基于仿生咀嚼平臺(tái)的黏彈性食品質(zhì)地檢測(cè)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(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

食品質(zhì)地是評(píng)價(jià)食品品質(zhì)的重要指標(biāo)，質(zhì)構(gòu)檢測(cè)工作對(duì)于整個(gè)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(cè)定米粉條表面黏性；符秀敏[6]用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)明膠軟糖進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)進(jìn)行了感官評(píng)價(jià)以找出一種能與感官評(píng)價(jià)完全匹配的質(zhì)構(gòu)儀測(cè)試方法；Behic等[7]研制了質(zhì)地測(cè)試儀，并用此裝置測(cè)試了玉米粉的黏彈性；孫鐘雷等[8]利用仿生技術(shù)設(shè)計(jì)了仿生咀嚼裝置并對(duì)蘋果、胡蘿卜進(jìn)行了測(cè)試，但是其咀嚼動(dòng)作只是簡(jiǎn)單的上下咬合。食品質(zhì)地檢測(cè)應(yīng)遵從一個(gè)原則：以人的實(shí)際感官評(píng)價(jià)為標(biāo)準(zhǔn)，越好的食品質(zhì)地檢測(cè)裝置，越是接近人的實(shí)際感官[9]。試驗(yàn)針對(duì)現(xiàn)有質(zhì)構(gòu)儀食品質(zhì)地的檢測(cè)只是近似模仿牙齒咀嚼運(yùn)動(dòng)，且測(cè)試端探頭與人的牙齒構(gòu)造不符；而現(xiàn)有仿生咀嚼平臺(tái)只考慮了結(jié)構(gòu)的仿生性，雖然能實(shí)現(xiàn)咬合動(dòng)作，但存在未考慮人真實(shí)咀嚼硬物時(shí)的左右橫向剪切、磨碎等動(dòng)作的問題，試驗(yàn)擬設(shè)計(jì)出一款能夠模仿人類口腔咬合、剪切、磨碎等咀嚼運(yùn)動(dòng)的仿生咀嚼平臺(tái)，并且實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)硬件的仿生咀嚼運(yùn)動(dòng)控制和測(cè)試數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，以期用于客觀、準(zhǔn)確、快速評(píng)價(jià)食品質(zhì)地。

1 仿生咀嚼平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

1.1 仿生咀嚼平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

UG軟件設(shè)計(jì)的六自由度仿生咀嚼平臺(tái)三維模型及機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

該六自由度的并聯(lián)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)靜平臺(tái)是固定的，動(dòng)平臺(tái)通過連桿和兩組球副機(jī)構(gòu)與滑塊相連，動(dòng)平臺(tái)模擬下頜骨、動(dòng)支鏈模擬咀嚼肌肉，當(dāng)咀嚼平臺(tái)工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)在程序的控制下驅(qū)動(dòng)絲杠，絲杠螺母副將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，使得6根連桿上下運(yùn)動(dòng)，在連桿驅(qū)動(dòng)下動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)三維空間的各種咀嚼運(yùn)動(dòng)，若各步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)過的角位移不同，那么最終動(dòng)平臺(tái)的位置和姿態(tài)也會(huì)不同。

1.2 仿生咀嚼平臺(tái)運(yùn)動(dòng)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(shí)包含了一般變換的旋轉(zhuǎn)和位移。當(dāng)坐標(biāo)系{B}相對(duì)于坐標(biāo)系{A}的描述為X-Y-Z固定坐標(biāo)系描述時(shí)，有：

(2)

1. 移動(dòng)副 2. 絲杠 3. 滑塊 4. 連桿(Li) 5. 動(dòng)平臺(tái) 6. 球副(S) 7. 導(dǎo)軌

圖1 仿生咀嚼平臺(tái)三維模型及機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

位置逆解是在動(dòng)平臺(tái)的最終位姿為已知情況下求解各運(yùn)動(dòng)支鏈的運(yùn)動(dòng)量[11]。單支鏈簡(jiǎn)圖如圖2所示，試驗(yàn)研究的PSS仿生平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解即求得|AA0|的長(zhǎng)度。

(3)

(4)

圖2 仿生咀嚼平臺(tái)單支鏈簡(jiǎn)圖

圖2中，選擇A0作為截?cái)帱c(diǎn)，A0位于以Mi為球心，半徑為l的球面上，并且A0在方向?yàn)閡且通過A的直線上[12]。球面方程在基坐標(biāo)系的表達(dá)為：

l2=(x-BMix)2+(y-BMiy)2+(z-BMiz)2。

(5)

