鄭 元 松， 王 慧 慧， 呂 艷 ， 楊 繼 新， 陶 學 恒

( 1.大連工業(yè)大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 大連 116034；2.大連工業(yè)大學 國家海洋食品工程技術(shù)研究中心, 遼寧 大連 116034 )

仿生質(zhì)構(gòu)儀設計

鄭 元 松1,2， 王 慧 慧1,2， 呂 艷1,2， 楊 繼 新1,2， 陶 學 恒1,2

( 1.大連工業(yè)大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 大連 116034；2.大連工業(yè)大學 國家海洋食品工程技術(shù)研究中心, 遼寧 大連 116034 )

設計了一種成本低、操作簡單、基于人類檢測習慣的仿生質(zhì)構(gòu)儀，并設計了多種形狀的仿生觸頭。利用三維軟件SolidWorks實現(xiàn)了該裝置的三維建模，驗證機構(gòu)可行性。結(jié)合壓力傳感器、PVDF壓電傳感器，以步進電機作為運動單元動力源，完成仿生觸頭觸壓海產(chǎn)品的動作，通過數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換。以Visual C++ 6.0為應用平臺，開發(fā)了仿生質(zhì)構(gòu)儀的應用程序，實現(xiàn)觸壓動作的自動實施、壓力數(shù)據(jù)的自動采集和處理。

質(zhì)構(gòu)特征；仿生質(zhì)構(gòu)儀；三維建模；傳感器

0 引 言

反映海產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)特征的參數(shù)，如硬度、彈性、黏性、凝聚性等，不僅與海產(chǎn)品食用時的口感具有密切的聯(lián)系[1-2]，也影響著再次加工所生產(chǎn)出產(chǎn)品的品質(zhì)。目前，評價海產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)特征的方法有感官評定法和儀器評定法[3]。感官評定法對鑒評人員的要求較高，評定過程中主觀因素的影響較大，評價結(jié)果模糊，是一種定性分析方法[4]。儀器評定法目前使用最多的是質(zhì)構(gòu)儀，通過模擬人的兩次咀嚼動作，建立咀嚼過程中力與位移的數(shù)學模型，找出與感官評定對應的參數(shù)[5-8]。研究表明，使用質(zhì)構(gòu)儀和感官評定兩種方法所測得的海產(chǎn)品硬度、彈性、凝聚性等質(zhì)構(gòu)特征參數(shù)之間的相關(guān)性能達到80%[9-13]。肖桂華等[14]利用質(zhì)構(gòu)儀對鮑魚腹足不同部位的質(zhì)構(gòu)特性進行測定，結(jié)果表明，各項質(zhì)構(gòu)特征參數(shù)之間具有很好的相關(guān)性。Morkoren等[15]用質(zhì)構(gòu)儀對鱘魚進行質(zhì)構(gòu)特征分析，并把分析結(jié)果與感官評定結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)儀器評定與感官評定數(shù)據(jù)之間有高度的相關(guān)性。但質(zhì)構(gòu)儀價格昂貴，操作復雜，對物料形狀、規(guī)格要求較高，因而給試驗和檢測造成很大的不便。本研究模擬人指觸壓海產(chǎn)品的動作，針對海參、貝類等海產(chǎn)品，設計了一種成本低、操作簡單、穩(wěn)定性好的仿生質(zhì)構(gòu)儀。

1 仿生質(zhì)構(gòu)儀組成

該裝置由支架、運動單元、載物臺三部分組成，其整體結(jié)構(gòu)三維模型如圖1所示。支架材料選用質(zhì)量輕、硬度高的工業(yè)鋁型材，通過螺栓連接成圖1所示支架，在整個裝置中起支撐作用。

