馮海洋

徐獻(xiàn)忠

(鄭州大學(xué)力學(xué)與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

質(zhì)地是構(gòu)成食品品質(zhì)的重要屬性，從力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，食品質(zhì)地的一系列表現(xiàn)形式例如軟硬、黏彈、酥脆、耐咀嚼等都是食品的組織結(jié)構(gòu)對(duì)所施加外力的感官反映[1]。食品質(zhì)地的檢測(cè)通常采用感官評(píng)價(jià)法和儀器分析法。感官評(píng)價(jià)法是通過人的咀嚼行為并以色澤、質(zhì)地、滋味和氣味為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)食品質(zhì)地進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。其試驗(yàn)結(jié)果是人感官的直接反映，但個(gè)體的主觀差異會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果離散性較大，很難對(duì)食品質(zhì)地進(jìn)行客觀且穩(wěn)定的評(píng)價(jià)[2]。儀器分析是利用不同食品檢測(cè)設(shè)備對(duì)食品的物理或機(jī)械屬性進(jìn)行測(cè)試，再通過分析測(cè)試信號(hào)進(jìn)而分析食品屬性。與感官評(píng)價(jià)法相比，儀器測(cè)量法具有評(píng)價(jià)客觀、結(jié)果精確等優(yōu)點(diǎn)[3]。咀嚼模擬裝置是一類能夠模擬人類口腔咀嚼動(dòng)作的裝置，通過機(jī)器模擬口腔運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)刻咀嚼軌跡，并利用傳感器獲取在咀嚼過程中牙齒的咀嚼力、運(yùn)動(dòng)速度、加速度等咀嚼運(yùn)動(dòng)參數(shù)。目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于食品科學(xué)，為食品開發(fā)及食品質(zhì)地評(píng)價(jià)提供了更為有效客觀的方法。

目前已有科研人員對(duì)咀嚼模擬裝置展開相應(yīng)研究：王藝博[4]建立了一種仿人類下頜機(jī)器人模型，基于6-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)并利用有限元建模技術(shù)計(jì)算出各肌肉線性驅(qū)動(dòng)器的最大受力值；李曉峰等[5]根據(jù)機(jī)械仿生原理，基于6-PSS并聯(lián)機(jī)構(gòu)仿生下頜機(jī)器人模型優(yōu)化了各桿長(zhǎng)度；王加森[6]提出將經(jīng)典Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于六自由度咀嚼運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)并進(jìn)行了相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析與設(shè)計(jì)；秦文龍等[7]以顳下頜關(guān)節(jié)為主要研究對(duì)象，找出了彈性元件的最佳彈簧系數(shù)；Tahir等[8]設(shè)計(jì)了以液壓驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)的咀嚼模擬機(jī)器人，可完成在3個(gè)方向上的平移與轉(zhuǎn)動(dòng)；陳根祿等[9]利用Adams建立了虛擬樣機(jī)并完成了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真；豐瑞鑫[10]采用了上下頜同時(shí)運(yùn)動(dòng)的方式建立咀嚼模擬平臺(tái)并對(duì)各牙位進(jìn)行了壓力測(cè)量；吳范徐齊等[11]研制了一種基于3-UPS/RPP少自由度并聯(lián)咀嚼運(yùn)動(dòng)模擬機(jī)器人，通過對(duì)模擬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)奇異性分析驗(yàn)證了裝置設(shè)計(jì)的合理性；楊嘉琦[12]研制了一種五自由度混聯(lián)智能義齒機(jī)器人，該機(jī)器人采用雙向滑臺(tái)與三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)連接的形式實(shí)現(xiàn)了對(duì)咀嚼軌跡的模擬；溫海營(yíng)等[13]引入了一種含有點(diǎn)接觸高副的冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)咀嚼機(jī)器人，通過醫(yī)學(xué)測(cè)量手段得到下切點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)范圍和咀嚼頻率，并進(jìn)行了咬合力的測(cè)量；任杰[14]采用繩索牽引的方式來模擬人體下頜肌肉并以氣動(dòng)人工肌肉作為該機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器完成了咀嚼模擬機(jī)器人的設(shè)計(jì)；湯文杰[15]基于6RSS并聯(lián)機(jī)構(gòu)利用SolidWorks進(jìn)行建模，并通過ADAMS計(jì)算得到了輸入角度、角速度、角加速度的變換曲線；Kalani等[16]研發(fā)了可以通過肌電信號(hào)測(cè)量咀嚼軌跡的咀嚼模擬裝置。

