PAGEPAGE13食品咀嚼機(jī)械的運(yùn)行機(jī)理，設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制研究摘要：本文主要基于聯(lián)動(dòng)咀嚼的移動(dòng)設(shè)備來執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化咀嚼對食品進(jìn)行評價(jià)。根據(jù)在體內(nèi)測量的人的咀嚼從橫向咀嚼到垂直咀嚼，聯(lián)動(dòng)咀嚼首先測量指定第一磨牙和咀嚼力的軌跡。用四連桿機(jī)構(gòu)的合成來實(shí)現(xiàn)的橫向的咀嚼軌跡，并且通過調(diào)節(jié)軸線長度來實(shí)現(xiàn)任何軌跡之間的橫向和縱向的咀嚼。然后設(shè)計(jì)甲六連桿曲柄滑塊聯(lián)動(dòng)移動(dòng)的一組方向，同時(shí)仍然按照所產(chǎn)生的四連桿機(jī)構(gòu)的咀嚼軌跡引導(dǎo)臼齒。咀嚼的移動(dòng)設(shè)備包含了一套六連桿機(jī)構(gòu)，其具有降低食品的顆粒大小，同時(shí)又能用于收集被咀嚼的食物顆粒的作用，以及一套減震器，以防止過度咀嚼力使牙齒破裂。聯(lián)動(dòng)咀嚼裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真與實(shí)際測量的軌跡和咀嚼力相一致。裝置的運(yùn)動(dòng)控制以及沿軌跡的咀嚼速度與咬合開關(guān)相一致，同時(shí)咀嚼過程以及不同的食物的變化被設(shè)置在一個(gè)在Labview的GUI（圖形用戶界面）。最后，該設(shè)備是可以將咀嚼過的谷物棒和丸劑與人類受試者咀嚼過的進(jìn)行比較，比較兩者所得到的粒徑大小。關(guān)鍵詞：食品咀嚼裝置，可調(diào)聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制1.前言人類的咀嚼系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其包括位于有牙齒的上頜和下頜，它還包括一個(gè)舌，頰和唾液分泌能力。當(dāng)執(zhí)行咀嚼功能時(shí)，咀嚼下頜（下頜骨）移動(dòng)由肌肉和上顎[1]帶動(dòng)。伴隨著顱骨和下頜骨之間的空間打開后，咀嚼過程就會(huì)開始。舌然將需要咀嚼的食物顆粒放置在口腔一側(cè)的磨牙上。口腔關(guān)閉，磨碎這些食物顆粒，然后顆粒脫落，舌頭重新攪拌定位在下一周期[2]。牙齒咀嚼周期與口腔張開與閉合的周期是相同的。隨著口腔打開，下頜骨的最初運(yùn)動(dòng)緩慢，之后逐漸加快。當(dāng)口腔逐漸關(guān)閉時(shí)，下頜骨橫向移動(dòng)，之后迅速向牙齒一側(cè)靠攏，最后與上頜咬合。咀嚼時(shí)不同的齒的運(yùn)動(dòng)軌跡基本上不同的食物中的冠狀面，但是，它們都非常接近直線。從一條傾角為0°的垂直線，與一個(gè)30°的角度線可能會(huì)有所不同。用于咀嚼過程的不同的食物顆粒的軌跡不同，而不同的形狀和質(zhì)地的食物顆粒，從而產(chǎn)生不同的咀嚼動(dòng)作。如果產(chǎn)生一個(gè)垂直的咀嚼運(yùn)動(dòng)，牙齒會(huì)使用它們的尖點(diǎn)斷裂的食物顆粒。而用于更外側(cè)的咀嚼運(yùn)動(dòng)，齒則使用其鋒利的邊緣和切割食物顆粒[3]。

