仿生质构仪设计

郑 元 松， 王 慧 慧， 吕 艳 ， 杨 继 新， 陶 学 恒

( 1.大连工业大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 大连 116034；2.大连工业大学 国家海洋食品工程技术研究中心, 辽宁 大连 116034 )

仿生质构仪设计

郑 元 松1,2， 王 慧 慧1,2， 吕 艳1,2， 杨 继 新1,2， 陶 学 恒1,2

( 1.大连工业大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 大连 116034；2.大连工业大学 国家海洋食品工程技术研究中心, 辽宁 大连 116034 )

设计了一种成本低、操作简单、基于人类检测习惯的仿生质构仪，并设计了多种形状的仿生触头。利用三维软件SolidWorks实现了该装置的三维建模，验证机构可行性。结合压力传感器、PVDF压电传感器，以步进电机作为运动单元动力源，完成仿生触头触压海产品的动作，通过数据采集卡实现压力数据的采集与转换。以Visual C++ 6.0为应用平台，开发了仿生质构仪的应用程序，实现触压动作的自动实施、压力数据的自动采集和处理。

质构特征；仿生质构仪；三维建模；传感器

0 引 言

反映海产品质构特征的参数，如硬度、弹性、黏性、凝聚性等，不仅与海产品食用时的口感具有密切的联系[1-2]，也影响着再次加工所生产出产品的品质。目前，评价海产品质构特征的方法有感官评定法和仪器评定法[3]。感官评定法对鉴评人员的要求较高，评定过程中主观因素的影响较大，评价结果模糊，是一种定性分析方法[4]。仪器评定法目前使用最多的是质构仪，通过模拟人的两次咀嚼动作，建立咀嚼过程中力与位移的数学模型，找出与感官评定对应的参数[5-8]。研究表明，使用质构仪和感官评定两种方法所测得的海产品硬度、弹性、凝聚性等质构特征参数之间的相关性能达到80%[9-13]。肖桂华等[14]利用质构仪对鲍鱼腹足不同部位的质构特性进行测定，结果表明，各项质构特征参数之间具有很好的相关性。Morkoren等[15]用质构仪对鲟鱼进行质构特征分析，并把分析结果与感官评定结果进行比较，发现仪器评定与感官评定数据之间有高度的相关性。但质构仪价格昂贵，操作复杂，对物料形状、规格要求较高，因而给试验和检测造成很大的不便。本研究模拟人指触压海产品的动作，针对海参、贝类等海产品，设计了一种成本低、操作简单、稳定性好的仿生质构仪。

1 仿生质构仪组成

该装置由支架、运动单元、载物台三部分组成，其整体结构三维模型如图1所示。支架材料选用质量轻、硬度高的工业铝型材，通过螺栓连接成图1所示支架，在整个装置中起支撑作用。

图1 仿生质构仪三维结构图

为了模拟人指触压海产品的动作，设计如图2所示的运动单元。该运动单元由步进电机、盖板、传感器转换装置、仿生触头、限位开关、滚珠丝杠、滑台及主体型材组成。设计运动行程为500 mm 的直线滑轨，保证仿生触头在运动过程中对海产品施加垂直方向的作用力。利用多种传感器模拟人指内部感知触觉的触觉小体，用于检测仿生触头触压海产品时作用在海产品上的生物力。传感器与仿生触头通过螺栓进行连接固定。

图2 仿生质构仪运动单元

在该装置中，选用压力传感器和PVDF压电传感器检测海产品受压时所受的作用力，为了快速实现两种传感器的转换，设计了如图3所示的转换装置。可以根据需要，快速的切换两种传感器。

图3 转换装置

因反映不同海产品质构特征的参数不尽相同，设计了楔形、锥形、球形等不同形状的仿生触头，其形状如图4所示。

图4 仿生触头

整个机构的运动原理如图5所示。计算机向步进电机驱动器发送一定数量及频率的脉冲，控制步进电机按照相应的速度转过一定的角位移，步进电机的运动通过联轴器传递至滚珠丝杠，滚珠丝杠带动与滑台连接在一起的仿生触头做竖直方向上的运动。当限位开关检测到仿生触头运动至预先设定的下压位置时，电机停止正向运动，完成触压动作。

图5 运动原理图

2 传感器的选择

传感器的作用相当于人体神经中的触觉小体，用于感知海产品受压时仿生触头作用在海产品上的生物力。本装置选用了两种类型的传感器：S型压力传感器和PVDF压电传感器。

2.1 压力传感器选取

由于本装置主要针对海参、贝类等海产品设计，考虑到此类海产品硬度较低，因此选用满量程为5 kg的压力传感器，传感器与仿生触头通过螺栓连接。传感器所获得的压力数据由采集卡采集并转换。

