一種實(shí)現(xiàn)潮汕工夫茶藝過程的智能沏茶機(jī)設(shè)計(jì)

邱偉彬 曾志豪 李裕武 黎維健 劉宇星 卿艷梅

關(guān)鍵詞：茶藝;沏茶機(jī);智能;自動化

0引言

潮汕家庭無論貧富，都愛好喝茶，龐大的茶葉消費(fèi)群體，形成了一個巨大的茶葉消費(fèi)市和獨(dú)特的潮汕工夫茶文化。工夫茶的沖泡過程復(fù)雜，其步驟大致分為燙杯熱罐、高沖低灑、關(guān)公巡城、韓信點(diǎn)兵。泡茶過程中的每一個步驟都極有講究，如“燙杯熱罐”和“高沖低灑”是為了充分散發(fā)茶葉的香味，“關(guān)公巡城”和“韓信點(diǎn)兵”是為了使茶汁平等均勻。

但是隨著社會節(jié)奏的加快，工夫茶并不能適應(yīng)所有茶葉消費(fèi)群體的需求，其考究的飲茶方式對時間和空間上均有較高的要求。為此，研制一種智能沏茶機(jī)，在具備自動沏茶功能的同時仍保持著傳統(tǒng)工夫茶文化技藝，顯得尤為必要。

國內(nèi)外對自動泡茶裝置已經(jīng)做了大量研究。太原理工大學(xué)研制出一種智能控制全自動沏茶機(jī)，實(shí)現(xiàn)了整個沏茶過程的工業(yè)化。2011年，雀巢公司推出了一款類似咖啡機(jī)的自動泡茶機(jī)。該機(jī)器具備自動沖泡功能，并能根據(jù)茶葉的種類來調(diào)節(jié)水溫及時間。上述研究都注重于實(shí)現(xiàn)沖泡過程的自動化，但是忽略了沖泡過程中的茶藝文化實(shí)現(xiàn)及茶具的清洗步驟。本文將針對國內(nèi)外現(xiàn)有的自動泡茶裝置的不足進(jìn)行改進(jìn)，并結(jié)合傳統(tǒng)工夫茶藝文化知識，設(shè)計(jì)出一種實(shí)現(xiàn)潮汕傳統(tǒng)工夫茶藝的智能沏茶機(jī)。

1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作過程

1.1整體方案

該智能沏茶機(jī)主要由5大部分組成，分別是出茶葉機(jī)構(gòu)、茶壺控制系統(tǒng)、淋灌機(jī)構(gòu)、茶盤機(jī)構(gòu)及底盤。在這些機(jī)構(gòu)的集成作用下，該機(jī)器可以實(shí)現(xiàn)加茶、沖茶、淋罐、泡茶、洗茶、燙杯、沏茶、洗杯、洗壺、清茶渣的動作，各個步驟聯(lián)動，全自動完成飲茶的準(zhǔn)備工作及飲茶后的工作，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

沏茶機(jī)的簡易工作流程如下。

（1）茶壺處于出茶葉機(jī)構(gòu)下方，出茶葉機(jī)構(gòu)接受相關(guān)命令后，根據(jù)用戶設(shè)定好的茶葉種類和茶葉量，開始出茶葉，實(shí)現(xiàn)“納茶”茶藝;茶壺接收茶葉后移至淋灌機(jī)構(gòu)下，淋灌機(jī)構(gòu)開始工作，加熱水泡茶，實(shí)現(xiàn)“高沖低灑”和“淋壺”茶藝;接著茶壺來到茶盤上方，茶壺蓋合上并開始倒茶。同時，茶盤轉(zhuǎn)動，使茶杯均勻得茶，完成“關(guān)公巡城”與“韓信點(diǎn)兵”茶藝;倒完之后茶杯翻轉(zhuǎn)，倒掉洗茶水完成洗茶工作。

（2）茶壺蓋打開，重復(fù)以上納茶之后的步驟，完成第二遍沖茶、第三遍沖茶直至沖茶結(jié)束。

（3）待結(jié)束沖茶時，茶盤旁的噴嘴出冷水清洗茶杯。同時茶壺回到出茶葉機(jī)構(gòu)下方，導(dǎo)管往水壺中加冷水，茶壺旋轉(zhuǎn)以清理茶渣。