由機(jī)構(gòu)特性知：滑動(dòng)副始終處于動(dòng)平臺(tái)的下方，將式(3) 代入式(5)并舍去負(fù)解，可得：

(6)

1.3 基于ADAMS虛擬樣機(jī)的動(dòng)平臺(tái)仿真分析

為了驗(yàn)證位置逆解的可靠性和動(dòng)平臺(tái)的仿生性，采用ADAMS虛擬樣機(jī)對(duì)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行仿真分析。在咀嚼黏彈性食品時(shí)多用磨牙進(jìn)行咀嚼，磨牙的運(yùn)動(dòng)軌跡近似為空間的橢圓，且呈明顯的單側(cè)咀嚼特征，在動(dòng)平臺(tái)質(zhì)心位置添加六自由度的一般點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)咀嚼運(yùn)動(dòng)軌跡方程，輸入的驅(qū)動(dòng)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(dòng)下，動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈淚滴形，且動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過程中Y坐標(biāo)均為負(fù)值，說明磨細(xì)運(yùn)動(dòng)呈明顯的單側(cè)咀嚼的特征，而這與試驗(yàn)人員測(cè)量的人類咀嚼軌跡一致。在咀嚼運(yùn)動(dòng)下，下頜先進(jìn)行側(cè)向運(yùn)動(dòng)，y方向的位移先達(dá)到最大值，然后進(jìn)入開口階段，z方向和x方向的位移量也達(dá)到最大值，最后進(jìn)入閉口階段，牙齒回到咬合位置。

圖3為6個(gè)移動(dòng)副的位置變化，可以看出由于機(jī)構(gòu)支鏈的對(duì)稱設(shè)計(jì)，支鏈1/2、3/4、5/6的位置變化趨勢(shì)也是兩兩接近。在單側(cè)磨細(xì)運(yùn)動(dòng)中，支鏈1/2先達(dá)到極限位置，然后是支鏈3/4，此時(shí)下頜已經(jīng)完成開口動(dòng)作，接著在下頜的閉口和咀嚼運(yùn)動(dòng)中，支鏈5/6達(dá)到其最大位置，過程中6個(gè)支鏈曲線變化平順，無明顯的階躍點(diǎn)，證明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)6個(gè)支鏈的位姿變化曲線也能夠?yàn)榭刂瞥绦蛱峁﹨⒖肌?/p>

2 食品質(zhì)地品質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)程序開發(fā)

2.1 仿生咀嚼平臺(tái)控制

搭建的試驗(yàn)平臺(tái)如圖4(a)所示，仿生咀嚼平臺(tái)的控制硬件主要由控制計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)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(jìn)電機(jī)、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(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)從而控制動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)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(hào)為4～20 mA，精度為0.15 N。

圖3 6個(gè)移動(dòng)副的位置變化

1. 力傳感器 2. 靜平臺(tái) 3. 動(dòng)平臺(tái) 4. 機(jī)架 5. 步進(jìn)電機(jī)

圖4 平臺(tái)控制原理

其工作原理是物性測(cè)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€(gè)步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)。食品物性檢測(cè)系統(tǒng)通過控制計(jì)算機(jī)將脈沖數(shù)傳送給運(yùn)動(dòng)控制卡。運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù)接收到的脈沖數(shù)來控制每個(gè)步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)。編碼器獲取步進(jìn)電機(jī)的角位移，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給運(yùn)動(dòng)控制卡，運(yùn)動(dòng)控制卡還依照編碼器采集的位移信號(hào)和理想值之間的偏差，對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)行反饋控制。這樣對(duì)不同的步進(jìn)電機(jī)給定不同的脈沖量，最終動(dòng)平臺(tái)會(huì)有不同的位姿。最后物性測(cè)試系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)

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

由于試驗(yàn)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(dòng)，這會(huì)影響到關(guān)鍵點(diǎn)的尋找，甚至?xí)绊懺囼?yàn)結(jié)果，因此在進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)的尋找前需將這段波動(dòng)過濾并轉(zhuǎn)換成數(shù)組，以便后續(xù)計(jì)算，圖6(a)為濾波及數(shù)組轉(zhuǎn)換圖；由圖5可知，物性計(jì)算重要的點(diǎn)都是極值點(diǎn)和零點(diǎn)，各關(guān)鍵點(diǎn)的尋找可轉(zhuǎn)化為尋找合適位置的極大值點(diǎn)和零點(diǎn)，尋找各關(guān)鍵點(diǎn)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(diǎn)，第一個(gè)即為x脆；② 從x脆往左搜索零點(diǎn)，第一個(gè)零點(diǎn)即為咀嚼開始點(diǎn)x0；③ 從x脆往右搜索零點(diǎn)，第一個(gè)零點(diǎn)即為x1；④ 在(x0，x1)區(qū)間尋找最大值點(diǎn)，該點(diǎn)即為x硬1；⑤ 從x1往右搜索小于-0.5的極小值點(diǎn)，該點(diǎn)即為xmin；⑥ 從xmin往右搜索零點(diǎn)，第一個(gè)即為x2；⑦ 從x2往右搜索大于0.5的極大值點(diǎn)，第一個(gè)即為x硬2；⑧ 從x硬2往左搜索零點(diǎn)，第一個(gè)即為x3；往右搜索零點(diǎn)，第一個(gè)即為tmax。