食品屬性會(huì)影響咀嚼運(yùn)動(dòng)軌跡，目前已經(jīng)做了相當(dāng)多的研究工作，以確定食品科學(xué)咀嚼運(yùn)動(dòng)[4]。在咀嚼過程中不斷進(jìn)行了測量，其中包括以下一些：頻率，長度咀嚼，下頜運(yùn)動(dòng)的軌跡，受力分布，應(yīng)用壓縮和剪切力對食品和顆粒大小和結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。這些數(shù)據(jù)不同主要在于主體之間（例如，由于顎形狀的差異，牙齒的形狀，對疼痛的敏感性）和食品的質(zhì)地（如彈性，硬度，附著力，特別是假牙等）的不同而不同。盡管有各種各樣的儀器或設(shè)備可用于評價(jià)食物的屬性。然而，這些裝置通常使用一個(gè)簡單的直線運(yùn)動(dòng)（主要是食品壓縮），是不能夠模擬整個(gè)一套復(fù)雜的功能和運(yùn)動(dòng)咀嚼[5]。20世紀(jì)90年代初以來，曾嘗試咀嚼機(jī)器人的食品的質(zhì)地評估。雖然擁有多個(gè)自由度（DOF）的運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人的咀嚼設(shè)備，能夠重現(xiàn)在三維空間的咀嚼行為，但是在本研究中主要呈現(xiàn)一個(gè)單一的自由度聯(lián)動(dòng)咀嚼裝置。一個(gè)聯(lián)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制是非常簡單和更可靠的操作。在使用一個(gè)簡單的聯(lián)動(dòng)重現(xiàn)該咀嚼運(yùn)動(dòng)在2D中的具體運(yùn)動(dòng)過程。

在本文中，咀嚼于東被指定為滿足人類基本的咀嚼運(yùn)動(dòng)的要求和力量的行為。機(jī)制設(shè)計(jì)使用Atlas生成的軌跡，在設(shè)計(jì)上也考慮到牙著力方向。為了要生產(chǎn)出一系列的咀嚼運(yùn)動(dòng)軌跡，連桿是帶有一個(gè)可調(diào)節(jié)的軸線連接的裝置。根據(jù)咬合相位不同的速度要求，和打開/關(guān)閉階段咀嚼裝置的啟動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)要求，以及在Labview中的GUI界面（圖形用戶界面）便于各種口香糖的移動(dòng)設(shè)備的操作，設(shè)計(jì)此裝置。2設(shè)計(jì)的聯(lián)動(dòng)咀嚼設(shè)備的規(guī)格每個(gè)下頜齒具有其自己的軌跡，在咀嚼時(shí)，一個(gè)典型的軌跡可以由縱向和橫向位移和開口角和閉合角定義（如圖所示），以及完成一次咀嚼時(shí)間來定義。第一磨牙的軌跡是一個(gè)簡單的垂直壓縮版本的門牙軌跡，而的入口和出口的角度大大不同[1]。切牙軌跡可以被測量，但橫向咀嚼和垂直的咀嚼，取決于各種類型的食物被咀嚼前后的變化。仿真咀嚼裝置的移動(dòng)設(shè)備，由于咀嚼過程主要是由磨齒完成，所以必須遵循的磨齒的運(yùn)動(dòng)軌跡。由于沒有實(shí)際的數(shù)據(jù)是可用的，所以咀嚼的磨齒的軌跡可以通過仿真軌跡進(jìn)行估計(jì)[12]和[13]，如表1中給出圖2-1表2-1咀嚼過程中的水平位移和垂直位移水平移動(dòng)距離垂直移動(dòng)距離閉合角(°)46.672.5開角(°)113.178總角度(°)66.55.5垂直距離(mm)14.615.1張開時(shí)水平偏移角度(mm)1.10.4閉合時(shí)水平偏移角度(mm)4.03.1周期(s)0.7咬合時(shí)間(s)0.16為了評估不同的食物咀嚼過程以開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)橫向和垂直軌跡之間的任何軌跡的移動(dòng)設(shè)備，必須應(yīng)該滿足的一定的周期時(shí)間和咬合時(shí)間。因此，可以按照指定在表1中的參數(shù)組合聯(lián)動(dòng)裝置進(jìn)行咀嚼。此外，在牙齒上施加的力，與被咀嚼食物的類型而異。