用于食品检测的咀嚼平台机构及其控制系统研究

摘要

咀嚼平台是集机构学、运动学、控制工程、软件工程等多学科领域技术于一体的应用产品，可以近似地模拟人类口颌的咬合咀嚼行为，在牙科学、生物力学、尤其是食品科学领域具有一定的应用价值。本文结合人类口颌肌肉在下颌骨的插入点，提出了一种能够实现咬合咀嚼功能的咀嚼平台机构。 该机构与以往的咀嚼机器人不同，将人类的咬合咀嚼行为看做是上颌与下颌的相对运动，两者独立驱动，互相配合，共同完成咬合咀嚼功能。本文中采用两条PUS支链模拟咬肌在下颌骨的插入位置对下颌转动平台进行双侧驱动。并在综合考虑牙齿最大咀嚼力以及运动过程中机构的受力情况下，给出了部分关键零件的具体型号参数；通过Workbench仿真平台对机构的关键零部件做了静力学仿真，验证了机构所选材质在承受最大咀嚼力的情况下，其形变量和应力应变等参数在合理的范围之内；推导了丝杠工作台与下颌安装板之间的运动位置关系，并基于此得出了下颌最大开口时限位开关的安装高度。 随后，结合机构的特性和所要实现的运动功能，提出了总体控制方案并对硬件选型做了详细地分析。通过MATLAB拟合出了压力传感器的电阻-压力的关系曲线。设计了基于DMA传输方式的多通道数据采集的软件实现部分，并给出了基于串口通信方式的数据帧格式。设计了可调速、脉冲个数可控的步进电机控制方案，并在此基础上给出了机构在咬合和咀嚼运动模式下按指定咀嚼力运动的控制策略。 接下来对咀嚼平台机构的上位机软件开发进行了需求分析，并在此基础上，给出了上位机功能实现的总体框架，介绍了上位机开发过程中所涉及到的关键技术，并最终实现了用户登录、用户管理、串口通信连接、多通道数据采集显示、数据校验、数据转换、数据保存等功能模块。最后，对咀嚼平台样机进行了综合测试，验证表明了样机运行基本无误，咀嚼力误差与设定值误差较小。

目录

第一章 绪 论

1.1 论文选题的背景和意义

1.2 咀嚼机器人研究进展

1.2.1 单轴咀嚼模拟装置

1.2.2 双轴咀嚼模拟装置

1.2.3 多自由度咀嚼模拟装置

1.3 本文的主要研究内容与思路

第二章 咀嚼平台机构设计

2.1.1 下颌肌肉系统

2.1.2 口腔牙齿及咀嚼力

2.2 咀嚼平台机构设计

2.2.1 牙齿模型的选择

2.2.2 上颌运动平台结构设计

2.2.3 下颌转动平台结构设计

2.2.4 驱动链结构设计

2.2.5 咀嚼平台极限开合位置设计

2.2.6 整体结构设计

2.3 关键部件有限元仿真分析

2.3.1 Workbench有限元分析简介

2.3.2 机架有限元分析

2.3.3 下颌球铰连接块有限元分析

2.4 运动学仿真分析

2.5 本章小结

第三章 硬件系统选型及其下位机控制设计

3.1 控制系统总体设计

3.2 硬件选型

3.2.1 控制芯片选型

3.2.2 电机选型

3.2.3 驱动器选型

3.2.4 压力传感器选型

3.2.5 接近开关选型

3.3 通信协议设计

3.3.1 RS-232协议分析

3.3.2 上位机至下位机数据帧格式设计

3.3.3 下位机至上位机数据帧格式设计

3.3.4 CRC校验

3.4 多通道数据采集软件设计

3.5.1 步进电机运动控制设计

3.5.2 咬合模式下的定咀嚼力控制策略设计

3.5.3 咀嚼模式下的定咀嚼力控制策略设计

3.6 本章小结

第四章 咀嚼平台机构上位机软件设计

4.1 咀嚼样机上位机软件需求分析

4.2 咀嚼样机上位机总体设计

4.3 上位机软件关键技术

4.3.1 动态子Ⅵ

4.3.2 生产与消费者模式

4.3.3 数据库连接技术

4.4.1 系统主界面设计

4.4.2 登录系统模块的设计与实现

4.4.3 用户管理模块的设计与实现

4.4.4 串口通信模块的设计与实现

4.4.5 数据校验模块的设计与实现

4.4.6 数据处理模块的设计与实现

4.4.7 数据储存模块的设计与实现

4.4.8 咀嚼样机系统综合测试

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果