鄭 元 松， 王 慧 慧， 呂 艷 ， 楊 繼 新， 陶 學(xué) 恒

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 大連 116034；2.大連工業(yè)大學(xué) 國(guó)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(shè)計(jì)

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

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 大連 116034；2.大連工業(yè)大學(xué) 國(guó)家海洋食品工程技術(shù)研究中心, 遼寧 大連 116034 )

設(shè)計(jì)了一種成本低、操作簡(jiǎn)單、基于人類檢測(cè)習(xí)慣的仿生質(zhì)構(gòu)儀，并設(shè)計(jì)了多種形狀的仿生觸頭。利用三維軟件SolidWorks實(shí)現(xiàn)了該裝置的三維建模，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)可行性。結(jié)合壓力傳感器、PVDF壓電傳感器，以步進(jìn)電機(jī)作為運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)恿υ?，完成仿生觸頭觸壓海產(chǎn)品的動(dòng)作，通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換。以Visual C++ 6.0為應(yīng)用平臺(tái)，開發(fā)了仿生質(zhì)構(gòu)儀的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)觸壓動(dòng)作的自動(dòng)實(shí)施、壓力數(shù)據(jù)的自動(dòng)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(shí)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(píng)價(jià)海產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)特征的方法有感官評(píng)定法和儀器評(píng)定法[3]。感官評(píng)定法對(duì)鑒評(píng)人員的要求較高，評(píng)定過程中主觀因素的影響較大，評(píng)價(jià)結(jié)果模糊，是一種定性分析方法[4]。儀器評(píng)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(dòng)作，建立咀嚼過程中力與位移的數(shù)學(xué)模型，找出與感官評(píng)定對(duì)應(yīng)的參數(shù)[5-8]。研究表明，使用質(zhì)構(gòu)儀和感官評(píng)定兩種方法所測(cè)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(dá)到80%[9-13]。肖桂華等[14]利用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)鮑魚腹足不同部位的質(zhì)構(gòu)特性進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明，各項(xiàng)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(duì)鱘魚進(jìn)行質(zhì)構(gòu)特征分析，并把分析結(jié)果與感官評(píng)定結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)儀器評(píng)定與感官評(píng)定數(shù)據(jù)之間有高度的相關(guān)性。但質(zhì)構(gòu)儀價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，對(duì)物料形狀、規(guī)格要求較高，因而給試驗(yàn)和檢測(cè)造成很大的不便。本研究模擬人指觸壓海產(chǎn)品的動(dòng)作，針對(duì)海參、貝類等海產(chǎn)品，設(shè)計(jì)了一種成本低、操作簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)單元、載物臺(tái)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(gè)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(dòng)作，設(shè)計(jì)如圖2所示的運(yùn)動(dòng)單元。該運(yùn)動(dòng)單元由步進(jìn)電機(jī)、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(tái)及主體型材組成。設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)行程為500 mm 的直線滑軌，保證仿生觸頭在運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)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(cè)仿生觸頭觸壓海產(chǎn)品時(shí)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(jìn)行連接固定。

圖2 仿生質(zhì)構(gòu)儀運(yùn)動(dòng)單元

在該裝置中，選用壓力傳感器和PVDF壓電傳感器檢測(cè)海產(chǎn)品受壓時(shí)所受的作用力，為了快速實(shí)現(xiàn)兩種傳感器的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理如圖5所示。計(jì)算機(jī)向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送一定數(shù)量及頻率的脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)按照相應(yīng)的速度轉(zhuǎn)過一定的角位移，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)通過聯(lián)軸器傳遞至滾珠絲杠，滾珠絲杠帶動(dòng)與滑臺(tái)連接在一起的仿生觸頭做豎直方向上的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)限位開關(guān)檢測(cè)到仿生觸頭運(yùn)動(dòng)至預(yù)先設(shè)定的下壓位置時(shí)，電機(jī)停止正向運(yùn)動(dòng)，完成觸壓動(dòng)作。

