仿生咀嚼物料破碎实验平台设计及研究开题报告

 2021-08-08 12:08

1. 研究目的与意义

在社会生产力和人民生活水平快速提升的大背景下,人们开始更注重于食品的品质要求,目前比较常用的食品质地的评估方法是利用人工对食品的质地进行评估,但是这样做有其自身的局限性。首先,即使是专业的人士也可能做出不够客观的判断,因为每个人对于口感的评判标准都不尽相同。其次,新产品的研发有时候会是批量生产的,其自身的规格很多,数量庞大,所以采取人工的检测作为依据往往是低效的。许多科研人员对此进行研究,希望能尽可能的模拟出口腔真实的咀嚼环境。

研究目的:本论文的研究目的是通过机械结构来模拟人的咀嚼运动过程,帮助进行物料破碎食品检测试验,从而可以代替人工来对食物的质地进行检测。另外,对于老人、儿童和一些患有口腔疾病的人而言,有很多食物是不适合食用的。该类人群的食品不适合以普通人的标准进行生产,所以就需要根据其自身的咀嚼力来开发相应的产品。本论文所搭建的试验平台可以帮助测试不同的食品所需的咀嚼力的大小。

研究意义:通过实验平台测定食品质地,相对而言更加客观,结果也更为可信。并且这样的检测方式可以量化,效率也就更高,对于商业开发等领域而言更为有利。另外,对于婴儿、老人等不易于测试其咀嚼力大小的食品受众,目前阶段尚缺少一个较好的评估方式,所以该机构所起到的替代作用更是显而易见的。

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2. 国内外研究现状分析

目前有许多的国内外学者对仿生咀嚼机械进行了研究,其中比较重要的环节有更为精确的模拟出口腔咀嚼运动的实际轨迹,以及设计出的装置能否很好地模拟出人体咀嚼食品实际的咀嚼力。针对这些环节,研究者不断对仿生咀嚼机械的结构进行改良和调试,以期最准确的模仿人体咀嚼运动。

国外研究概况:

世界上研究咀嚼装置的国家主要有日本、新西兰、英国等。在日本研究的wy系列咀嚼机器人是咀嚼机器人的代表。。新西兰研究了三种基于六自由度空间仿真的咀嚼机器人,六自由度咀嚼装置使用六个线性执行器来替代下颌骨附近的肌肉来模拟真实的人类口腔。日本早稻田大学研究的WY系列咀机器人可以用来模拟人体进行正常的张闭口运动。该机构能够实现下颌6自由度的三维运动,并能帮助确定咀嚼力的大小。WY-5系列咀嚼机器人能够实现对力的反馈,通过操控机器人实现被测对象的开口、闭口、向前、向后、左右咀嚼等过程。随着科技的不断发展,肌电反馈系统逐渐应用到咬合力的测量中,实验人员对于被实验者情况的掌握也更加及时。该机器人包括11块人工咀嚼肌,用来模拟收缩力,三个传感器用来测量不同位置的力,通过控制系统实现力的大小和位置的控制和反馈。WJ系列咀嚼机器人提高了控制力的精度,但仍未实现对咀嚼速度的控制。

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3. 研究的基本内容与计划

内容:

本课题在传统机械设计的方法基础上,根据人体咀嚼运动的运动轨迹,设计出可以模拟该运动轨迹的单自由度四杆机构。利用电脑建模来设计及改进该结构,并且在电脑软件中进行仿真运动。当模型设计成功后,利用该模型制造出实体实验平台,并且将所得数据与实际情况相对比,确认该平台的有效性。

(1)根据已有的咀嚼轨迹数据点逆向求解出单自由度四杆的杆长

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4. 研究创新点

特色:利用简单的单自由度运动机构实现复杂的咀嚼运动,并且咀嚼实验平台可以很好的同时满足咀嚼运动特性和咀嚼力学特性,加工和控制精度低,可以满足市场食品检测机械的需求。该实验平台在运动仿真软件中进行了运动特性的仿生精度判断,利用实验对咀嚼力进行了仿生精度判断,其总体的仿生精度特性定量的判断。

创新:可以达到目前市场上常见的六自由度机构无法达到的对于咀嚼力的大小要求。

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