雷 鳴,管聲啟,王 杰,盧 浩

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)的飛速發(fā)展,機(jī)器人技術(shù)逐漸應(yīng)用于各行各業(yè)。隨著機(jī)器人制造成本的降低,能為人類減輕工作負(fù)擔(dān)的服務(wù)型機(jī)器人有著越來(lái)越廣闊的市場(chǎng)[1]。其中隸屬服務(wù)機(jī)器人的烹飪機(jī)器人能夠輔助廚師完成食物的料理,降低高強(qiáng)度的勞動(dòng)時(shí)間、工作量和高昂運(yùn)營(yíng)成本[2]。在烹飪過(guò)程中,烹飪機(jī)器人主要完成料理的炒制和加熱過(guò)程,廚師通過(guò)選擇合適的烹飪軌跡實(shí)現(xiàn)對(duì)不同菜品精準(zhǔn)加熱,讓食材受熱均勻。因此,設(shè)計(jì)一款能夠高效率輔助菜品均勻加熱,并擁有多種烹飪軌跡的攪拌機(jī)器人是重中之重。

目前國(guó)內(nèi)外已有多種多樣的烹飪機(jī)器人,但是這些機(jī)器人依然存在許多不足。不論是大型商用烹飪機(jī)器人還是小型的家用烹飪機(jī)器人,其烹飪軌跡大都以簡(jiǎn)單的攪拌軌跡為主。不僅烹飪方式過(guò)于單一,并且烹飪對(duì)象也有很大局限性[1-3]。國(guó)內(nèi)有中國(guó)的捷賽自動(dòng)炒菜機(jī)、九陽(yáng)料理機(jī),國(guó)外有韓國(guó)的現(xiàn)代全自動(dòng)炒菜機(jī)、美國(guó)ASHTON自動(dòng)炒菜機(jī)、德國(guó)的OROWA全自動(dòng)炒菜機(jī)器人等[4]。上述的家用小型烹飪機(jī)器人僅能完成有限種類的料理制作,因此只能作為單一的輔助料理機(jī)器,而且價(jià)格極其昂貴。國(guó)外的自動(dòng)烹飪裝置主要是以微波爐、烤箱、豆?jié){機(jī)、面包機(jī)等簡(jiǎn)單日常且使用目的單一的輔助料理機(jī)器為主。大型炒菜機(jī)器人主要是以德國(guó)的賽米控和歐諾華等一些公司作為代表。如文獻(xiàn)[4]的單頭偏心攪拌炒菜機(jī)器人,通過(guò)偏心軸的方式固定在曲軸上,電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌菜肴。但是由于末端軌跡過(guò)于簡(jiǎn)單,因此只能炒制小塊且不易碎的菜肴。文獻(xiàn)[5]的攪拌和顛鍋一體的炒菜機(jī)器人是目前市面上功能最完善的炒菜機(jī)器人之一,不僅能仿人進(jìn)行顛鍋,還能進(jìn)行簡(jiǎn)單的送料和加水功能，但是簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)軌跡和小巧的鍋具限制了食材的尺寸和種類。而文獻(xiàn)[6]利用并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)僅僅使得炒菜機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn),顛鍋,傾斜和翻鍋4種運(yùn)動(dòng)方式。文獻(xiàn)[7]英國(guó)的“Moley Robotics”機(jī)器人廚房系統(tǒng),通過(guò)攝像頭記錄主廚的烹飪過(guò)程并用仿人機(jī)械手模仿烹飪過(guò)程,整個(gè)機(jī)器人廚房系統(tǒng)有高達(dá)20多個(gè)關(guān)節(jié),20多個(gè)電動(dòng)馬達(dá)和129個(gè)傳感器，能和人類一樣靈活的利用爐灶,烤箱等各種廚具,基本完全復(fù)刻了烹飪過(guò)程，但其昂貴的價(jià)格令人望而止步。綜上所述,現(xiàn)存的炒菜機(jī)器人普遍運(yùn)用的運(yùn)動(dòng)軌跡較為簡(jiǎn)單,限制了烹飪機(jī)器人的烹飪對(duì)象。因此,設(shè)計(jì)一款能夠?qū)崿F(xiàn)組合烹飪軌跡的烹飪機(jī)器人是當(dāng)務(wù)之急。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文進(jìn)行了烹飪機(jī)器人攪拌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)機(jī)構(gòu)搭建了運(yùn)動(dòng)模型,并用MATLAB軟件對(duì)模型仿真得到軌跡結(jié)果和速度曲線。然后利用SolidWorks軟件建模仿真得到相似目標(biāo)軌跡。實(shí)驗(yàn)證明設(shè)計(jì)的新型機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)多功能的烹飪軌跡,也能夠?qū)崿F(xiàn)仿人烹飪中的多種運(yùn)動(dòng)軌跡曲線的規(guī)劃,同時(shí)也證明了機(jī)構(gòu)的可行性。

