食品咀嚼机械的运行机理设计与运动控制研究

PAGEPAGE13食品咀嚼机械的运行机理，设计与运动控制研究摘要：本文主要基于联动咀嚼的移动设备来执行标准化咀嚼对食品进行评价。根据在体内测量的人的咀嚼从横向咀嚼到垂直咀嚼，联动咀嚼首先测量指定第一磨牙和咀嚼力的轨迹。用四连杆机构的合成来实现的横向的咀嚼轨迹，并且通过调节轴线长度来实现任何轨迹之间的横向和纵向的咀嚼。然后设计甲六连杆曲柄滑块联动移动的一组方向，同时仍然按照所产生的四连杆机构的咀嚼轨迹引导臼齿。咀嚼的移动设备包含了一套六连杆机构，其具有降低食品的颗粒大小，同时又能用于收集被咀嚼的食物颗粒的作用，以及一套减震器，以防止过度咀嚼力使牙齿破裂。联动咀嚼装置的运动学和动力学仿真与实际测量的轨迹和咀嚼力相一致。装置的运动控制以及沿轨迹的咀嚼速度与咬合开关相一致，同时咀嚼过程以及不同的食物的变化被设置在一个在Labview的GUI（图形用户界面）。最后，该设备是可以将咀嚼过的谷物棒和丸剂与人类受试者咀嚼过的进行比较，比较两者所得到的粒径大小。关键词：食品咀嚼装置，可调联动运动控制1.前言人类的咀嚼系统是一个复杂的系统，其包括位于有牙齿的上颌和下颌，它还包括一个舌，颊和唾液分泌能力。当执行咀嚼功能时，咀嚼下颌（下颌骨）移动由肌肉和上颚[1]带动。伴随着颅骨和下颌骨之间的空间打开后，咀嚼过程就会开始。舌然将需要咀嚼的食物颗粒放置在口腔一侧的磨牙上。口腔关闭，磨碎这些食物颗粒，然后颗粒脱落，舌头重新搅拌定位在下一周期[2]。牙齿咀嚼周期与口腔张开与闭合的周期是相同的。随着口腔打开，下颌骨的最初运动缓慢，之后逐渐加快。当口腔逐渐关闭时，下颌骨横向移动，之后迅速向牙齿一侧靠拢，最后与上颌咬合。咀嚼时不同的齿的运动轨迹基本上不同的食物中的冠状面，但是，它们都非常接近直线。从一条倾角为0°的垂直线，与一个30°的角度线可能会有所不同。用于咀嚼过程的不同的食物颗粒的轨迹不同，而不同的形状和质地的食物颗粒，从而产生不同的咀嚼动作。如果产生一个垂直的咀嚼运动，牙齿会使用它们的尖点断裂的食物颗粒。而用于更外侧的咀嚼运动，齿则使用其锋利的边缘和切割食物颗粒[3]。

食品属性会影响咀嚼运动轨迹，目前已经做了相当多的研究工作，以确定食品科学咀嚼运动[4]。在咀嚼过程中不断进行了测量，其中包括以下一些：频率，长度咀嚼，下颌运动的轨迹，受力分布，应用压缩和剪切力对食品和颗粒大小和结构进行研究。这些数据不同主要在于主体之间（例如，由于颚形状的差异，牙齿的形状，对疼痛的敏感性）和食品的质地（如弹性，硬度，附着力，特别是假牙等）的不同而不同。尽管有各种各样的仪器或设备可用于评价食物的属性。然而，这些装置通常使用一个简单的直线运动（主要是食品压缩），是不能够模拟整个一套复杂的功能和运动咀嚼[5]。20世纪90年代初以来，曾尝试咀嚼机器人的食品的质地评估。虽然拥有多个自由度（DOF）的运动的机器人的咀嚼设备，能够重现在三维空间的咀嚼行为，但是在本研究中主要呈现一个单一的自由度联动咀嚼装置。一个联动装置的结构和运动控制是非常简单和更可靠的操作。在使用一个简单的联动重现该咀嚼运动在2D中的具体运动过程。

