奶茶調(diào)配售貨機(jī)器人系統(tǒng)研發(fā)

張守明，范劍偉，丁成康

（安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000）

目前，中國(guó)奶茶行業(yè)基本都以實(shí)體店的形式經(jīng)營(yíng)，面向消費(fèi)者現(xiàn)場(chǎng)制作、出售奶茶飲品，消費(fèi)者可以隨時(shí)隨地享用，不受時(shí)間地點(diǎn)的限制，更能夠滿足現(xiàn)在人們快節(jié)奏的生活習(xí)慣，這也是奶茶行業(yè)近幾年持續(xù)火爆的原因之一，迅速增長(zhǎng)的市場(chǎng)規(guī)模和發(fā)展?jié)摿σ惨鹆送顿Y者的廣泛關(guān)注。奶茶行業(yè)多以加盟零售方式進(jìn)行，人工制作奶茶效率低，衛(wèi)生安全難以防范，且難以做到每杯奶茶中的奶和茶的配比量相同。除此之外，在售賣高峰期時(shí)人工制作容易出錯(cuò)，不能滿足顧客對(duì)奶茶質(zhì)量的需求。

另外一方面，隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活節(jié)奏加快，繁雜而又重復(fù)的工作越來越難以吸引求職者。由此，服務(wù)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，并且其市場(chǎng)價(jià)值也呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)的趨勢(shì)，可以預(yù)料不久后，這些機(jī)器人都將越來越廣泛地服務(wù)于人們的日常生活[1-2]。

目前世界各國(guó)的服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)化程度仍處于起步階段，有調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前有至少48 個(gè)國(guó)家在發(fā)展機(jī)器人，其中25 個(gè)國(guó)家開始在服務(wù)型機(jī)器人領(lǐng)域進(jìn)行研究。在北美、歐洲和日本，共計(jì)40 余款服務(wù)型機(jī)器人進(jìn)入實(shí)驗(yàn)和半商業(yè)化應(yīng)用[3]。雖然目前對(duì)服務(wù)機(jī)器人的研究和應(yīng)用越來越廣泛，但在如奶茶這種現(xiàn)調(diào)現(xiàn)售的休閑飲品方面鮮有案例。

針對(duì)上述問題，提出將服務(wù)機(jī)器人與現(xiàn)調(diào)現(xiàn)配的奶茶飲品相結(jié)合，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套奶茶調(diào)配售貨機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)顧客點(diǎn)單信息的查詢及解析，并依據(jù)訂單信息控制該機(jī)器各個(gè)模塊運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)奶茶制作、取餐等整個(gè)流程的控制。

1 研究技術(shù)路線和實(shí)現(xiàn)方案

1.1 研究技術(shù)路線

奶茶調(diào)配售貨機(jī)器人系統(tǒng)是一種無人化的奶茶飲品調(diào)配售貨機(jī)器，與普通的奶茶店相同，其首先應(yīng)該具備制作不同口味、不同溫度奶茶的能力。其次，由于該機(jī)器在運(yùn)營(yíng)方面不是依靠人工勞動(dòng)力，顧客可以根據(jù)自己的選擇自主下單、付款，所以該機(jī)器要能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互，要能夠反饋缺料、缺水等情況，提示店員及時(shí)補(bǔ)料；另外，要能夠提供更便捷、更迅速的服務(wù)，減少顧客等待時(shí)間，而且必須保持密閉的衛(wèi)生環(huán)境和恒定的溫度。其研究技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 研究技術(shù)線路圖

1.2 實(shí)現(xiàn)方案

該系統(tǒng)制作奶茶的流程為：落杯器落杯同時(shí)機(jī)械臂取料杯、取冰、加糖、倒料、加奶、加茶、封口，最后打開取貨窗口等待顧客取走奶茶。為實(shí)現(xiàn)上述功能，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件和軟件。整個(gè)系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由機(jī)身整體框架和外部鈑金的設(shè)計(jì)、傳送帶部件的設(shè)計(jì)、取杯模塊的設(shè)計(jì)、落杯模塊的設(shè)計(jì)、封口模塊的設(shè)計(jì)、機(jī)器臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇6 個(gè)部分組成。以下簡(jiǎn)要論述機(jī)身整體框架的設(shè)計(jì)、傳送帶部件的設(shè)計(jì)[4-5]和落杯模塊的設(shè)計(jì)。

