空中搬運小車在無人餐廳送餐系統(tǒng)中的應用

文/冉文學 馬銳瑾 李倩宇

一、引言

隨著技術水平的不斷提高，機器人產業(yè)正從制造業(yè)向服務業(yè)延伸，大大小小的機器人企業(yè)也如雨后春筍般涌現。隨著應用場景的多元化，服務機器人向醫(yī)療、物流、餐飲、客服等多個行業(yè)持續(xù)滲透。我國服務機器人行業(yè)起步較晚，但受益于信息技術和人工智能的迅猛發(fā)展以及國家層面的政策利好，我國服務機器人行業(yè)將迎來巨大的機遇和發(fā)展空間。

就目前來看，“無人化”業(yè)態(tài)模式已經逐漸在各行各業(yè)擴展開來，餐飲行業(yè)也迎來了新一輪的機遇和挑戰(zhàn)。“無人餐廳”的提出是將服務機器人運用到餐飲行業(yè)中，希望通過點餐、收銀等各環(huán)節(jié)的數字化改造，最大程度地降低對人工的依賴，同時提供一套標準化服務，把服務水平的不確定性降到最低。從傳統(tǒng)餐廳到無人餐廳，是時代發(fā)展和科技進步帶來的消費模式的轉型升級，未來可能會逐步發(fā)展為餐飲行業(yè)的主流經營模式。2019年12月突然爆發(fā)的新型冠狀病毒肺炎疫情對餐飲業(yè)帶來了巨大的沖擊，全國范圍餐飲企業(yè)整體閉店，整個餐飲業(yè)損失巨大。此次疫情也給餐飲業(yè)的發(fā)展帶來思考，無人餐廳不再只是滿足人們獵奇心理的新時代智能產品，也應該是人們對公共衛(wèi)生安全的訴求。全程無接觸式的智能化服務模式極大地降低了感染風險，在保證生活需求的同時可以保障公共衛(wèi)生安全。

無人餐廳這一概念最早源于歐美國家。全球第一家無人餐廳Eatsa于2015年在舊金山開業(yè)，其提倡前端“無人化”，即由顧客自行點單、結賬、取餐。荷蘭的連鎖餐廳BirdCall也是利用自助點餐機來提高前廳服務，這種前廳零服務員，后廚人員做菜備餐的模式是開發(fā)最早的無人餐廳模式。另一種無人餐廳的模式，比如美國的Spyce餐廳，就是采用機器人做菜，將機器人放置在一個開放式廚房內，顧客還可以獲得觀看機器人炒菜的體驗。消費模式的轉型升級和科學技術的飛速發(fā)展也使得無人餐廳引起國內學者的廣泛關注。但大多對無人餐廳的研究是基于在地面行走的自動導引服務機器人，這對作業(yè)空間的大小、平整度、規(guī)范化要求都很高，在日益增長的土地成本壓力下，這種無人餐廳的設計形式極具挑戰(zhàn)性，且單個服務機器人的投入成本較高，為提高效率所需設置服務機器人的數量也是一大難題。因此，本文提出基于空中搬運小車的無人餐廳設計，將小車的運行軌道鋪設于房梁下方，避免了現有的地面行駛智能送餐小車在用餐高峰出現的擁擠現象。設計單元盛放餐盤的容器，讓智能空中搬運小車承擔服務員送餐和回收餐盤的功能，最終實現顧客自助點餐、空中小車送餐、回收餐具等系統(tǒng)化的無人餐廳。

二、空中小車無人餐廳系統(tǒng)的構成

1.智能搬運小車

智能空中搬運小車如圖1，主要包括了小車運行機構和起升機構，接貨、卸貨、與指定餐桌對接，實現了點到點的精準搬運。通過超聲波傳感器進行距離數據的采集，然后通過單片機的內部資源進行數據處理，由最終的數據輸出控制外圍電路驅動電機模塊來實現小車的運動。硬件電路分為電源模塊（直流電源為整個系統(tǒng)供電）、超聲波傳感器模塊（實時測量與目標之間的距離）、電機驅動模塊（驅動直流電機實現小車的前進與避障）、智能語音模塊（與顧客完成一些必要的語言互動）等。

智能空中搬運小車在系統(tǒng)中主要承擔了搬運菜品和回收餐盤的作用。小車搭載的各種傳感器設備幫助小車可以在搬運過程中更高效流暢，實時測距，語音互動。

2.軌道系統(tǒng)

軌道系統(tǒng)的布局吊掛在餐廳房梁為主（如圖2），不與地面設施發(fā)生接觸，節(jié)省地面空間，同時軌道具有轉彎、轉軌的功能，布局靈活，可根據餐廳的具體土建進行布局。軌道系統(tǒng)由彎道和直道組合布局，配合道岔系統(tǒng)可以將軌道延伸至不同位置的餐桌，可以滿足多臺小車同時運行、聯合運行。