1.2出茶葉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

出茶葉機(jī)構(gòu)整體構(gòu)成如圖2所示，其功能是可實(shí)現(xiàn)定量供給2種不同的茶葉以及檢測茶葉剩余量。

定量供給不同種類茶葉的功能由螺桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。該機(jī)構(gòu)由單向離合器和復(fù)位彈簧、螺旋桿、外殼及傳動齒輪構(gòu)成。螺旋傳動主要就是利用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變換為直線運(yùn)動。利用螺旋桿轉(zhuǎn)動帶動槽內(nèi)茶葉向前傳遞，上方的儲茶器不斷地補(bǔ)充茶葉，保證連續(xù)出茶并通過控制螺桿轉(zhuǎn)動圈數(shù)來實(shí)現(xiàn)定量供給效果。單向離合器與復(fù)位彈簧聯(lián)合作用，保證只有一個方向可帶動螺桿（另一個方向空轉(zhuǎn)），結(jié)合電機(jī)正反轉(zhuǎn)，便可分別控制左右螺旋桿的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)供給不同種類的茶葉。而檢測茶葉剩余量的功能由壓力傳感器實(shí)現(xiàn)。

為滿足不同人群飲茶習(xí)慣的需求，對出茶葉量設(shè)計(jì)淡、適宜、濃3個檔次。考慮到通過理論計(jì)算一定容積內(nèi)的茶葉質(zhì)量涉及到容重、茶葉老嫩、條索緊實(shí)程度等多種數(shù)據(jù)的測量，不僅測量難度較大并且誤差較大，故采用直接測量法得到相關(guān)數(shù)據(jù)。讓螺桿轉(zhuǎn)動1圈，得到茶葉樣本（以茶葉鐵觀音為準(zhǔn)），稱重得到數(shù)據(jù)mt。重復(fù)本實(shí)驗(yàn)步驟，得到多組數(shù)據(jù)，取平均值，計(jì)算得到平均m=3.2g。查詢資料得，工夫茶沖泡中，每200mL水沖泡6g茶葉為宜。每次注水體積為160mL，則適宜茶葉用量x可由下列計(jì)算得到：由此整理濃度等級數(shù)據(jù)情況如表1所示。

1.3茶壺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

茶壺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其功能是控制移動茶壺到相應(yīng)位置點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)茶壺蓋開合、茶壺的傾倒倒茶及翻轉(zhuǎn)清理茶渣等動作。

該裝置通過蝸輪蝸桿傳動來控制茶壺水平方向上的移動。蝸輪蝸桿傳動具有精度高、傳動穩(wěn)定易于控制等特點(diǎn)，還能實(shí)現(xiàn)大傳動比。為此，本方案中采用蝸輪蝸桿傳動可有效降低傳動誤差，精確控制茶壺位置。另外，使用舵機(jī)分別控制茶壺蓋的開合、茶壺的傾斜、茶壺的翻轉(zhuǎn)。

1.4淋灌機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

淋灌機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，其功能是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工夫茶藝中的“高沖低灑”及“淋壺”茶藝。

“高沖低灑”茶藝功能由圖中的絲桿傳動實(shí)現(xiàn)，變流器連接在絲桿上，可由電機(jī)驅(qū)動變流器的上下運(yùn)動。絲桿上下端都設(shè)有行程開關(guān)，以確保控制的精確性。

“淋壺”茶藝功能由變流器實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。在高位時，水流經(jīng)收束口直下，進(jìn)入茶壺。在低位時，彈性擋片適應(yīng)機(jī)架接觸面發(fā)生位移，擋住直下出口，水流開始分散到其余均勻分布的小口，實(shí)現(xiàn)淋灌壺身。

1.5茶盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

茶盤機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)如圖6所示，其功能是旋轉(zhuǎn)茶盤實(shí)現(xiàn)茶藝“關(guān)公巡城”以及翻轉(zhuǎn)茶杯。

