基于仿生咀嚼平臺的黏彈性食品質(zhì)地檢測系統(tǒng)研究

顧晨龍 周星宇 楊濤濤 錢善華 俞經(jīng)虎

(江南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

食品質(zhì)地是評價食品品質(zhì)的重要指標(biāo)，質(zhì)構(gòu)檢測工作對于整個產(chǎn)業(yè)鏈都非常重要[1]，食品質(zhì)地研究也越來越熱門[2-3]。大多使用質(zhì)構(gòu)儀獲得食品質(zhì)地的數(shù)值描述[4]，周顯青等[5]用質(zhì)構(gòu)儀測定米粉條表面黏性；符秀敏[6]用質(zhì)構(gòu)儀對明膠軟糖進行了測試，同時進行了感官評價以找出一種能與感官評價完全匹配的質(zhì)構(gòu)儀測試方法；Behic等[7]研制了質(zhì)地測試儀，并用此裝置測試了玉米粉的黏彈性；孫鐘雷等[8]利用仿生技術(shù)設(shè)計了仿生咀嚼裝置并對蘋果、胡蘿卜進行了測試，但是其咀嚼動作只是簡單的上下咬合。食品質(zhì)地檢測應(yīng)遵從一個原則：以人的實際感官評價為標(biāo)準(zhǔn)，越好的食品質(zhì)地檢測裝置，越是接近人的實際感官[9]。試驗針對現(xiàn)有質(zhì)構(gòu)儀食品質(zhì)地的檢測只是近似模仿牙齒咀嚼運動，且測試端探頭與人的牙齒構(gòu)造不符；而現(xiàn)有仿生咀嚼平臺只考慮了結(jié)構(gòu)的仿生性，雖然能實現(xiàn)咬合動作，但存在未考慮人真實咀嚼硬物時的左右橫向剪切、磨碎等動作的問題，試驗擬設(shè)計出一款能夠模仿人類口腔咬合、剪切、磨碎等咀嚼運動的仿生咀嚼平臺，并且實現(xiàn)軟件對硬件的仿生咀嚼運動控制和測試數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，以期用于客觀、準(zhǔn)確、快速評價食品質(zhì)地。

1 仿生咀嚼平臺運動學(xué)分析

1.1 仿生咀嚼平臺結(jié)構(gòu)組成

UG軟件設(shè)計的六自由度仿生咀嚼平臺三維模型及機構(gòu)簡圖如圖1所示。

該六自由度的并聯(lián)驅(qū)動機構(gòu)靜平臺是固定的，動平臺通過連桿和兩組球副機構(gòu)與滑塊相連，動平臺模擬下頜骨、動支鏈模擬咀嚼肌肉，當(dāng)咀嚼平臺工作時，步進電機在程序的控制下驅(qū)動絲杠，絲杠螺母副將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，使得6根連桿上下運動，在連桿驅(qū)動下動平臺實現(xiàn)三維空間的各種咀嚼運動，若各步進電機驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)過的角位移不同，那么最終動平臺的位置和姿態(tài)也會不同。

1.2 仿生咀嚼平臺運動分析

(1)

式(1)中的4×4的矩陣又被稱為齊次變換矩陣，該式中同時包含了一般變換的旋轉(zhuǎn)和位移。當(dāng)坐標(biāo)系{B}相對于坐標(biāo)系{A}的描述為X-Y-Z固定坐標(biāo)系描述時，有：

(2)

1. 移動副 2. 絲杠 3. 滑塊 4. 連桿(Li) 5. 動平臺 6. 球副(S) 7. 導(dǎo)軌

圖1 仿生咀嚼平臺三維模型及機構(gòu)簡圖

位置逆解是在動平臺的最終位姿為已知情況下求解各運動支鏈的運動量[11]。單支鏈簡圖如圖2所示，試驗研究的PSS仿生平臺的運動學(xué)逆解即求得|AA0|的長度。

(3)

(4)

圖2 仿生咀嚼平臺單支鏈簡圖

圖2中，選擇A0作為截斷點，A0位于以Mi為球心，半徑為l的球面上，并且A0在方向為u且通過A的直線上[12]。球面方程在基坐標(biāo)系的表達為：

l2=(x-BMix)2+(y-BMiy)2+(z-BMiz)2。

(5)

由機構(gòu)特性知：滑動副始終處于動平臺的下方，將式(3) 代入式(5)并舍去負解，可得：

(6)

1.3 基于ADAMS虛擬樣機的動平臺仿真分析

為了驗證位置逆解的可靠性和動平臺的仿生性，采用ADAMS虛擬樣機對動平臺進行仿真分析。在咀嚼黏彈性食品時多用磨牙進行咀嚼，磨牙的運動軌跡近似為空間的橢圓，且呈明顯的單側(cè)咀嚼特征，在動平臺質(zhì)心位置添加六自由度的一般點驅(qū)動，根據(jù)咀嚼運動軌跡方程，輸入的驅(qū)動參數(shù)：

TraX=25.2+5.09*SIN(2*pi*time)+10.08*COS(2*pi*time )