研究擬開發(fā)一種基于多連桿結(jié)構(gòu)的咬合模擬裝置，并結(jié)合儀器評(píng)價(jià)法與主觀評(píng)價(jià)法對(duì)食品質(zhì)地進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為后期咀嚼模擬裝置設(shè)計(jì)提供參考。

1 咬合模擬裝置

1.1 裝置主結(jié)構(gòu)

1. 主結(jié)構(gòu) 2. 測(cè)力結(jié)構(gòu)圖1 裝置三維模型Figure 1 Three-dimensional model of the device

人類的咀嚼過程可以分為切碎和研磨兩個(gè)階段。在進(jìn)行咀嚼時(shí)，上牙基本不動(dòng)，主要依靠下牙的移動(dòng)完成咀嚼運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基于多連桿結(jié)構(gòu)的咬合模擬裝置可用來模擬人類切牙的咬合運(yùn)動(dòng)軌跡。人體的頭部即上頜骨在咀嚼過程中作為原點(diǎn)保持不動(dòng)，而下頜骨通過肌肉帶動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成咀嚼過程，基于此為了提高設(shè)計(jì)方案的方便性和裝置的穩(wěn)定性，采取了上下頜位置對(duì)調(diào)的方案。圖1為通過Solidworks建立的咬合模擬裝置三維模型，該裝置分為主結(jié)構(gòu)與力學(xué)測(cè)量結(jié)構(gòu)，主結(jié)構(gòu)支撐起了整個(gè)裝置以及完成咬合模擬運(yùn)動(dòng)，力學(xué)測(cè)量結(jié)構(gòu)可以對(duì)咬合過程中的二維受力情況進(jìn)行測(cè)量。

裝置主結(jié)構(gòu)如圖2所示，C1、C2分別為下切牙點(diǎn)和上切牙點(diǎn)，初始時(shí)兩點(diǎn)重合。連桿AO2可繞定點(diǎn)O2點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度θ，帶動(dòng)△ABC1和△BO1C2在矢狀面內(nèi)做平面運(yùn)動(dòng)，從而使兩切牙點(diǎn)C1、C2分離呈現(xiàn)開口狀態(tài)。各連桿長(zhǎng)度為：連桿AO2=L=15 mm；連桿BO1=d=100 mm；連桿AB=AC1=a=50 mm；連桿BC1=BC2=b=80 mm；連桿O1C2=c=60 mm。

圖2 咬合模擬裝置主結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Main structure drawing of occlusalsimulation device

在實(shí)際的咀嚼行為中，不同人的咀嚼軌跡會(huì)因自己的口腔生理結(jié)構(gòu)特性而產(chǎn)生差異。為了突出這些軌跡差異，通過改變連桿AO2的長(zhǎng)度來調(diào)節(jié)切牙點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而改變切牙點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位移。

1.2 力學(xué)測(cè)量結(jié)構(gòu)

在咬合過程中，咬合力F以斜向力的形式施加在食物塊上，為了便于測(cè)量食品材料的力學(xué)性能并研究食品材料與切牙之間的力學(xué)關(guān)系，基于切牙的形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能活動(dòng)建立了切牙經(jīng)過簡(jiǎn)化后的楔形體力學(xué)模型。如圖3所示，當(dāng)楔形體與食品材料呈斜向切割時(shí)，以水平向右為X軸正向，豎直向下為Y軸正向建立平面坐標(biāo)系。根據(jù)平衡關(guān)系，咬合力F可以分解為矢狀面內(nèi)的豎向力和水平力。