其中，茶盤的旋轉(zhuǎn)由電機(jī)直接驅(qū)動。茶杯翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)原理如圖7所示。因彈簧作用，擋軸始終與機(jī)架接觸。擋軸尾部實(shí)質(zhì)上是一個凸輪，凸輪與機(jī)架進(jìn)行高副接觸，獲得預(yù)期的直線運(yùn)動，在茶套翻轉(zhuǎn)時，擋住茶杯，防止掉落。電機(jī)驅(qū)動一個茶杯翻轉(zhuǎn)，其他茶杯由錐齒輪傳動系統(tǒng)發(fā)生同步同向翻轉(zhuǎn)。

1.6底盤設(shè)計(jì)

底盤結(jié)構(gòu)如圖8所示。清洗槽用于收集洗茶壺的廢水廢渣，濾網(wǎng)過濾茶渣，防止堵塞導(dǎo)管。從機(jī)器外側(cè)可直接抽出濾網(wǎng)，清理茶渣，清洗槽的廢水都通過導(dǎo)管匯集到四通接口處，集中排出到廢水桶中。顯示屏及按鈕方便人工輸入相關(guān)指令信息。噴嘴用于沖茶結(jié)束時，對茶杯進(jìn)行清洗。擋板可以防止沖茶過程中水的外濺。中間位置設(shè)有漏水孔，以防水殘留在底盤上，廢水同樣經(jīng)導(dǎo)管排到廢水桶。管線收集盒用于匯聚導(dǎo)管導(dǎo)線等，避免纏繞雜亂。

2電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在電氣控制方面，在實(shí)現(xiàn)機(jī)器全部功能的前提下，需盡量做到簡潔高效，并符合常人的操作習(xí)慣，遵循可行性、合理性、相容性的原則，以下將從各個方面詳細(xì)介紹。

2.1控制模塊

控制該沏茶機(jī)的核心部件如圖9所示。茶機(jī)上的按鈕和手機(jī)端的藍(lán)牙通過串口通信與主控芯片進(jìn)行通信;藍(lán)牙無線傳輸通過RF（2.4 GHz）載波進(jìn)行功耗低，傳輸速度快，可同時連接多個系統(tǒng)。當(dāng)裝置通電，主控芯片即完成對裝置電機(jī)和串口的初始化，當(dāng)主控芯片接收到藍(lán)牙或按鍵的“開始”信號即開始自動泡茶，在此期間用戶可以“重復(fù)沖茶”、“清洗茶具”、“停止”等按鈕進(jìn)行人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作。

2.2程序設(shè)計(jì)總思路

沏茶機(jī)控制總程序如圖10所示。該總程序有m1茶壺橫向轉(zhuǎn)動子程序、m2出茶電機(jī)子程序、m3壺蓋翻轉(zhuǎn)子程序、m4茶壺垂直翻轉(zhuǎn)子程序、m5茶壺橫向翻轉(zhuǎn)子程序、m6絲桿電機(jī)子程序、m7抽水電機(jī)子程序、m8茶盤電機(jī)子程序、m9茶杯翻轉(zhuǎn)電機(jī)子程序。程序分為納茶函數(shù)、注水函數(shù)、沖泡函數(shù)、清理函數(shù)、檢測茶葉量函數(shù)幾大模塊。

2.3茶壺橫向轉(zhuǎn)動子程序

編碼器電機(jī)能機(jī)械位置同步跟蹤，各個函數(shù)以ml電機(jī)編碼器S1＼S2＼S3＼S4返回值作為主人口參數(shù)，自增值Flag為次人口參數(shù)，如圖11所示。

2.4納茶函數(shù)設(shè)計(jì)

該函數(shù)實(shí)現(xiàn)茶葉進(jìn)入茶壺動作。主控芯片輸入脈沖數(shù)，電機(jī)m5轉(zhuǎn)動，茶壺翻轉(zhuǎn)180°;按鈕選擇m2出茶子程序電機(jī)轉(zhuǎn)動，螺桿出茶，定時器2s后結(jié)束，如圖12所示。

2.5注水函數(shù)設(shè)計(jì)

該函數(shù)實(shí)現(xiàn)茶壺淋壺和注水動作。絲桿上下固定有11和12限位開關(guān)，被觸發(fā)時實(shí)現(xiàn)m6電機(jī)反轉(zhuǎn);電機(jī)m6、m7轉(zhuǎn)動，P1注水口注水同時向上移動，上方限位開關(guān)12被觸發(fā)2次即停止，如圖13所示。

