樊向超开题报告单面打印

1、 1.研究的目的意义牛肉是具有高蛋白、低脂肪、低胆固醇的肉类，食用价值较高。随着人民生活水平的逐渐提高，人们对牛肉的消费量也在逐年增加1，专家估计到 2020 年中国国内的人均牛肉年需求量可达 9.41kg，到 2030 年可达 10.43kg2。牛肉的消费水平是所有肉类中增长幅度最大、增长速度最快的，但是牛肉的供给还是小于需求3，同时牛肉的品质也受到了很大的重视，人们对牛肉质量的要求也越来越高，因此对牛肉品质的分析就显得特别重要，但我国肉牛产业起步较晚，与发达国家还有一定的差距，主要表现为缺乏统一的质量评定方法与标准 4，使用化学方法检测牛肉的品质虽然具有较高的测量精度5，但是通常检测设备价

2、格昂贵且较复杂，操作要求高，测量时间长，检测成本相应较高。 1.1牛肉嫩度快速检测自动化控制设备的种类1.1.1(TMS-Pro 专业级)食品物性分析仪(简称“质构仪”)质构仪是高校、科研院所、食品企业、质检机构实验室等部门研究食品物性学有力的分析工具，主要分析嫩度、硬度、脆性、粘性、弹性、咀嚼性、拉伸强 度、抗压强度、穿透强度、各种物性模量、恢复性、疲劳强度等指标6。测试参数包括硬度、弹性、内聚性、黏附性、松弛性、食物加工法、恢复度、破坏强度、张 力、断裂强度、破裂点、剥离强度、疲劳强度、铺展性7。质构仪可应用于肉制品、粮油食品、面食、谷物、糖果、果蔬、凝胶、果酱等8 食品的物性学分析，对于

3、肉制品嫩度的测定，通常采用的是单刀和多刀剪切的方法9。单刀剪切的方法通常适合于均质、易切割、形状比较规则的样品测试， 否则就需要经过大量的前处理进行规则取样；对于生牛肉、猪肉等肉质纤维韧性比较大、形状不规 则、不易取样的样品，单刀剪切的方法就很难得到稳定有 效的实验结果，选用多刀剪切的方法就可以充分避免样品外形对检测结果的影 1 响，如结果为最大力与样品重量的比值，此比值会非常稳定并反映了样品的嫩 度特性10。 1.1.2 仿生食品质构仪仿生食品质构仪是根据牙齿感知食物质地的机理，通过仿生技术全面模仿牙齿、牙周膜、咀嚼运动、口腔温度以及唾液分泌而设计的仿生食品质构仪， 在食品质地测试中能为食品

4、质地的客观、准确、快速评价提供一种新仪器11。仿生食品质构仪包括仿生咀嚼装置、仿生牙周膜、信号调理电路、测试软件等重要部分构成。仿生咀嚼装置由仿生牙齿、仿生颞下颌关节、仿生上下颌、仿咀嚼肌弹簧、动力系统、装卸料机构、支撑架等构成，能够实现三维咀嚼运动， 完成压碎、磨细食物的功能。仿生牙周膜是牙根周围的纤维组织薄膜，在设计上，要求极为敏感的机械感受器，能够感知齿面上微小的触压力。PVDF 压电薄膜作为本装置的敏感元件来模仿牙周膜机械感受器。信号调理电路依据PVDE 压电薄膜和信号采集卡而设计，采用了两级信号放大电路，放大的信号可以通过电路调节，放大电路输出的电压与仿生牙周膜所受压力呈线性关系。测

5、试软件实现了食品质地信号的自动采集和分析处理以及信号曲线图的绘 制。 1.1.3C 一 LM3 型数显式肌肉嫩度仪C 一 LM3 型数显式肌肉嫩度仪基于 WarnerBratzler 剪切仪的工作原理， 结合传感器、微电子技术与计算机控制技术于一体，肌肉嫩度测量系统采用单片机控制技术进行检测分析12。工作过程：标准剪切器剪切肌肉试样产生的力值通过力传感器转换成电信号，通过电信号放大电路将电信号放大，通过A/D 转换器将模拟量转换成数字量由单片机处理。通过主机系统配备的按键显 示窗口实现人机对话。 2 1.1.4 仿齿咀嚼食品机器人食品咀嚼机器人能够仿类的方式进行咀嚼，我们可以在其咀嚼过程中收集