力施加到單一的牙齒上的力是不同咀嚼過程中與所有的接觸齒之間的總力之和。不同的食物，如餅干，胡蘿卜和煮熟的切斷力介于70和150N之間。因此，聯(lián)動(dòng)裝置的咀嚼應(yīng)力可以適用于最大切斷應(yīng)力為150N的食物樣本。3基本的咀嚼設(shè)備以及聯(lián)動(dòng)機(jī)制一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)（圖2）是一個(gè)相對簡單的機(jī)械機(jī)制以及耦合器上可以追蹤二維軌跡的點(diǎn)P構(gòu)成。聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括曲柄連桿一個(gè)，耦合器鏈接B，伴隨鏈接C和地面鉸鏈D，以及與耦合點(diǎn)P的相差γ角的BP長度。由于四連桿機(jī)構(gòu)，在其標(biāo)準(zhǔn)形式只能執(zhí)行一組軌跡，如果需要多次測量，地面鉸鏈可以由手動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。..圖3-1在錫達(dá)維爾工程圖集[1]找到一些合適的軌跡，并且與在上一節(jié)中提到的指定的入口和出口的角度的裝置相一致。當(dāng)一個(gè)軌跡，發(fā)現(xiàn)與橫向咀嚼運(yùn)動(dòng)相匹配的咬合角時(shí)，它會(huì)記錄下來作為一種可能的解決方案。由于垂直咀嚼運(yùn)動(dòng)也是必需的，為了可以做到這一點(diǎn)，通過進(jìn)一步改變基本的鏈路長度。圖3顯示了連接參數(shù)的不同，“BP”為基線長度。圖3-2通過對咬合的角度進(jìn)行了檢查，最后的選擇是設(shè)計(jì)曲柄（鏈接'A'）=1，伴隨（鏈接'C'）=3，接地（鏈接'D'）=3.8-5來實(shí)現(xiàn)水平和垂直咀嚼運(yùn)動(dòng)，耦合器（連接'B'）=3.5，耦合器（距離“BP”）=3，耦合器（角'γ'）=60°。這些值并不是唯一的鏈路長度，實(shí)際的鏈接可以是任何長度，相對的曲柄（一）的比率只要比率服從即可。為了使實(shí)際聯(lián)動(dòng)咀嚼裝置盡可能緊湊，其樞轉(zhuǎn)和關(guān)節(jié)軸承都考慮在內(nèi)，可行的最小物理曲柄選擇是10毫米。

由聯(lián)動(dòng)咀嚼軌跡與來自人類咀嚼于表2中的實(shí)際測量進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)裝置，就咬合的角度而言，可以實(shí)現(xiàn)橫向咀嚼軌跡接近實(shí)際，同時(shí)仍然具有合理的垂直軌跡的，然而，聯(lián)動(dòng)咀嚼裝置具有較大的垂直位移和橫向位移。這應(yīng)該是可接受的，因?yàn)檫@些方面不影響食品擊穿過程，并且它們是足以清除咀嚼周期之間的食物堆積，而且電機(jī)可以加快這部分的周期的過程中，以確保咀嚼行為是模擬.真實(shí)的人齒咀嚼過程?！け?-2人齒咀嚼過程以及機(jī)械咀嚼過程的軌跡比較水平咀嚼垂直咀嚼閉合角(°)人類裝置人類裝置46.64572.599張角(°)113.111278105總偏角(°)66.5675.56垂直距離(mm)14.62315.134張開過程水平偏移位移(mm)1.130.43閉合過程水平偏移位移(mm)4.093.10由連接基線長度分別為38毫米，44毫米和50毫米，分別描述了三個(gè)軌跡。隨著作為地面鏈路的長度變小，咬合距離的橫向距離逐漸變小，而縱向距離逐漸變大。這證實(shí)了聯(lián)動(dòng)能夠重現(xiàn)各種咀嚼運(yùn)動(dòng)軌跡。聯(lián)動(dòng)咀嚼裝置以可以通過改變上下齒之間的距離調(diào)整咬合的牙齒的位置。圖3-3一旦鏈路的四連桿機(jī)構(gòu)的長度被確定，則機(jī)械裝置可以開始設(shè)計(jì)?