圖1 仿生質(zhì)構(gòu)儀三維結(jié)構(gòu)圖

為了模擬人指觸壓海產(chǎn)品的動作，設計如圖2所示的運動單元。該運動單元由步進電機、蓋板、傳感器轉(zhuǎn)換裝置、仿生觸頭、限位開關(guān)、滾珠絲杠、滑臺及主體型材組成。設計運動行程為500 mm 的直線滑軌，保證仿生觸頭在運動過程中對海產(chǎn)品施加垂直方向的作用力。利用多種傳感器模擬人指內(nèi)部感知觸覺的觸覺小體，用于檢測仿生觸頭觸壓海產(chǎn)品時作用在海產(chǎn)品上的生物力。傳感器與仿生觸頭通過螺栓進行連接固定。

圖2 仿生質(zhì)構(gòu)儀運動單元

在該裝置中，選用壓力傳感器和PVDF壓電傳感器檢測海產(chǎn)品受壓時所受的作用力，為了快速實現(xiàn)兩種傳感器的轉(zhuǎn)換，設計了如圖3所示的轉(zhuǎn)換裝置?？梢愿鶕?jù)需要，快速的切換兩種傳感器。

圖3 轉(zhuǎn)換裝置

因反映不同海產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)特征的參數(shù)不盡相同，設計了楔形、錐形、球形等不同形狀的仿生觸頭，其形狀如圖4所示。

圖4 仿生觸頭

整個機構(gòu)的運動原理如圖5所示。計算機向步進電機驅(qū)動器發(fā)送一定數(shù)量及頻率的脈沖，控制步進電機按照相應的速度轉(zhuǎn)過一定的角位移，步進電機的運動通過聯(lián)軸器傳遞至滾珠絲杠，滾珠絲杠帶動與滑臺連接在一起的仿生觸頭做豎直方向上的運動。當限位開關(guān)檢測到仿生觸頭運動至預先設定的下壓位置時，電機停止正向運動，完成觸壓動作。

圖5 運動原理圖

2 傳感器的選擇

傳感器的作用相當于人體神經(jīng)中的觸覺小體，用于感知海產(chǎn)品受壓時仿生觸頭作用在海產(chǎn)品上的生物力。本裝置選用了兩種類型的傳感器：S型壓力傳感器和PVDF壓電傳感器。

2.1 壓力傳感器選取

由于本裝置主要針對海參、貝類等海產(chǎn)品設計，考慮到此類海產(chǎn)品硬度較低，因此選用滿量程為5 kg的壓力傳感器，傳感器與仿生觸頭通過螺栓連接。傳感器所獲得的壓力數(shù)據(jù)由采集卡采集并轉(zhuǎn)換。

2.2 PVDF壓電傳感器

PVDF是一種新型高分子聚合物壓電材料，它具有寬頻響，壓電系數(shù)高，體積小、靈敏度高的優(yōu)點[16]，而且防水性能好。PVDF壓電傳薄膜受壓力作用時，其正壓電效應壓電方程為

Q=dδ+εTE

(1)

式(1)中：Q為面電荷密度，Q=[Q1Q2Q3]；d為壓電應力常數(shù)矩陣；δ為應力；εT為介電常數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣；E為電場強度。

當電場強度E=0時，壓電方程為

Q=dδ

(2)

考慮到PVDF壓電薄膜很薄，電極均是從上下表面引出，其壓電方程可以簡化為

Q3=d31δ1+d32δ2+d33δ3

(3)

已知壓電薄膜的工作模式有厚度模式和拉伸模式兩種[17]，當壓電薄膜的工作模式為厚度模式時，δ1、δ2相對δ3要小很多，其壓電方程可以簡化為

Q3=d33δ3

(4)

當工作模式為拉伸模式時，其壓電方程簡化為

Q3=d31δ1

(5)

從式(4)和式(5)可以看出，PVDF受壓時其面電荷密度Q和應力δ呈正相關(guān)，因應力與面積呈負相關(guān)，所以，面電荷密度Q和壓力作用面積也呈負相關(guān)。對PVDF壓電薄膜而言，截面方向的面積要遠小于厚度方向的面積。因此，拉伸模式的輸出電荷要遠大于厚度模式的輸出電荷。本裝置在壓電薄膜與仿生指骨間增加一層高分子材料，使PVDF的工作模式為拉伸模式。