在本文中，咀嚼于东被指定为满足人类基本的咀嚼运动的要求和力量的行为。机制设计使用Atlas生成的轨迹，在设计上也考虑到牙着力方向。为了要生产出一系列的咀嚼运动轨迹，连杆是带有一个可调节的轴线连接的装置。根据咬合相位不同的速度要求，和打开/关闭阶段咀嚼装置的启动器的运动要求，以及在Labview中的GUI界面（图形用户界面）便于各种口香糖的移动设备的操作，设计此装置。2设计的联动咀嚼设备的规格每个下颌齿具有其自己的轨迹，在咀嚼时，一个典型的轨迹可以由纵向和横向位移和开口角和闭合角定义（如图所示），以及完成一次咀嚼时间来定义。第一磨牙的轨迹是一个简单的垂直压缩版本的门牙轨迹，而的入口和出口的角度大大不同[1]。切牙轨迹可以被测量，但横向咀嚼和垂直的咀嚼，取决于各种类型的食物被咀嚼前后的变化。仿真咀嚼装置的移动设备，由于咀嚼过程主要是由磨齿完成，所以必须遵循的磨齿的运动轨迹。由于没有实际的数据是可用的，所以咀嚼的磨齿的轨迹可以通过仿真轨迹进行估计[12]和[13]，如表1中给出图2-1表2-1咀嚼过程中的水平位移和垂直位移水平移动距离垂直移动距离闭合角(°)46.672.5开角(°)113.178总角度(°)66.55.5垂直距离(mm)14.615.1张开时水平偏移角度(mm)1.10.4闭合时水平偏移角度(mm)4.03.1周期(s)0.7咬合时间(s)0.16为了评估不同的食物咀嚼过程以开发能够实现横向和垂直轨迹之间的任何轨迹的移动设备，必须应该满足的一定的周期时间和咬合时间。因此，可以按照指定在表1中的参数组合联动装置进行咀嚼。此外，在牙齿上施加的力，与被咀嚼食物的类型而异。力施加到单一的牙齿上的力是不同咀嚼过程中与所有的接触齿之间的总力之和。不同的食物，如饼干，胡萝卜和煮熟的切断力介于70和150N之间。因此，联动装置的咀嚼应力可以适用于最大切断应力为150N的食物样本。3基本的咀嚼设备以及联动机制一个四连杆机构（图2）是一个相对简单的机械机制以及耦合器上可以追踪二维轨迹的点P构成。联动的运动参数包括曲柄连杆一个，耦合器链接B，伴随链接C和地面铰链D，以及与耦合点P的相差γ角的BP长度。由于四连杆机构，在其标准形式只能执行一组轨迹，如果需要多次测量，地面铰链可以由手动进行调节。..图3-1在锡达维尔工程图集[1]找到一些合适的轨迹，并且与在上一节中提到的指定的入口和出口的角度的装置相一致。当一个轨迹，发现与横向咀嚼运动相匹配的咬合角时，它会记录下来作为一种可能的解决方案。由于垂直咀嚼运动也是必需的，为了可以做到这一点，通过进一步改变基本的链路长度。图3显示了连接参数的不同，“BP”为基线长度。图3-2通过对咬合的角度进行了检查，最后的选择是设计曲柄（链接'A'）=1，伴随（链接'C'）=3，接地（链接'D'）=3.8-5来实现水平和垂直咀嚼运动，耦合器（连接'B'）=3.5，耦合器（距离“BP”）=3，耦合器（角'γ'）=60°。这些值并不是唯一的链路长度，实际的链接可以是任何长度，相对的曲柄（一）的比率只要比率服从即可。为了使实际联动咀嚼装置尽可能紧凑，其枢转和关节轴承都考虑在内，可行的最小物理曲柄选择是10毫米。

