CN105929121B - 检测牛肉嫩度的咀嚼机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明属于肉类样品品质检测技术领域，尤其涉及一种检测牛肉嫩度的咀嚼机器人；克服了现有技术存在的操作复杂、检测成本高、处理时间长，不能很好的在线检测牛肉嫩度等级的缺点；包括咀嚼结构、数据采集及数据分析结构、驱动装置结构三部份；咀嚼结构部分由上颌装配体和下颌装配体组成；数据采集与数据分析结构由应变片和应变仪组成；驱动装置结构由步进电机A、步进电机B、步进电机驱动器A、步进电机驱动器B、硬件系统和上位机组成；本发明通过利用单片机控制咀嚼机器人实现牛肉嫩度快速检测，该咀嚼机器人能够仿真人类的方式进行咀嚼，操作控制方便，检测运行快捷，节约了检测时间，减少了经济投入与人力劳动。
Description
技术领域
本发明属于肉类样品品质检测技术领域，尤其涉及一种检测牛肉嫩度的咀嚼机器人。
背景技术
牛肉中含有丰富的蛋白质，其含量高，所以味道鲜美，人们非常喜爱，享有“肉中骄子”的美称。牛肉的嫩度是人们经常关注的热点，牛肉产业的迅速崛起，使得研究牛肉的嫩度，不仅具有重要的研究价值，而且具有重要的商业价值。目前，国内外对牛肉嫩度的检测方法有：(1)计算机视觉技术检测方法，这种方法基于肉的纹理和其嫩度的直接关系，通过图像技术将肉的纹理特征显示出来，总结其与嫩度间的数量关系，从而可以做到对牛肉不破坏并且能对其进行评价；(2)近红外光谱(NIR)分析技术，近几年人们通过实验研究将红外反射光谱用于预测牛肉嫩度，对样品进行近红外光谱扫描后，可获得样品的分子键和化学成分信息，因而近红外光谱不仅可以分辨食品而且对其品质进行预测，也有研究发现，用近红外光谱预测的嫩度值与用剪切力实际测得的值正相关。但NIR分析技术和计算机视觉技术的输出结果复杂，对结果的合理处理显得尤为重要，需加强数学统计方法应用的研究；(3)高光谱图像技术，高光谱技术不仅可用于读取牛肉外表面的特征性质，对牛肉内部的性质也可进行读取，进而可用来预测牛肉的嫩度，而采用高光谱成像技术对肉品品质进行无损检测的进一步实用推广有赖于检测精度和检测速度的提高、以及检测模型的适用性的增强。(4)多光谱和荧光光谱分析技术，此方法是对牛身上各部位肌肉的光谱图像进行采集，通过分析牛肉的纹理特征，建立牛肉嫩度的预测模型，但经实验证明，多光谱对老牛肉的分级正确率较低，预测效果不理想；荧光光谱分析技术用来检测生鲜肉品质的研究甚少，主要集中在肉类致病菌方面，需要进一步深入研究，使其进入快速发展时期。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的操作复杂、检测成本高、处理时间长，不能很好的在线检测牛肉嫩度等级等缺点，研制一种检测牛肉嫩度的咀嚼机器人。
本发明通过利用单片机控制咀嚼机器人实现牛肉嫩度快速检测，操作方便快捷。该咀嚼机器人能够仿真人类的方式进行咀嚼，结合传感器技术可以用于牛肉嫩度的快速检测。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下：
一种检测牛肉嫩度的咀嚼机器人，包括咀嚼结构、数据采集及数据分析结构、驱动装置结构三部份；
所述咀嚼结构部分由上颌装配体和下颌装配体组成；
所述数据采集与数据分析结构由应变片和应变仪组成；
应变仪和应变片连接组成应变电桥，根据应变片的形变产生电信号并通过应变仪采集，获得应变数据并进行分析；
所述驱动装置结构由步进电机A1、步进电机B8、步进电机驱动器A17、步进电机驱动器B7、硬件系统和上位机组成；
所述上位机与应变仪通过USB接口相连；
所述硬件系统利用USB转换口与上位机连接，同时与步进电机驱动器A17、步进电机驱动器B7相连；
所述下颌装配体和步进电机A1通过下连杆及下曲柄轮15连接；
所述步进电机A1与步进电机驱动器A17连接，用于控制下颌装配体进行上、下运动；所述步进电机B8与步进电机驱动器B7连接，用于控制上颌装配体进行左、右运动。
技术方案中所述上颌装配体包括上颌板11、上牙床12、上牙13、滑块A9、旋转轴10和滑块B19；
所述下颌装配体包括下颌板2、下牙床3、下牙4和主旋转轴14；
