全自動(dòng)智能沏茶機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

左義海,董敘言,黃玉軒,李 琰,楊 璐,李作卿

(太原工業(yè)學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，山西 太原 030008)

0 引言

茶是世界上三大飲料之一[1]，作為國飲，在某種程度上可以作為中國雅文化的代表[2]。沖茶、飲茶作為一種修身養(yǎng)性、老少皆宜的休閑方式一直深受大眾的喜愛[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國有近4.3億人飲茶，日均飲茶量達(dá)6杯[4]，我國人民在長期的飲茶過程中形成了一套獨(dú)特的茶藝文化，茶藝內(nèi)容的綜合表現(xiàn)就是茶文化[5]。不同茶葉沖泡時(shí)所需的水溫、浸泡時(shí)間各異，對(duì)不了解茶藝的人，通過一款全自動(dòng)沏茶機(jī)可以在享受傳統(tǒng)茶藝文化的同時(shí)感受到智能科技帶來的便利。

早在19世紀(jì)30年代，英國的哥卜林公司將鬧鐘與煮水設(shè)備相結(jié)合，發(fā)明了帶鬧鈴提示的煮茶機(jī)[6]。Rosengren LO利用連通器與定時(shí)器原理發(fā)明了帶定時(shí)功能的泡茶機(jī)[7]。隨著人工智能的發(fā)展，泡茶機(jī)也逐漸向智能化方向發(fā)展。2014年，BKON公司研發(fā)了真空泡茶機(jī)，利用真空萃取技術(shù)一次性沖泡出茶香。2015年，Teforia公司設(shè)計(jì)的智能泡茶機(jī)[8]可以實(shí)現(xiàn)茶葉種類的自動(dòng)識(shí)別，并根據(jù)用戶的飲茶習(xí)慣調(diào)整茶葉泡制方式。國內(nèi)也相繼推出了電磁式泡茶機(jī)、泡茶咖啡一體機(jī)、茶王泡茶機(jī)等智能泡茶設(shè)備。但上述設(shè)備均未將泡茶、沏茶、清洗集成為一體，缺少與茶文化、茶藝的融合。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一款全自動(dòng)智能沏茶機(jī)。該機(jī)可按照不同用戶的喜好，根據(jù)茶葉品種，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水溫調(diào)節(jié)、泡茶、倒茶以及茶具清洗等，并將茶藝流程融入沏茶過程，起到傳播茶文化的作用。

1 全自動(dòng)智能沏茶機(jī)工作原理

全自動(dòng)智能沏茶機(jī)核心控制處理器采用STM32F407ZGT6單片機(jī)[9]，搭配DS18B20溫度傳感器[10]、GP2Y0A21YK0F紅外測(cè)距傳感器[11]、智能串口屏、42步進(jìn)直線絲桿電機(jī)等元器件，實(shí)現(xiàn)沏茶的智能化。該沏茶機(jī)由出茶裝置、升降裝置、沏茶裝置和清洗裝置組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全自動(dòng)智能沏茶機(jī)三維模型

用戶將不同種類茶葉放入儲(chǔ)茶盒，通過智能屏輸入泡茶類別，水泵向熱水壺注水，水壺底部熱水器開始工作，通過溫度傳感器監(jiān)測(cè)水壺內(nèi)水溫，達(dá)到預(yù)設(shè)水溫后進(jìn)行語音提示；出茶裝置開始工作，機(jī)械臂帶動(dòng)茶漏轉(zhuǎn)至儲(chǔ)茶盒下方，電動(dòng)蝸桿推動(dòng)定量茶葉落入茶漏，機(jī)械臂帶動(dòng)漏網(wǎng)轉(zhuǎn)至茶壺上方，水泵向茶漏網(wǎng)加注適量熱水，并開始洗茶；洗茶完成后，平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)至廢水收集處，將洗茶水倒出并將茶漏移動(dòng)到水壺上方，沏茶裝置開始工作；水泵向茶壺加注熱水開始泡茶，泡茶水溫及時(shí)間由機(jī)器自主控制；泡茶完成后，升降裝置工作，茶壺上升至指定位置，紅外測(cè)距檢測(cè)到茶杯，傾倒茶水，否則槽輪帶動(dòng)茶盤轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度，直至檢測(cè)到茶杯，完成倒茶任務(wù)；若茶壺中水量不足，升降裝置將茶壺下降至初始位置，重復(fù)下一個(gè)泡茶流程；飲茶完畢，茶壺下降至初始位置，平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)傾倒廢茶，清洗裝置開始工作，機(jī)械臂將茶漏翻轉(zhuǎn)，抖出殘余茶葉，超聲波清理器伸入茶壺內(nèi)開始清洗，清洗完成后，各裝置復(fù)位。

2 各裝置的設(shè)計(jì)

2.1 出茶裝置的設(shè)計(jì)

出茶裝置主要由蝸桿、儲(chǔ)茶盒、拇指電機(jī)組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。拇指電機(jī)控制螺距為18 mm的蝸桿定時(shí)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)向茶壺中定量添加茶葉的功能。

圖2 出茶裝置

2.2 升降裝置的設(shè)計(jì)

升降裝置主要由步進(jìn)電機(jī)、絲桿、鋼軸、箱式直線軸承和平臺(tái)組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 升降裝置

通過控制步進(jìn)電機(jī)[12]驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，控制茶壺升降到指定位置。在整個(gè)工作流程中，需要實(shí)現(xiàn)茶壺的升降和側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)作，為保證茶壺平穩(wěn)升降，采用兩根絲桿驅(qū)動(dòng)平臺(tái)、兩根鋼軸配合直線軸承為導(dǎo)向的升降方式。平臺(tái)通過四個(gè)相互間隔90°的卡件完成對(duì)茶壺的固定及限位。采用舵機(jī)輔以交叉滾子軸承等零件配合實(shí)現(xiàn)茶壺旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，在整個(gè)茶壺轉(zhuǎn)動(dòng)中較好地完成了對(duì)茶壺的固定及旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。