1 攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

研究發(fā)現(xiàn)日常烹飪過(guò)程中,翻炒軌跡能將上下兩層的食材再次混合后均勻受熱[8]。因此,翻炒軌跡能夠改善旋轉(zhuǎn)軌跡只能均勻加熱貼近鍋面食物,而不能夠?qū)⑹巢纳舷聦泳鶆蚣訜岬娜秉c(diǎn),同時(shí)使烹飪機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡更為多樣化。為實(shí)現(xiàn)上述翻炒工作的末端軌跡,采用經(jīng)典杠桿原理設(shè)計(jì)的原理圖如圖1所示。

圖1 翻炒機(jī)構(gòu)原理示意圖

圖1主要包括驅(qū)動(dòng)推桿1、連桿2、上翻蓋、下翻蓋和支撐架結(jié)構(gòu)。在杠桿原理的作用下當(dāng)推桿1下移,連桿2帶動(dòng)上翻蓋向上旋轉(zhuǎn),幫助表面的食材在空中均勻混合。隨后在重力的作用下,混合后的食材返回鍋具內(nèi)繼續(xù)被加熱。整個(gè)混合過(guò)程中,機(jī)構(gòu)的末端軌跡能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)想的翻炒運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.2 局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示,設(shè)計(jì)烹飪機(jī)構(gòu)部分主體將由燕尾槽結(jié)構(gòu)連接到旋轉(zhuǎn)圓盤上,電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)烹飪機(jī)構(gòu)主體完成基本旋轉(zhuǎn)軌跡[9]。兩個(gè)氣缸相互配合帶動(dòng)烹飪機(jī)構(gòu)完成弧線工作和翻炒工作并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)軌跡。圖2所示的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖主要由鉸鏈連接驅(qū)動(dòng)部分和連桿組成三角機(jī)構(gòu)[10-12]。連接機(jī)構(gòu)4將弧線連桿7連接到翻炒連桿3的同時(shí)又不影響翻炒連桿3單獨(dú)動(dòng)作[13]。翻炒氣缸2帶動(dòng)翻炒連桿3上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鉸鏈連接的連桿8在支撐架10的作用下完成杠桿運(yùn)動(dòng),并且?guī)?dòng)炒菜鏟11完成將料理翻炒的軌跡。翻炒氣缸2休止,驅(qū)動(dòng)弧線氣缸6帶動(dòng)弧線連桿7推動(dòng)烹飪機(jī)構(gòu)的下部分完成弧線軌跡。旋轉(zhuǎn)、翻炒和弧線軌跡可以相互結(jié)合,排列組合產(chǎn)生更多的運(yùn)動(dòng)軌跡。

注:1—旋轉(zhuǎn)圓盤;2—翻炒氣缸;3—翻炒連桿;4—連接機(jī)構(gòu);5—燕尾槽連接機(jī)構(gòu);6—弧線氣缸;7—弧線連桿;8—連桿;9—仿鍋具;10—支撐架;11—炒菜鏟。

本文設(shè)計(jì)的炒菜機(jī)器人結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的炒菜機(jī)器人相比,具有更多的運(yùn)動(dòng)軌跡選擇,并且運(yùn)行軌跡與人工操作的運(yùn)行軌跡更加貼合。

