一款廚房助手機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)

金鵬 黃江 吳文新 楊宇艇

摘要：本文采用STM32系列單片機(jī)作為智能廚房機(jī)器人的核心，采用步進(jìn)電機(jī)以及舵機(jī)來控制機(jī)器人的各種轉(zhuǎn)動(dòng)，單片機(jī)將接收到的指令整理成為電信號(hào)傳遞給步進(jìn)電機(jī)，用以控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使其達(dá)到想要轉(zhuǎn)動(dòng)的度數(shù)，達(dá)到控制機(jī)器人的作用。

關(guān)鍵詞：STM32;步進(jìn)電機(jī);溫度傳感

1設(shè)計(jì)背景

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人生產(chǎn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工生產(chǎn)已經(jīng)成為不可避免的趨勢，目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了各式各樣的機(jī)器人產(chǎn)品，機(jī)器人功能越來越細(xì)化。在生活節(jié)奏加快的今天，烹飪是現(xiàn)代生活一件時(shí)間成本很高的事情，因此，研究一款智能的廚房助手是非常有必要，智能廚房助手可以有效的幫助人們節(jié)省在廚房做飯的時(shí)間，提高了勞動(dòng)效率。在烹飪領(lǐng)域的智能機(jī)器人是目前研究的熱點(diǎn)之一，市面上現(xiàn)有的關(guān)于烹飪工具是對(duì)廚房工具進(jìn)行智能化改進(jìn)，或使某一工具具備更多的功能，是對(duì)某方面烹飪技巧的細(xì)分，使之更容易被操作者掌握。本設(shè)計(jì)智能廚房機(jī)器人將移動(dòng)技術(shù)和烹飪技術(shù)有機(jī)的融合起來，實(shí)現(xiàn)了廚房內(nèi)半自動(dòng)或全自動(dòng)化烹飪，是一款性能較為全面的智能廚房機(jī)器人。

2功能模塊設(shè)計(jì)

中餐烹飪的菜肴的樣式非常豐富，為使廚房智能機(jī)器人烹飪好一道菜肴。我們通過采訪很多名經(jīng)驗(yàn)豐富的大廚，總結(jié)他們多年的經(jīng)驗(yàn)，作為設(shè)計(jì)方案的前期準(zhǔn)備工作，機(jī)器人模仿廚師烹飪食材關(guān)鍵是掌握烹飪時(shí)的實(shí)時(shí)溫度與所需要放置調(diào)料的濃度，并且根據(jù)反饋的溫度適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)火力的大小。因此將廚房助手機(jī)器人按功能劃分為四個(gè)模塊，分別是食材預(yù)處理模塊、火力調(diào)節(jié)模塊、材料添加模塊以及攪拌模塊。

2.1食材預(yù)處理模塊

該模塊負(fù)責(zé)烹飪前的準(zhǔn)備工作，主要是識(shí)別不同種類的食材，并且根據(jù)食材的種類和數(shù)量與預(yù)設(shè)菜譜中進(jìn)行對(duì)比，篩選出適合烹飪的菜品，消費(fèi)者可以對(duì)菜品的種類、口味和烹飪的火候等進(jìn)行選擇。消費(fèi)者選擇完成后開始對(duì)菜品進(jìn)行處理，并且將信息同步到其他幾個(gè)模塊。具體說明如下：

1）烹飪前都要對(duì)食材進(jìn)行處理，包括稱量重量，清洗食材，切割食材，然后根據(jù)消費(fèi)者的口味，配置所需要的調(diào)味品。

2）操作者選擇好自己想要烹飪的菜品后反饋給STM32主控，然后進(jìn)行清洗工作，之后根據(jù)所選擇的菜品進(jìn)行相應(yīng)切割方式，然后將切好的食材加入到食材放置盤中備用。

3）根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序?qū)⑹巢脑谧詈线m的火候加入鍋中。

2.2火力調(diào)節(jié)模塊

中餐烹飪中，“火候”是控制菜肴出品質(zhì)量的關(guān)鍵?；鸷蚩梢苑譃椤盎稹焙汀昂颉保盎稹笔侵概腼冎械臏囟瓤刂?，“候”是指對(duì)烹飪時(shí)長的控制。這是中餐烹飪的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，為使食材能在最合適的溫度下烹飪，我們將“火候”分開進(jìn)行處理?；鹆φ{(diào)節(jié)模塊負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)烹飪的實(shí)時(shí)溫度，通過溫度傳感器實(shí)時(shí)的檢測，與烹飪過程中所需要的溫度進(jìn)行比較，進(jìn)而調(diào)節(jié)燃?xì)庠畹倪M(jìn)氣量來調(diào)節(jié)火力的大小，從而保證了溫度的精準(zhǔn)控制。具體說明如下：