TraY=18.92+14.5*SIN(2*pi*time)-17.8*COS(2*pi*time )

TraZ=-46.6+10.2*SIN(2*pi*time)+16.6*COS(2*pi*time )

RotX=0*time

RotY=ATAN(-(-46.6+10.2*SIN(2*pi*time)+16.6*COS(2*pi*time ))/(25.2+5.09*SIN(2*pi*time)+10.08*COS(2*pi*time ) ))

RotZ=ATAN((18.92+14.5*SIN(2*pi*time)-17.8*COS(2*pi*time ))/(25.2+5.09*SIN(2*pi*time)+10.08*COS(2*pi*time ) ))

在軌跡方程的驅(qū)動下，動平臺的運動軌跡呈淚滴形，且動平臺在運動過程中Y坐標(biāo)均為負值，說明磨細運動呈明顯的單側(cè)咀嚼的特征，而這與試驗人員測量的人類咀嚼軌跡一致。在咀嚼運動下，下頜先進行側(cè)向運動，y方向的位移先達到最大值，然后進入開口階段，z方向和x方向的位移量也達到最大值，最后進入閉口階段，牙齒回到咬合位置。

圖3為6個移動副的位置變化，可以看出由于機構(gòu)支鏈的對稱設(shè)計，支鏈1/2、3/4、5/6的位置變化趨勢也是兩兩接近。在單側(cè)磨細運動中，支鏈1/2先達到極限位置，然后是支鏈3/4，此時下頜已經(jīng)完成開口動作，接著在下頜的閉口和咀嚼運動中，支鏈5/6達到其最大位置，過程中6個支鏈曲線變化平順，無明顯的階躍點，證明結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，同時6個支鏈的位姿變化曲線也能夠為控制程序提供參考。

2 食品質(zhì)地品質(zhì)評價系統(tǒng)程序開發(fā)

2.1 仿生咀嚼平臺控制

搭建的試驗平臺如圖4(a)所示，仿生咀嚼平臺的控制硬件主要由控制計算機、運動控制卡(深圳眾為興技術(shù)股份有限公司，ADT-856型)、高精度A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換卡、步進電機、編碼器和S型壓力傳感器(北京華控興業(yè)科技發(fā)展有限公司，BSTL-BLSM-500KG型)等主要部件組成?？刂圃砣鐖D4(b)所示。以Labview作為上位機驅(qū)動步進電機從而控制動平臺進行運動，并實時采集力傳感器的數(shù)據(jù)，量程為-10～50 kg，工作電壓為24 V，傳輸信號為4～20 mA，精度為0.15 N。

圖3 6個移動副的位置變化

1. 力傳感器 2. 靜平臺 3. 動平臺 4. 機架 5. 步進電機

圖4 平臺控制原理

其工作原理是物性測試系統(tǒng)接收用戶輸入，將用戶輸入的參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槊總€步進電機的脈沖數(shù)。食品物性檢測系統(tǒng)通過控制計算機將脈沖數(shù)傳送給運動控制卡。運動控制卡根據(jù)接收到的脈沖數(shù)來控制每個步進電機的步數(shù)。編碼器獲取步進電機的角位移，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給運動控制卡，運動控制卡還依照編碼器采集的位移信號和理想值之間的偏差，對步進電機實行反饋控制。這樣對不同的步進電機給定不同的脈沖量，最終動平臺會有不同的位姿。最后物性測試系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理即可得到食品的質(zhì)地屬性。

2.2 黏彈性食品物性檢測

物性計算的程序框圖如圖5所示。計算過程主要分為3部分：數(shù)組轉(zhuǎn)換和濾波、各關(guān)鍵點的尋找以及物性計算。

由于試驗過程中傳感器精度以及干擾的問題，在樣品與探頭接觸前，力傳感器采集到的力總是有輕微的波動，這會影響到關(guān)鍵點的尋找，甚至?xí)绊懺囼灲Y(jié)果，因此在進行關(guān)鍵點的尋找前需將這段波動過濾并轉(zhuǎn)換成數(shù)組，以便后續(xù)計算，圖6(a)為濾波及數(shù)組轉(zhuǎn)換圖；由圖5可知，物性計算重要的點都是極值點和零點，各關(guān)鍵點的尋找可轉(zhuǎn)化為尋找合適位置的極大值點和零點，尋找各關(guān)鍵點索引的程序框圖如圖6(b)所示，具體算法：① 尋找大于1的極大值點，第一個即為x脆；② 從x脆往左搜索零點，第一個零點即為咀嚼開始點x0；③ 從x脆往右搜索零點，第一個零點即為x1；④ 在(x0，x1)區(qū)間尋找最大值點，該點即為x硬1；⑤ 從x1往右搜索小于-0.5的極小值點，該點即為xmin；⑥ 從xmin往右搜索零點，第一個即為x2；⑦ 從x2往右搜索大于0.5的極大值點，第一個即為x硬2；⑧ 從x硬2往左搜索零點，第一個即為x3；往右搜索零點，第一個即為tmax。

