开题报告-基于CATIA的牛肉嫩度检测仿真机械装置设计.docx

开题报告1 绪论随着近年来人们生活水平的提高，牛肉的需求量在我国传统的以猪肉为主导的肉类膳食结构中所占比例呈逐年增长的趋势。牛肉是低脂肪、低胆固醇、高蛋白的肉食品，含有人体必须的所有氨基酸，并且富含钙、磷、铁和维生素等营养成分，牛肉的营养价值已经得到一致的公认。目前，我国的优质牛肉生产状况还不够理想，产品多为中低档牛肉，优质高档的牛肉产品较少，国内一些高级宾馆和酒店所需的优质牛肉大多数依赖进口。部位肉的质量等级标准主要由以下几个方面：肉色、大理石花纹、脂肪色、牛肉厚度、背膘厚度、pH值、嫩度、多汁性和风味。其中后三项指标通常直接有效的方法是通过专家直接品尝打分，缺乏可衡量的客观指标，这对牛肉品质鉴定工作造成了不确定因素，使消费者不能够准确的获得牛肉品质的客观评价。而牛肉嫩度是主导肉质的决定因素和最重要的感官特征，多年来一直是肉品科学家研究的焦点。怎样快速检测牛肉嫩度一直是研究的热点问题。2 研究的目的和意义牛肉嫩度的快速检测，一直是科学研究人员和肉品消费市场的有关人员以及消费者关心的话题。目前我国肉类行业评估嫩度的主要方法有感官评定法和剪切力测定法。前者准备过程比较繁琐，操作时间长，评价结果易受主观影响。利用剪切仪测量牛肉的嫩度值，需要对肉样进行较长时间的预处理，操作繁琐并且耗时，不适合工厂以及市场对牛肉嫩度品质进行实时的检测需要。许多专家、学者正尝试用各种物理或化学方法从客观角度检测牛肉嫩度，如高精密度质构仪法、光谱分析法及计算机视觉技术检测等等。其中传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一，利用压力传感器设计咀嚼机械（咀嚼机器人）的牛肉嫩度检测装置，可以实现对对肉样的客观、快速检测。牛肉嫩度的快速检测系统的开发，可以为消费者选择产品提供技术支持，同时也可以适当的维护了消费者的利益。对于生产方和销售方，利用牛肉嫩度快速检测系统可以实时对牛肉产品的品质进行监督和监控，及时发现问题，努力调整生产思路，力争多生产优质的牛肉产品，提升市场空间。牛肉嫩度快速检测系统的开发，建立在仿真机械的基础上，通过Matlab建立完善牛肉嫩度数据库系统，具有快速、客观的特点，具有实际应用价值。2.1仿真咀嚼机械装置的国内外发展现状2.1.1国外发展现状国外科研人员对咀嚼机器人的研究始于20世纪90年代初期，最初的主要研究方向是医疗咀嚼机器人，用以帮助医学实验和人类牙科研究。Gibbs et al开发了一个咀嚼复制器，但是咀嚼过程简单而单一，速度很慢；Barbenel用线性编程的方法来研究上下颌的关节力，但是缺乏深入研究，只有从定性方面进行了研究。目前对咀嚼机器人进行深入系统研究的机构主要有日本的早稻田大学和新西兰的梅西大学。其中早稻田大学主要侧重医疗方向，WJ（Waseda Jaws）和WY（Waseda-Yamanashi）系列口腔训练机器人已经形成了一个系列并且得到实际应用。梅西大学侧重于食品评估方向，致力于研究“类人”咀嚼机器人并且已经研制的数台样机并提出了一种自适应咀嚼的控制算法。2.1.1.1 WY系列口腔训练机器人日本早稻田大学从1995年开始研究WY系列的口腔训练机器人，用以治疗患有咀嚼运动障碍的病人。WY1型机器人拥有一个自由度，由两个电机驱动，可辅助实现口腔的张合运动；WY2功能较上一代有了性能方面很大的进步，有了三个自由度可以付诸实现模仿人类下颚的运动，在下颌骨上装有三轴的力传感器可以测量咬力的大小。最新一代的WY-54VI系列是比较成熟的牙科治疗机器人，增加了远程治疗中医患间的沟通功能，扩大了颌部前因治疗的应用范围。2.1.1.2 WJ和WOJ系列咀嚼机器人早稻田大学对这类咀嚼机器人的研究始于上世纪80年代末，早在1987年早稻田大学的工作人员研究了主要模仿人类咀嚼动作的机器人，以便代替人体的试验和研究。初期的WJ-0和WJ-1比较简单，采用两个直流电机，运动只有一个自由度可以简单地模拟人类张合运动。之后的WJ-2和WJ-3系列有了很大改进，增加到三个自由度，对肌肉采用非线性模拟技术，优化了控制系统。02年研制的WOJ-1RII技术已经比较成熟，它还增加了对翼内肌的模仿和不受自身重力影响的张力传感器，开发了两自由度的咬力传感器可以直接测量张合和前后两个方向的咬力，并且和WY-5RIV组成的一体化颌间牵引治疗试验平台。