸轮从动件和导向杆水平往复移动，导向杆又带动喂料板在仿生下颌中心位置到牙列间往复运动，喂料板可将辅助送料机构送入到仿生下颌内的食物块喂入到仿生磨牙上。将圆柱凸轮和偏心轮都安装在同一根传动轴上，可满足咀嚼和喂料运动的协调配合。可调速电动机驱动传动轴，可实现不同速度的咀嚼和喂料运动。

仿口腔温湿环境包括人工唾液分泌装置、自动调温设备等。人工唾液分泌装置由微型计量泵、输液管、输液瓶和人造唾液组成，模拟咀嚼时唾液的分泌，如图8a所示。将输液管按牙列形状安置于仿生牙齿根部内侧，输液管外侧刺有直径为0.5mm的小孔，人造唾液由微型计量泵控制均匀地流入到仿生牙齿上。咀嚼完毕后，还可以通过三通管输送蒸馏水，清洗仿生牙齿。仿生口腔内的温度条件，通过设计自控温电热带、温度传感器、温度控制器组成温度控制装置来实现，将仿生口腔内温度控制在35～37℃，如图8b所示。将自控温电热带弯折后，安装在仿生上颌里侧，将温度传感器探头置于仿生上颌内，采用220V交流电为自动限温带及温度控制器供电；在使用时，先设置测试温度，然后预热5分钟即可。

将咀嚼模拟器的各个零部件按装配顺序组装，首先将仿生牙齿按排牙顺序安装在上下仿生颌骨的牙槽中，调整位置，使其无松动歪斜；然后将仿生髁突圆柱螺纹端安装在仿生下颌螺孔中，将仿生上颌关节窝放在仿生髁突圆球端上；再将驱动机构组装后，安装在仿生下颌上，将压板和仿生上颌相连，仿生上下颌用仿咀嚼肌连接；最后将温湿环境部件连接在咀嚼模拟器上。咀嚼模拟器可实现三维咀嚼运动，最大开口度为40mm、最大前后距离为4mm、最大偏移距离为4mm；最大咬合力为381.4N，超过正常咀嚼咬合力30～300N范围；仿生口腔温度37℃，人造唾液流速3mL/min，电机转速68r/min（可达到人正常咀嚼速度）。

（2）脆裂信号采集单元

脆裂信号采集单元包括仿生牙周膜、仿生听觉采集器。牙周膜是连接牙根与牙槽骨的纤维组织薄膜，它将牙齿悬吊在牙槽窝中，可以缓冲牙齿咀嚼力。牙周膜中有丰富的神经和末梢感受器，对压力有很敏锐的感觉，对牙冠上微小的力量变化或食物中的异物颗粒，均能作出迅速反应。人类在咀嚼过程中对食物的感知主要是靠牙周膜感知实现的。采用PVDF压电薄膜作为敏感元件，制作仿生牙周膜。PVDF压电薄膜厚度薄且机械稳定性、延展性好，防潮湿、温度稳定性好，能够满足口腔环境和牙齿咬合力测量的特殊性。模仿牙周膜与牙体接触情况，结合仿生牙齿结构形态，在圆锥台形仿生牙根的底端和周围都设计仿生牙周膜，底端为圆片状，周围为圆锥筒状。制成仿生牙周膜厚度为0.2mm，和牙周膜（厚度为0.15～0.38mm）相仿，将它们置于仿生牙齿齿根的外围和底部，可感知仿生牙齿根部周围、底部的压力。仿生牙周膜如图9所示。

仿生牙周膜在工作时产生的是电荷信号，而且比较微弱，因此需要信号转换、放大处理。仿生牙周膜受压后，产生电荷只有在无泄露情况下才能保存，使用高输入阻抗的放大器进行电荷放大。根据PVDF压电薄膜特性和信号采集要求，采用二级放大结构，转换放大电路如图10所示。

食物在咀嚼过程中的声音对食物脆性的判断影响很大。在此过程中，人类的听觉系统将通过空气、骨骼两条传播途径感知到的切割声音、咀嚼声音传入大脑，大脑分析声音的频率及声强。模拟人类听觉系统结构、功能，制作仿生听觉采集器，主要包括声音传感器、导线等，通过测试声音传感器的安置位置，将安置于咀嚼模拟器内，磨牙牙列傍边8mm处。