1.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

攪拌系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的總高1 365 mm,總寬1 050 mm,設(shè)計(jì)的新型商用炒菜機(jī)器人攪拌系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)由帶輪(旋轉(zhuǎn)單元)、支撐架和炒菜機(jī)構(gòu)(翻炒單元)組成,由鋁合金方桿組支撐炒菜機(jī)構(gòu),通過(guò)電機(jī)連接帶輪傳送力矩、轉(zhuǎn)速到旋轉(zhuǎn)圓盤的伸出軸和軸承。新型商用炒菜機(jī)器人攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)帶輪驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)單元實(shí)現(xiàn)攪拌軌跡,其次采用氣缸驅(qū)動(dòng)的方式,驅(qū)動(dòng)連桿推動(dòng)機(jī)構(gòu)的末端實(shí)現(xiàn)翻炒軌跡。最后實(shí)現(xiàn)翻炒軌跡和弧形軌跡相互組合。

圖3 智能烹飪機(jī)器人攪拌系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 參數(shù)計(jì)算

由于機(jī)械結(jié)構(gòu)功能因素,首先化簡(jiǎn)攪拌系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型圖,如圖4(a)所示。由于機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)、初始角度已知,因此初始尺寸參數(shù)如下:d=255 mm,l1=558 mm,l2=611 mm,θ1=66.88°,θ2=90°,θ3=23.12°。d為兩氣缸定位裝置中心的水平距離,連桿長(zhǎng)l1為翻炒氣缸2及延伸連桿部分的長(zhǎng)度之和,連桿長(zhǎng)l2為弧線氣缸6和連桿7的長(zhǎng)度之和。

2.2 建立翻炒運(yùn)動(dòng)模型

基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),當(dāng)翻炒氣缸2運(yùn)動(dòng)、弧線氣缸6靜止時(shí),連桿3在連接機(jī)構(gòu)4(連接桿為中空方形短桿,將弧線連桿7和翻炒連桿3連接到一起)中垂直上下運(yùn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)其余連桿完成杠桿運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)翻炒運(yùn)動(dòng)。如圖4(a)所示,翻炒模型簡(jiǎn)化為三角形結(jié)構(gòu)模型。翻炒連桿長(zhǎng)度為l1,弧線連桿長(zhǎng)度為l2,由于翻炒氣缸驅(qū)動(dòng)翻炒連桿l1在連接結(jié)構(gòu)中上下移動(dòng)時(shí),其運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)弧線氣缸所驅(qū)動(dòng)的弧線連桿l2并無(wú)太大影響,因此簡(jiǎn)化翻炒運(yùn)動(dòng)的模型為:翻炒氣缸驅(qū)動(dòng)翻炒連桿運(yùn)動(dòng)時(shí),三角模型中θ1,θ3,d,l2大小不變,翻炒推桿總長(zhǎng)度l1隨翻炒氣缸伸縮長(zhǎng)度Δl的變化而變化。

2.3 建立弧線運(yùn)動(dòng)模型

如圖4(b)所示，當(dāng)弧線氣缸運(yùn)動(dòng),翻炒氣缸靜止時(shí),L1定長(zhǎng),L2伸長(zhǎng),在弧線氣缸的推力下P點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)弧線軌跡。D和L1均為定值,L2變量范圍Δl為100 mm。同時(shí)建立相應(yīng)的極坐標(biāo)系模型如圖4(c)所示。本設(shè)計(jì)中所涉及的參數(shù)如下所示:定位尺寸D=255 mm,連桿長(zhǎng)L1=558 mm,連桿長(zhǎng)L2=611mm,氣缸伸縮范圍Δl=100 mm。OB和OP的初始夾角θ1=66.88°

(a)翻炒軌跡模型圖

(b)弧線軌跡模型圖

(c)極坐標(biāo)系模型圖

如圖4(c)所示的極坐標(biāo)系下,設(shè)末端移動(dòng)點(diǎn)P的坐標(biāo)為(Px,Py),則旋轉(zhuǎn)角度θ為

(1)

在△OBP′中,由余弦定理可得θ1:

(2)

將式(2)帶入式(1)得θ1,得末端P點(diǎn)坐標(biāo)表示如下:

(3)

由式(3)可得到D,L1,L2和點(diǎn)P(Px,Py)之間的關(guān)系,即各參數(shù)滿足P點(diǎn)軌跡坐標(biāo)方程,為設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

