新型商用炒菜機器人攪拌系統(tǒng)結(jié)構設計與軌跡分析

雷 鳴,管聲啟,王 杰,盧 浩

(西安工程大學 機電工程學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)的飛速發(fā)展,機器人技術逐漸應用于各行各業(yè)。隨著機器人制造成本的降低,能為人類減輕工作負擔的服務型機器人有著越來越廣闊的市場[1]。其中隸屬服務機器人的烹飪機器人能夠輔助廚師完成食物的料理,降低高強度的勞動時間、工作量和高昂運營成本[2]。在烹飪過程中,烹飪機器人主要完成料理的炒制和加熱過程,廚師通過選擇合適的烹飪軌跡實現(xiàn)對不同菜品精準加熱,讓食材受熱均勻。因此,設計一款能夠高效率輔助菜品均勻加熱,并擁有多種烹飪軌跡的攪拌機器人是重中之重。

目前國內(nèi)外已有多種多樣的烹飪機器人,但是這些機器人依然存在許多不足。不論是大型商用烹飪機器人還是小型的家用烹飪機器人,其烹飪軌跡大都以簡單的攪拌軌跡為主。不僅烹飪方式過于單一,并且烹飪對象也有很大局限性[1-3]。國內(nèi)有中國的捷賽自動炒菜機、九陽料理機,國外有韓國的現(xiàn)代全自動炒菜機、美國ASHTON自動炒菜機、德國的OROWA全自動炒菜機器人等[4]。上述的家用小型烹飪機器人僅能完成有限種類的料理制作,因此只能作為單一的輔助料理機器,而且價格極其昂貴。國外的自動烹飪裝置主要是以微波爐、烤箱、豆?jié){機、面包機等簡單日常且使用目的單一的輔助料理機器為主。大型炒菜機器人主要是以德國的賽米控和歐諾華等一些公司作為代表。如文獻[4]的單頭偏心攪拌炒菜機器人,通過偏心軸的方式固定在曲軸上,電機驅(qū)動攪拌菜肴。但是由于末端軌跡過于簡單,因此只能炒制小塊且不易碎的菜肴。文獻[5]的攪拌和顛鍋一體的炒菜機器人是目前市面上功能最完善的炒菜機器人之一,不僅能仿人進行顛鍋,還能進行簡單的送料和加水功能，但是簡單的旋轉(zhuǎn)軌跡和小巧的鍋具限制了食材的尺寸和種類。而文獻[6]利用并聯(lián)機器人結(jié)構僅僅使得炒菜機器人運動平臺實現(xiàn)旋轉(zhuǎn),顛鍋,傾斜和翻鍋4種運動方式。文獻[7]英國的“Moley Robotics”機器人廚房系統(tǒng),通過攝像頭記錄主廚的烹飪過程并用仿人機械手模仿烹飪過程,整個機器人廚房系統(tǒng)有高達20多個關節(jié),20多個電動馬達和129個傳感器，能和人類一樣靈活的利用爐灶,烤箱等各種廚具,基本完全復刻了烹飪過程，但其昂貴的價格令人望而止步。綜上所述,現(xiàn)存的炒菜機器人普遍運用的運動軌跡較為簡單,限制了烹飪機器人的烹飪對象。因此,設計一款能夠?qū)崿F(xiàn)組合烹飪軌跡的烹飪機器人是當務之急。

針對上述問題,本文進行了烹飪機器人攪拌系統(tǒng)的結(jié)構設計。利用運動學對機構搭建了運動模型,并用MATLAB軟件對模型仿真得到軌跡結(jié)果和速度曲線。然后利用SolidWorks軟件建模仿真得到相似目標軌跡。實驗證明設計的新型機構能夠?qū)崿F(xiàn)多功能的烹飪軌跡,也能夠?qū)崿F(xiàn)仿人烹飪中的多種運動軌跡曲線的規(guī)劃,同時也證明了機構的可行性。

1 攪拌系統(tǒng)結(jié)構設計

1.1 設計原理

研究發(fā)現(xiàn)日常烹飪過程中,翻炒軌跡能將上下兩層的食材再次混合后均勻受熱[8]。因此,翻炒軌跡能夠改善旋轉(zhuǎn)軌跡只能均勻加熱貼近鍋面食物,而不能夠?qū)⑹巢纳舷聦泳鶆蚣訜岬娜秉c,同時使烹飪機器人的運動軌跡更為多樣化。為實現(xiàn)上述翻炒工作的末端軌跡,采用經(jīng)典杠桿原理設計的原理圖如圖1所示。

