一种咀嚼仿生装置及其应用的制作方法

本发明涉及一种咀嚼仿生装置及其应用，属于仿生机械领域。

背景技术：

咀嚼仿生装置是一种对人类咀嚼活动进行模拟的装置，其在很多领域都有应用，比如在食品领域，可以用来模拟人类咀嚼动作粉碎食物，从而测定食物的各种特性；再比如，在口香糖生产过程中，需要利用咀嚼仿生装置最大程度的模拟口香糖在人体口腔中的咀嚼状态，从而对口香糖的生产提供参考价值，甚至在烟草行业，为了测定食用无烟气烟草制品在人体口腔环境下的功能释放情况进而对其进行开发和品质掌控，也需要使用咀嚼仿生装置。

上述应用领域中，传统方式利用人体试验者虽然可以真实模拟，但实验结果受主体因素影响较大，重现性差，而一些现有的模拟咀嚼装置只是简单的利用机械结构模拟口腔牙齿的上下咬合动作，但人体口腔在咀嚼食物过程中并非简单的牙齿上下咬合动作，还需要舌头、腮帮以及口腔内所分泌的唾液相互配合。

申请号为201620742852.2、发明名称为一种咀嚼机械齿中给出了能够模拟人体口腔中牙齿舌头、腮帮以及口腔内所分泌的唾液之间的相互配合动作的咀嚼机械齿，但是并不能准确模拟人体口腔中的上下牙齿的咀嚼轨迹，所以亟需一种能够最大程度的模拟口腔咀嚼过程的咀嚼仿生装置。

技术实现要素：

为了解决目前存在的现有的模拟咀嚼装置无法真实模拟人体口腔咀嚼过程的问题，本发明提供了一种咀嚼仿生装置及其应用。

本发明的第一个目的在于提供一种咀嚼仿生装置，所述咀嚼仿生装置包括：凸轮连杆机构、曲柄摇杆机构、仿生上牙、仿生下牙、上牙运动平台；所述咀嚼仿生装置采用上下牙倒置的结构，其中，仿生下牙部分的运动以凸轮连杆机构实现，仿生上牙部分的运动通过曲柄摇杆机构实现。

可选的，所述凸轮连杆机构包括凸轮、两节连杆、滚子和弹簧，其中凸轮形状根据人体下牙在冠状面上的实际咀嚼痕迹设定，所述仿生下牙通过凸轮连杆机构模拟人体下牙的咀嚼运动。

可选的，所述咀嚼仿生装置还包括减震器；仿生下牙通过减震器机构与凸轮连杆机构相连。

可选的，所述仿生上牙通过曲柄摇杆机构实现水平面上圆弧形的咀嚼运动轨迹，通过圆弧形的前后运动实现对食物的剪切。

可选的，所述咀嚼仿生装置内部还包括喷嘴装置，所述喷嘴装置用于向咀嚼仿生装置内注入润滑液以模拟人体唾液的作用。

可选的，所述仿生上牙下部还设置有物料收集装置，所述物料收集装置用于接住咀嚼时掉落下来的物料。

可选的，所述减震器包括：辅助杆件、引导销钉、压缩弹簧、铝套管，其中，辅助杆件用于保证压缩弹簧的压缩力不超过上限值；引导销钉在减震器狭槽内上下运动以减少压缩弹簧的振动。