圖3 咬合力在矢狀面內(nèi)的分解Figure 3 Decomposition of bite force in sagittal plane

在實(shí)際操作過程中，很難做到直接在口腔內(nèi)部放置傳感器測(cè)量咬合力值，因此基于懸臂梁測(cè)力原理對(duì)咬合力進(jìn)行間接測(cè)量，圖4為力學(xué)測(cè)量結(jié)構(gòu)：當(dāng)咬合力產(chǎn)生后，豎直放置的懸臂梁受水平分力FX作用產(chǎn)生變形，從而使粘貼于懸臂梁上的應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變?chǔ)?。利用?yīng)變儀測(cè)量的電信號(hào)可以找到FX電信號(hào)E的數(shù)量關(guān)系，即可計(jì)算出水平力FX數(shù)值。測(cè)量豎直分力也利用了同樣原理，區(qū)別在于承力結(jié)構(gòu)改為了彈性圓環(huán)：彈性圓環(huán)為圓形環(huán)狀結(jié)構(gòu)，與上頜平臺(tái)相切接觸，切咬力傳遞到兩者的切點(diǎn)上。豎向分力由彈性圓環(huán)承載，彈性圓環(huán)因受力產(chǎn)生變形，粘貼在圓環(huán)兩側(cè)的應(yīng)變片隨之產(chǎn)生應(yīng)變，利用應(yīng)變儀可以找到FY電信號(hào)E的數(shù)量關(guān)系。

1.3 運(yùn)動(dòng)仿真模擬

1. 彈性圓環(huán) 2. 義齒模型 3. 懸臂梁 4. 應(yīng)變片圖4 力學(xué)測(cè)量結(jié)構(gòu)Figure 4 Mechanical measuring structure

運(yùn)用Solidworks軟件中的Simulation模塊可對(duì)裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析。根據(jù)前述設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)設(shè)置參數(shù)并完成運(yùn)動(dòng)軌跡仿真模擬，結(jié)果如圖5所示，此結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)咬合運(yùn)動(dòng)軌跡的模擬，通過替換不同L長(zhǎng)度連桿即可完成對(duì)模型運(yùn)動(dòng)軌跡的調(diào)整。取L=15 mm，b=60 mm，調(diào)整a的長(zhǎng)度時(shí)的模擬結(jié)果如圖5(b)所示。

圖5 咬合軌跡模擬Figure 5 Simulation of occlusal trajectory

計(jì)算結(jié)果為兩切牙點(diǎn)的相對(duì)位移隨時(shí)間變化，運(yùn)動(dòng)時(shí)間設(shè)置為4 s。在計(jì)算過程中設(shè)置了多個(gè)變量，每組變量需要計(jì)算X、Y兩個(gè)方向的相對(duì)位移。設(shè)置L、a、b3個(gè)變量組：L設(shè)置為10，12，13，14，15，16，18，20 mm；a設(shè)置為50，55，60，65，70 mm；b設(shè)置為40，45，50，55，60，65，70，75，80 mm。通過控制變量依次計(jì)算相對(duì)位移。計(jì)算結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)能夠滿足豎向最大位移50 mm的測(cè)試需要，而且通過改變L長(zhǎng)度能夠有效地控制咬合軌跡。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 材料與方法

2.1.1 試驗(yàn)材料

食品材料：選用白蘿卜、胡蘿卜、黃瓜、餅干、豆腐、熟肉6種常見食品，并切成橫截面為15 mm×15 mm的長(zhǎng)條狀；

義齒模型：邀請(qǐng)5名年齡在24～28歲的男性研究生，由河南德鴻齒科運(yùn)營(yíng)管理有限公司制作與其口腔生理結(jié)構(gòu)相同的共5個(gè)義齒模型。

2.1.2 主要儀器設(shè)備

萬能材料試驗(yàn)機(jī)：HY-0230微型，上海衡翼精密儀器有限公司；

無線靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)：DH3819型，江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司；

咬合模擬裝置：鄭州恒隆精密制造廠。

2.1.3 咬合模擬試驗(yàn) 利用咬合模擬裝置完成對(duì)二維咬合力的測(cè)量。在進(jìn)行咬合模擬試驗(yàn)之前，通過標(biāo)定試驗(yàn)以找出電信號(hào)E與力值之間的關(guān)系。標(biāo)定試驗(yàn)在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，得到咬合力值F；無線靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)收集電信號(hào)E。標(biāo)定結(jié)果如式(1)所示。

(1)

式中：

E——電信號(hào)；

Fa——懸臂梁a力值，N；

Fb——懸臂梁b力值，N；

FY——彈性圓環(huán)力值，N。

完成標(biāo)定試驗(yàn)后進(jìn)行咬合模擬試驗(yàn)。將食品材料置于固定在咬合模擬裝置上的義齒中間，旋轉(zhuǎn)手柄帶動(dòng)義齒進(jìn)行咬合動(dòng)作即可完成對(duì)食品材料的切割。每轉(zhuǎn)動(dòng)裝置完成一次完整的咬合動(dòng)作時(shí)，應(yīng)變儀同時(shí)收集電信號(hào)。將收集好的電信號(hào)E代入式(1)即可得出對(duì)應(yīng)咬合力值。在測(cè)量水平力時(shí)，設(shè)置了兩個(gè)同樣的懸臂梁，因此需要將兩個(gè)懸臂梁的力值相加得到最終的水平分力值；豎直方向力值直接由試驗(yàn)得出。

