智能廚房管家的設(shè)計(jì)

（華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237）

0 引言

當(dāng)今人們對(duì)營養(yǎng)健康與烹飪體驗(yàn)的訴求日益提高。糖尿病低齡化、牛奶血等問題的出現(xiàn)，對(duì)烹飪經(jīng)驗(yàn)不足的年輕人提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［1］。此外，人口老齡化日趨嚴(yán)重，利用智能家居協(xié)助老人輕松便捷烹飪?nèi)?，有利于?gòu)建和諧社會(huì)［2］。然而，復(fù)雜繁瑣的烹調(diào)技法，又制約著中餐制作走向自動(dòng)化與現(xiàn)代化［3］。

因菜肴特色差異，國外菜肴著重于保持食材的原本特性［4］，烹飪機(jī)的功能相對(duì)簡(jiǎn)單，大都無法實(shí)現(xiàn)中國廚藝中的翻炒功能［5］。極少數(shù)能夠勝任中式菜肴的烹飪機(jī)，如Moley Robot，其原理為通過攝像頭捕捉并模仿廚師的動(dòng)作，功能強(qiáng)但售價(jià)昂貴［6］。國內(nèi)，張少文等［7］通過對(duì)人工烹飪過程中鍋具的運(yùn)動(dòng)分析，提出具有顛鍋、晃鍋、傾鍋等功能的設(shè)計(jì)方案，但體積龐大不宜家用。家用型炒菜機(jī)的相關(guān)專利［8-10］，大部分只具有簡(jiǎn)單的加熱、燜煮功能，能夠烹飪的菜肴有限。因此，亟待設(shè)計(jì)全自動(dòng)、多功能、體積小巧、適用于中餐制作的智能廚房機(jī)器人，向千家萬戶開啟中國菜肴色、香、味、形的大門。

本文設(shè)計(jì)了一款智能廚房管家，通過多模塊協(xié)調(diào)運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)調(diào)料與食材的精準(zhǔn)添加與均勻混合。在做到自動(dòng)化程度高、運(yùn)行精準(zhǔn)穩(wěn)定的前提下，實(shí)現(xiàn)交互友好、合理經(jīng)濟(jì)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

工作流程如下：

如圖1，用戶通過語音、觸控屏或者APP選擇菜譜，發(fā)出添加調(diào)料指令。首先，液體容器轉(zhuǎn)盤架轉(zhuǎn)動(dòng)，使得所選液體對(duì)應(yīng)容器上的嚙合塊與長嚙合板相嚙合。接著，滑臺(tái)滑動(dòng)壓動(dòng)活塞桿，調(diào)料通過與液體容器底端接通的液體軟管定量擠出。

圖1 固液調(diào)料系統(tǒng)整體示意Fig.1 Overall schematic diagram of solid-liquid seasoning system

與此同時(shí)，撒料端連接桿的伸縮與從動(dòng)轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)相配合，通過復(fù)合運(yùn)動(dòng)使調(diào)料添加更加均勻。針對(duì)大顆粒調(diào)料，采用轉(zhuǎn)輪出料機(jī)構(gòu)，將調(diào)料定量可控地撒入鍋內(nèi)。小顆粒調(diào)料采用雙電磁隔膜閥出料機(jī)構(gòu)，上下兩個(gè)電磁鐵依次動(dòng)作完成對(duì)粉末調(diào)料出料的精細(xì)把控。

另外，針對(duì)大用量調(diào)味料，采用螺旋輸送機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從固體粉末調(diào)料儲(chǔ)罐到使用前端的定量送料。給料時(shí)，伸縮臂旋至特定位置，小顆粒接收機(jī)構(gòu)可以自動(dòng)測(cè)滿并向螺旋輸送機(jī)構(gòu)發(fā)出停止加料指令，伸縮臂自動(dòng)復(fù)位。

配合由傾倒機(jī)構(gòu)和攪拌機(jī)構(gòu)組成的倒菜翻炒模塊，實(shí)現(xiàn)食材的分步、按時(shí)、定量添加與均勻混合。

2 各模塊單元設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的智能廚房管家的機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為5個(gè)核心模塊：液體給料模塊、固體給料模塊、固液撒料模塊、固體出料模塊、倒菜翻炒模塊。