圖5 典型的TPA質(zhì)地譜圖

圖6 物性計(jì)算程序框圖

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

2.3 物性檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

上位機(jī)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(gè)部分：平臺(tái)咀嚼控制模塊、實(shí)時(shí)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(duì)列進(jìn)行通信。咀嚼過程中，工作線程完成咀嚼運(yùn)動(dòng)，監(jiān)控線程完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，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(duì)上下牙頜位置進(jìn)行嚙合校正，單擊程序右側(cè)牙齒嚙合校正，下頜動(dòng)平臺(tái)會(huì)以一定速度向上移動(dòng)，當(dāng)上下頜剛好嚙合，無側(cè)方偏移時(shí)，系統(tǒng)記錄此時(shí)動(dòng)平臺(tái)位置為零點(diǎn)，6個(gè)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(jìn)電機(jī)自帶的編碼器會(huì)將角位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，檢測(cè)系統(tǒng)采集電信號(hào)并換算成位移來實(shí)時(shí)記錄各個(gè)支鏈的位置。此外在主界面還可以手動(dòng)選擇咀嚼運(yùn)動(dòng)方式，如圖7(b)所示，可根據(jù)測(cè)試物品的不同手動(dòng)選擇壓縮模式或者剪切運(yùn)動(dòng)模式。除TPA試驗(yàn)外還可進(jìn)行應(yīng)力松弛與應(yīng)變松弛試驗(yàn)。

圖7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與界面

3 食品質(zhì)地檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

為了驗(yàn)證該檢測(cè)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(yàn)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(guó)FTC公司)開展檢測(cè)試驗(yàn)并比較結(jié)果。試驗(yàn)中，仿生咀嚼平臺(tái)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(cè)精度0.015%，數(shù)據(jù)采集率大于2 000組/s，精度2.5 μm，試驗(yàn)分別重復(fù)進(jìn)行3次，依據(jù)TPA試驗(yàn)的物性計(jì)算方法，將得到的物性取平均值。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 仿生咀嚼平臺(tái)和TMS-PRO型質(zhì)構(gòu)儀的對(duì)比?

由表1可知，仿生咀嚼平臺(tái)和TMS-PRO型質(zhì)構(gòu)儀用牙齒探頭測(cè)試的物性都比較接近，而對(duì)于黏附性和內(nèi)聚性來說，TMS-PRO型質(zhì)構(gòu)儀測(cè)試的數(shù)值明顯小于仿生咀嚼平臺(tái)，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(duì)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?yàn)閳A柱探頭相較于牙齒探頭，接觸面積更大，樣品受力更大，對(duì)樣品的破壞更完全。多次試驗(yàn)表明，在相同條件下，仿生咀嚼平臺(tái)與TMS-PRO型質(zhì)構(gòu)儀測(cè)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(cè)中。

4 結(jié)論

基于仿生咀嚼平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了六自由度的仿生咀嚼運(yùn)動(dòng)；利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了食品物性檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示、關(guān)鍵點(diǎn)尋找、數(shù)據(jù)處理并計(jì)算得到食品物性。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，與現(xiàn)有設(shè)備測(cè)得的數(shù)據(jù)相接近，可實(shí)際應(yīng)用于食品的物性檢測(cè)，運(yùn)行情況穩(wěn)定。

與傳統(tǒng)測(cè)試所采用的質(zhì)構(gòu)儀相比，通過運(yùn)動(dòng)控制程序的編制，仿生咀嚼平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式貼近于人的實(shí)際咀嚼運(yùn)動(dòng)軌跡，測(cè)得的數(shù)據(jù)能夠更貼近于人的真實(shí)感受。系統(tǒng)以Labview圖形化編程語(yǔ)言為核心，有效縮短了開發(fā)周期，操作簡(jiǎn)單，使用方便，為食品質(zhì)地檢測(cè)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(tái)運(yùn)動(dòng)方式與食品質(zhì)構(gòu)之間的關(guān)系。