3 控制系統(tǒng)及其組成

控制系統(tǒng)由運動系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理兩部分組成。運動系統(tǒng)控制主要通過計算機向步進電機驅(qū)動器發(fā)送不同數(shù)量及頻率的脈沖，實現(xiàn)仿生觸頭按預定的速度和位移量運動。數(shù)據(jù)處理需要完成的工作是利用數(shù)據(jù)采集卡采集和轉(zhuǎn)換仿生觸頭作用在海產(chǎn)品上的作用力值、對采集到的壓力數(shù)據(jù)進行濾波處理、根據(jù)所得到的壓力數(shù)據(jù)建立壓力與位移的數(shù)學模型。

3.1 控制系統(tǒng)硬件組成

(1)步進電機?？紤]到該裝置在使用過程中需要頻繁啟動，同時，結(jié)合裝置在運動過程中各運動部位所需要的力矩，選用漢德保3402HS45U13步進電機作為運動裝置的動力源，該電機步長1.8°，保持轉(zhuǎn)矩為4.5 N·m。

(2)USB9212A數(shù)據(jù)采集卡。該采集卡模擬信號輸入分辨率為16 bit，最高采樣速率達到每秒20萬次，采用16路模擬信號量輸入?？赏瑫r采集裝置中兩個傳感器的輸出值。模擬量的輸入電壓范圍為-10～10 V。

3.2 應用程序的開發(fā)

基于Visual C++ 6.0應用平臺，開發(fā)了仿生質(zhì)構(gòu)儀的軟件程序。程序主要包括運動系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示。

程序流程如圖6所示。程序啟動后，刷新此時設備與計算機的連接狀態(tài)，當運動控制卡與采集卡連接到計算機后，對硬件進行初始化操作。設置數(shù)據(jù)采集卡與運動控制卡工作參數(shù)，并打開設備。為了保證采集卡所采集數(shù)據(jù)的完整性與準確性，數(shù)據(jù)采集應先于運動控制卡開始工作。確認采集卡采集到數(shù)據(jù)后，計算機向驅(qū)動器發(fā)送脈沖，控制電機按指定的速度運行，待執(zhí)行機構(gòu)到達指定的位置時，電機停止正向運動，開始反向運動，直至回到最初位置，運動過程停止，仿生觸頭完成一次下壓動作。

圖6 控制流程圖

程序運行界面如圖7所示。界面分為4個模塊，位于左上角的采集卡控制模塊，用于設置采集卡的工作參數(shù)；左下角為運動控制卡設置模塊，通過設置不同的參數(shù)，使仿生觸頭按照預定的速度和位移量運動；右側(cè)為數(shù)據(jù)的顯示模塊，分別用數(shù)字和圖像的方式將采集到的壓力數(shù)據(jù)顯示在軟件界面中。

圖7 程序運行界面

4 結(jié) 論

基于人指觸壓海產(chǎn)品的動作，設計了一種用于檢測海產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)特征的仿生質(zhì)構(gòu)儀，并設計了楔形、球形、錐形等不同形狀的仿生觸頭，用于檢測不同海產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)特征參數(shù)。以Visual C++6.0為應用平臺，開發(fā)了該裝置的應用程序。結(jié)合所需要的檢測精度，選取合適的硬件，制作出了該仿生質(zhì)構(gòu)儀的樣機。為方便、快捷的測定海產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)特征提供了一種檢測工具。

[1] 李里特.食品物性學[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2001.

[2] 李云飛.食品物性學[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,2005.

[3] 孫海濤,劉景圣.即食玉米質(zhì)構(gòu)的感官評定與儀器分析[J].食品科技,2011,36(6):288-291.

[4] 沈月新,江東華,曾能武.食品質(zhì)地感官評定法[J].上海水產(chǎn)大學學報,1993,2(2):135-142.