仿生牙周膜感知的力学信号通过多通道采集器传送给计算机6；仿生听觉采集器感知的声音信号由声卡传递给计算机6。

（3）数据处理分析单元

数据处理分析单元包括数据预处理、数据运算分析程序，基于Windows系统设计开发，采用VisualC++6.0软件编写。数据预处理包括信号滤噪、特征值提取等，采用小波分析、傅里叶分析、曲线图形分析、归一化处理等方法处理；数据运算分析程序包括模式识别分析、脆性预测模型构建等，使用相关性分析、多元回归分析、神经网络分析等方法建立。数据处理分析单元先将力学信号数据和声音信号数据预处理后，提取与脆性关联度大的数据进行特征提取，然后使用脆性预测模型预测脆性结果。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于耦合仿生的食品脆性测试仪，其特征在于：包括咀嚼模拟器、脆裂信号采集系统和数据处理分析系统；

所述咀嚼模拟器，用于实现模拟人类咀嚼系统咀嚼破碎食物；

所述脆裂信号采集系统包括力学脆裂信号采集单元和声音脆裂信号采集单元；

所述力学脆裂信号采集单元，用于采集咀嚼模拟器咀嚼时产生的压力信号；

所述声音脆裂信号采集单元，用于采集咀嚼模拟器咀嚼时产生的声音信号；

所述数据处理分析系统，用于接收从脆裂信号采集系统输入的脆裂信号并进行数据处理分析获取食品脆性预测结果。

2.根据权利要求1所述的基于耦合仿生的食品脆性测试仪，其特征在于：所述咀嚼模拟器包括仿生颌骨、仿生牙齿、仿生颞下颌关节、仿生咀嚼肌和驱动机构；

所述仿生颌骨包括仿生上颌骨和仿生下颌骨；

所述驱动机构包括可调速电动机、传动轴、偏心轮、凸轮和压板；

所述仿生颞下颌关节包括仿生髁突和颞骨关节窝；

所述仿生牙齿依次设置于仿生上颌骨和仿生下颌骨的牙槽中；

所述仿生髁突与颞骨关节窝分别设置于仿生颌骨上；所述仿生髁突与颞骨关节窝实现转动配合；

所述仿生上颌骨通过压板与偏心轮接触，所述偏心轮通过凸轮与传动轴连接，所述传动轴与可调速电动机的转轴连接；

所述仿生咀嚼肌一端设置于仿生上颌骨上，另一端设置于仿生下颌骨上，所述仿生咀嚼肌设置位置和驱动机构的设置位置分别位于所述仿生颞下颌关节的两侧，使得所述仿生上颌骨和仿生下颌骨实现模拟人咀嚼运动动作。

3.根据权利要求1所述的基于耦合仿生的食品脆性测试仪，其特征在于：所述咀嚼模拟器还包括设置于咀嚼模拟器上的仿生口腔温湿环境部件；所述仿生口腔温湿环境部件包括人工唾液分泌装置和自动调温设备；所述人工唾液分泌装置包括计量泵、输液管和人造唾液输液器；所述自动调温设备包括自控温电热带、温度传感器和温度控制器；

所述输液管按牙列形状设置于仿生牙齿根部内侧，所述输液管外侧刺有小孔；所述人造唾液输液器通过计量泵控制将人造唾液输入到仿生牙齿上；

所述自控温电热带和温度传感器分别设置于仿生颌骨内侧，所述自控温电热带和温度传感器分别与温度控制器连接，所述温度传感器用于获取仿生颌骨内腔的温度信号并将温度信号输入到温度控制器，所述温度控制器通过信号处理产生用于控制自控温电热带的工作命令并将工作命令输入到自控温电热带中。

4.根据权利要求2所述的基于耦合仿生的食品脆性测试仪，其特征在于：所述仿生咀嚼肌为数根碳素弹簧钢丝的拉簧。

5.根据权利要求1所述的基于耦合仿生的食品脆性测试仪，其特征在于：所述脆裂信号采集单元还包括设置于仿生牙齿上的仿生牙周膜和仿生听觉采集器；

所述仿生牙周膜，用于采集食品脆裂时力学信号；

所述仿生听觉采集器，用于采集食品脆裂时声音信号；

所述仿生牙周膜包括压电薄膜传感器、多通道信号采集器和仿生牙周膜转换放大电路；

所述压电薄膜传感器设置于仿生牙齿的周围和底部用于获取仿生牙齿咀嚼食品时的触力信号；

所述多通道信号采集器与压电薄膜传感器连接用于接收压电薄膜传感器获取的触力信号；

所述仿生牙周膜转换放大电路，用于将力学信号进行信号处理后输入到数据处理分析系统中；

所述仿生听觉采集器包括声音传感器和声音采集卡；

所述声音传感器设置于仿生牙齿的周围用于获取仿生牙齿咀嚼食品时的声音信号；

所述声音采集卡与声音传感器连接用于接收声音传感器获取的声音信号。

6.根据权利要求1所述的基于耦合仿生的食品脆性测试仪，其特征在于：还包括喂料驱动机构，所述喂料驱动机构包括导向杆、喂料板、大支撑板、小支撑板、凸轮从动件、圆柱凸轮、传动轴、偏心轮和喂料可调速电动机；