6、食品颗粒，并分析被咀嚼食品的属性特点13。2002 年，梅西大学开始对食品咀嚼机器人进行研究，通过六自由度的并联机构来仿的咀嚼动作，采用神经振荡器产生类似肌肉的节律运动，取得了良好的效果。 基于 Stewart 平台的食品咀嚼机器人采用 6 自由度的并联机构作为它的机械结构，将颅骨作为静平台，下颌骨作为动平台与之配合14。该机器人是根据人的颌骨结构和咀嚼肌肉的生物力学模型建立的。咀嚼力通过在额叶和矢状面的力矢量计算得出，每个执行器的插入坐标为通过扫描下颌骨得到15。该模型能够模拟人类咀嚼的真实性，但是直线电机的驱动力受限于模型的尺寸， 并不能达到真实的人类咀嚼运动所需的咬合力。 基于 6RSS

7、 并联机构的咀嚼机器人是基于 Stewart 平台机构的变形，驱动器由直线式转变为旋转式。咀嚼机器人的每个 RSS 支路都由直流旋转电机、曲柄和联轴器组成，曲柄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16。联接件的尺寸、位置、动作及需求的力和先前模型中用于线性执行机构条件相似，该机器人的运动控制系统采用 PC+运动控制卡的方式搭 建，控制算法采用了传统的 PID 控制实现咀嚼动作17。 1.2关于仿齿咀嚼模型自动化控制的研究意义肉类消费需求日益增长，牛肉的出口需求量不断上涨，我国肉类产业发展迅猛。优质的牛肉是消费者购买的前提，更是在市场经济中立足的根本。我国肉类行业用来评估嫩度

8、的主要方法有感官评定法及机械检测法。感官评定法准备过程比较繁琐，操作时间长，结果易受评定人员主观影响。机械检测法既是使用剪切仪测量牛肉的嫩度值，该方法肉样预处理时间长，比较耗时，不适合工厂实时检测的要求18。就目前来看，现有的牛肉品质评定方法已不能满足现代化肉类工业的需要，客观、快速、准确的牛肉品质在线检测方法迫在眉睫。 随着高科学技术发展和研究的深入，新世纪世界性科技革命正在形成，各 3 国都在加速技术创新和科技进步。从定性和定量两方面出发，准确、可靠、方便、快速、经济的方法是牛肉嫩度检测的发展方向。本课题在现有研究基础上运用现代自动化控制技术，依据人齿咀嚼的模型，对仿齿咀嚼模型自动化控制进

9、行设计研究，完成设备对牛肉嫩度自动进行快速客观的检测，符合牛 肉品质检测现代化的需要，符合国民经济和社会发展的迫切需要。 2.研究现状咀嚼装置的控制器是咀嚼装置的核心设备，承担着处理传感信息、咀嚼轨迹、执行机构控制等任务。咀嚼装置的性能很大程度上取决于其控制方式的选择与实施。 目前，控制模式主要有分布式控制和单处理器式控制。分布式控制的结构特点是若干下位机结合单个或多个上位机。每个相对独立的模块，如传感模块、驱动模块等，均搭载下位机对数据进行初步的处理，并为上位机提供信息19； 上位机接收各下位机的数据信号进行核心运算处理。在某些高级的分布式控制器中，下位机也可通过系统总线进行交流与通信。分布

10、式控制的特点是分布性、通信性和稳健性。单处理式控制中，处理器可直接接收传感器信号和输出驱动控制信号，自带D/A 转换等功能，具有可靠性高、维护简便、操作容易和开发周期短等诸多优点。咀嚼装置需处理的信息量适中，在初期样机开发阶段时需要处理器具有较灵活的反馈能力，比较适合采用中高档单处理器式控制20。 目前，咀嚼装置可用的集中式控制器主要有 ARM、PMAC 和 DSP 等控制器。 2.1模糊 PID 控制模糊控制建立在人工控制经验的基础上，具有两个优点：（1）模糊控制在许多场合可以使人工控制策略和控制经验得到最大的发挥；（2）模糊控制不需要知道被控对象的精确数学模型就能够实现比较理想的控制21。