圖1 智能空中搬運小車

圖2 軌道系統(tǒng)

圖3 道岔系統(tǒng)

圖5 餐桌設計

軌道系統(tǒng)在整個餐廳布局空間的上方，沒有占用地面空間，不會發(fā)生現有的地面行走的傳菜小車與餐廳走動的人員發(fā)生互相讓路狀況而造成的時間損失。同時可以節(jié)省地面空間，相比下來可以擺放更多餐桌。軌道系統(tǒng)的布局也更加靈活，彎道直道的相互配合，如果可以配合升降系統(tǒng)的話還可以把小車的位置延伸到不同樓層的不同餐桌位置。

3.道岔系統(tǒng)

道岔在兩條軌道的銜接處，實現小車從一條軌道快速轉移到另一條軌道上的功能（如圖3）。道岔系統(tǒng)的使用會使整個小車運行系統(tǒng)更加靈活多變，一般會出現于鐵路系統(tǒng)中，為實現小車的快速轉軌、變軌通常需要很多的道岔裝置，為保證小車的安全行駛，道岔裝置的精度要求通常比較高，同時還需要精確定位裝置的配合，保證換軌過程中的安全性。

道岔系統(tǒng)分為平行道岔和旋轉道岔。根據不同的工況采用相應的道岔形式，讓小車運行到不同的區(qū)域，同時道岔系統(tǒng)還帶有穿銷機構和精確定位裝置，讓小車運行更加安全可靠。穿銷保護機構是通過旋轉推筒推送銷釘的方法，完成工件主體與上蓋的實體連接裝配。而精確定位系統(tǒng)則是在換軌和轉軌的過程中保證軌道對接的精準度，保證運輸過程中的安全性。

4.計算機調度系統(tǒng)

程控調度系統(tǒng)有排班調度功能，合理安排小車的傳菜順序避免發(fā)生用車沖突以及資源浪費。隨時查看行駛軌跡、行駛速度、行駛公里數、行駛時長等功能，方便對小車狀態(tài)的統(tǒng)計觀測，同時也對小車的各個部件進行監(jiān)控，保障小車運行過程中的安全性，使每一輛小車都高效率地運行。

另外，通過程控調度系統(tǒng)的數據庫可以查看小車運行時間、次數和設備狀態(tài)。查看小車的運行次數可以了解餐廳每天的營業(yè)狀況，及時對餐廳的經營方式進行調整。整個程控調度系統(tǒng)通過內部的演算程序控制其他部分的運行，包括顧客餐桌的定位、小車走形路線的規(guī)劃、道岔系統(tǒng)的運轉，都是需要程控調度系統(tǒng)的控制。

三、方案設計

1.功能區(qū)域劃分

系統(tǒng)的整個布局區(qū)域分為六個區(qū)，包括吧臺、用餐區(qū)、后廚、清潔區(qū)、儲藏間和其他使用場所。智能小車系統(tǒng)主要在用餐區(qū)、后廚和清潔區(qū)運行。

用餐區(qū)主要分布了三種類型的桌子，有適合2～3人坐的放一個容器單位的小桌，適合4～8人坐的放兩個容器單位的中號桌，還有適合大型聚會的放4個容器單位的大桌。后廚的區(qū)域主要包括明檔區(qū)、備餐間、主操作間。清潔區(qū)主要負責回收的容器和餐盤的清洗消毒，然后放置到與明檔相連的輸送機上。輸送機分為兩層，上層輸送容器內放置餐盤的有凹槽的板子，下層輸送容器的四周有擋板，當廚師在板子上放置好餐盤時啟動升降裝置，容器四周升起并托起放有餐盤的板子，小車夾抱起整個容器送往指定地點。

2.送餐功能模塊的設計

（1）物料單元

根據餐廳的整體需求設計了用于盛放餐盤的傳菜容器（如圖4），容器可拆分為底板和圍板兩部分。

盛放餐盤的容器長80厘米，寬60厘米，高45厘米，由底板和圍板兩個部分組成。底板上有三個大的凹槽，三個小的凹槽分別用于放置不同大小餐盤。圍板下方有折回的邊角用于兜住底板，而底板上有大小不同的凹槽用于放置不同大小的餐盤并且在小車運送的過程中起到固定作用。圍板采用保溫環(huán)保材料，保證菜品在運輸到餐桌時保持食用的最佳溫度。

（2）貨位

整個基于空中智能小車的無人餐廳系統(tǒng)共有三種類型的餐桌組合，分別是1～3人的小號餐桌，4～6人的中號餐桌，6人以上的大號餐桌。其中小號餐桌可放1個物料單元，中號餐桌可放2個物料單元，大號餐桌可放4個物料單元。