；驹O(shè)計(jì)是由曲柄，耦合器和簡單的伴隨裝置，以及與接合點(diǎn)鏈接相匹配的長度決定的。地面鏈路需要有一個(gè)12毫米的調(diào)整有效地改變了38毫米和50毫米之間的連桿長度。圖5顯示出當(dāng)桿被接通時(shí)，構(gòu)成最終的四連桿機(jī)構(gòu)的可調(diào)接地鏈接實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)帶螺紋的桿移動(dòng)一個(gè)塊的運(yùn)動(dòng)。4六連桿機(jī)構(gòu)的咀嚼設(shè)備4.1六連桿正如前面所討論的，可調(diào)的四連桿機(jī)構(gòu)，可以產(chǎn)生所需的軌跡。然而，它不能保持下頜骨或牙齒在相同的適當(dāng)?shù)姆较蛏系恼麄€(gè)軌跡。一個(gè)簡單的方法來解決，這是添加另外兩個(gè)鏈接（鏈接5和圖6），四連桿機(jī)構(gòu)，從而形成一個(gè)六連桿機(jī)構(gòu)。它們之間的滑動(dòng)關(guān)節(jié)相連接的兩個(gè)鏈接，和鏈路5連接到耦合器由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和連桿6由另一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)連接到地面。被安裝的該組齒頂上連桿5，這是強(qiáng)制移動(dòng)在一個(gè)平面上由兩個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)的制約。要產(chǎn)生的在矢狀面中的0°和30°之間的范圍內(nèi)的角度，對于水平面軌跡，六連桿的基礎(chǔ)上，可以手動(dòng)傾斜。圖4-1為了具有平衡的動(dòng)態(tài)，以減少的力和沖擊，通過在咀嚼設(shè)備兩端放置兩個(gè)相同的四連桿的形成對稱結(jié)構(gòu)。兩個(gè)聯(lián)接的曲柄安裝在一根軸上，通過直齒圓柱齒輪列車由單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)[8]。

在正在建設(shè)中，六連桿擴(kuò)展到包括解剖的牙齒，快速連接機(jī)制，磨牙重新定位，以防止過度的沖擊力的減震器，和收集咀嚼食物顆粒簡單的食物潴留機(jī)制。操作員可以通過重新定位的食物之間的咀嚼周期。圖7顯示出的內(nèi)置的的移動(dòng)設(shè)備與下頜牙和上頜骨齒反轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng)，以便于收集咀嚼食物顆粒的照片[9]。圖4-24.2運(yùn)動(dòng)規(guī)劃雖然聯(lián)動(dòng)裝置可以跟蹤一個(gè)所需的咀嚼軌跡，為了測量沿軌跡的速度仍然需要數(shù)學(xué)分析。相對于聯(lián)動(dòng)裝置的運(yùn)行軌跡（圖8），磨牙在閉塞階段以恒定的速度移動(dòng)，然后加快移動(dòng)，達(dá)到了超過咬合速度的最大速度，并且最終在一個(gè)指定的時(shí)間退縮回咬合速度。圖4-3整個(gè)裝置從水平位置開始，直到到達(dá)與水平位置相距最大距離為0.5mm終止。我們所構(gòu)造的聯(lián)動(dòng)裝置，可以模擬SolidWorks中的橫向咀嚼軌跡（圖8）。軌跡上的每個(gè)點(diǎn)對應(yīng)于曲柄軸轉(zhuǎn)動(dòng)4.5°，轉(zhuǎn)向咬合階段曲柄軸36°相一致。由于被指定為0.12秒（表1）的時(shí)間來完成這個(gè)階段，因此曲柄咬合速度是300°/s，