2.1 液體給料模塊設(shè)計(jì)

功能：實(shí)現(xiàn)多種液體調(diào)料定量擠出與吸入。優(yōu)勢(shì)：結(jié)構(gòu)緊湊、出量精準(zhǔn)、連續(xù)高效。

如圖2所示，當(dāng)機(jī)器接收到添加調(diào)料指令后，液體給料模塊開始運(yùn)轉(zhuǎn)。首先，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)指定角度，傳動(dòng)至液體軟管架，使得相應(yīng)的液體容器上的嚙合塊與長嚙合板相嚙合。緊接著，滑臺(tái)通過內(nèi)置絲桿-步進(jìn)電機(jī)組塊的驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)長嚙合板向下移動(dòng)特定距離，迫使與之嚙合的嚙合塊向下運(yùn)動(dòng)，通過位于液體容器內(nèi)的活塞桿將液體調(diào)料擠出，與出口相連的液體軟管聯(lián)通灑料端，將液體調(diào)料灑向鍋內(nèi)，實(shí)現(xiàn)液體調(diào)料的精準(zhǔn)添加。

圖2 液體給料模塊結(jié)構(gòu)Fig.2 Structural diagram of liquid feeding module

嚙合塊與長嚙合板的設(shè)計(jì)，既通過穩(wěn)固的配合實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)距離的精準(zhǔn)傳動(dòng)，又巧妙地實(shí)現(xiàn)了不同液體容器轉(zhuǎn)換配合的無縫銜接。轉(zhuǎn)換高效、出量精準(zhǔn)。

2.2 固體給料模塊設(shè)計(jì)

功能：完成從存儲(chǔ)裝置到使用前端的定量送料；優(yōu)勢(shì)：結(jié)構(gòu)精巧、高效低耗、自檢續(xù)加。

如圖3所示，針對(duì)使用量較大的固體粉末調(diào)料，設(shè)有可自動(dòng)上料的固體給料模塊，該模塊的核心是螺旋輸送機(jī)構(gòu)，上料步驟的具體流程為：固體粉末顆粒從大容量調(diào)料儲(chǔ)罐落入螺旋輸送機(jī)入料口后，顆粒群在螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)推撥下，從輸送管底端升至頂端，并從螺旋輸送機(jī)出料口落到小顆粒接收機(jī)構(gòu)，接收機(jī)構(gòu)的紅外傳感器檢測(cè)到料滿后，直流電機(jī)停轉(zhuǎn)，上料過程結(jié)束。

圖3 固體給料模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Structural diagram of solid feeding module

針對(duì)螺旋輸送機(jī)構(gòu)，選擇其驅(qū)動(dòng)電機(jī)并確定螺旋葉片設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 相關(guān)參數(shù)取值Tab.1 Relevant parameter values

大量試驗(yàn)表明，由于物料對(duì)于管壁的摩擦力，顆粒與螺旋葉片產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使得徑向相鄰顆粒間產(chǎn)生滑動(dòng)，遠(yuǎn)離螺旋軸的物料逐漸影響到內(nèi)部的物料［11］。選用500 r/min的直流電機(jī)，超過物料與螺旋葉片發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)速［12］，滿足設(shè)計(jì)需求。

2.3 固液撒料模塊設(shè)計(jì)

功能：進(jìn)行固液體調(diào)料的均勻撒料。優(yōu)勢(shì)：占用空間小、活動(dòng)范圍大、結(jié)構(gòu)分布好。

如圖4，固液撒料模塊主要由剪叉式伸縮臂和水平旋轉(zhuǎn)組件構(gòu)成。其運(yùn)作流程：絲桿在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，使得滑塊沿滑動(dòng)導(dǎo)桿移動(dòng)，剪叉式伸縮桿組相應(yīng)地被拉長或縮短。撒料時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)鍋的尺寸與將撒調(diào)料的種類規(guī)劃前端路徑，并轉(zhuǎn)化為絲桿步進(jìn)電機(jī)和主動(dòng)齒輪步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)，控制懸臂伸縮與轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，通過復(fù)合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)均勻撒料。