11、模糊控制器一般由模糊化接口、知识库、模糊规则库、推理机和解模糊接口组成22。 结合传统 PID 控制与先进的专家系统，以实现系统的最佳控制。将操作 4 人员长期实践积累的经验知识用控制规则进行模型化。模糊理论解决了操作人员不易进行精确描述的实践经验。因此运用模糊数学把规则的条件、操作用模糊集来表示，并把这些模糊控制规则以及有关信息作为知识规律存入知识库中，然后计算机根据控制系统的实际情况，运用模糊推理，即可自动实现对PID 参数的最佳调整，这就是模糊自适应 PID 控制23。 利用模糊 PID 控制器对咀嚼装置的咀嚼轨迹进行跟踪的仿真。咀嚼装置的轨迹通过下颌骨平台上的一个参考点的运动轨迹来定义

12、。仿真结果显示：各个参考点中切牙处的位移最大，磨牙处其次，髁突处最小，似香蕉的扁圆空间曲线，这与人类咀嚼时的真实轨迹是相似的，仿真中，形状为类驱动杆的位置误差没有随时间而消减，这是由于咀嚼机器人的并联结构具有强祸合性和非线 性，模糊 PID 不能够完全解决这一问题，而只能使误差减小到一定范围24。 2.2基于生物中枢神经发生器(CPG)原理的运动控制生物神经元振荡器是指能够产生振荡行为的组织，它们往往由相互之间存在复杂连接的大量神经元细胞构成，在运动、感知、记忆等方面扮演不可或缺的重要角色25。人的咀嚼活动是由中枢神经发生器(CPG)来发出指令实现的，咀嚼系统的肌肉产生动作是依靠由神经元所产生

13、的有节律的指令和个人的咀嚼期望所决定的，同时也会对来自食物的阻力产生自适应调整。为了能够使咀嚼机器人像人一样咀嚼，应当使机器人具备上面提到的有节律的，预期动作和自适应调整的行为。利用神经元振荡器作为中枢模式发生器来产生有节奏的控制命令，同时还能针对传感系统的反馈发出额外的控制补偿信号26。这种方式可以较好的实现对生物中枢神经发生器模式的模拟，在咀嚼的真实性上有了 很大程度的提高。 3.课题研究的理论依据本研究在之前“大学生创新性实验项目”中的研究成果的基础上，针对初 步设计的仿齿咀嚼模型的控制系统进行研究设计。 5 咀嚼运动是周期性的咬合运动，一个正常的咬合过程可以被分成三个阶段：张开、闭合和

14、咬合。下颌张开的速度开始很慢，后来逐渐加快。开始闭合的时候，下颌横向向前运动，快速闭合。当咬合的时候速度减慢27。采用 3 维空间测量仪可以测得咀嚼过程中选定参考点的运动轨迹。根据成人用右侧咀嚼牛肉时，五个参考点的正面及侧面轨迹28。（本研究仅仅考虑控制系统实现下颌的运动。）应用 MATLAB 中的 Simulink/SimMechanics 库可以用来对并联机器人进行建模仿真，应用此模块不需要求出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，而并联机器人的运动学逆解是相对容易取得的。采用 SimMechanics 中的模块可构造其系统模型，该模型采用 PID 控制 器可实现仿齿

15、咀嚼模型的咀嚼运动。 4.主要研究内容本试验研究仿齿咀嚼模型的运动控制系统，应用 MATLAB 中的SimMechanics 库对该机械装置进行建模仿真，然后用 PID 控制器实现该模型的自动化控制。本试验研究的顺序和主要内容如下： （1） 查阅相关资料确定并联机器人的一般控制方法，并分析其控制条件； （2） 学习步进电机控制器的应用，并分析运动方式； （3） 设计 MCU 控制系统； 6 5.试验准备（设备及器具）仿齿咀嚼模型（图 5-1）。图 5-1仿真咀嚼模型7 6.试验方案6.1 运用步进电机控制器实现步进电机控制器是一种能够发出均匀脉冲信号的电子产品，它发出的信号进入步进电机驱动器后