可选的，所述仿生上牙固定于上牙移动平台上，上牙移动平台通过一对直齿圆柱锥轮的传动实现仿生上牙的上下移动。

可选的，所述上牙移动平台能够手动调节上下位置，用于保证上下牙的啮合程度。

本发明的第二个目的在于提供上述咀嚼仿生装置在食品、烟草、牙科学及医疗、口腔植入体领域内的应用。

本发明有益效果是：

通过采用上下牙倒置的结构，保证了咀嚼仿生装置的稳定性，通过凸轮连杆机构实现仿生下牙部分的运动，通过曲柄摇杆机构实现仿生上牙部分的运动，其凸轮形状根据人体下牙在冠状面上的实际咀嚼痕迹设定，从而使得凸轮连杆机构带动仿生下牙最大程度的模拟人体下牙在冠状面上的类似水滴形的实际咀嚼痕迹；而曲柄摇杆机构带动仿生上牙实现水平面上圆弧形的咀嚼运动轨迹，通过圆弧形的前后运动模拟人体上牙对食物的剪切运动；进一步的，仿生下牙通过减震器机构与凸轮连杆机构相连，增加了咀嚼仿生装置的使用寿命；进一步的，咀嚼仿生装置内部还包括喷嘴装置，用于向咀嚼仿生装置内注入润滑液以模拟人体唾液的作用，同时，仿生上牙下部还设置有物料收集装置，用于接住咀嚼时掉落下来的物料，防止落入咀嚼仿生装置其他部位影响其运行；进一步的，通过手动调节上牙移动平台，保证了上下牙的啮合程度，从而使得整个咀嚼仿生装置能够最大程度的模拟人体真实的口腔咀嚼过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的咀嚼仿生装置的运动简图，其中，1-凸轮连杆机构，2-减震器机构，3-仿生下牙，4-仿生上牙，5-上牙运动平台，6-曲柄摇杆机构，7-锥齿轮传动机构，8-链传动机构；

图2是本发明提供的咀嚼仿生装置的结构示意图，其中，9-电机传动轴，10-喷嘴，11-物料收集装置，12-减速器；

图3是本发明提供的咀嚼仿生装置中的凸轮连杆机构装配简图，其中，13-滚子杆件，14-凸轮，15-连杆ι，16-连杆π，17-弹簧；

图4是本发明提供的咀嚼仿生装置中的减震器示意图，其中，18-辅助杆件，19-引导销钉，20-压缩弹簧，21-铝套管；

图5是本发明提供的咀嚼仿生装置中的曲柄摇杆机构示意图，其中，22-圆盘，23-连杆，24-摇杆；

图6是本发明提供的咀嚼仿生装置中的曲柄摇杆机构运动简图；

图7是本发明提供的咀嚼仿生装置内部结构示意图，其中，3-仿生下牙，4-仿生上牙，10-喷嘴，11-物料收集装置；

图8是本发明提供的咀嚼仿生装置中的凸轮连杆机构中的凸轮示意图；

图9是本发明提供的咀嚼仿生装置中的实现上牙运动的曲柄摇杆机构示意图，其中，12-减速器，22-圆盘，23-连杆，24-摇杆；

图10是本发明提供的咀嚼仿生装置中的上牙平台的移动调节装置示意图，其中，25-螺纹杆件，26-直齿圆柱锥轮，27-链轮，28-链条。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供一种咀嚼仿生装置，请参考图2，图2是本发明提供的咀嚼仿生装置的结构示意图，所述咀嚼仿生装置包括：凸轮连杆机构1、曲柄摇杆机构6、仿生上牙4、仿生下牙3、上牙运动平台5；所述咀嚼仿生装置采用上下牙倒置的结构，其中，仿生下牙部分的运动以凸轮连杆机构实现，仿生上牙部分的运动通过曲柄摇杆机构实现；

凸轮连杆机构1与仿生下牙3连接，凸轮连杆机构1位于仿生下牙3的上部；曲柄摇杆机构6与仿生上牙4连接，曲柄摇杆机构6位于仿生上牙4的下部。

模拟咀嚼过程中，可由不同的电机分别带动凸轮连杆机构1和曲柄摇杆机构6运动，进而带动仿生下牙3和仿生上牙4模拟人体口腔咀嚼运动，如图2所示，该咀嚼仿生装置还设置有减速器2，曲柄摇杆机构6的运动可由电机通过减速器2带动。

所述凸轮连杆机构1包括凸轮14、两节连杆15和16、滚子杆件13和弹簧17，其中凸轮14形状根据人体下牙在冠状面上的实际咀嚼痕迹设定，所述仿生下牙3通过凸轮连杆机构1模拟人体下牙的咀嚼运动。

对人类口腔咀嚼运动的研究发现，人类咀嚼过程中，下牙在冠状面上的咀嚼轨迹类似于水滴形如图8所示。故此咀嚼仿生装置的仿生下牙3通过凸轮连杆机构1带动，使得仿生下牙3的上下运动不仅仅是单纯的上下运动，而是更符合这种咀嚼轨迹。

在设计过程中，确定了凸轮连杆机构1的各连杆15和16的长度后，根据人类咀嚼过程中下牙的咀嚼轨迹推出凸轮14的形状，这样设计出的凸轮连杆机构1能带动仿生下牙3很好地还原咀嚼运动，仿真度更高。