曲柄的起始角度和最終角度分別為18°和342°（圖8a）?？紤]到電機(jī)和曲柄齒輪減速1:42，因此咬合的速度，馬達(dá)軸的角度和最終角度分別為12,600°/秒，756°和14364°。所花費(fèi)的時(shí)間可以通過打開和關(guān)閉，被指定為0.65秒（表1）?；谶@些值，立方晶的馬達(dá)軸的軌跡為上面的計(jì)劃軌跡的橫向咀嚼軌跡。由于咀嚼的移動(dòng)設(shè)備用于執(zhí)行各種的軌跡之間的橫向和縱向的咀嚼，軌跡以外的橫向咀嚼將是不同的。一個(gè)實(shí)際的計(jì)劃軌跡角度咬合以及咬合時(shí)，打開以及關(guān)閉時(shí)間（圖8b），它可以在GUI進(jìn)行控制[10]。4.3電機(jī)選擇材料的部件被指定為連桿和一個(gè)恒定的力150N垂直施加在耦合器點(diǎn)“P”，聯(lián)動(dòng)可以在SolidWorks找到需要的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩在曲柄軸。圖9顯示出的當(dāng)曲柄運(yùn)行在300℃/s曲軸的轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化的曲線，為測定曲柄咬合速。曲柄運(yùn)行所需的咀嚼設(shè)備的最大扭矩為2.6N米。因此，齒輪傳動(dòng)馬達(dá)的輸出必須是能夠產(chǎn)生一個(gè)最小扭矩為2.6Nm的馬力[11]。在300°/s（或每分鐘78轉(zhuǎn)），以達(dá)到所需的咀嚼力為150N此外，所需的加速度估計(jì)在190°/min.[12]。圖4-4最終選擇了無刷直流電動(dòng)機(jī)可以提供6.0Nm，最大扭矩7.5Nm,扭矩在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)。齒輪比為1.57，在曲柄的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速和加速度可以是3.82N米，190rpm和414°/秒，分別滿足曲柄所要求的性能[12]。5分析聯(lián)動(dòng)咀嚼設(shè)備5.1軌跡和力評價(jià)通過比較，該設(shè)備可以產(chǎn)生所需的咀嚼運(yùn)動(dòng)軌跡的一個(gè)簡單的方法是使用鋼筆取得的軌跡跟蹤，并疊加，并且對筆跟蹤軌跡進(jìn)行了修改，使彈簧被用來推動(dòng)筆頭，而不是收回它。筆牢固地連接到的六連桿滑塊和在一個(gè)垂直的筆尖接觸卡之間，以便設(shè)置。有人發(fā)現(xiàn)咀嚼的移動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生的軌跡接近閉塞所需的期間，只是在開/閉階段略有不同，如圖所示是多次的測量結(jié)果。圖5-1力進(jìn)行測試是通過使用一個(gè)負(fù)載電池，這個(gè)想法源于牙齒的連接點(diǎn)（鏈接）按下稱重傳感器測量施加的壓力。咀嚼設(shè)備設(shè)置為連續(xù)運(yùn)行的聯(lián)動(dòng)裝置。結(jié)果表明[13]，咀嚼的移動(dòng)設(shè)備可以舒適地施加所需的150N咀嚼力，并且最終將停滯在大約260N。5.2應(yīng)力與變形分析六連桿可以在COSMOS/Works的模擬測試設(shè)備中測量是否能承受150的力量。當(dāng)一個(gè)力施加150N在所附的齒點(diǎn)時(shí)，分析在咬合位置的應(yīng)力。結(jié)果表明，有最大應(yīng)力集中其中的四連桿機(jī)構(gòu)的連桿5是線性襯套（圖11）的移動(dòng)設(shè)備上的，沒有過大的應(yīng)力。這是由于這樣的事實(shí)，線性襯套使結(jié)構(gòu)中的一個(gè)相對鋒利的邊緣。預(yù)計(jì)這種應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)時(shí)，因此需要不被避免，因?yàn)檫B桿強(qiáng)大到足以承受的應(yīng)力這一水平[14]。