1）通過控制燃?xì)庠畹倪M(jìn)氣量來控制火焰的大小，從而達(dá)到控制溫度的高低;通過對(duì)每種菜肴烹飪過程的統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出不同的溫度下最適合的烹飪時(shí)長。

2）“火”的調(diào)節(jié)通過設(shè)置溫度傳感器來監(jiān)測鍋具中食材的溫度，通過溫度傳感器反饋的溫度對(duì)燃?xì)獾倪M(jìn)氣量進(jìn)行調(diào)整。

3）“候”的調(diào)節(jié)我們通過對(duì)廚師的烹飪過程的的數(shù)據(jù)記錄，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，然后通過特殊的算法計(jì)算出不同的溫度所應(yīng)該烹飪的時(shí)長。

2.3材料添加模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)在最合適的時(shí)間內(nèi)加入食材和調(diào)味品。同樣添加食材和調(diào)味品的時(shí)機(jī)也是據(jù)溫度傳感器反饋的溫度來調(diào)整，具體說明如下：

1）材料添加可以分為食材添加和調(diào)味品添加。

2）食材添加是將食材預(yù)處理后盛到食材放置盤中的食材在合適的時(shí)間添加到鍋具中進(jìn)行烹飪。

3）調(diào)味品添加是有準(zhǔn)確的次序和時(shí)間的，我們同樣是根據(jù)對(duì)多組數(shù)據(jù)的處理和分析，然后通過特殊的算法進(jìn)行計(jì)算，并將數(shù)據(jù)記錄到菜譜庫中，在烹飪的過程調(diào)用菜單庫的數(shù)據(jù)，然后通過用步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)聯(lián)合控制的機(jī)械臂進(jìn)行調(diào)味品的抓取和放置。

2.4攪拌模塊

烹飪過程中需要使食材均勻受熱。我們采取顛鍋和廚具翻炒使食材達(dá)到均勻受熱的目的。顛鍋是通過鍋具帶動(dòng)食材翻滾使得食材均勻受熱;攪拌就是通過機(jī)械臂帶動(dòng)鍋鏟使食材翻面。具體說明如下：

1）中餐的烹飪手法固然多種，但我們只采用顛鍋和翻炒這兩種方式，因?yàn)檫@兩種方式在烹飪過程中使食材均有受熱效率最高，且適應(yīng)絕大部分的菜品。

2）對(duì)于顛鍋我們同樣是采用收集多名廚師的多次顛鍋時(shí)鍋體運(yùn)動(dòng)的軌跡，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，找出幾條最適合鍋體運(yùn)動(dòng)的軌跡，并將其記錄到攪拌模塊中，針對(duì)不同的菜品選擇不同的顛鍋運(yùn)動(dòng)軌跡。

3）通過舵機(jī)控制機(jī)械臂控制鏟子實(shí)現(xiàn)對(duì)食材的翻炒，為能更好的控制菜肴的品質(zhì)，翻炒的機(jī)械臂與添加調(diào)料的機(jī)械臂相互獨(dú)立，這樣不僅能提高菜肴的品質(zhì)，也能是得因事件沖突而造成程序運(yùn)行出錯(cuò)的幾率大大下降。