2.1 機(jī)身整體框架的設(shè)計(jì)

機(jī)身的設(shè)計(jì)主要考慮到要簡(jiǎn)單，并且要易于制造、安裝。要實(shí)現(xiàn)的功能如下：①有足夠的空間安放制冰機(jī)、果糖機(jī)、開水機(jī)、封口機(jī)、機(jī)械臂、茶桶、封口機(jī)、冰臺(tái)及傳送帶組件等；②便于傳感器、電磁閥等布線，并便于維護(hù)；③內(nèi)部要有足夠的空間安裝空調(diào)，便于降溫；④整個(gè)設(shè)備必須密封，防止蚊蟲進(jìn)入。系統(tǒng)整體外觀效果如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)整體外觀效果

2.2 傳送帶部件的設(shè)計(jì)

傳送帶部件的作用是利用傳送帶把奶茶料杯傳送到指定位置，即傳送帶最前端。在傳送帶的最前端安裝了漫反射光電開關(guān)傳感器，當(dāng)傳感器檢測(cè)到奶茶料杯時(shí)傳送帶停止轉(zhuǎn)動(dòng)。為了增加容量，將傳送帶部件設(shè)計(jì)為2 層，每層各并排安裝10 個(gè)傳送帶，每個(gè)傳送帶可以放置4～5 個(gè)奶茶料杯；為了方便補(bǔ)料，在每層傳送帶底部托板的兩側(cè)各安裝了1 個(gè)滑軌，使其便于從傳送帶部件的背部推進(jìn)拉出；為了節(jié)省補(bǔ)料時(shí)間、減少工作人員的勞動(dòng)，在傳送帶部件的側(cè)面安裝了1 個(gè)補(bǔ)料按鈕，工作人員補(bǔ)料后按下補(bǔ)料按鈕，則會(huì)啟動(dòng)補(bǔ)料程序，把奶茶料杯傳送至指定位置。傳送帶部件的外觀效果如圖4 所示。

圖4 傳送帶部件的外觀效果

2.3 落杯模塊的設(shè)計(jì)

落杯模塊的主要作用是將單個(gè)奶茶杯落進(jìn)封口機(jī)開合氣缸的擴(kuò)展部分，以供后續(xù)系統(tǒng)的灌裝、封口、出杯等[6-7]。落杯模塊主要由雙孔落杯器、奶茶杯、落杯器升降氣缸及氣缸鈑金罩組成，雙孔落杯器有2 個(gè)作用：①存儲(chǔ)奶茶杯。每孔可存儲(chǔ)50 個(gè)奶茶杯，2 個(gè)儲(chǔ)杯孔只有1 個(gè)位于工作位置，即落杯口，當(dāng)該儲(chǔ)杯孔中沒有奶茶杯后，另一個(gè)儲(chǔ)杯孔才會(huì)被彈簧推至落杯口。②通過控制齒輪的旋轉(zhuǎn)從而控制單個(gè)奶茶杯落下。落杯器固定在L 形鈑金上，L 形鈑金的另一端通過螺栓安裝固定在落杯器升降氣缸上，落杯器升降氣缸的作用是避免其在最低位置時(shí)與水龍頭的工作位置產(chǎn)生干涉，而落杯器升降氣缸固定在升降氣缸鈑金罩上。落杯模塊裝配圖如圖5 所示。

圖5 落杯模塊裝配圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在奶茶調(diào)配售貨機(jī)器人控制系統(tǒng)中，上位機(jī)采用占美8 代GK5000 無風(fēng)扇工控機(jī)，通過交換機(jī)、USB轉(zhuǎn)485 模塊、USB 轉(zhuǎn)TTL 模塊等與機(jī)器人、落杯器、Ⅰ/O 模塊、制冰機(jī)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)總體包含機(jī)器手、供料及補(bǔ)料、制冰、出茶及供水、落杯、出糖、封口、取杯、人機(jī)交互、上位機(jī)10 個(gè)模塊，彼此間是并列運(yùn)行的關(guān)系[8-9]，如圖6 所示。其中機(jī)械臂的控制系統(tǒng)采用的是納博特NRC 系列EtherCAT 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，優(yōu)秀的硬件平臺(tái)和算法能力，完全能夠滿足六軸同步運(yùn)動(dòng)和插補(bǔ)計(jì)算。人機(jī)交互模塊采用的是自主點(diǎn)餐機(jī)，能夠滿足顧客自主選擇下單并付款，速度快、省時(shí)間。