（3）餐桌設計

餐桌設計主要包含壓力傳感器、超聲波發(fā)送器、升降系統(tǒng)（如圖5）。

餐桌是一個100厘米×100厘米的方桌，高85厘米。壓力傳感器主要是當盛菜容器放到餐桌之后觸發(fā)升降系統(tǒng)，升降系統(tǒng)用于容器圍板的升降。超聲波傳感器發(fā)送器發(fā)送的特定頻段的超聲波與小車的超聲波接收器綁定，確定小車和餐桌之間的距離。

3.系統(tǒng)工藝流程設計

系統(tǒng)總的工藝流程圖如圖6，可概括為3個分流程。

（1）顧客點餐

當顧客進入餐廳時根據用餐人數選定相應大小的餐桌，然后打開手機的藍牙和GPS功能，掃描餐桌上的二維碼進行點菜，點菜結束之后，廚師會接收到顧客的訂單信息，確認訂單信息之后會直接反饋給顧客。在確認訂單信息之后，顧客所在餐桌的位置會通過GPS和藍牙的信息交互傳送給調度系統(tǒng)。調度系統(tǒng)將該位置信息與訂單編號相匹配，當廚師完成該訂單的菜品調度小車來傳菜的時候，找出與該訂單相匹配的餐桌位置，并為其規(guī)劃最佳的走行路線。

（2）小車送餐

當廚師把做好的菜放入盛菜底板后，升降系統(tǒng)升起四周圍板，同時調度系統(tǒng)調取距離廚房最近的空閑小車來完成傳菜。小車接到指令后安裝在小車上的超聲波接收器與該餐桌的超聲波發(fā)送器通過相同的頻率綁定在一起，方便顧客查看傳菜小車的實時距離。單片機系統(tǒng)為小車運行規(guī)劃合理的路線并向小車發(fā)送行走指令，小車在行駛的過程中紅外感應避障系統(tǒng)對行駛過程中的障礙物進行檢測，主動避讓。

當小車到達餐桌上方的時候，智能語音系統(tǒng)提醒顧客菜品到達并與顧客互動確定是否將正確的菜品送達，確認無誤后智能語音系統(tǒng)提醒顧客注意盛菜容器即將下落當心碰撞。小車將盛菜容器放下之后，壓力傳感器發(fā)送信號餐桌的升降系統(tǒng)帶著盛菜容器四周的圍板落下，底板在四根支撐柱的作用下留在桌面，顧客開始用餐。

（3）餐具回收

顧客用餐結束之后在待付款界面進行付款，付款確認完成之后系統(tǒng)接收到指令調取距離最近的小車，同時升降系統(tǒng)接收到指令，上升盛菜容器四周的圍板兜住底板，小車來到之后夾抱起整個容器，按照系統(tǒng)指令送達清潔區(qū)。

圖6 系統(tǒng)工藝流程圖

送達清潔區(qū)的餐具以及盛菜容器分別清洗干凈之后，餐具被分類放入消毒柜消毒，處理完成放入專門放置餐具的容器從輸送機上層輸送到廚師備用。容器經過消毒之后，底板和圍板分開，容器圍板從下層輸送機輸送到廚房備用，底板從上層輸送機送到廚房備用。到下一次使用時，圍板所在位置的升降系統(tǒng)收到系統(tǒng)指令，升起圍板，兜住底板進行下一輪的傳菜。

四、結束語

整個系統(tǒng)通過引入物流搬運系統(tǒng)中的空中搬運小車完成餐廳的傳菜、餐具的回收，很大程度減少了餐廳的人工成本。系統(tǒng)通過對小車搬運的物料單元的設計達到了在小車送餐到達餐桌的時候無需服務員幫忙把菜從小車移到餐桌的目的，同時在用餐結束之后也無需服務員清理桌面的餐盤，這樣就節(jié)約了餐廳很大一部分的人工勞動成本。系統(tǒng)的核心就是用于搬運菜品的運輸系統(tǒng)。它搭載有不同類型的傳感器，實現無人搬運、無障礙搬運、定點運輸、實施測距和語音互動等多種功能。系統(tǒng)的可行性也是非常的高，小車上搭載的各種傳感器包括空中搬運小車都是市場上比較成熟的設備，需要的是我們對他它進行個性化定制，使其更符合餐廳的工作環(huán)境，對它的控制、調度以及風險控制有更加精確的掌握。

本文研究的基于空中搬運小車的無人餐廳，運行時不占用地面空間，在解決用餐高峰時路面擁堵問題的同時充分利用了空間資源，空中智能小車的運用還可以解決餐盤回收問題，實現了顧客自助點餐、機器人送餐、回收餐具的智能化無人餐廳，對引導未來無人餐廳的發(fā)展方向有重要的現實意義。