2.6沖泡函數(shù)設(shè)計(jì)

該函數(shù)實(shí)現(xiàn)茶水從茶壺注入茶杯。電機(jī)m3轉(zhuǎn)動至內(nèi)部壓力傳感器觸發(fā)而停止，帶動蓋子合上;電機(jī)m4轉(zhuǎn)動，帶動茶壺傾斜俯角60°，使茶水倒入茶杯中，與此同時，電機(jī)m8轉(zhuǎn)動，使茶盤轉(zhuǎn)動，確保每個茶杯中倒人茶水;定時器5s后，電機(jī)m4翻轉(zhuǎn)，茶壺回到水平狀態(tài)，電機(jī)m8停止，茶盤停轉(zhuǎn)，如圖14所示。

2.7清理函數(shù)設(shè)計(jì)

該函數(shù)實(shí)現(xiàn)茶杯茶壺清理。電機(jī)m3反轉(zhuǎn)60°，打開壺蓋;電機(jī)m5轉(zhuǎn)動，帶動茶壺橫向翻轉(zhuǎn)180°，茶渣掉落。電機(jī)m7、m8轉(zhuǎn)動，選擇P2注水口注水，定時器3s后停止，電機(jī)m9轉(zhuǎn)動，翻轉(zhuǎn)茶杯，轉(zhuǎn)動180°后，電機(jī)反轉(zhuǎn)，茶杯復(fù)位，如圖15所示。

2.8檢測茶葉量函數(shù)設(shè)計(jì)

該函數(shù)實(shí)現(xiàn)茶庫中茶葉量過少自動通知用戶添加茶葉。重力傳感器返回值，少于設(shè)定閾值，添加茶葉指示燈亮起，如圖16所示。

2.9重要電機(jī)控制簡述

M1編碼器電機(jī)作為其他函數(shù)人口，要確保其準(zhǔn)確控制，實(shí)現(xiàn)裝置的正常運(yùn)行。對此，經(jīng)行PID算法的閉環(huán)控制，公式表達(dá)為：

由此可以實(shí)現(xiàn)對編碼器電機(jī)的閉環(huán)控制，如圖17所示。

3關(guān)鍵機(jī)構(gòu)分析

針對茶壺傾倒機(jī)構(gòu)，關(guān)鍵部位在于L型鈑金懸臂梁的受力情況，以及翻轉(zhuǎn)扭矩是否足夠。以下將使用Inventor運(yùn)動仿真及應(yīng)力分析插件進(jìn)行分析。

3.1茶壺L型鈑金的應(yīng)力分析

懸臂梁末端受力為機(jī)構(gòu)總重力，測得該力FI=14N。將前端做固定約束，選擇材料為鍍鋅鋼，網(wǎng)格劃分后計(jì)算得到以下結(jié)果。如圖18、表2所示。表2結(jié)果表明，懸臂梁末端發(fā)生的最大位移為0.26mm，在允許的范圍內(nèi)。

3.2茶壺翻轉(zhuǎn)傾倒的仿真運(yùn)動分析

茶壺傾倒過程中（受力情況如圖18（a）所示），初始力F，=14N，由于傾倒過程中水的重量減少，末位置的力減少為F2=11N。擬定該力呈線性變化，添加后計(jì)算得到茶壺翻轉(zhuǎn)力矩結(jié)果，如圖19所示。

由圖可知，最大力矩Wo=1481.37N·mm，其中齒輪傳動系統(tǒng)減速比為1：1.4。故作用在舵機(jī)上的力矩W為：

4結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的一種實(shí)現(xiàn)潮汕傳統(tǒng)工夫茶茶藝過程的智能沏茶機(jī)，結(jié)構(gòu)簡潔、功能多樣，實(shí)現(xiàn)了清洗茶具、裝茶葉、洗茶葉、泡茶、倒茶等功能的自動化，其動作過程模擬了潮汕傳統(tǒng)工夫茶藝的人工過程。在控制方面，能及時反饋茶葉剩余量，且擁有遠(yuǎn)程控制等智能化設(shè)計(jì)。相比較于其他簡單沖泡的茶具，本設(shè)計(jì)具有良好的市場前景。