2.1.1.3 基于Stewart平台的咀嚼机器人基于Stewart平台的机器人采用6自由度的并联机构作为咀嚼机器人的机械结构，颅骨为静平台，下颌骨作为动平台与之配合。该机器人是在颌骨架构和咀嚼肌肉的生物力学模型上建立的。各主要闭口肌肉（颞肌、咬肌和翼外肌）都是由线性执行器表示。肌肉之间的链接模型化为球形连接，驱动器运动方向都与肌肉力的方向一致，尺寸与人类尺寸基本一致，见图1图1 Stewart平台咀嚼机器人机构模型 在这个机器人机构中，用一个执行器代表一个肌肉群，执行器的长度和闭口状态下最大肌肉群的肌肉长度一直，驱动力通过在前额面和矢状面的力矢量计算得出。该模型在模拟人类咀嚼的真实性上由很大进步，但是由于模型的尺寸限制了直线电机的驱动力，并不能达到真实的人类咀嚼运动所需的咬合力。2.1.1.4 基于6-RSS并联机构的咀嚼机器人6-RSS并联机构是Stewart机构的变形，驱动器由直线式变为旋转式。咀嚼机器人的每个RSS支路都是由直流旋转电机、曲柄和联轴器组成，去并通过旋转副连接在静平台，；联轴器通过一个球副联接曲柄和下颚。联接件的尺寸，空间位置、动作和先前模型中用于线性执行机构条件相似。 图2 6-RSS并联机构 图3 基于6-RSS并联机构的咀嚼机器人该机器人运动控制系统采用PC+运动控制卡的方式搭建，控制算法采用了传统的PID模糊控制实现咀嚼动作。2.1.2 国内发展现状 我国研究人员在咀嚼机器人方面的研究起步较晚，主要研究方向是仿生咀嚼机器人的模型构建与自动控制，仿真牙齿的应用和机械性能的提高。吉林大学孙永海等设计了仿生咀嚼装置，采用激光扫描、断层扫描等方法获取咀嚼器官的形态数据，利用逆向工程软件建立模型优化结构，并且对仿生牙齿进行了优化设计；大连理工大学的丛明等在6-RSS并联机构的基础上，建立了并联机器人的动力学方程，并利用Matlab中的机械系统仿真分析模块SimMechanics建立了咀嚼机器人的SimMechanics模型。该模型采用PID控制，实现了咀嚼机器人的轨迹跟踪。SimMeehanics利用物理原理进行可视化的建模与设计，并且可以实现和Simulink中其他工具箱的无缝结合，对机械系统进行建模仿真且应用此模块不需要求并联机器人的动力学模型，只要建立并联机器人的运动学逆解即可，这为并联机器人的研究提供了很大的方便。3 课题研究的理论依据牛肉嫩度的快速检测技术研究一直被科研人员所关注，但是目前市场上还没有牛肉嫩度快速检测系统的应用实例，市场的空白为系统的研发提供了需求。CATIA先进的混合建模技术，丰富的模块应用，极高的精确度及对产品开发过程的整体覆盖，完全可以满足仿生咀嚼机械的设计要求。机械装置在对肉样咀嚼的过程中，肉样对仿真牙反馈的力利用压力传感器转换为电信号，通过专家数据库系统的处理分析转换为可视信号，通过简单直接的方式反映给使用者。而仿真技术的日趋进步也为仿真咀嚼机械的构建提供了可能。近年来，国内外很多研究人员及其研发部门对咀嚼机器人的研究不断深入，部分不同规格型号的咀嚼机械装置被设计制造出来并投入使用，它们的设计方案和思路对本课题有极高的参考价值。4 研究的主要内容（1）查阅文献资料、进行市场调研、丰富理论知识的基础上，利用CATIA软件的零件设计模块与装配设计模块完成对咀嚼机械所有零部件的实体造型和装配工作。（2）对本实验机构设计进行控制变量试验，确定最佳设计方案。（3）利用CATIA软件中的动态模拟分析模块（DMU）对运动部件进行动态模拟分析，实现在计算机中的模拟，在产品设计开发过程中不断的用DMU进行验证，通过运动干涉检验和校核最小间隙来进行机构运动分析。 （4）合理选购电机及配件、零部件，完成样机的实体装配。5试验方案5.1仿真机械的设计5.1.1咀嚼机械结构设计基于本课题研究要求，确定4自由度的机械结构。装置计划由以下几个主要部分构成，仿生牙齿模型、上颌板、下颌板、滑轨、曲柄连杆，丝杠、基座、轴承以及驱动电机。整体机构设计，驱动单元、关节轴承的安装布局，上下颌板的空间位置应参照人体咀嚼系统，参考骨骼和咀嚼肌的运动及旋转轴等参数进行合理设计5.1.2咀嚼机械数字化建模 基于CATIA的数字化建模。对机械设备的关键零件及装配体进行数字化建模，利用实体的布尔运算或各种特征，设计出各个零件，这些零件相互装配组合，最终形成产品。 