所述导向杆设置于平行设立的两个大支撑板之间；

所述喂料板设置于导向杆上，所述小支撑板对称设置于喂料板两侧；

所述凸轮从动件和圆柱凸轮对称设置于喂料板两侧，所述凸轮从动件一端与导向杆连接，另一端与圆柱凸轮连接；所述传动轴设置于大支撑板之间，所述偏心轮设置于传动轴上；所述圆柱凸轮转动时带动凸轮从动件和导向杆水平往复移动；所述传动轴与喂料可调速电动机的转轴连接；

所述导向杆带动喂料板在仿生下颌骨中心位置到仿生牙齿的牙列间往复运动，所述喂料板将位于仿生下颌骨内腔的食物块送入到仿生牙齿上。

7.根据权利要求1所述的基于耦合仿生的食品脆性测试仪，其特征在于：所述数据处理分析系统包括数据预处理模块、特征值提取模块、数据运算分析模块和脆性预测模块；

所述数据预处理模块，用于处理获取的待测样品力声信号中的噪声信号；

所述特征值提取模块，用于提取从数据预处理模块输出信号中与脆性关联的特征值数据信号；

所述数据运算分析模块，用于建立脆性预测模型；所述脆性预测模型构建是通过以下步骤来建立的：首先将食品样品同时进行耦合仿生脆性测试仪测试和专家感官脆性评定，然后从力声信号数据和感官评定结果提取特征值后建立关系模型，最后再使用不同的食品样品验证模型；

所述脆性预测模块，用于根据数据运算分析模块中所建立的脆性预测模型来判断待测样品的脆性结果。

8.根据权利要求1所述的基于耦合仿生的食品脆性测试仪进行食品脆性测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：设置食品脆性测试仪中咀嚼模拟器中的咀嚼环境；

S2：将待测食品喂入咀嚼模拟器中；

S3：启动咀嚼模拟器咀嚼待测食品；

S4：采集咀嚼模拟器咀嚼时产生的触力信号；

S5：采集咀嚼模拟器咀嚼时产生的声音信号；

S6：将触力信号和声音信号输入到数据处理分析系统；

S7：通过数据处理分析获取食品脆性预测结果。

9.根据权利要求8所述的基于耦合仿生的食品脆性测方法，其特征在于：所述步骤S1中的咀嚼环境具体如下：

所述咀嚼模拟器内的温度为35～37℃，所述咀嚼环境是通过仿生口腔温湿环境部件来实现的；所述仿生口腔温湿环境部件包括人工唾液分泌装置和自动调温设备；所述人工唾液分泌装置包括计量泵、输液管和人造唾液输液器；所述输液管按牙列形状设置于仿生牙齿根部内侧，所述输液管外侧刺有小孔；所述人造唾液输液器通过计量泵控制将人造唾液输入到仿生牙齿上；

所述自动调温设备包括自控温电热带、温度传感器和温度控制器；所述自控温电热带和温度传感器分别设置于仿生颌骨内侧，所述自控温电热带和温度传感器分别与温度控制器连接，所述温度传感器用于获取仿生颌骨内腔的温度信号并将温度信号输入到温度控制器，所述温度控制器通过信号处理产生用于控制自控温电热带的工作命令并将工作命令输入到自控温电热带中。

10.根据权利要求8所述的基于耦合仿生的食品脆性测方法，其特征在于：所述步骤S7中的食品脆性预测结果是通过数据处理分析系统按照以下步骤来实现的：

S71：处理获取的待测样品力声信号中的噪声信号；

S72：提取从数据预处理模块输出信号中与脆性关联的特征值数据信号；

S73：建立脆性预测模型；所述脆性预测模型构建是通过以下步骤来建立的：首先将食品样品同时进行耦合仿生脆性测试仪测试和专家感官脆性评定，然后从力声信号数据和感官评定结果提取特征值后建立关系模型，最后再使用不同的食品样品验证模型；

S74：根据数据运算分析模块中所建立的脆性预测模型来判断待测样品的脆性结果。

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