圖4 固液撒料模塊結(jié)構(gòu)Fig.4 Structural diagram of solid-liquid strewing module

伸縮懸臂的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分布合理，保障了使用的安全性與持久性。利用ANSYS軟件對(duì)懸臂系統(tǒng)最大形變、最大應(yīng)力進(jìn)行求解分析。

如圖5，取懸臂最長伸長狀態(tài)為最危險(xiǎn)情況，在懸臂前端加10 N壓力（大于撒料前端所能提供最大壓力），應(yīng)變最大處為懸臂最前端，數(shù)值為0.022 661 m，此應(yīng)變不對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)造成影響，結(jié)構(gòu)合理。

圖5 伸縮懸臂應(yīng)變?cè)茍DFig.5 Strain nephogram of telescopic cantilever

在最危險(xiǎn)情況下，對(duì)伸縮懸臂整體進(jìn)行應(yīng)力分析，在懸臂前端加10 N壓力，結(jié)果如圖6（a），可知最大應(yīng)力集中在滑動(dòng)導(dǎo)桿上，最大應(yīng)力為192.85 MPa。導(dǎo)桿使用材料為：45鋼。查表得45鋼抗拉強(qiáng)度σb為 600 MPa［13］，屈服強(qiáng)度σs為 355 MPa，均大于導(dǎo)桿最大應(yīng)力，因此滿足強(qiáng)度要求。

由于伸縮臂結(jié)構(gòu)輕巧的需要，剪叉式伸縮桿采用強(qiáng)度較弱的亞克力板，與上文施加相同條件，單獨(dú)分析連桿部分應(yīng)力。分析結(jié)果如圖6（b），連桿最大應(yīng)力為8.93 MPa。查表得亞克力板拉伸強(qiáng)度 70 MPa［14］，遠(yuǎn)大于連桿所受最大應(yīng)力，因此滿足強(qiáng)度要求。

圖6 伸縮懸臂與剪叉式伸縮桿應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephogram of telescopic cantilever and scissor telescopic rod

2.4 固體出料模塊設(shè)計(jì)

功能：保證大小顆粒調(diào)料流暢出料、用量精準(zhǔn)把控。

如圖7，針對(duì)易阻塞于狹縫的小顆粒固體調(diào)料，如糖和鹽，采用雙電磁隔膜閥出料機(jī)構(gòu)。電磁隔膜閥帶動(dòng)上閘板開啟，下閘板關(guān)閉，調(diào)料在重力作用下落至乳膠管內(nèi)的兩閘板之間，接著下閘板開啟，上閘板關(guān)閉，調(diào)料落入鍋內(nèi)。如此設(shè)計(jì)，保證了每次出鹽量為1 g。

圖7 固體出料模塊結(jié)構(gòu)Fig.7 Structural diagram of solid discharging module

針對(duì)大顆粒固體調(diào)料，如胡椒粒，采用轉(zhuǎn)輪出料機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)輪在舵機(jī)帶動(dòng)下180°往復(fù)旋轉(zhuǎn)，上方的凹槽旋至下方，將凹槽內(nèi)的調(diào)料撒向鍋內(nèi)，同時(shí)原位于下方的空凹槽旋至上方，自動(dòng)完成上料，保證流暢出料。

2.5 倒菜翻炒模塊設(shè)計(jì)

功能：實(shí)現(xiàn)食材的分步、按時(shí)、定量添加與均勻混合；優(yōu)勢(shì)：用量控制精準(zhǔn)、食材混合均勻、結(jié)構(gòu)小巧靈動(dòng)。

如圖8所示，倒菜翻炒模塊由傾倒機(jī)構(gòu)和攪拌機(jī)構(gòu)組成。其運(yùn)作流程為：用戶先向四個(gè)盛放食材的翻斗狀食材盒中添加食材，與此同時(shí)，OLED顯示屏通過食材盒底部壓力傳感器的反饋，精確顯示食材的質(zhì)量，方便使用者將食材定量加入。食材加入完畢，驅(qū)動(dòng)四桿聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的舵機(jī)按照系統(tǒng)預(yù)設(shè)的食材烹飪順序和時(shí)間依次動(dòng)作，將食材加入鍋中。倒菜動(dòng)作完成后，機(jī)械懸臂在雙軸舵機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)90°，使錨式攪拌槳葉片水平。緊接著，步進(jìn)絲桿滑軌使機(jī)械懸臂下降直至攪拌槳葉片與鍋壁貼合，直流電機(jī)帶動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)食材的均勻混合。