圖5-2通過對變形的裝置的分析，以檢查彎曲時(shí)所發(fā)生的安裝點(diǎn)的齒150N負(fù)荷施加。結(jié)果表明，線性襯套上滑動(dòng)（圖12），它滿足軸的地方變形為0.004毫米。這可以被認(rèn)為是可以忽略不計(jì)，因?yàn)檫@在軸的彎曲量，不會(huì)造成線性堵塞[16]。圖5-36咀嚼實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的咀嚼的移動(dòng)設(shè)備是在人類的咀嚼周期重現(xiàn)磨牙的運(yùn)行軌跡。它采用解剖矯正牙齒的幾何形狀，并且夾爪的軌跡可以調(diào)整，以便于垂直和橫向運(yùn)動(dòng)的范圍內(nèi)可以適當(dāng)?shù)奶幚?。夾爪的速度也可以被調(diào)整，以模擬人類咀嚼期間觀察到的運(yùn)動(dòng)。設(shè)備進(jìn)行咀嚼所得到的顆粒大小由人類主體產(chǎn)生的大丸劑，顆粒尺寸來決定的。采取1克片谷物幫放在牙齒上，并把他們放在設(shè)備上進(jìn)行測試。這臺(tái)機(jī)器是經(jīng)過兩個(gè)周期的調(diào)試之后，添加了人工唾液中所有的成分，進(jìn)行測量操作。在牙齒上的食物顆粒被重新定位。通過1.4毫米篩的餾分中的固體顆粒，然后從人類受試者收集的結(jié)果相比，作為該裝置的局部的驗(yàn)證。結(jié)果見于圖15，那些在陰影中的顆粒，是設(shè)備咀嚼的結(jié)果，其余的是2克和4克食物樣本是人的咀嚼的結(jié)果。7結(jié)論本文主要介紹聯(lián)動(dòng)咀嚼設(shè)備在食品評價(jià)過程的運(yùn)行機(jī)理，運(yùn)動(dòng)控制和仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。這種咀嚼裝置的思想體現(xiàn)了體內(nèi)測量人的咀嚼設(shè)計(jì)規(guī)范。四連桿機(jī)構(gòu)能夠測量咀嚼的軌跡，六連桿保持磨牙在一組設(shè)定的方向進(jìn)行移動(dòng)，通過改變基線的長短，實(shí)現(xiàn)了多組數(shù)據(jù)的測量。運(yùn)動(dòng)裝置可以隨時(shí)改變，以實(shí)現(xiàn)各種不同的食物需要咀嚼運(yùn)動(dòng)。通過在LabVIEW圖形用戶界面編程，可以實(shí)現(xiàn)易于操作的設(shè)備。雖然最初的實(shí)驗(yàn)表明，這種設(shè)備產(chǎn)生的預(yù)測結(jié)果非常理想，但是若成為食品上市前檢測設(shè)備，還需要更多的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。參考文獻(xiàn)[1]P.W.盧卡斯哺乳動(dòng)物口的結(jié)構(gòu)的牙科形態(tài)功能：如何齒工作，劍橋大學(xué)出版社，英國（2004年）：13-54[2]P.W.盧卡斯口牙科形態(tài)功能：如何齒工作，劍橋大學(xué)出版社，英國（2004年）：55-86[3]F.Mongini，G.Tempia瓦倫蒂，G.Benvegnu基于計(jì)算機(jī)的習(xí)慣性咀嚼評估

口腔修復(fù)學(xué)，55（1986）：638-649[4]K.安德森，G.S.的Throckmorton，P.H.Buschang，H.早崎咀嚼運(yùn)動(dòng)學(xué)丸劑硬度的影響口腔醫(yī)學(xué)，29（2002）：689-696[5]P.W.盧卡斯齒形牙科形態(tài)功能：如何齒工作，劍橋大學(xué)出版社，英國2004：87-132[6]文學(xué)碩士PeyronLass