16、，会由驱动器转换成步进电机所需要的强电流信号，带动步进电机运转。步进电机控制器能够准确的控制步进电机转过每一个角度。 驱动器所接收的是脉冲信号，每收到一个脉冲，驱动器会给电机一个脉冲 使电机转过一个固定的角度，通过此种方式可以实现步进电机的运动控制。 6.2 运用 MCU 实现本设计是采用 AT89S51 单片机控制步进电机驱动芯片 THB6064AH 控制步进电机，结合 PID 控制技术，通过合理的程序，使得人齿仿真咀嚼模型的咀嚼运动满足成人咀嚼运动轨迹，实现自动化控制。 7.试验预测咀嚼是一个复杂的过程，其功能是使食物在口腔中与唾液一起处理成适合吞咽的形式(食团)。咀嚼过程有三个阶段：摄取

17、、咀嚼过程、清理和吞咽。一般来讲，仿齿咀嚼模型所关注的是第二阶段咀嚼过程。咀嚼过程中，上颌骨保持静止，下颌骨相对头骨做空间的三维运动。在模型设计上未能够做到完 全仿真，因此咀嚼模型的自动运动只能做到普通的咀嚼动作。 8 参 考 文 献1 霍灵光，田露，张越杰中国牛肉需求量中长期预测分析J .中国畜牧杂志， 2010，46(2)：43-47 2 田露，王军，张越杰中国牛肉市场价格动态变化及其关联效应分析J农 业经济问题，201212：79-83 3 李丰消费者质量安全牛肉购买行为研究D吉林农业大学，2012 4 袁静，张春雷，汪琴，陈宏牛肉品质安全检测的技术研究进展J中国牛业科学，2011，37

18、（2）：57-60 5 陈士进，彭增起，李景军等光谱技术预测牛肉嫩度研究进展J食品科学， 2013，34（1）：333-339 6 林芳栋，蒋珍菊，廖珊，游娟，李朝学质构仪及其在食品品质评价中的应 用综述J生命科学仪器，2009，7：61-63 7 张馨木质构仪测定冷鲜肉新鲜度方法的研究D吉林大学，2012 8 纪宗亚质构仪及其在食品品质检测方面的应用J食品工程，2011，3：22-25 9 程学勋，林洁文，黄敏，袁秀文质构仪及其在食品研究中的应用简介J广东化工，2012，39（9）：164-165 10 田潇瑜，徐杨，彭彦昆，马世榜，唐鸣，牛力钊基于支持向量机的牛肉嫩度等级评价模型研究J食品

19、安全质量检测学报，2012，3（6）：613-616 11 孙钟雷，孙永海，李宇，刘晶晶，李君兴仿生食品质构仪设计与试验J.农业机械学报，2012，43（1）：230-234 12 果莉C-LM3 型数显式肌肉嫩度仪的研究D东北农业大学，2002 13 w.L.xu，D.Lewis，J.Bronlund，M.MorgenstermMeehanism，design and motion control of a linkage chewing deviceJ.Mechanisms and Machine Theory，2008， 43(2)：376-389.14 陈丽Stewart 平台 6-D

20、OF 并联机器人完整动力学模型的建立J.燕山大学学报，2004，28(3)：228-232 15 C.Clason ， A.M.Hinz ， H.Sehieferstein.A method for material parameterdeterminationforthehumanmandiblebasedonsimulationandexperimentJ.Compute Methods Biomech Biomed，2004，7(5)：265-276 16 刘英想，刘军考，陈维山6-RSS 并联机器人运动学分析J.机械工程师， 2006，9：24-27 17 W.L.Xu，JE.Bronlund，J.Potgieter，K.D.Foste，O.Rohrle，A.J.Pullan，J.A.Kieser， Review of the human masticatory system and masticatory roboticsJ.Mech