升降裝置中兩個(gè)帶絲桿的步進(jìn)電機(jī)需要負(fù)載3 kg的物體，為了保證平臺(tái)在絲桿上平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)且步進(jìn)電機(jī)停止時(shí)平臺(tái)能穩(wěn)定停留，對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的輸出扭矩應(yīng)該大于0.096 N·m，本文選擇導(dǎo)程為8 mm的絲桿，采用42BYGH34-01型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)。

2.3 沏茶裝置的設(shè)計(jì)

沏茶裝置主要由茶壺卡件、茶壺底盤、交叉滾子軸承、雙軸舵機(jī)、茶壺、茶杯組成，如圖4所示，其中的茶壺固定示意圖如圖5所示。雙軸舵機(jī)帶動(dòng)茶壺底盤運(yùn)動(dòng)，利用固定在茶壺一側(cè)的紅外測(cè)距傳感器檢測(cè)茶杯是否就位。當(dāng)檢測(cè)到茶杯時(shí)，通過控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度將茶水倒入茶杯中，完成一次倒茶任務(wù)。茶壺底盤啟動(dòng)將下一個(gè)茶杯轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置，依次實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出茶及傳統(tǒng)茶藝表演。

圖4 沏茶裝置

圖5 茶壺固定示意圖

全自動(dòng)智能沏茶機(jī)茶壺質(zhì)量為240 g，注水量為500 mL，倒五杯茶為一個(gè)循環(huán)，每一杯沏茶量50 mL，取水的密度為1 g/cm3，茶壺底部中心距舵機(jī)輸出軸中心的距離為9 cm。

沏茶裝置中雙軸舵機(jī)需要舉起茶壺，所需扭矩較大，為保證沏茶過程中茶壺的穩(wěn)定，本文選用RDS3225雙軸舵機(jī)，其額定功率和額定扭矩均可滿足要求。

當(dāng)雙軸舵機(jī)工作時(shí)，在豎直方向上茶壺上升的加速度分量ay為：

ay=a×cosθ3.

(1)

其中：a為茶壺上升的加速度；θ3為舵機(jī)臂與桌面的夾角。

在此過程中a恒定，又因?yàn)棣?<90°，即 cosθ3隨著θ3的增加而遞減，所以ay隨著θ3的增加而遞減，近似于余弦函數(shù)。

在豎直方向上茶壺上升的速度分量vy為：

vy=ay×Δt.

(2)

其中：Δt為茶壺上升時(shí)間。

茶壺的速度應(yīng)從0開始到0結(jié)束，結(jié)合加速度函數(shù)，當(dāng)θ3≤45°時(shí)，茶壺做加速度逐漸減小的加速運(yùn)動(dòng)，直至加速到最大速度；當(dāng)θ3>45°時(shí)，做加速度逐漸增大的減速運(yùn)動(dòng)，直至減速到0。

采用Adams軟件[13]對(duì)沏茶過程進(jìn)行仿真，研究茶壺自身速度、加速度、位移隨時(shí)間的變化，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 茶壺速度、加速度、位移隨時(shí)間的變化曲線

倒?jié)M第一杯茶的時(shí)間為3.5 s，舵機(jī)運(yùn)動(dòng)角度0～35°，倒?jié)M第五杯茶的時(shí)間為5.2 s，舵機(jī)運(yùn)動(dòng)角度0～42°。由于五次倒茶過程相似，本文取倒第一杯茶與倒第五杯茶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，舵機(jī)的扭矩與角度如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，舵機(jī)最大負(fù)載發(fā)生在倒第一杯茶的1.9 s處，此時(shí)舵機(jī)傾角為35°，扭矩達(dá)到最大值為7.800 7 kg·cm，小于計(jì)算所得8.1 kg·cm。而灑在茶杯外的茶水量僅為20 g，影響較小。以倒五杯茶為一個(gè)循環(huán)，當(dāng)?shù)雇甑谝槐韬?，任意時(shí)刻茶壺中的茶水質(zhì)量都小于第一次倒茶時(shí)茶壺中茶水的質(zhì)量。因此，本文所選舵機(jī)符合要求。

圖7 倒第一杯茶數(shù)據(jù)

圖8 倒第五杯茶數(shù)據(jù)

2.4 清洗裝置的設(shè)計(jì)

清洗裝置主要由雙軸舵機(jī)、單軸舵機(jī)和超聲波模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。清洗裝置為兩個(gè)自由度的機(jī)械臂，通過機(jī)械臂翻轉(zhuǎn)配以流水沖洗茶漏，完成對(duì)茶漏的清洗；茶壺注水，將超聲波清洗模塊伸入茶壺內(nèi)部，對(duì)茶壺進(jìn)行清洗。

3 結(jié)語

本文針對(duì)目前泡茶機(jī)集成化、智能化程度低，人機(jī)交互性差的問題，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種全自動(dòng)智能沏茶機(jī)，將茶藝流程融入到沏茶過程中，可以按照不同用戶的喜好，根據(jù)不同種類茶葉，實(shí)現(xiàn)水溫自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)泡茶、自動(dòng)上茶、自動(dòng)清洗的全自動(dòng)化功能。通過實(shí)驗(yàn)分析，全自動(dòng)智能沏茶機(jī)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。在后續(xù)研究中，還可以根據(jù)客戶需求調(diào)整各個(gè)模塊的功能，提高市場(chǎng)推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

圖9 清洗裝置