自動烹飪機(jī)器人實(shí)際環(huán)境適應(yīng)能力提升的設(shè)計(jì)

張兵　蘇波

摘要：為了實(shí)現(xiàn)烹飪工作的機(jī)械化，自動烹飪機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，現(xiàn)代化的烹飪機(jī)器人是基于機(jī)電一體化理論設(shè)計(jì)的，在機(jī)電系統(tǒng)基礎(chǔ)上嵌入智能化管理系統(tǒng)，并開發(fā)配套軟件，以實(shí)現(xiàn)烹飪活動的自動化?；鹂叵到y(tǒng)的靈敏性是確保烹飪機(jī)器人工作質(zhì)量的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也是機(jī)器人研制的瓶頸。火控系統(tǒng)之所以復(fù)雜主要是由于影響火控系統(tǒng)正常工作的因素復(fù)雜且眾多，大體涵蓋：工作高度、室溫、輸入燃?xì)馓匦?、火控系統(tǒng)蓄熱能力等。為了精確分析各因素的影響程度，通過部設(shè)傳感器的方式采集各類數(shù)據(jù)信號，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人火控系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)，最終提升烹飪機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：自動烹飪機(jī)器人；火控系統(tǒng)；智能調(diào)節(jié)；影響因素

我國的飲食文化博大精深，不同地域烹調(diào)方式千差萬別、各具特色。長此以往，烹調(diào)方法的傳承還停留在口傳心授的階段，徒弟很難完全領(lǐng)悟師傅的精華，導(dǎo)致一大批烹調(diào)技術(shù)面臨失傳的危險(xiǎn)。隨著人口老齡化的到來，勞動力銳減，廚師行業(yè)屬于典型的人力密集型工作，現(xiàn)代社會給廚師行業(yè)提出了新的要求，自動烹飪機(jī)器人的出現(xiàn)恰好解決了這一問題。

自動烹飪機(jī)器人是集機(jī)電一體化技術(shù)、軟件工程技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)等一系列高科技技術(shù)于一身的智能化設(shè)備，它的出現(xiàn)解決了廚師烹調(diào)行業(yè)的若干難題和困境。近些年來，隨著制造技術(shù)和市場營銷體系的不斷成熟，烹調(diào)機(jī)器人面臨多樣化的選擇，也引發(fā)了一系列問題，譬如：不同的區(qū)位因素導(dǎo)致燃料燃燒差異；不同的室溫影響烹調(diào)效果；不同的燃料性質(zhì)影響了烹飪火候；此外，烹調(diào)機(jī)器人自身的儲熱能力也會間接影響菜品質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)烹調(diào)機(jī)器人的差異化要求，提高設(shè)備對不同環(huán)境的適應(yīng)能力，重點(diǎn)解決不同環(huán)境條件下，機(jī)器人火控系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，以實(shí)現(xiàn)對不同烹飪方式的精準(zhǔn)貼合。

1自動烹飪機(jī)器人及其火控體系簡述

1.1自動烹調(diào)機(jī)器人簡介

目前，市場上主流的自動烹調(diào)機(jī)器人均能實(shí)現(xiàn)多種燃?xì)庑问絾柷袚Q使用，基本均包括全自動加熱及火力智能控制體系、自動翻炒、定量添加輔料等功能，超大容量的存儲系能添加超過1500種菜系烹調(diào)方式，所烹調(diào)菜品質(zhì)量可靠，均能達(dá)到一流廚師水準(zhǔn)，目前主要市場遍布于東北、西北、西南、華南等地區(qū)，經(jīng)市場調(diào)查，用戶普遍反映良好。主流自動烹調(diào)機(jī)器人均采用模塊化組裝形式，以確保各系統(tǒng)均可隨時(shí)維護(hù)。考慮到火控系統(tǒng)是決定設(shè)備烹調(diào)能力的關(guān)鍵，本文主要分析包括火控系統(tǒng)、保溫管、器皿等在內(nèi)的全套火控設(shè)備，需要注意的是，保溫管是安裝在設(shè)備外圍負(fù)責(zé)保溫的器件，是火控系統(tǒng)的重要構(gòu)件之一。