5.1.3仿真咀嚼机械的DMU分析通过DMU动态模拟分析，对产品实现真实化计算机模拟，在多次动态模拟中发现并掌握问题，加以改进，以满足实际制造需要5.2 设计要点基于仿真技术的咀嚼机械设计之初，应始终围绕仿真的主体思路，从结构尺寸和驱动运动两个主要方面进行仿真设计。上颌板与下颌板之间的空间布置应参考人类实际颌骨的空间尺寸和坐标的比例参数，尤其是代替颞下颌关节的关节轴承，应进行准确的空间定位。作为驱动的结构，其驱动力向量单位应与对应模拟的咀嚼肌力大小和方向相适应。在运动行程的规定和控制方面，参照人类咀嚼模式，合理规定线运动和角运动的行程。装设计过程中对各部件进行合理的约束，进行DMU分析，通过多次DMU分析来不断校正设计约束。5.3 试验内容5.3.1 主要结构部件的设计主要结构部件包括上颌板、下颌板，仿真口腔和机架。利用人头骨计算机扫描数据结果，通过建立坐标系，确定关键部件空间参考点和接触点的坐标。图4 下颌骨额面和矢状面坐标系和主要咀嚼肌肌肉附着点坐标和长度坐标图5给出了下颌骨五个主要参考点的坐标参数：图5 在设计过程中我们要充分考虑到咀嚼系统的生理结构，参考结构数据合理设计。5.3.2 驱动机构设计 驱动结构设计是本咀嚼装置的核心环节。传统Stewart平台的咀嚼机构，线性驱动器不能够为咀嚼过程提供足够强的咀嚼力，新型6-RSS并联机器人的旋转式驱动较为合理。图6 主要咀嚼肌在头骨坐标系中的接触点和端点坐标及总长度基于本实验对机构的实际需要，简化咬肌和颞肌为一组曲柄连杆机构，翼外肌为另外一组独立驱动机构，分别用直流伺服电机驱动。图7 仿真磨齿咀嚼装置概念图5.3.3 装配利用CATIA软件装配设计模块进行装配和合理约束，在有需求的情况下还要完成设备虚拟装配序列规划。5.3.4 DMU动态模拟分析5.3.4.1 DMU的概念和应用CATIA是一个大型的综合性软件，不只是可以建立机械数字模型，而且还可以进行动态模拟分析（DMU）、CAE 分析、人机工程模拟等综合性分析工作，而其中的DMU（Digital Mock- Up）即电子样机，可以对产品进行真实化的计算机模拟。电子样机技术加强了设计过程中最为关键的空间和尺寸控制之间的集成，在产品设计开发过程中不断的用电子样机进行验证，通过运动干涉检验和校核最小间隙来进行机构运动分析。能够有效的发现或避免设计中的错误和不当。目前DMU动态模拟分析主要应用领域在汽车及航天制造业，利用已经建立好的数字模型，完成虚拟装配后调入DMU模块进行约束和数字模拟，为产品的最优化工艺提供参考。5.3.4.2 本实验装置的DMU分析本实验所设计仿生咀嚼机械主要包括两个运动单元，应首先分别进行DMU分析,了解其各构件运动情况以验证其运动方式和轨迹是否与设计相符，最后完成整机的DMU分析。在整体DMU分析中，考虑到上下颌运动的配合应符合人类咀嚼模式，以及仿生牙齿间的接触面和压应力和剪切力的计算。6 预期结果本实验主要研究内容是仿真咀嚼机械装置的开发，参考了Stewart平台的咀嚼机器人和6-RSS并联机器人的设计思路，利用CATIA软件进行数学模型设计和DMU运动分析，最终通过实验来确定最佳运行参数，完成整体装置的设计。对试验中产生的误差干扰，应通过实时分析计算来修正。预期成果：仿生咀嚼机械装置一台； 设计说明书5000字参考文献1 汤晓艳，等.对中国牛肉分级制度的几点思考C.黄牛杂志，2003，29（2）：53-56.2 张凌，王笑丹，等.吉林省牛肉品质控制及评定J.吉林农业科学，2008，33（4）：43-45,65.3 赵改名，等.影响牛肉嫩度的因素及其机制J.国外畜牧科技，2000，27（2）：35-40.4 孔晓玲，等.关于肌肉嫩度评价方法的比较研究J.农业工程学报，2003，19（4）：216-219.5 彭彦昆，等.光谱技术在生鲜肉品质安全快速检测的研究进展C.5 马世榜，等.生鲜肉类品质快速无损检测技术的研究进展C.农产品质量安全与现代农业发展专家论坛论文集，2011.7 孙钟雷，孙永海，等.仿生咀嚼装置设计与试验J.农业机械学报，2011,42,（8）：214-218.8 丛明，等.咀嚼机器人的研究现状与发展R.机器人技术与应用，2009（6）：21-24.9 苌占波.咀嚼机器人建模与控制研究D.硕士学位论文.大连：大连理工大学，2010.10 B.Daumas,ed. 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