所述旋转轴10与滑块A9、滑块B19过渡配合，所述滑块A9、滑块B19通过螺丝固定于上颌板11；所述主旋转轴14通过螺丝与下颌板2连接；
所述上牙13、上牙床12组成上牙模，上牙13通过上牙床12与上颌板11连接；
所述下牙4、下牙床3组成下牙模，下牙4通过下牙床3与下颌板2连接；
所述应变片设置在下牙4的第二磨牙上。
技术方案中所述下牙4的第一磨牙外侧粘贴一片温度补偿片。
技术方案中所述硬件系统包括8MHz有源晶振和单片机两部分，单片机中包含串口通信模块；所述串口通信模块实现上位机与单片机之间的信息传递；
所述单片机负责接收和向上位机发送指令及数据，通过单片机的软件编程输出控制步进电机驱动器A17或步进电机驱动器B7的脉冲信号，使步进电机A1、步进电机B8运转，从而实现对咀嚼机器人的咀嚼控制。
技术方案中所述上位机通过Microsoft Visual Basic 6.0编程设置控制咀嚼机器人的命令：开始和停止、加速和减速、顺时针旋转和逆时针旋转、运动周期数、上颌牙左右微调、下颌牙上下微调；
所述上位机通过Microsoft Visual Basic 6.0编程设置将步进电机B8与步进电机A1的运行速度分为五个等级：一级速度、二级速度、三级速度、四级速度、五级速度，从而使咀嚼机器人得到控制。
技术方案中所述串口通信模块设置波特率为115200，8位数据位，1位停止位，不进行奇偶校验，串口号为COM1。
本发明与现有技术相比，其有益技术效果是：
1.本发明所述的检测牛肉嫩度的咀嚼机器人能够达到与人类相似的咀嚼效果，可作为辅助咀嚼仪器；
2.通过本发明所述的检测牛肉嫩度的咀嚼机器人测量牛肉在咀嚼过程中的应力变化规律，为牛肉的嫩度评价提供一种更加客观的方法。
3.检测牛肉嫩度的咀嚼机器人可以用于咀嚼机理和口腔处理食物过程的研究。
4.该装置操作控制方便，检测运行快捷，可连续运转，有很强的稳定性和实用性，可以做到节约检测时间和减少经济投入与人力劳动的效果。
附图说明
图1是本发明所述的检测牛肉嫩度的咀嚼机器人主视图；
图2是本发明所述的检测牛肉嫩度的咀嚼机器人左视图；
图3是本发明所述的检测牛肉嫩度的咀嚼机器人俯视图；
图4-1是本发明所述的检测牛肉嫩度的咀嚼机器人仿真牙模主视图；
图4-2是本发明所述的检测牛肉嫩度的咀嚼机器人仿真牙模左视图；
图5-1是本发明所述的检测牛肉嫩度的咀嚼机器人上颌装配体主视图；
图5-2是本发明所述的检测牛肉嫩度的咀嚼机器人左视图；
图5-3是本发明所述的检测牛肉嫩度的咀嚼机器人俯视图；
图6-1是本发明所述的检测牛肉嫩度的咀嚼机器人下颌装配体主视图；
图6-2是本发明所述的检测牛肉嫩度的咀嚼机器人下颌装配体左视图；
图6-3是本发明所述的检测牛肉嫩度的咀嚼机器人下颌装配体俯视图；
图7是本发明所述的检测牛肉嫩度的咀嚼机器人上位机工作界面示意图；
图中：1.步进电机A1，2.下颌板，3.下牙床，4.下牙，5.机架壳体，6.螺母.，7.步进电机驱动器B7，8.步进电机B8，9.滑块A9，10.旋转轴，11.上颌板，12.上牙床，13.上牙，14.主旋转轴，15.下连杆及下曲柄轮，16.基座，17.步进电机驱动器A17，18.滑轨卡扣,19.滑块B19。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做如下说明：
参阅图1、图2、图3，检测牛肉嫩度的咀嚼机器人主要由三大部件构成，分别是：咀嚼结构，数据采集及数据分析结构，驱动装置结构。
现分述如下：
一、咀嚼结构部分
参阅图1、图4-1、图4-2，咀嚼结构部分由上颌装配体、下颌装配体组成；
参阅图5-1、图5-2、图5-3，上颌装配体包括上颌板10(250*70*5mm)、上牙床12、上牙13、滑块A9、滑块B19；
参阅图6-1、图6-2、图6-3，下颌装配体包括下颌板2(135*100*45mm)、下牙床3、下牙4、主旋转轴14；
上牙模由上牙13、上牙床12组成，上牙13通过上牙床12与上颌板11连接；
下牙模由下牙4、下牙床3组成，下牙4通过下牙床3与下颌板2连接；
下颌装配体和步进电机A1通过下连杆及下曲柄轮15连接；
上牙模、下牙模购于专门卖齿科材料的公司；
