仿咀嚼機實驗平臺的研究設(shè)計及食品質(zhì)地分析.x課件

仿咀嚼機實驗平臺的研究設(shè)計及食品質(zhì)地分析本研究隸屬于國家自然科學(xué)基金面上項目-《仿生咀嚼過程中食品物料力聲行為及質(zhì)地感知評價機制》(項目編號:31271861)。仿咀嚼機實驗平臺是在人類口腔咀嚼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上,經(jīng)研究設(shè)計而得到的機器裝置,用于食品領(lǐng)域質(zhì)地特性的研究與評價。該咀嚼裝置可實現(xiàn)人類口腔切割、杵壓和研磨3種運動形式,可最大程度的再現(xiàn)口腔咀嚼運動過程。利用現(xiàn)代傳感技術(shù),經(jīng)由靜態(tài)電荷放大器和數(shù)據(jù)采集控制卡輸出咀嚼過程中牙齒的受力,建立咀嚼力與食品質(zhì)地參數(shù)的關(guān)系,實現(xiàn)食品機械特性的客觀描述,可廣泛應(yīng)用于食品組織結(jié)構(gòu)和咀嚼機理的深入研究,為口腔功能不全或口腔疾病患者食物的研究改進提供了極大的便利,但國內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究較少,為滿足食品品質(zhì)檢測和改良的需要,本文基于仿生逆向工程、動力學(xué)自動分析ADAMS和工程模擬ABAQUS等先進手段和理論,研究設(shè)計了可實現(xiàn)運動控制和力學(xué)信息采集的仿咀嚼機實驗平臺。(1)依據(jù)人類口腔系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)特點,采用逆向工程研究設(shè)計出了仿生頜骨、顳下頜關(guān)節(jié)、仿真義齒等部件,并依據(jù)人體咀嚼肌的功能和咀嚼力的大小,研究采用拉伸彈簧作為咀嚼運動的動力,根據(jù)食物質(zhì)地的不同屬性,選用的拉伸彈簧剛度系數(shù)范圍為5-70N/mm。研究設(shè)計了曲柄搖桿結(jié)構(gòu)作為傳動機構(gòu)實現(xiàn)仿咀嚼機的周期性咀嚼運動?；赪indows系統(tǒng)研究設(shè)計了仿咀嚼機的控制與測量系統(tǒng),其中包括運動控制模塊、力學(xué)信息采集模塊,以此可實現(xiàn)對食品機械特性的客觀評價。最后對仿咀嚼機的運動形式進行了分析,可實現(xiàn)三種運動形式,分別是開閉合運動、前后運動和偏側(cè)運動,可較好的再現(xiàn)人類口腔的功能運動,結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。(2)在動力學(xué)自動分析軟件ADAMS2015中,對傳動機構(gòu)中的曲柄搖桿機構(gòu)進行運動學(xué)仿真,仿真結(jié)束后在后處理模塊繪制出搖桿質(zhì)心的角位移、角速度、角加速度和連桿質(zhì)心的位移、速度、加速度等運動參數(shù)的曲線圖,驗證其平穩(wěn)性和動力性能。研究了不同驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速和不同下彈簧剛度系數(shù)對仿咀嚼機運動參數(shù)的影響。最后在ADAMS中對仿咀嚼機口腔杵壓和研磨運動進行了運動學(xué)模擬仿真,在后處理模塊中繪制出標(biāo)記點IP、RCP、RMP的運動參數(shù)曲線,與人類口腔咀嚼過程和運動參數(shù)進行了比較分析。(3)利用工程模擬軟件ABAQUS分別對旋轉(zhuǎn)軸、上頜、機架、整機進行了振動模態(tài)分析,并提取其固有頻率和振型圖。在ABAQUS中,對旋轉(zhuǎn)軸、彈簧拉輪進行強度校核,并對仿咀嚼機的咀嚼運動進行模擬,在切割、杵壓、研磨三種運動下對線彈性和超彈性物料進行靜力學(xué)分析,提取物料表面的應(yīng)力云圖和應(yīng)力結(jié)果,為食品質(zhì)地分析提供一定的理論支撐。(4)在TPA模式下,使用設(shè)計的仿咀嚼機實驗平臺對不同樣品的固有質(zhì)地特性進行分析研究,使用3個壓電傳感器測量切牙和左右側(cè)第一磨牙處信號,經(jīng)由靜態(tài)電荷放大器和數(shù)據(jù)采集卡輸出,完成咀嚼力與食品質(zhì)地特征值之間關(guān)系的建立。與此同時,對不同試驗樣品進行感官質(zhì)地剖面分析和CT3質(zhì)構(gòu)儀質(zhì)地測量,并分別對仿咀嚼機和CT3質(zhì)構(gòu)儀與感官質(zhì)地分析的測試結(jié)果進行了Pearson相關(guān)性比較分析。(5)以6試驗樣品的仿咀嚼機質(zhì)地參數(shù)為解釋變量對其感官質(zhì)地參數(shù)進行回歸預(yù)測,分別建立偏最小二乘回歸模型和支持向量機回歸模型,選取訓(xùn)練集決定系數(shù)R_c~2,預(yù)測集交叉驗證決定系數(shù)R_p~2,殘差預(yù)測偏差RPD,訓(xùn)練