如图3所示，凸轮14与连杆15、连杆15与连杆16、以及连杆16与滚子杆件13之间均通过横杆连接，弹簧17为滚子杆件13提供与凸轮切合的推力。

如图2所示，该咀嚼仿生装置还包括减震器2；仿生下牙3通过减震器2机构与凸轮连杆机构1相连。仿生下牙3通过螺栓连接固定于减震器2下部。

减震器2的结构示意图如图4所示，减震器16包括：辅助杆件18、引导销钉19、压缩弹簧20、铝套管21。其中，辅助杆件18用于保证压缩弹簧20的压缩力不超过上限值；引导销钉19在减震器2狭槽内上下运动以减少压缩弹簧20的振动。

人体口腔咀嚼过程中是通过上牙的前后运动来实现对食物的剪切，该咀嚼仿生装置为最大程度的模拟真实的咀嚼过程，通过曲柄摇杆机构6来带动仿生上牙4实现前后运动，曲柄摇杆机构6如图5所示，其运动轨迹示意图如图6所示，其模拟咀嚼过程中，仿生上牙4的运动轨迹近似一段圆弧以最大程度的模拟人体上牙对食物的剪切运动。

如图9所示，模拟咀嚼过程中，由电机通过减速器12带动曲柄摇杆机构6运动，进而带动仿生上牙4模拟咀嚼过程中人体上牙的咀嚼运动，曲柄摇杆机构中圆盘22为主动件，圆盘22与减速器12的输出轴同轴，动力经过减速器12的减速，传递到圆盘22，再由连杆23传递到摇杆24，实现对摇杆24的来回摆动，这样的来回摆动运动扰性好，运动平稳，不会发生速度的突变。

该咀嚼仿生装置还包括锥齿轮传动机构7和链传动机构8；锥齿轮传动机构7包括直齿圆柱锥轮26和螺纹杆件25；链传动机构8包括链轮27和链条28；

咀嚼过程中，为保证咀嚼仿生装置的稳定性，仿生上牙4固定于上牙移动平台5上，而上牙移动平台5主要通过一对直齿圆柱锥轮7的传动实现其在螺纹杆件25上的上下移动，如图10所示。为了保证上牙移动平台5移动的稳定性，在机器两侧分别设计了相同的螺纹杆件25，通过链轮27和链条28将锥齿轮的力等效地传给平台两侧。

为模拟人体口腔咀嚼过程中唾液的功能，该咀嚼仿生装置在下部设置的物料收集装置11内部还设置有喷嘴10，如图7所示，该喷嘴10用于向咀嚼仿生装置内注入润滑液以模拟人体唾液的作用，同时，物料收集装置11用于接住咀嚼时掉落下来的物料，防止落入咀嚼仿生装置其他部位影响其运行。

咀嚼过程中还可以通过手动调节上牙移动平台的升降，保证了上下牙的啮合程度，从而使得整个咀嚼仿生装置能够最大程度的模拟人体真实的口腔咀嚼过程。

通过采用上下牙倒置的结构，保证了咀嚼仿生装置的稳定性，通过凸轮连杆机构1实现仿生下牙3部分的运动，通过曲柄摇杆机构6实现仿生上牙4部分的运动，其凸轮14形状根据人体下牙在冠状面上的实际咀嚼痕迹设定，从而使得凸轮连杆机构1带动仿生下牙3最大程度的模拟人体下牙在冠状面上的类似水滴形的实际咀嚼痕迹；而曲柄摇杆机构6带动仿生仿生上牙4实现水平面上圆弧形的咀嚼运动轨迹，通过圆弧形的前后运动模拟人体上牙对食物的剪切运动；进一步的，仿生下牙3通过减震器2机构与凸轮连杆机构1相连，增加了咀嚼仿生装置的使用寿命；进一步的，咀嚼仿生装置内部还包括喷嘴10装置，用于向咀嚼仿生装置内注入润滑液以模拟人体唾液的作用，同时，仿生上牙下部还设置有物料收集装置11，用于接住咀嚼时掉落下来的物料，防止落入咀嚼仿生装置其他部位影响其运行；进一步的，通过手动调节上牙移动平台，保证了上下牙的啮合程度，从而使得整个咀嚼仿生装置能够最大程度的模拟人体真实的口腔咀嚼过程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。