1.2自動烹調(diào)機(jī)器人火控系統(tǒng)簡介

火控系統(tǒng)是全套設(shè)備的核心器件，其工作性能決定了烹調(diào)機(jī)器人的工作水平。其中，火控系統(tǒng)的主要零件包括：鍋爐、吹風(fēng)機(jī)、氣閥、伺服作動器、風(fēng)扇、氣閥驅(qū)動組件等。風(fēng)扇主要用于調(diào)節(jié)火力速度和波及范圍；氣閥主要用于調(diào)節(jié)火力輸出強(qiáng)度，氣閥采用電控形式，通過調(diào)節(jié)電流大小間接控制火力，火力最終的輸出形式取決于氣閥與風(fēng)扇的聯(lián)合作用，設(shè)定氣閥與風(fēng)扇的調(diào)節(jié)比重，以保證燃料的充分燃燒。為了增強(qiáng)設(shè)備的可升級性，伺服作動器采用Cortex-M3核心，其價(jià)格低廉、反應(yīng)時(shí)間短、接口可擴(kuò)展性強(qiáng)，恰能滿足自動烹調(diào)機(jī)器人環(huán)境自適應(yīng)的基本訴求。

2外部環(huán)境對火控系統(tǒng)作用效果的影響

為了節(jié)省燃?xì)赓Y源，并防止出現(xiàn)燃?xì)馔庑沟那闆r發(fā)生，必須確保燃?xì)庠跔t內(nèi)完全燃燒。燃?xì)馀c氧氣按比例均勻混合是保證燃?xì)獬浞秩紵年P(guān)鍵，如果出現(xiàn)燃燒不充分，將生成大量的一氧化碳有毒氣體，嚴(yán)重威脅用戶的生命安全。此外，還應(yīng)深入分析燃?xì)鉄崃咳绾巫饔糜诓似?。烹飪機(jī)器人最終目標(biāo)是保證熱量通過火控組件傳遞到器皿內(nèi)的菜品中，經(jīng)分析，影響燃?xì)鈱Σ似芳訜嵝Ч囊蛩刂饕腥缦聨c(diǎn)，即：（1）區(qū)位因素，區(qū)位因素主要指地理位置，地理位置直接影響當(dāng)?shù)氐目諝夂趿?，從而影響燃?xì)獾娜紵阅埽唬?）外部溫度，外部溫度首先干擾食材的初始溫度，同時(shí)也會干擾火控系統(tǒng)的點(diǎn)火溫度及桶壁的熱交換情況；（3）保溫管的蓄熱能力，若外壁具有較高的儲熱能力，在燃?xì)獾淖饔孟?，外壁將作為第二熱源為食材提供熱量；?）燃?xì)饨M分，對于不同類型的燃?xì)?，其單位體積燃燒后釋放的熱量大相徑庭，目前市場上的自動烹飪機(jī)器人主要采用液化氣及天然氣兩種，相同體積的液化氣與天然氣燃燒后，其熱量相差2倍以上，相應(yīng)需氧量也不同。

3提升自動烹調(diào)機(jī)器人環(huán)境自適應(yīng)能力的方式

3.1設(shè)備改造簡述

考慮到影響自動烹飪機(jī)器人火控系統(tǒng)工作能力的因素眾多，烹飪機(jī)器人定位于高科技智能化家用設(shè)備；為了實(shí)現(xiàn)其全方位智能化，必須提升設(shè)備的環(huán)境自適應(yīng)能力，使其具備不同環(huán)境條件下的正常工作能力。在原設(shè)備基礎(chǔ)上，加設(shè)多組作業(yè)高度、外部環(huán)境及數(shù)據(jù)收集傳感器，采用先進(jìn)的32位Cortex-M3處理器作為控制核心組件，并開發(fā)相應(yīng)軟件，從提高傳感器采集頻率，加速硬件數(shù)據(jù)處理速度方面提高設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力。加之，各因素并非單純性影響機(jī)器人工作性能，譬如：外界溫度會干擾作業(yè)高度的采集精度，為了消除誤差，需對各傳感器進(jìn)行內(nèi)部融合。