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)根據(jù)方案設(shè)計(jì)可分為主控模塊、電機(jī)模塊、溫度傳感模塊三大部分。微處理器是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，本系統(tǒng)使用STM32F767為主控芯片，STM32系列處理器是基于ARM 7架構(gòu)的32位、支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的微控制器，可以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)檢測。采用6級(jí)流水線，性能高達(dá)5CoreMark/MHz，在200 MHz工作頻率下測試數(shù)據(jù)高達(dá)1000CoreMarks，遠(yuǎn)超此前性能最高的STM32F4（Cortex M4內(nèi)核）系列，DSP性能超過STM32F4的兩倍。自帶了LCD控制器和攝像頭接口（DCMI），并且集成了硬件JPEG編譯解碼器，可以秒解JPEG圖片，可以提高界面加載速度。STM32F767為主控芯片板自帶RGB LCD接口（LCD），可以連接各種ALIENTEK的RGB LCD屏模塊，并且支持觸摸屏（電阻/電容屏都可以）。為了節(jié)省IO口，采用的是RGB565格式，雖然降低了顏色深度，但節(jié)省了IO，且RGB565格式，程序上更通用一些。通過STM32控制攝像頭檢測食材的形狀、大小、顏色等特征，然后與內(nèi)置數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，確定食材的種類。然后將食材的種類和重量記錄下來并對(duì)比菜單庫中的食材量進(jìn)行比對(duì)，將最合適的菜品顯示在液晶屏上供操作者選擇。DCMI是STM32芯片自帶的一個(gè)數(shù)字?jǐn)z像頭接口，該接口是一個(gè)同步并行接口，能夠接收外部8位、10位、12位或 14位 CMOS 攝像頭模塊發(fā)出的高速數(shù)據(jù)流（可達(dá) 54 MB/s）。DCMI接收到的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在DCMI_DR寄存器（32位）里面，我們接ATK-OV2640采用8位數(shù)據(jù)寬度，所以每4個(gè)像素時(shí)鐘，才會(huì)捕獲完32位數(shù)據(jù)，第一個(gè)字節(jié)存放在LSB位置，第四個(gè)字節(jié)存放在MSB位置。

驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)用A4988，A4988是一款完整的微步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置裝換器，操作簡便。可以用于以全步、半步、四分之一步、八分之一和十六分之一步模式操作的雙極步進(jìn)電機(jī)，輸出驅(qū)動(dòng)能力高達(dá)35V和2A電流。在步進(jìn)操作期間，A4988中的斬波控制器自動(dòng)選擇當(dāng)前衰減模式，慢速火混合。在混合衰減模式中，設(shè)備最初設(shè)置為固定關(guān)閉時(shí)間的一部分的快速衰減，然后設(shè)置為關(guān)閉時(shí)間的剩余部分的緩慢衰減?；旌纤p電流控制可降低可聽到的電機(jī)噪聲，提高步進(jìn)精度并降低功耗。

傳感器方面我們采用的是非接觸式紅外溫度傳感器，相比與接觸式溫度傳感器，非接觸式的傳感器能遠(yuǎn)離高溫環(huán)境，在長期運(yùn)行過程中大大提高可靠性。且非接觸式紅外溫度傳感器具有高精度、高靈敏度、高信噪比、反應(yīng)時(shí)間低、低成本的優(yōu)點(diǎn)，符合我們的需要。

4 總結(jié)

本文所設(shè)計(jì)的廚房助手機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)將烹飪復(fù)雜過程分解成幾個(gè)較為簡單的模塊，并且通過實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度的設(shè)計(jì)將烹飪的過程更加細(xì)致的劃分，并且提高了容錯(cuò)率，使得烹飪更加容易控制和實(shí)現(xiàn)。為能滿足大多數(shù)人口味，我們內(nèi)置數(shù)據(jù)收集分析，不斷的根據(jù)每個(gè)人的喜好進(jìn)行智能學(xué)習(xí)，不斷改進(jìn)烹飪的時(shí)間和口味，進(jìn)而滿足每個(gè)家庭的餐飲習(xí)慣，使其更容易被廣大消費(fèi)者所接受。

基金項(xiàng)目：

廣西高校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目—廚房助手智能機(jī)器人（201813638041）

參考文獻(xiàn)：

[1]李輝，郭文成，陳浩.基于STM32F107的搬運(yùn)機(jī)器人電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012，12（4）：36-38.

[2]黃智偉，王兵，朱衛(wèi)華.STM32F 32位ARM微控制器應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[3]王登貴，楊中平，胡真明，et al.基于PLC的四相步進(jìn)電機(jī)控制方法及實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（34）：36-37.

作者簡介：

金鵬（1997-），男，漢族，電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在校本科生;

通訊作者：黃江（1981-）.男，壯族，廣西柳州人，碩士研究生，講師，研究方向：智能機(jī)器人;

吳文新（1998-）男，漢族，電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在校本科生;

楊宇艇（1997-）女，漢族，電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在校本科生。

（作者單位：廣西大學(xué)行健文理學(xué)院）