圖1 翻炒機構原理示意圖

圖1主要包括驅(qū)動推桿1、連桿2、上翻蓋、下翻蓋和支撐架結(jié)構。在杠桿原理的作用下當推桿1下移,連桿2帶動上翻蓋向上旋轉(zhuǎn),幫助表面的食材在空中均勻混合。隨后在重力的作用下,混合后的食材返回鍋具內(nèi)繼續(xù)被加熱。整個混合過程中,機構的末端軌跡能夠?qū)崿F(xiàn)預想的翻炒運動軌跡。

1.2 局部結(jié)構設計

如圖2所示,設計烹飪機構部分主體將由燕尾槽結(jié)構連接到旋轉(zhuǎn)圓盤上,電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)圓盤轉(zhuǎn)動帶動烹飪機構主體完成基本旋轉(zhuǎn)軌跡[9]。兩個氣缸相互配合帶動烹飪機構完成弧線工作和翻炒工作并實現(xiàn)相應軌跡。圖2所示的驅(qū)動結(jié)構圖主要由鉸鏈連接驅(qū)動部分和連桿組成三角機構[10-12]。連接機構4將弧線連桿7連接到翻炒連桿3的同時又不影響翻炒連桿3單獨動作[13]。翻炒氣缸2帶動翻炒連桿3上下運動帶動鉸鏈連接的連桿8在支撐架10的作用下完成杠桿運動,并且?guī)映床绥P11完成將料理翻炒的軌跡。翻炒氣缸2休止,驅(qū)動弧線氣缸6帶動弧線連桿7推動烹飪機構的下部分完成弧線軌跡。旋轉(zhuǎn)、翻炒和弧線軌跡可以相互結(jié)合,排列組合產(chǎn)生更多的運動軌跡。

注:1—旋轉(zhuǎn)圓盤;2—翻炒氣缸;3—翻炒連桿;4—連接機構;5—燕尾槽連接機構;6—弧線氣缸;7—弧線連桿;8—連桿;9—仿鍋具;10—支撐架;11—炒菜鏟。

本文設計的炒菜機器人結(jié)構與傳統(tǒng)的炒菜機器人相比,具有更多的運動軌跡選擇,并且運行軌跡與人工操作的運行軌跡更加貼合。

1.3 整體結(jié)構設計

攪拌系統(tǒng)機構的總高1 365 mm,總寬1 050 mm,設計的新型商用炒菜機器人攪拌系統(tǒng)的整體結(jié)構由帶輪(旋轉(zhuǎn)單元)、支撐架和炒菜機構(翻炒單元)組成,由鋁合金方桿組支撐炒菜機構,通過電機連接帶輪傳送力矩、轉(zhuǎn)速到旋轉(zhuǎn)圓盤的伸出軸和軸承。新型商用炒菜機器人攪拌系統(tǒng)結(jié)構能夠通過帶輪驅(qū)動旋轉(zhuǎn)單元實現(xiàn)攪拌軌跡,其次采用氣缸驅(qū)動的方式,驅(qū)動連桿推動機構的末端實現(xiàn)翻炒軌跡。最后實現(xiàn)翻炒軌跡和弧形軌跡相互組合。

圖3 智能烹飪機器人攪拌系統(tǒng)整體結(jié)構示意圖

2 運動學分析

2.1 參數(shù)計算

由于機械結(jié)構功能因素,首先化簡攪拌系統(tǒng)機械結(jié)構模型圖,如圖4(a)所示。由于機構桿長、初始角度已知,因此初始尺寸參數(shù)如下:d=255 mm,l1=558 mm,l2=611 mm,θ1=66.88°,θ2=90°,θ3=23.12°。d為兩氣缸定位裝置中心的水平距離,連桿長l1為翻炒氣缸2及延伸連桿部分的長度之和,連桿長l2為弧線氣缸6和連桿7的長度之和。

2.2 建立翻炒運動模型

基于結(jié)構設計,當翻炒氣缸2運動、弧線氣缸6靜止時,連桿3在連接機構4(連接桿為中空方形短桿,將弧線連桿7和翻炒連桿3連接到一起)中垂直上下運動,驅(qū)動其余連桿完成杠桿運動實現(xiàn)翻炒運動。如圖4(a)所示,翻炒模型簡化為三角形結(jié)構模型。翻炒連桿長度為l1,弧線連桿長度為l2,由于翻炒氣缸驅(qū)動翻炒連桿l1在連接結(jié)構中上下移動時,其運動過程對弧線氣缸所驅(qū)動的弧線連桿l2并無太大影響,因此簡化翻炒運動的模型為:翻炒氣缸驅(qū)動翻炒連桿運動時,三角模型中θ1,θ3,d,l2大小不變,翻炒推桿總長度l1隨翻炒氣缸伸縮長度Δl的變化而變化。