圖5 運(yùn)動(dòng)原理圖

2 傳感器的選擇

傳感器的作用相當(dāng)于人體神經(jīng)中的觸覺小體，用于感知海產(chǎn)品受壓時(shí)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(duì)海參、貝類等海產(chǎn)品設(shè)計(jì)，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(diǎn)[16]，而且防水性能好。PVDF壓電傳薄膜受壓力作用時(shí)，其正壓電效應(yīng)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(yīng)力常數(shù)矩陣；δ為應(yīng)力；εT為介電常數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣；E為電場(chǎng)強(qiáng)度。

當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度E=0時(shí)，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(jiǎn)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(dāng)壓電薄膜的工作模式為厚度模式時(shí)，δ1、δ2相對(duì)δ3要小很多，其壓電方程可以簡(jiǎn)化為

Q3=d33δ3

(4)

當(dāng)工作模式為拉伸模式時(shí)，其壓電方程簡(jiǎn)化為

Q3=d31δ1

(5)

從式(4)和式(5)可以看出，PVDF受壓時(shí)其面電荷密度Q和應(yīng)力δ呈正相關(guān)，因應(yīng)力與面積呈負(fù)相關(guān)，所以，面電荷密度Q和壓力作用面積也呈負(fù)相關(guān)。對(duì)PVDF壓電薄膜而言，截面方向的面積要遠(yuǎn)小于厚度方向的面積。因此，拉伸模式的輸出電荷要遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理兩部分組成。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制主要通過計(jì)算機(jī)向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送不同數(shù)量及頻率的脈沖，實(shí)現(xiàn)仿生觸頭按預(yù)定的速度和位移量運(yùn)動(dòng)。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(duì)采集到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)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(xué)模型。

3.1 控制系統(tǒng)硬件組成

(1)步進(jìn)電機(jī)?？紤]到該裝置在使用過程中需要頻繁啟動(dòng)，同時(shí)，結(jié)合裝置在運(yùn)動(dòng)過程中各運(yùn)動(dòng)部位所需要的力矩，選用漢德保3402HS45U13步進(jìn)電機(jī)作為運(yùn)動(dòng)裝置的動(dòng)力源，該電機(jī)步長(zhǎng)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(hào)輸入分辨率為16 bit，最高采樣速率達(dá)到每秒20萬次，采用16路模擬信號(hào)量輸入?？赏瑫r(shí)采集裝置中兩個(gè)傳感器的輸出值。模擬量的輸入電壓范圍為-10～10 V。

3.2 應(yīng)用程序的開發(fā)

基于Visual C++ 6.0應(yīng)用平臺(tái)，開發(fā)了仿生質(zhì)構(gòu)儀的軟件程序。程序主要包括運(yùn)動(dòng)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(dòng)后，刷新此時(shí)設(shè)備與計(jì)算機(jī)的連接狀態(tài)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制卡與采集卡連接到計(jì)算機(jī)后，對(duì)硬件進(jìn)行初始化操作。設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡與運(yùn)動(dòng)控制卡工作參數(shù)，并打開設(shè)備。為了保證采集卡所采集數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)采集應(yīng)先于運(yùn)動(dòng)控制卡開始工作。確認(rèn)采集卡采集到數(shù)據(jù)后，計(jì)算機(jī)向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖，控制電機(jī)按指定的速度運(yùn)行，待執(zhí)行機(jī)構(gòu)到達(dá)指定的位置時(shí)，電機(jī)停止正向運(yùn)動(dòng)，開始反向運(yùn)動(dòng)，直至回到最初位置，運(yùn)動(dòng)過程停止，仿生觸頭完成一次下壓動(dòng)作。

圖6 控制流程圖

程序運(yùn)行界面如圖7所示。界面分為4個(gè)模塊，位于左上角的采集卡控制模塊，用于設(shè)置采集卡的工作參數(shù)；左下角為運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)置模塊，通過設(shè)置不同的參數(shù)，使仿生觸頭按照預(yù)定的速度和位移量運(yùn)動(dòng)；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(yùn)行界面

4 結(jié) 論

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

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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(guó)家火炬計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2012GH560223)；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201505029)；國(guó)家海洋食品工程技術(shù)研究中心專項(xiàng)(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(xué)恒.仿生質(zhì)構(gòu)儀設(shè)計(jì)[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),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.