由联动咀嚼轨迹与来自人类咀嚼于表2中的实际测量进行比较，可以发现联动装置，就咬合的角度而言，可以实现横向咀嚼轨迹接近实际，同时仍然具有合理的垂直轨迹的，然而，联动咀嚼装置具有较大的垂直位移和横向位移。这应该是可接受的，因为这些方面不影响食品击穿过程，并且它们是足以清除咀嚼周期之间的食物堆积，而且电机可以加快这部分的周期的过程中，以确保咀嚼行为是模拟.真实的人齿咀嚼过程。·表3-2人齿咀嚼过程以及机械咀嚼过程的轨迹比较水平咀嚼垂直咀嚼闭合角(°)人类装置人类装置46.64572.599张角(°)113.111278105总偏角(°)66.5675.56垂直距离(mm)14.62315.134张开过程水平偏移位移(mm)1.130.43闭合过程水平偏移位移(mm)4.093.10由连接基线长度分别为38毫米，44毫米和50毫米，分别描述了三个轨迹。随着作为地面链路的长度变小，咬合距离的横向距离逐渐变小，而纵向距离逐渐变大。这证实了联动能够重现各种咀嚼运动轨迹。联动咀嚼装置以可以通过改变上下齿之间的距离调整咬合的牙齿的位置。图3-3一旦链路的四连杆机构的长度被确定，则机械装置可以开始设计。基本设计是由曲柄，耦合器和简单的伴随装置，以及与接合点链接相匹配的长度决定的。地面链路需要有一个12毫米的调整有效地改变了38毫米和50毫米之间的连杆长度。图5显示出当杆被接通时，构成最终的四连杆机构的可调接地链接实现使用一个带螺纹的杆移动一个块的运动。4六连杆机构的咀嚼设备4.1六连杆正如前面所讨论的，可调的四连杆机构，可以产生所需的轨迹。然而，它不能保持下颌骨或牙齿在相同的适当的方向上的整个轨迹。一个简单的方法来解决，这是添加另外两个链接（链接5和图6），四连杆机构，从而形成一个六连杆机构。它们之间的滑动关节相连接的两个链接，和链路5连接到耦合器由一个转动关节和连杆6由另一个滑动关节连接到地面。被安装的该组齿顶上连杆5，这是强制移动在一个平面上由两个滑动关节的制约。要产生的在矢状面中的0°和30°之间的范围内的角度，对于水平面轨迹，六连杆的基础上，可以手动倾斜。图4-1为了具有平衡的动态，以减少的力和冲击，通过在咀嚼设备两端放置两个相同的四连杆的形成对称结构。两个联接的曲柄安装在一根轴上，通过直齿圆柱齿轮列车由单个电机驱动[8]。

在正在建设中，六连杆扩展到包括解剖的牙齿，快速连接机制，磨牙重新定位，以防止过度的冲击力的减震器，和收集咀嚼食物颗粒简单的食物潴留机制。操作员可以通过重新定位的食物之间的咀嚼周期。图7显示出的内置的的移动设备与下颌牙和上颌骨齿反转联动，以便于收集咀嚼食物颗粒的照片[9]。图4-24.2运动规划虽然联动装置可以跟踪一个所需的咀嚼轨迹，为了测量沿轨迹的速度仍然需要数学分析。相对于联动装置的运行轨迹（图8），磨牙在闭塞阶段以恒定的速度移动，然后加快移动，达到了超过咬合速度的最大速度，并且最终在一个指定的时间退缩回咬合速度。图4-3整个装置从水平位置开始，直到到达与水平位置相距最大距离为0.5mm终止。我们所构造的联动装置，可以模拟SolidWorks中的横向咀嚼轨迹（图8）。轨迹上的每个点对应于曲柄轴转动4.5°，转向咬合阶段曲柄轴36°相一致。由于被指定为0.12秒（表1）的时间来完成这个阶段，因此曲柄咬合速度是300°/s，