二、数据采集及数据分析结构的型号及连接方式
数据采集与数据分析结构由应变片和应变仪组成；
应变片型号为BX120-3AA；应变仪型号为DH3817
本发明中，上牙模和下牙模通过螺栓与上、下颌板(即铁片)连接固定后用镊子(或用手)捏住应变片的引出线，在应变片基底底面和下牙4(左边)第二磨牙上方涂抹一层薄薄的粘结剂后，将应变片基底面向下平放在下牙4的第二磨牙上，(取小片塑料薄膜盖在应变片上，用手指滚压挤出多余的粘结剂和气泡，手指保持不动约1-2min，在应变片和第二磨牙完全粘合后再放开，从应变片无引出线的一端向另一端轻轻揭掉塑料薄膜，用力方向尽量与粘贴表面平行，以防将应变片带起。需要注意的是粘结剂不要用的过多或过少，过多使胶层太厚会影响应变片的性能，过少则粘结不牢不能准确传递应变。由于在试验过程中，因为温度会对工作应变片产生附加形变，使测试结果误差增大，所以要对工作应变片进行温度补偿，也就是抵消由于温度使应变片产生的附加应变。因此，本发明在下牙4(右边)的第一磨牙外侧粘贴一片温度补偿片。
上位机与应变仪通过USB接口相连，应变仪和应变片连接组成应变电桥，根据应变片的形变产生电信号并通过应变仪采集，获得应变数据并进行分析。
三、驱动装置结构
驱动装置结构由步进电机A1、步进电机B8、步进电机驱动器A17、步进电机驱动器B7、硬件系统和上位机组成，其中硬件系统包含8MHz有源晶振和单片机两部分，该硬件系统以单片机为核心，单片机中包含串口通信模块；串口通信模块主要功能是实现上位机与单片机之间的信息传递；其中单片机为STM32F050型号单片机，串口通信模块为MSCOMM32.OCX串口通信模块。
(1)步进电机A1、步进电机B8均为无锡三拓电气公司生产的86HS15060A4型号二三相混合步进电机；步进电机驱动器A17、步进电机驱动器B7均为无锡三拓电气厂生产的MA860H型细分型两相混合式步进电机驱动器；
步进电机A1与步进电机驱动器A17连接(参阅图2)，用于控制下颌装配体进行上、下运动；步进电机B8与步进电机驱动器B7连接(参阅图1)，用于控制上颌装配体进行左、右运动；
步进电机驱动器A17(B7)与步进电机A1(B8)连接时，步进电机A1(B8)4条输入线分别接在步进电机驱动器A17(B7)的脉冲信号发射器的A+、A-、B+、B-的输出接口处。
(2)硬件系统中8MHz有源晶振连接STM32F050型号单片机的XTAL1引脚；MSCOMM32.OCX串口通信模块主要功能是实现上位机与STM32F050型号单片机之间的信息传递，MSCOMM32.OCX串口通信模块内置于STM32F050型号单片机中；
硬件系统利用USB转换口与上位机连接，同时与步进电机驱动器A17、步进电机驱动器B7相连；单片机作为整个硬件系统的控制核心，它主要负责接收和向上位机发送指令及数据，再通过单片机的软件编程输出控制步进电机驱动器A17或步进电机驱动器B7的脉冲信号，使电动机运转，从而实现对咀嚼机器人的咀嚼控制。
四、上位机的运行方式
上位机通过Microsoft Visual Basic 6.0编程设置控制咀嚼机器人的命令：开始和停止；加速和减速；顺时针旋转和逆时针旋转；运动周期数；上颌牙左、右微调；下颌牙上、下微调，并将步进电机B8与步进电机A1的运行速度分为五个等级：一级速度、二级速度、三级速度、四级速度、五级速度。从而使咀嚼机器人可以得到控制并达到最佳的状态。(参阅图7上位机工作界面)
在本程序设计中，串口通信部分设置波特率为115200，8位数据位，1位停止位，不进行奇偶校验，串口号为COM1。
操作者选择预期的运转方向、运转周期、运转速度及步进电机后，进行运动微调，利用运动微调将上牙13和下牙4设置成闭合状态。
单片机首先控制步进电机A1开始运行，其控制步进电机A1运行方向为顺时针方向运行，运行速度为一级速度，运行周期为1；下一步控制步进电机B8开始运行，步进电机B8运行方向为顺时针方向，运行速度为一级速度，运行周期为1。选择好预期的运行控制参数后，点击运行，上位机与单片机通信并发出控制信号。
五、运行咀嚼机器人