2.3 建立弧線運動模型

如圖4(b)所示，當弧線氣缸運動,翻炒氣缸靜止時,L1定長,L2伸長,在弧線氣缸的推力下P點開始運動,實現(xiàn)弧線軌跡。D和L1均為定值,L2變量范圍Δl為100 mm。同時建立相應的極坐標系模型如圖4(c)所示。本設計中所涉及的參數(shù)如下所示:定位尺寸D=255 mm,連桿長L1=558 mm,連桿長L2=611mm,氣缸伸縮范圍Δl=100 mm。OB和OP的初始夾角θ1=66.88°

(a)翻炒軌跡模型圖

(b)弧線軌跡模型圖

(c)極坐標系模型圖

如圖4(c)所示的極坐標系下,設末端移動點P的坐標為(Px,Py),則旋轉(zhuǎn)角度θ為

(1)

在△OBP′中,由余弦定理可得θ1:

(2)

將式(2)帶入式(1)得θ1,得末端P點坐標表示如下:

(3)

由式(3)可得到D,L1,L2和點P(Px,Py)之間的關系,即各參數(shù)滿足P點軌跡坐標方程,為設計提供了依據(jù)。

3 運動軌跡仿真和結(jié)果分析

3.1 運動仿真分析

由于翻炒軌跡較為簡單,所以只針對弧線軌跡進行仿真。仿真時間為10 s,桿長L2每次增量Δl為1 mm。MATLAB仿真的P點弧線運動軌跡結(jié)果基本近似于弧線軌跡。而且P點的速度曲線是平滑的,表明運動平穩(wěn)，見圖5。

(a)位移變化

(b)速度變化

(c)角度變化

由圖5可知，θ1,θ2角度值和L2的長度變化呈線性關系。隨著弧線氣缸的伸長,L2的長度逐漸增加,θ1的角度值逐漸減小,θ2的角度值逐漸增大。仿真結(jié)果表明模型運行過程中,角度變化較為平穩(wěn),并且θ1和θ2角度值變化符合運動規(guī)律。

以上MATLAB仿真結(jié)果證明,機構運行所形成的軌跡、速度和角度變化,能夠滿足商用炒菜機器人攪拌系統(tǒng)弧形軌跡規(guī)劃的需求。

3.2 軌跡仿真

經(jīng)過MATLAB驗證了模型的可行性后,利用SolidWorks建模并先后模擬弧線軌跡和翻炒軌跡,驗證機構運動結(jié)果。

3.2.1 翻炒軌跡仿真 翻炒運動是在弧線氣缸不運動的情況下,由翻炒氣缸的伸縮運動來完成炒菜機構的上下翻炒功能的運動。利用SolidWorks平臺得到其運動軌跡跟蹤過程如圖6所示。翻炒氣缸驅(qū)動,推動翻炒連桿下移,下移的翻炒連桿帶動連桿8上揚,進而帶動炒菜鏟實現(xiàn)翻炒軌跡,完成翻炒工作。

3.2.2 弧線軌跡仿真 烹飪機構的弧線工作軌跡是在翻炒機構完成之后進行的運動。翻炒工作完成后翻炒氣缸停止運動,處于主要烹飪機構中的弧線氣缸開始伸縮帶動烹飪機構完成沿鍋具的弧線運動[16-20]。由于沿鍋具的弧線運動主要是由弧線連桿推動的,所以選定弧線連桿為運動軌跡跟蹤的對象,跟蹤結(jié)果如圖6所示。弧線氣缸驅(qū)動弧線連桿向下方移動,帶動烹飪機構劃弧前進,整體機構前傾,完成弧線軌跡實現(xiàn)弧線工作。

圖6 翻炒軌跡和弧線軌跡仿真結(jié)果圖

4 結(jié) 語

通過對國內(nèi)外炒菜機器人研究現(xiàn)狀的綜合分析,設計了一種新型商用炒菜機器人攪拌系統(tǒng)結(jié)構,采用組合機構代替?zhèn)鹘y(tǒng)攪拌裝置,開發(fā)了新的烹飪軌跡,實現(xiàn)了多種軌跡聯(lián)合運行。其次,對新型商用炒菜機器人攪拌系統(tǒng)結(jié)構進行運動學分析,得到了目標點的末端軌跡,速度和相關角度變化圖;經(jīng)過運動仿真,驗證了該新型機構軌跡曲線。實驗結(jié)果證明,設計的新型商用炒菜機器人攪拌系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)目標軌跡,并且運行平穩(wěn);實驗驗證了設計的合理性,并為以后的控制系統(tǒng)建立奠定了良好的基礎。