3.2各類傳感器的布設(shè)

為了適應(yīng)采集需求，綜合考慮設(shè)備組件成本及性能，特在原基礎(chǔ)上加設(shè)如下傳感器：（1）壓強(qiáng)傳感器，布設(shè)于中控臺內(nèi)，型號為TP015P，該型號具備測量精準(zhǔn)、成本低廉等諸多優(yōu)勢，輸出類型為模擬信號，采集結(jié)果顯示于中控臺顯示屏中，可經(jīng)過內(nèi)置計(jì)算程序?qū)π盘栠M(jìn)行預(yù)處理；（2）外溫傳感器，與壓強(qiáng)傳感器類似，也布設(shè)于中控臺內(nèi)，型號為ADT7302，該傳感器精度介于上下2℃內(nèi)，能夠滿足自動烹飪機(jī)器人的工作精度；（3）桶壁溫度傳感器，為了滿足對桶壁溫度的24h監(jiān)控，在桶壁外側(cè)加設(shè)2組溫度傳感器，傳感器與變送器串聯(lián)，實(shí)時(shí)將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺罱K將采集結(jié)果顯示于中控臺顯示屏內(nèi)。

3.3相關(guān)參數(shù)采集及整合

上述提到的加設(shè)傳感器屬于提升機(jī)器人硬件方面的能力，為了保證機(jī)器人具備優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)能力，必須提升設(shè)備的軟件實(shí)力，實(shí)現(xiàn)軟硬件問的完美融合。參數(shù)采集及整合系統(tǒng)是機(jī)器人重要組件之一，直接影響用戶對設(shè)備工作狀態(tài)的判定，必須引起足夠的重視?？紤]到不同傳感器采集得到的原始數(shù)據(jù)會互相干擾，在敲定最終參數(shù)取值前，應(yīng)進(jìn)行若干試驗(yàn)，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲至設(shè)備專用硬盤內(nèi)，方便采集軟件后期單獨(dú)調(diào)用。為了盡可能明確各因素問的相互影響關(guān)系，應(yīng)依照影響因素類型分別安排單因素控制試驗(yàn)、雙因素控制試驗(yàn)及多因素綜合控制試驗(yàn)。譬如：分析作用高度前，必須先收集空氣含氧量與作業(yè)高度間的關(guān)系，再根據(jù)熱化學(xué)反應(yīng)中的燃燒定律計(jì)算燃?xì)夂脱鯕獾呐浔龋僖阎細(xì)廨敵隽康幕A(chǔ)上推導(dǎo)出氧氣的用量，最終確定風(fēng)扇及氣閥的工作參數(shù)。由于桶壁材料的特殊性，在燃燒加熱的條件下，桶壁能將吸收的熱量源源不斷地反射至炊具，因此，通過采集桶壁溫度及炊具內(nèi)食材的熱儲量，能間接得到桶壁同燃?xì)鉄崃康年P(guān)系。

4驗(yàn)證及總結(jié)

為了驗(yàn)證各類傳感器布設(shè)及信息采集及整合系統(tǒng)升級對提升自動烹飪機(jī)器人外部環(huán)境自適應(yīng)能力的作用，本文選用老百姓餐桌上最常見的香酥魚作為驗(yàn)證實(shí)例。由于香酥魚對于油溫極其敏感，油溫過高將導(dǎo)致魚外皮燒焦，油溫過低則出現(xiàn)炸不透的問題，而油溫直接受火控系統(tǒng)支配，因此，選用該菜肴能夠全面評定自動烹飪機(jī)器人火控系統(tǒng)的環(huán)境自適能力。結(jié)果表明，以上改進(jìn)方式能夠極大提升機(jī)器人火控系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力，增強(qiáng)了設(shè)備的智能化程度，為設(shè)備在各類環(huán)境條件、地理區(qū)位、燃?xì)忸愋椭型茝V使用創(chuàng)造了條件。截止目前，經(jīng)環(huán)境適應(yīng)能力改造的自動烹飪機(jī)器人已得到市場的廣泛認(rèn)可，經(jīng)濟(jì)價(jià)值顯著。