在机器工作前，将所测牛肉样本置于下牙4的第二磨牙上方，使上下牙咬合。接通电源，在步进电机A1或步进电机B8的带动和单片机的控制下，咀嚼机器人的咀嚼装置产生上、下、左、右4个自由度的运动，即下颌装配体进行上下运动后，上颌装配体再进行左右运动，从而完成一个运动周期。根据应变片的形变产生电信号并通过应变仪采集，获得应变数据并进行分析。
六、采集数据
分析所得数据并建立自组织神经网络模型。建立所述的自组织神经网络分析模型，从市场上购得大量的各种嫩度的牛肉样本，将每一个牛肉样本分为相同的两部分，一个用现有常规的牛肉嫩度检测方法对给牛肉样本进行检测，获得较高准确度的嫩度值称为标准值；将该牛肉样本另一块用于咀嚼机器人检测牛肉嫩度，即根据牙齿咀嚼不同嫩度的牛肉产生不同的力，采集到不同的应变值。根据大量的检测牛肉嫩度实验数据，可得到不同牛肉嫩度对应的应变值范围。将通过咀嚼机器人检测到的数值作为自变量，标准值作为因变量，用自组织神经网络建立起它们之间的映射关系，通过不断地训练和学习，得到一个自组织神经网络精练模型，能够根据输入的应变值准确的得到牛肉的嫩度值。
Claims (5)
1.一种检测牛肉嫩度的咀嚼机器人，包括咀嚼结构、数据采集及数据分析结构、驱动装置结构三部分 ；其特征在于：
所述咀嚼结构部分由上颌装配体和下颌装配体组成；
所述数据采集与数据分析结构由应变片和应变仪组成；
应变仪和应变片连接组成应变电桥，根据应变片的形变产生电信号并通过应变仪采集，获得应变数据并进行分析；
所述驱动装置结构由步进电机A(1)、步进电机B(8)、步进电机驱动器A(17)、步进电机驱动器B(7)、硬件系统和上位机组成；
所述上位机与应变仪通过USB接口相连；
所述硬件系统利用USB转换口与上位机连接，同时与步进电机驱动器A(17)、步进电机驱动器B(7)相连；
所述下颌装配体和步进电机A(1)通过下连杆及下曲柄轮(15)连接；
所述步进电机A(1)与步进电机驱动器A(17)连接，用于控制下颌装配体进行上、下运动；所述步进电机B(8)与步进电机驱动器B(7)连接，用于控制上颌装配体进行左、右运动；
所述上位机通过Microsoft Visual Basic 6.0编程设置控制咀嚼机器人的命令：开始和停止、加速和减速、顺时针旋转和逆时针旋转、运动周期数、上颌牙左右微调、下颌牙上下微调；
所述上位机通过Microsoft Visual Basic 6.0编程设置将步进电机B(8)与步进电机A(1)的运行速度分为五个等级：一级速度、二级速度、三级速度、四级速度、五级速度，从而使咀嚼机器人得到控制。
2.根据权利要求1所述的一种检测牛肉嫩度的咀嚼机器人，其特征在于：
所述上颌装配体包括上颌板(11)、上牙床(12)、上牙(13)、滑块A(9)、旋转轴(10)和滑块B(19)；
所述下颌装配体包括下颌板(2)、下牙床(3)、下牙(4)和主旋转轴(14)；
所述旋转轴(10)与滑块A(9)、滑块B(19)过渡配合，所述滑块A(9)、滑块B(19)通过螺丝固定于上颌板(11)；所述主旋转轴(14)通过螺丝与下颌板(2)连接；
所述上牙(13)、上牙床(12)组成上牙模，上牙(13)通过上牙床(12)与上颌板(11)连接；
所述下牙(4)、下牙床(3)组成下牙模，下牙(4)通过下牙床(3)与下颌板(2)连接；
所述应变片设置在下牙(4)的第二磨牙上。
3.根据权利要求2所述的一种检测牛肉嫩度的咀嚼机器人，其特征在于：
所述下牙(4)的第一磨牙外侧粘贴一片温度补偿片。
4.根据权利要求1所述的一种检测牛肉嫩度的咀嚼机器人，其特征在于：
所述硬件系统包括8MHz有源晶振和单片机两部分，单片机中包含串口通信模块；所述串口通信模块实现上位机与单片机之间的信息传递；
所述单片机负责接收和向上位机发送指令及数据，通过单片机的软件编程输出控制步进电机驱动器A(17)或步进电机驱动器B(7)的脉冲信号，使步进电机A(1)、步进电机B(8)运转，从而实现对咀嚼机器人的咀嚼控制。
5.根据权利要求4所述的一种检测牛肉嫩度的咀嚼机器人，其特征在于：
所述串口通信模块设置波特率为115200，8位数据位，1位停止位，不进行奇偶校验，串口号为COM1。
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