圖5 典型的TPA質(zhì)地譜圖

圖6 物性計算程序框圖

經(jīng)過上述關(guān)鍵點的搜索，接下來就可以利用這些關(guān)鍵點按相關(guān)公式計算得到樣品的物性值。

2.3 物性檢測系統(tǒng)開發(fā)

上位機采用Labview2018虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境，由于G代碼無需書寫繁瑣的程序代碼，縮減了研發(fā)周期[13]。程序主要包括3個部分：平臺咀嚼控制模塊、實時數(shù)據(jù)監(jiān)控及記錄模塊、數(shù)據(jù)分析與處理模塊。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示。界面線程、工作線程和監(jiān)控線程之間利用消息隊列進行通信。咀嚼過程中，工作線程完成咀嚼運動，監(jiān)控線程完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲，主線程完成與用戶交互，這樣各司其職，使得系統(tǒng)邏輯更加清晰。

程序開啟后，對上下牙頜位置進行嚙合校正，單擊程序右側(cè)牙齒嚙合校正，下頜動平臺會以一定速度向上移動，當(dāng)上下頜剛好嚙合，無側(cè)方偏移時，系統(tǒng)記錄此時動平臺位置為零點，6個支鏈的位置為初始位置，并以此作為參考。然后單擊開始監(jiān)控，各支鏈步進電機自帶的編碼器會將角位移信號轉(zhuǎn)換成電信號，檢測系統(tǒng)采集電信號并換算成位移來實時記錄各個支鏈的位置。此外在主界面還可以手動選擇咀嚼運動方式，如圖7(b)所示，可根據(jù)測試物品的不同手動選擇壓縮模式或者剪切運動模式。除TPA試驗外還可進行應(yīng)力松弛與應(yīng)變松弛試驗。

圖7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與界面

3 食品質(zhì)地檢測系統(tǒng)試驗

3.1 試驗方法

為了驗證該檢測系統(tǒng)的可靠性，選取Φ15 mm×25 mm 栗米燒軟糖(市售某品牌)作為試驗食品樣本，分別通過上述的仿生咀嚼系統(tǒng)與TMS-PRO型質(zhì)構(gòu)儀(美國FTC公司)開展檢測試驗并比較結(jié)果。試驗中，仿生咀嚼平臺采用樹脂仿生牙齒探頭，壓縮率設(shè)置為80%，壓縮速度設(shè)置為1 mm/s；質(zhì)構(gòu)儀在探頭上分別選用了牙齒探頭和38 mm的圓柱探頭，壓縮率設(shè)置為80%，壓縮速度設(shè)置為1 mm/s，檢測精度0.015%，數(shù)據(jù)采集率大于2 000組/s，精度2.5 μm，試驗分別重復(fù)進行3次，依據(jù)TPA試驗的物性計算方法，將得到的物性取平均值。

3.2 試驗數(shù)據(jù)與分析

試驗結(jié)果如表1所示。

表1 仿生咀嚼平臺和TMS-PRO型質(zhì)構(gòu)儀的對比?

由表1可知，仿生咀嚼平臺和TMS-PRO型質(zhì)構(gòu)儀用牙齒探頭測試的物性都比較接近，而對于黏附性和內(nèi)聚性來說，TMS-PRO型質(zhì)構(gòu)儀測試的數(shù)值明顯小于仿生咀嚼平臺，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因可能是質(zhì)構(gòu)儀上下頜未與樣品得到更充分的接觸，導(dǎo)致食品的粘附作用較小，對樣品的破壞程度小。相較于38 mm圓柱探頭，硬度、內(nèi)聚性、回復(fù)性和咀嚼性有較大差異，這是因為圓柱探頭相較于牙齒探頭，接觸面積更大，樣品受力更大，對樣品的破壞更完全。多次試驗表明，在相同條件下，仿生咀嚼平臺與TMS-PRO型質(zhì)構(gòu)儀測得的數(shù)據(jù)相接近，可以應(yīng)用于黏彈性食品的質(zhì)地檢測中。

4 結(jié)論

基于仿生咀嚼平臺，實現(xiàn)了六自由度的仿生咀嚼運動；利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了食品物性檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對機器人的運動控制、數(shù)據(jù)實時采集、數(shù)據(jù)動態(tài)顯示、關(guān)鍵點尋找、數(shù)據(jù)處理并計算得到食品物性。最后通過實驗驗證，與現(xiàn)有設(shè)備測得的數(shù)據(jù)相接近，可實際應(yīng)用于食品的物性檢測，運行情況穩(wěn)定。

與傳統(tǒng)測試所采用的質(zhì)構(gòu)儀相比，通過運動控制程序的編制，仿生咀嚼平臺的運動方式貼近于人的實際咀嚼運動軌跡，測得的數(shù)據(jù)能夠更貼近于人的真實感受。系統(tǒng)以Labview圖形化編程語言為核心，有效縮短了開發(fā)周期，操作簡單，使用方便，為食品質(zhì)地檢測分析提供了一種良好的研究手段。由于不同的探頭硬度不一樣，后續(xù)將探究食品與探頭的作用原理以及仿生咀嚼平臺運動方式與食品質(zhì)構(gòu)之間的關(guān)系。