機(jī)械手模塊是該系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。機(jī)械手由末端執(zhí)行器、機(jī)械臂、驅(qū)動(dòng)器、控制器構(gòu)成。其主要作用是準(zhǔn)確夾取奶茶料杯，然后根據(jù)指令?yuàn)A著料杯依次送至指定位置完成取冰、取糖、倒料、棄杯、回初始位置等步驟。機(jī)械手本體是該系統(tǒng)的軸心部件，起到機(jī)器換人的作用。結(jié)合本文研究方案設(shè)計(jì)，采用六軸機(jī)械人作為本系統(tǒng)完成奶茶飲品調(diào)配的關(guān)鍵部件。

出茶及供水模塊由茶桶、牛奶桶、開水機(jī)、水桶、抽水泵、自吸泵、高壓開關(guān)、液體電磁閥等組成，其中出茶模塊是對(duì)奶茶原漿進(jìn)行定量灌裝的部分，當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)指令后，對(duì)應(yīng)的抽水泵、高壓開關(guān)、液體電磁閥開始工作，將指定量的奶茶原漿輸送至奶茶杯中；供水模塊對(duì)茶桶、開水機(jī)進(jìn)行供水，由自吸泵和高壓開關(guān)組成，當(dāng)開水機(jī)缺水時(shí)，高壓開關(guān)打開同時(shí)自吸泵開始工作，直到開水機(jī)自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)水口，則高壓開關(guān)關(guān)閉，同時(shí)自吸泵停止工作。

人機(jī)交互模塊是消費(fèi)者選取奶茶飲品下單、支付并取走小票的部分，點(diǎn)餐軟件界面簡(jiǎn)單、形象直觀，每個(gè)奶茶飲品都配有相應(yīng)的圖片和價(jià)格，選取甜度和溫度的界面也有相應(yīng)的說明。消費(fèi)者首先選擇奶茶飲品，然后選擇甜度、溫度，確認(rèn)后付款，最后取走小票，等待奶茶飲品調(diào)配制作完成。該點(diǎn)餐系統(tǒng)能夠歸納分析銷售數(shù)據(jù)，使經(jīng)營(yíng)者掌握不同飲品的售賣情況，再根據(jù)售賣情況調(diào)整奶茶原料的投放量及研制不同口味的奶茶飲品，吸引消費(fèi)者前來體驗(yàn)。

為了使軟件設(shè)計(jì)程序的結(jié)構(gòu)清晰，便于理解、調(diào)試程序，本文控制系統(tǒng)軟件部分采用Labview 主/從模式的設(shè)計(jì)方式，將任務(wù)從整體到局部功能進(jìn)行分析，然后把不同功能的各個(gè)工作流程分成單個(gè)模塊分別進(jìn)行編程，然后再通過主程序調(diào)用，使程序的邏輯性更清晰，便于編寫和調(diào)試程序。

本文程序設(shè)計(jì)主要由水龍頭控制、落杯器控制、制冰控制、果糖機(jī)控制、機(jī)器人通信、傳送控制、云訂單查詢、流程控制、封口機(jī)控制及Ⅰ/O 控制組成。通過對(duì)這10 個(gè)部分進(jìn)行分析，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行模塊化、簡(jiǎn)單化，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的有效控制[10]。

4 結(jié)論

本文提出了一套奶茶調(diào)配售貨機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)路線，并給出了該系統(tǒng)的總體實(shí)現(xiàn)方案；設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的本體結(jié)構(gòu)； 采用自動(dòng)多線程編程語言Labview，設(shè)計(jì)了上位機(jī)控制系統(tǒng)；然后根據(jù)設(shè)計(jì)方案制造了樣機(jī)。通過該樣機(jī)試驗(yàn)，認(rèn)為按設(shè)計(jì)方案制造的系統(tǒng)樣機(jī)工作性能良好，實(shí)現(xiàn)了代替人工制作奶茶的效果，具有廣闊的市場(chǎng)價(jià)值。