圖8 倒菜翻炒模塊示意Fig.8 Schematic diagram of stirring module

四桿聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的采用，小巧美觀?，F(xiàn)將翻斗狀食材盒底面簡(jiǎn)化為與機(jī)架相連的搖桿進(jìn)行分析，已知食材盒底部兩轉(zhuǎn)動(dòng)副圓心距離CD為67 mm，機(jī)架長度AD為101 mm，曲柄AB長度為53 mm，連桿長度BC為95 mm。在SolidWorks中新建運(yùn)動(dòng)算例，選定舵機(jī)A為原動(dòng)件，選擇運(yùn)動(dòng)方式為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速60 r/min，對(duì)食材盒軌跡進(jìn)行追蹤。根據(jù)圖示弧線運(yùn)動(dòng)軌跡可知，食材盒的運(yùn)動(dòng)軌跡連續(xù)光順、過程平穩(wěn)流暢，可以很好滿足食材傾倒入鍋的需求。

考慮到食材和調(diào)料具有黏度高的特點(diǎn)，為保證均勻混合，采用錨式攪拌槳。此種攪拌槳的槳葉外緣形狀與鍋內(nèi)壁形狀一致，攪拌時(shí)不易產(chǎn)生盲區(qū)［15］。為提高攪拌均勻度和提升攪拌效率，區(qū)別于傳統(tǒng)的錨式攪拌槳無軸向混合的平行槳葉結(jié)構(gòu)，本裝置采用槳葉20°傾角的設(shè)計(jì)。試驗(yàn)證明，相同條件下該傾角槳葉單位體積混合能最低［16-17］。

3 控制系統(tǒng)與交互界面

3.1 控制系統(tǒng)的組成及控制流程

如圖9所示，固液調(diào)料系統(tǒng)主要由控制器Arduino、人機(jī)交互界面HMI、各類傳感執(zhí)行元件、及配套通信、電源系統(tǒng)組成。通過接受來自人機(jī)交互界面的控制指令，控制器精確控制各執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)了固、液體調(diào)料的可控、定量添加。

圖9 固液調(diào)料系統(tǒng)控制流程Fig.9 Control flow chart of solid-liquid seasoning system

倒菜翻炒模塊在運(yùn)行過程中接受用戶指令并據(jù)此完成相應(yīng)動(dòng)作，借助重力傳感器、計(jì)時(shí)器和顯示屏實(shí)現(xiàn)對(duì)食材加入與加工的智能控制及與用戶的友好交互。

3.2 人機(jī)交互界面

智能廚房管家擁有人性化的交互界面，可通過語音、觸控屏或者APP選擇菜譜，系統(tǒng)預(yù)設(shè)了海量調(diào)料配方，涵蓋八大菜系并可根據(jù)大數(shù)據(jù)生成個(gè)性化口味偏好，將中餐菜譜中所謂“些許”、“少量”等含糊用語數(shù)字化，變成機(jī)器可以理解的語言。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的智能廚房管家，借助精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)與智能的交互系統(tǒng)，將五個(gè)核心模塊協(xié)調(diào)運(yùn)作，強(qiáng)大的功能設(shè)計(jì)全面覆蓋廚房情景，杰出的運(yùn)行效果保證愉快料理體驗(yàn)。結(jié)構(gòu)考究、微縮高能，體積小巧完美迎合廚房需求。

該裝置現(xiàn)已有國家專利：外觀設(shè)計(jì)專利（ZL201930238930.4），發(fā)明專利（ZL201910408540.6實(shí)質(zhì)審查階段），實(shí)用新型專利（ZL202021911685.2），實(shí)物樣機(jī)獲得了2020第九全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽二等獎(jiǎng)、2020中國大學(xué)生機(jī)械工程創(chuàng)新創(chuàng)意大賽三等獎(jiǎng)、2019上海市大學(xué)生機(jī)械工程創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)、2020中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽校二等獎(jiǎng)，并代表高校參展2020中國國際工業(yè)博覽會(huì)。