仿咀嚼机实验平台的研究设计及食品质地分析pptx.pptx

仿咀嚼机实验平台的研究设计及食品质地分析本研究隶属于国家自然科学基金面上项目-《仿生咀嚼过程中食品物料力声行为及质地感知评价机制》(项目编号:31271861)。仿咀嚼机实验平台是在人类口腔咀嚼系统结构和功能的基础上,经研究设计而得到的机器装置,用于食品领域质地特性的研究与评价。
该咀嚼装置可实现人类口腔切割、杵压和研磨3种运动形式,可最大程度的再现口腔咀嚼运动过程。利用现代传感技术,经由静态电荷放大器和数据采集控制卡输出咀嚼过程中牙齿的受力,建立咀嚼力与食品质地参数的关系,实现食品机械特性的客观描述,可广泛应用于食品组织结构和咀嚼机理的深入研究,为口腔功能不全或口腔疾病患者食物的研究改进提供了极大的便利,但国内在这一领域的研究较少,为满足食品品质检测和改良的需要,本文基于仿生逆向工程、动力学自动分析ADAMS和工程模拟ABAQUS等先进手段和理论,研究设计了可实现运动控制和力学信息采集的仿咀嚼机实验平台。
(1)依据人类口腔系统的功能和结构特点,采用逆向工程研究设计出了仿生颌骨、颞下颌关节、仿真义齿等部件,并依据人体咀嚼肌的功能和咀嚼力的大小,研究采用拉伸弹簧作为咀嚼运动的动力,根据食物质地的不同属性,选用的拉伸弹簧刚度系数范围为5-70N/mm。研究设计了曲柄摇杆结构作为传动机构实现仿咀嚼机的周期性咀嚼运动。
基于Windows系统研究设计了仿咀嚼机的控制与测量系统,其中包括运动控制模块、力学信息采集模块,以此可实现对食品机械特性的客观评价。最后对仿咀嚼机的运动形式进行了分析,可实现三种运动形式,分别是开闭合运动、前后运动和偏侧运动,可较好的再现人类口腔的功能运动,结构满足设计要求。
(2)在动力学自动分析软件ADAMS2015中,对传动机构中的曲柄摇杆机构进行运动学仿真,仿真结束后在后处理模块绘制出摇杆质心的角位移、角速度、角加速度和连杆质心的位移、速度、加速度等运动参数的曲线图,验证其平稳性和动力性能。研究了不同驱动电机转速和不同下弹簧刚度系数对仿咀嚼机运动参数的影响。
最后在ADAMS中对仿咀嚼机口腔杵压和研磨运动进行了运动学模拟仿真,在后处理模块中绘制出标记点IP、RCP、RMP的运动参数曲线,与人类口腔咀嚼过程和运动参数进行了比较分析。(3)利用工程模拟软件ABAQUS分别对旋转轴、上颌、机架、整机进行了振动模态分析,并提取其固有频率和振型图。
在ABAQUS中,对旋转轴、弹簧拉轮进行强度校核,并对仿咀嚼机的咀嚼运动进行模拟,在切割、杵压、研磨三种运动下对线弹性和超弹性物料进行静力学分析,提取物料表面的应力云图和应力结果,为食品质地分析提供一定的理论支撑。(4)在TPA模式下,使用设计的仿咀嚼机实验平台对不同样品的固有质地特性进行分析研究,使用3个压电传感器测量切牙和左右侧第一磨牙处信号,经由静态电荷放大器和数据采集卡输出,完成咀嚼力与食品质地特征值之间关系的建立。
与此同时,对不同试验样品进行感官质地剖面分析和CT3质构仪质地测量,并分别对仿咀嚼机和CT3质构仪与感官质地分析的测试结果进行了Pearson相关性比较分析。(5)以6试验样品的仿咀嚼机质地参数为解释变量对其感官质地参数进行回归预测,分别建立偏最小二乘回归模型和支持向量机回归模型,选取训练集决定系数R_c~2,预测集交叉验证决定系数R_p~2,残差预测偏差RPD,训练集均方根误差RMSECV,预测集交叉验证均方根误差RMSEP来比较两种模型的预测效果,并绘制6样品感官硬度和感官咀嚼性的观察值和预测值的散点图。