曲柄的起始角度和最终角度分别为18°和342°（图8a）。考虑到电机和曲柄齿轮减速1:42，因此咬合的速度，马达轴的角度和最终角度分别为12,600°/秒，756°和14364°。所花费的时间可以通过打开和关闭，被指定为0.65秒（表1）。基于这些值，立方晶的马达轴的轨迹为上面的计划轨迹的横向咀嚼轨迹。由于咀嚼的移动设备用于执行各种的轨迹之间的横向和纵向的咀嚼，轨迹以外的横向咀嚼将是不同的。一个实际的计划轨迹角度咬合以及咬合时，打开以及关闭时间（图8b），它可以在GUI进行控制[10]。4.3电机选择材料的部件被指定为连杆和一个恒定的力150N垂直施加在耦合器点“P”，联动可以在SolidWorks找到需要的驱动转矩在曲柄轴。图9显示出的当曲柄运行在300℃/s曲轴的转矩随时间变化的曲线，为测定曲柄咬合速。曲柄运行所需的咀嚼设备的最大扭矩为2.6N米。因此，齿轮传动马达的输出必须是能够产生一个最小扭矩为2.6Nm的马力[11]。在300°/s（或每分钟78转），以达到所需的咀嚼力为150N此外，所需的加速度估计在190°/min.[12]。图4-4最终选择了无刷直流电动机可以提供6.0Nm，最大扭矩7.5Nm,扭矩在短时间内连续。齿轮比为1.57，在曲柄的转矩，转速和加速度可以是3.82N米，190rpm和414°/秒，分别满足曲柄所要求的性能[12]。5分析联动咀嚼设备5.1轨迹和力评价通过比较，该设备可以产生所需的咀嚼运动轨迹的一个简单的方法是使用钢笔取得的轨迹跟踪，并叠加，并且对笔跟踪轨迹进行了修改，使弹簧被用来推动笔头，而不是收回它。笔牢固地连接到的六连杆滑块和在一个垂直的笔尖接触卡之间，以便设置。有人发现咀嚼的移动设备产生的轨迹接近闭塞所需的期间，只是在开/闭阶段略有不同，如图所示是多次的测量结果。图5-1力进行测试是通过使用一个负载电池，这个想法源于牙齿的连接点（链接）按下称重传感器测量施加的压力。咀嚼设备设置为连续运行的联动装置。结果表明[13]，咀嚼的移动设备可以舒适地施加所需的150N咀嚼力，并且最终将停滞在大约260N。5.2应力与变形分析六连杆可以在COSMOS/Works的模拟测试设备中测量是否能承受150的力量。当一个力施加150N在所附的齿点时，分析在咬合位置的应力。结果表明，有最大应力集中其中的四连杆机构的连杆5是线性衬套（图11）的移动设备上的，没有过大的应力。这是由于这样的事实，线性衬套使结构中的一个相对锋利的边缘。预计这种应力集中的结构被设计时，因此需要不被避免，因为连杆强大到足以承受的应力这一水平[14]。图5-2通过对变形的装置的分析，以检查弯曲时所发生的安装点的齿150N负荷施加。结果表明，线性衬套上滑动（图12），它满足轴的地方变形为0.004毫米。这可以被认为是可以忽略不计，因为这在轴的弯曲量，不会造成线性堵塞[16]。图5-36咀嚼实验设计的咀嚼的移动设备是在人类的咀嚼周期重现磨牙的运行轨迹。它采用解剖矫正牙齿的几何形状，并且夹爪的轨迹可以调整，以便于垂直和横向运动的范围内可以适当的处理。夹爪的速度也可以被调整，以模拟人类咀嚼期间观察到的运动。设备进行咀嚼所得到的颗粒大小由人类主体产生的大丸剂，颗粒尺寸来决定的。采取1克片谷物帮放在牙齿上，并把他们放在设备上进行测试。这台机器是经过两个周期的调试之后，添加了人工唾液中所有的成分，进行测量操作。在牙齿上的食物颗粒被重新定位。通过1.4毫米筛的馏分中的固体颗粒，然后从人类受试者收集的结果相比，作为该装置的局部的验证。结果见于图15，那些在阴影中的颗粒，是设备咀嚼的结果，其余的是2克和4克食物样本是人的咀嚼的结果。7结论本文主要介绍联动咀嚼设备在食品评价过程的运行机理，运动控制和仿真实验进行验证。这种咀嚼装置的思想体现了体内测量人的咀嚼设计规范。四连杆机构能够测量咀嚼的轨迹，六连杆保持磨牙在一组设定的方向进行移动，通过改变基线的长短，实现了多组数据的测量。运动装置可以随时改变，以实现各种不同的食物需要咀嚼运动。通过在LabVIEW图形用户界面编程，可以实现易于操作的设备。虽然最初的实验表明，这种设备产生的预测结果非常理想，但是若成为食品上市前检测设备，还需要更多的试验进行验证。参考文献[1]P.W.卢卡斯哺乳动物口的结构的牙科形态功能：如何齿工作，剑桥大学出版社，英国（2004年）：13-54[2]P.W.卢卡斯口牙科形态功能：如何齿工作，剑桥大学出版社，英国（2004年）：55-86[3]F.Mongini，G.Tempia瓦伦蒂，G.Benvegnu基于计算机的习惯性咀嚼评估

口腔修复学，55（1986）：638-649[4]K.安德森，G.S.的Throckmorton，P.H.Buschang，H.早崎咀嚼运动学丸剂硬度的影响口腔医学，29（2002）：689-696[5]P.W.卢卡斯齿形牙科形态功能：如何齿工作，剑桥大学出版社，英国2004：87-132[6]文学硕士PeyronLass