[5] 胡亞云.質(zhì)構(gòu)儀在食品研究中的應用現(xiàn)狀[J].食品研究與開發(fā),2013,34(11):101-104.

[6] 紀宗亞.質(zhì)構(gòu)儀及其在食品品質(zhì)檢測方面的應用[J].食品工程,2011(3):22-25.

[7] 賀麗霞,王敏,黃忠民.質(zhì)構(gòu)儀在我國食品品質(zhì)評價中的應用綜述[J].食品工業(yè)科技,2011,32(9):446-449.[8] 田曉靜,王俊.質(zhì)構(gòu)分析在肉制品檢測中的應用[J].食品安全質(zhì)量檢測學報,2014,5(6):1654-1660.

[9] 孫鐘雷,孫永海,萬鵬,等.仿生質(zhì)構(gòu)儀設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2012,43(1):230-234.

[10] 賀紅軍,張雪婷,鄒慧,等.低脂冰淇淋質(zhì)構(gòu)與感官評價的相關(guān)性研究[J].食品科技,2015,40(2):338-343.[11] 徐坤華,趙巧靈,廖明濤,等.金槍魚質(zhì)構(gòu)特性與感官評價相關(guān)性研究[J].中國食品學報,2014,14(12):190-197.

[12] 蒙名燕,李汴生,阮征,等.食品質(zhì)構(gòu)的儀器測量和感官測試之間的相關(guān)性[J].食品工業(yè)科技,2006,27(9):198-201.

[13] 劉長虹,徐婧婷,牛芳方,等.質(zhì)構(gòu)儀與自制硬度儀測定饅頭結(jié)果相關(guān)性分析[J].糧油加工,2008(4):84-86.[14] 肖桂華,朱蓓薇,董秀萍,等.鮑魚腹足不同部位的質(zhì)構(gòu)特性及組織結(jié)構(gòu)研究[J].食品科技,2010,35(11):155-159.

[15] MORKOREN T, EINEN O. Sensory and instrumental texture analysis of atlantic salmon[J]. Journal of Food Science, 2003, 68(4): 1493-1497.

[16] 張安躍.PVDF應力傳感器的制作及壓電特性的實驗研究[D].合肥:中國科學技術(shù)大學,2009.

[17] 靳亞靜,任程誠,董維杰.2×4陣列PVDF薄膜鍵盤設計[J].壓電與聲光,2011,33(6):954-957.

Design of bionic texture analyzer

ZHENG Yuansong1,2, WANG Huihui1,2, LYU Yan1,2, YANG Jixin1,2, TAO Xueheng1,2

( 1.School of Mechanical Engineering and Automation, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China；2.National Engineering Research Center of Seafood, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

A simple and low-cost bionic texture analyzer with various shapes of bionic contactor was designed based on the habits of human detection. Three-dimensional model was constructed by SolidWorks to prove the feasibility of the texture analyzer. Combined with pressure sensor and PVDF piezoelectricity gauge, a stepper motor was selected as the power system to perform the movement and pressing of the bionic contact, and the data was gathered and converted by a data acquisition card. The application program of bionic texture analyzer was developed based on Visual C++ 6.0, which could realize the automatic implementation of the touch pressure action, the automatic acquisition and processing of pressure data.

textural characteristics; bionic texture analyzer; three-dimensional modeling; transducer

2015-07-24.

國家火炬計劃重點項目(2012GH560223)；海洋公益性行業(yè)科研專項(201505029)；國家海洋食品工程技術(shù)研究中心專項(2012FU125X03).

鄭元松(1990-)，男，碩士研究生；通信作者：王慧慧(1982-)，女,副教授.

TP23

A

1674-1404(2017)03-0214-04

鄭元松,王慧慧,呂艷,楊繼新,陶學恒.仿生質(zhì)構(gòu)儀設計[J].大連工業(yè)大學學報,2017,36(3):214-217.

ZHENG Yuansong, WANG Huihui, LYU Yan, YANG Jixin, TAO Xueheng. Design of bionic texture analyzer[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2017, 36(3): 214-217.