2.2 PVDF压电传感器

PVDF是一种新型高分子聚合物压电材料，它具有宽频响，压电系数高，体积小、灵敏度高的优点[16]，而且防水性能好。PVDF压电传薄膜受压力作用时，其正压电效应压电方程为

Q=dδ+εTE

(1)

式(1)中：Q为面电荷密度，Q=[Q1Q2Q3]；d为压电应力常数矩阵；δ为应力；εT为介电常数矩阵的转置矩阵；E为电场强度。

当电场强度E=0时，压电方程为

Q=dδ

(2)

考虑到PVDF压电薄膜很薄，电极均是从上下表面引出，其压电方程可以简化为

Q3=d31δ1+d32δ2+d33δ3

(3)

已知压电薄膜的工作模式有厚度模式和拉伸模式两种[17]，当压电薄膜的工作模式为厚度模式时，δ1、δ2相对δ3要小很多，其压电方程可以简化为

Q3=d33δ3

(4)

当工作模式为拉伸模式时，其压电方程简化为

Q3=d31δ1

(5)

从式(4)和式(5)可以看出，PVDF受压时其面电荷密度Q和应力δ呈正相关，因应力与面积呈负相关，所以，面电荷密度Q和压力作用面积也呈负相关。对PVDF压电薄膜而言，截面方向的面积要远小于厚度方向的面积。因此，拉伸模式的输出电荷要远大于厚度模式的输出电荷。本装置在压电薄膜与仿生指骨间增加一层高分子材料，使PVDF的工作模式为拉伸模式。

3 控制系统及其组成

控制系统由运动系统控制和数据处理两部分组成。运动系统控制主要通过计算机向步进电机驱动器发送不同数量及频率的脉冲，实现仿生触头按预定的速度和位移量运动。数据处理需要完成的工作是利用数据采集卡采集和转换仿生触头作用在海产品上的作用力值、对采集到的压力数据进行滤波处理、根据所得到的压力数据建立压力与位移的数学模型。

3.1 控制系统硬件组成

(1)步进电机。考虑到该装置在使用过程中需要频繁启动，同时，结合装置在运动过程中各运动部位所需要的力矩，选用汉德保3402HS45U13步进电机作为运动装置的动力源，该电机步长1.8°，保持转矩为4.5 N·m。

(2)USB9212A数据采集卡。该采集卡模拟信号输入分辨率为16 bit，最高采样速率达到每秒20万次，采用16路模拟信号量输入。可同时采集装置中两个传感器的输出值。模拟量的输入电压范围为-10～10 V。

3.2 应用程序的开发

基于Visual C++ 6.0应用平台，开发了仿生质构仪的软件程序。程序主要包括运动系统控制、数据处理和数据显示。

程序流程如图6所示。程序启动后，刷新此时设备与计算机的连接状态，当运动控制卡与采集卡连接到计算机后，对硬件进行初始化操作。设置数据采集卡与运动控制卡工作参数，并打开设备。为了保证采集卡所采集数据的完整性与准确性，数据采集应先于运动控制卡开始工作。确认采集卡采集到数据后，计算机向驱动器发送脉冲，控制电机按指定的速度运行，待执行机构到达指定的位置时，电机停止正向运动，开始反向运动，直至回到最初位置，运动过程停止，仿生触头完成一次下压动作。

图6 控制流程图

程序运行界面如图7所示。界面分为4个模块，位于左上角的采集卡控制模块，用于设置采集卡的工作参数；左下角为运动控制卡设置模块，通过设置不同的参数，使仿生触头按照预定的速度和位移量运动；右侧为数据的显示模块，分别用数字和图像的方式将采集到的压力数据显示在软件界面中。

图7 程序运行界面

4 结 论

基于人指触压海产品的动作，设计了一种用于检测海产品质构特征的仿生质构仪，并设计了楔形、球形、锥形等不同形状的仿生触头，用于检测不同海产品的质构特征参数。以Visual C++6.0为应用平台，开发了该装置的应用程序。结合所需要的检测精度，选取合适的硬件，制作出了该仿生质构仪的样机。为方便、快捷的测定海产品质构特征提供了一种检测工具。

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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.

国家火炬计划重点项目(2012GH560223)；海洋公益性行业科研专项(201505029)；国家海洋食品工程技术研究中心专项(2012FU125X03).

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

TP23

A

1674-1404(2017)03-0214-04

郑元松,王慧慧,吕艳,杨继新,陶学恒.仿生质构仪设计[J].大连工业大学学报,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.