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食品咀嚼模拟机系统的开发与研究

谢高鹏  
【摘要】:咀嚼模拟机是依据仿生机械的原理模拟人类咀嚼活动的机器装置,它能够再现人类的咀嚼运动和咀嚼效果,安装特定的传感器以后,可以用其进行不宜或无法在人类生理口腔中进行的科学实验,因而咀嚼模拟机的研究在机器人设计及口腔医学研究领域得到广泛的关注。在食品科学领域,咀嚼模拟机同样具有重要的价值,由于咀嚼模拟机能够达到与人类相似的咀嚼效果,可以使用食品咀嚼模拟机开发针对老人、婴幼儿等咀嚼能力较弱人群的专用食品,也可以通过咀嚼模拟机测量食品在咀嚼过程中的应力变化规律,为食品的质构评价提供一种更加客观的方法。然而,目前国内关于食品咀嚼模拟机的研究却鲜有报道,由鉴于此,本文依据人类口腔系统的生理特征和生物力学规律,研制了一种能够模拟人类咀嚼运动和口腔环境的食品咀嚼模拟机,并利用现代传感技术,为该模拟机设计了力学和声学测量系统。 (1)利用逆向工程手段获取了包括牙齿、下颌骨、上颌骨、颞下颌关节等在内的人类口腔系统结构模型,在对口颔生物力学分析的基础之上研制了仿真义齿、仿生上颌、仿生下颌、颞下颌关节、牙床等仿生部件;以现代口腔医学研究成果为基础,从机械仿生角度出发,建立了咀嚼运动的机械简化模型,针对下颌运动的特点将下颌运动分为切咬、杵压、研磨三种模式,设计了下颌运动模拟机构,使用simulink仿真分析了仿生下颌在杵压和右侧咀嚼时的动力学状况;将舌头运动简化为相对于下颌的升降运动,设计了升降杆机构模型,并对舌头运动进行仿真分析;设计了铰链连杆传动机构及步进电机动力系统,为下颌及舌头运动提供动力;在catiaV5R19中建立了咀嚼模拟机的电子样机模型,进行装配和干涉检验,研制了一台可以进行自动化调节和人机交互控制的食品咀嚼模拟机。 (2)以食品咀嚼模拟机为基础平台,依据人类唾液的化学构成,配制了人造唾液,依据腺体分泌唾液的生理规律,利用蠕动泵模拟了唾液的分泌、开发了蠕动泵的控制程序,实现对人工唾液分泌的精确控制,建立了人工唾液模拟系统;根据口腔的温度环境状况,使用加热器、温度传感器、电风扇、温度控制器等设计了温湿度监控系统,进行口腔环境的温湿模拟,建立了一个较为完整的半封闭式人工口腔系统。 (3)设计了对食品咀嚼模拟机工作过程中力学和声学信息进行测量的数据采集系统。使用压电力传感器、压电加速度传感器、静态电荷放大器、高速数据采集卡建立了能够进行下颌振动和咀嚼力测量的压电测量系统;采用传声器,声音采集卡设计了能够进行咀嚼过程中声波振动采集的声音测量系统。 (4)在windowsXP系统上,使用VC++开发了食品咀嚼模拟机控制测量软件。该软件包括咀嚼运动控制、唾液流量控制、口腔温湿度监控、力学信息采集、声音信息采集五个模块,能够实现对咀嚼模拟、口腔环境和数据采集的人机交互控制。


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