2.1.4 感官評(píng)價(jià)試驗(yàn) 評(píng)價(jià)員對(duì)食品進(jìn)行咬合并作出主觀感官評(píng)價(jià)，將評(píng)價(jià)結(jié)果與咬合模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的咬合模擬裝置的有效性。將提供義齒生理結(jié)構(gòu)的5名研究生作為試驗(yàn)的感官評(píng)價(jià)員。評(píng)價(jià)員先完成對(duì)食品材料的咬合過程，然后基于感官評(píng)價(jià)規(guī)則對(duì)自己咬合時(shí)的受力感知情況進(jìn)行主觀感官評(píng)價(jià)。感官評(píng)價(jià)規(guī)則采用計(jì)分方式，將咬合時(shí)口腔感知到的硬度分為5個(gè)等級(jí)，分值基于硬度由低到高依次上升1分(見表1)。每位評(píng)價(jià)員進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)并取平均分作為其對(duì)該食品材料的感官評(píng)價(jià)結(jié)果。

表1 感官評(píng)價(jià)等級(jí)Table 1 Sensory rating

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 咬合模擬試驗(yàn) 如圖6所示，切咬豆腐所需咬合力明顯低于其他食品，而切咬豆腐、餅干、熟肉等人工制品的咬合力低于黃瓜、胡蘿卜、白蘿卜等天然食品。而切咬同一種食品例如黃瓜、胡蘿卜、白蘿卜等的不同部位的咬合力存在差異，是其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均勻性導(dǎo)致的；而且植物類食品往往具有堅(jiān)硬的表皮，這也是咬合力產(chǎn)生差異的重要原因。

圖6 各種類食品咬合力結(jié)果Figure 6 Bite force results of various types of food

2.2.2 感官評(píng)價(jià)試驗(yàn) 如圖7所示，總體上看，隨著感官評(píng)分的提高其對(duì)應(yīng)的咬合力值也提高，二者變化趨勢(shì)相同，驗(yàn)證了咬合模擬裝置的有效性。咬合力是水平分力與豎直分力的合力，但咬合力的合力曲線與其豎直分力曲線高度重合，而與水平分力曲線數(shù)值差異較大。這表明咬合力雖然是矢狀面內(nèi)的斜向力，但主要決定其大小方向的是豎直分力，水平分力對(duì)其影響很小。在一定精度內(nèi)，可以用豎直分力代替咬合力對(duì)食品質(zhì)地進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖7 感官評(píng)價(jià)結(jié)果與咬合力測(cè)量結(jié)果關(guān)系曲線Figure 7 Relation curve between sensory evaluation andbite force measurement

3 結(jié)論

試驗(yàn)研發(fā)了一種基于多連桿結(jié)構(gòu)的用于二維咬合力測(cè)量的咬合模擬裝置，并通過咬合模擬試驗(yàn)與感官評(píng)價(jià)試驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。該裝置以多連桿結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，可以完成在矢狀面內(nèi)的二維咬合力的測(cè)量。同時(shí)，通過控制連桿長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡，使之能夠完成不同的咬合軌跡模擬。

通過咬合模擬試驗(yàn)與感官評(píng)價(jià)試驗(yàn)可以得知，咬合力隨食品材料硬度的提高而上升，且豎直方向的分力起主導(dǎo)作用，在研究食品質(zhì)地的過程中可以在合理范圍內(nèi)以豎直分力代替咬合力。由于人的咀嚼過程極為復(fù)雜，不僅有切牙的咬合，還存在磨牙研磨等三維空間內(nèi)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。在后續(xù)研究中，可以分析人的牙齒在三維空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)合力學(xué)測(cè)量得到各牙位的咀嚼力，并將測(cè)量結(jié)果與感官評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證儀器測(cè)量代替感官評(píng)價(jià)的可行性，為食品質(zhì)地的評(píng)價(jià)與研究提供更為有效的思路。