3 運(yùn)動(dòng)軌跡仿真和結(jié)果分析

3.1 運(yùn)動(dòng)仿真分析

由于翻炒軌跡較為簡(jiǎn)單,所以只針對(duì)弧線軌跡進(jìn)行仿真。仿真時(shí)間為10 s,桿長(zhǎng)L2每次增量Δl為1 mm。MATLAB仿真的P點(diǎn)弧線運(yùn)動(dòng)軌跡結(jié)果基本近似于弧線軌跡。而且P點(diǎn)的速度曲線是平滑的,表明運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，見(jiàn)圖5。

(a)位移變化

(b)速度變化

(c)角度變化

由圖5可知，θ1,θ2角度值和L2的長(zhǎng)度變化呈線性關(guān)系。隨著弧線氣缸的伸長(zhǎng),L2的長(zhǎng)度逐漸增加,θ1的角度值逐漸減小,θ2的角度值逐漸增大。仿真結(jié)果表明模型運(yùn)行過(guò)程中,角度變化較為平穩(wěn),并且θ1和θ2角度值變化符合運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

以上MATLAB仿真結(jié)果證明,機(jī)構(gòu)運(yùn)行所形成的軌跡、速度和角度變化,能夠滿足商用炒菜機(jī)器人攪拌系統(tǒng)弧形軌跡規(guī)劃的需求。

3.2 軌跡仿真

經(jīng)過(guò)MATLAB驗(yàn)證了模型的可行性后,利用SolidWorks建模并先后模擬弧線軌跡和翻炒軌跡,驗(yàn)證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)結(jié)果。

3.2.1 翻炒軌跡仿真 翻炒運(yùn)動(dòng)是在弧線氣缸不運(yùn)動(dòng)的情況下,由翻炒氣缸的伸縮運(yùn)動(dòng)來(lái)完成炒菜機(jī)構(gòu)的上下翻炒功能的運(yùn)動(dòng)。利用SolidWorks平臺(tái)得到其運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤過(guò)程如圖6所示。翻炒氣缸驅(qū)動(dòng),推動(dòng)翻炒連桿下移,下移的翻炒連桿帶動(dòng)連桿8上揚(yáng),進(jìn)而帶動(dòng)炒菜鏟實(shí)現(xiàn)翻炒軌跡,完成翻炒工作。

3.2.2 弧線軌跡仿真 烹飪機(jī)構(gòu)的弧線工作軌跡是在翻炒機(jī)構(gòu)完成之后進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)。翻炒工作完成后翻炒氣缸停止運(yùn)動(dòng),處于主要烹飪機(jī)構(gòu)中的弧線氣缸開(kāi)始伸縮帶動(dòng)烹飪機(jī)構(gòu)完成沿鍋具的弧線運(yùn)動(dòng)[16-20]。由于沿鍋具的弧線運(yùn)動(dòng)主要是由弧線連桿推動(dòng)的,所以選定弧線連桿為運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的對(duì)象,跟蹤結(jié)果如圖6所示。弧線氣缸驅(qū)動(dòng)弧線連桿向下方移動(dòng),帶動(dòng)烹飪機(jī)構(gòu)劃弧前進(jìn),整體機(jī)構(gòu)前傾,完成弧線軌跡實(shí)現(xiàn)弧線工作。

圖6 翻炒軌跡和弧線軌跡仿真結(jié)果圖

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外炒菜機(jī)器人研究現(xiàn)狀的綜合分析,設(shè)計(jì)了一種新型商用炒菜機(jī)器人攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu),采用組合機(jī)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)攪拌裝置,開(kāi)發(fā)了新的烹飪軌跡,實(shí)現(xiàn)了多種軌跡聯(lián)合運(yùn)行。其次,對(duì)新型商用炒菜機(jī)器人攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,得到了目標(biāo)點(diǎn)的末端軌跡,速度和相關(guān)角度變化圖;經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真,驗(yàn)證了該新型機(jī)構(gòu)軌跡曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,設(shè)計(jì)的新型商用炒菜機(jī)器人攪拌系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)軌跡,并且運(yùn)行平穩(wěn);實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性,并為以后的控制系統(tǒng)建立奠定了良好的基礎(chǔ)。