自动烹饪机器人实际环境适应能力提升的设计

张兵　苏波

摘要：为了实现烹饪工作的机械化，自动烹饪机器人应运而生，现代化的烹饪机器人是基于机电一体化理论设计的，在机电系统基础上嵌入智能化管理系统，并开发配套软件，以实现烹饪活动的自动化。火控系统的灵敏性是确保烹饪机器人工作质量的关键节点，同时也是机器人研制的瓶颈。火控系统之所以复杂主要是由于影响火控系统正常工作的因素复杂且众多，大体涵盖：工作高度、室温、输入燃气特性、火控系统蓄热能力等。为了精确分析各因素的影响程度，通过部设传感器的方式采集各类数据信号，实现对机器人火控系统的智能调节，最终提升烹饪机器人的环境适应力。

关键词：自动烹饪机器人；火控系统；智能调节；影响因素

我国的饮食文化博大精深，不同地域烹调方式千差万别、各具特色。长此以往，烹调方法的传承还停留在口传心授的阶段，徒弟很难完全领悟师傅的精华，导致一大批烹调技术面临失传的危险。随着人口老龄化的到来，劳动力锐减，厨师行业属于典型的人力密集型工作，现代社会给厨师行业提出了新的要求，自动烹饪机器人的出现恰好解决了这一问题。

自动烹饪机器人是集机电一体化技术、软件工程技术、系统工程技术等一系列高科技技术于一身的智能化设备，它的出现解决了厨师烹调行业的若干难题和困境。近些年来，随着制造技术和市场营销体系的不断成熟，烹调机器人面临多样化的选择，也引发了一系列问题，譬如：不同的区位因素导致燃料燃烧差异；不同的室温影响烹调效果；不同的燃料性质影响了烹饪火候；此外，烹调机器人自身的储热能力也会间接影响菜品质量。为了实现烹调机器人的差异化要求，提高设备对不同环境的适应能力，重点解决不同环境条件下，机器人火控系统的自适应能力，以实现对不同烹饪方式的精准贴合。

1自动烹饪机器人及其火控体系简述

1.1自动烹调机器人简介

目前，市场上主流的自动烹调机器人均能实现多种燃气形式问切换使用，基本均包括全自动加热及火力智能控制体系、自动翻炒、定量添加辅料等功能，超大容量的存储系能添加超过1500种菜系烹调方式，所烹调菜品质量可靠，均能达到一流厨师水准，目前主要市场遍布于东北、西北、西南、华南等地区，经市场调查，用户普遍反映良好。主流自动烹调机器人均采用模块化组装形式，以确保各系统均可随时维护。考虑到火控系统是决定设备烹调能力的关键，本文主要分析包括火控系统、保温管、器皿等在內的全套火控设备，需要注意的是，保温管是安装在设备外围负责保温的器件，是火控系统的重要构件之一。

1.2自动烹调机器人火控系统简介

火控系统是全套设备的核心器件，其工作性能决定了烹调机器人的工作水平。其中，火控系统的主要零件包括：锅炉、吹风机、气阀、伺服作动器、风扇、气阀驱动组件等。风扇主要用于调节火力速度和波及范围；气阀主要用于调节火力输出强度，气阀采用电控形式，通过调节电流大小间接控制火力，火力最终的输出形式取决于气阀与风扇的联合作用，设定气阀与风扇的调节比重，以保证燃料的充分燃烧。为了增强设备的可升级性，伺服作动器采用Cortex-M3核心，其价格低廉、反应时间短、接口可扩展性强，恰能满足自动烹调机器人环境自适应的基本诉求。

2外部环境对火控系统作用效果的影响

为了节省燃气资源，并防止出现燃气外泄的情况发生，必须确保燃气在炉内完全燃烧。燃气与氧气按比例均匀混合是保证燃气充分燃烧的关键，如果出现燃烧不充分，将生成大量的一氧化碳有毒气体，严重威胁用户的生命安全。此外，还应深入分析燃气热量如何作用于菜品。烹饪机器人最终目标是保证热量通过火控组件传递到器皿内的菜品中，经分析，影响燃气对菜品加热效果的因素主要有如下几点，即：（1）区位因素，区位因素主要指地理位置，地理位置直接影响当地的空气含氧量，从而影响燃气的燃烧性能；（2）外部温度，外部温度首先干扰食材的初始温度，同时也会干扰火控系统的点火温度及桶壁的热交换情况；（3）保温管的蓄热能力，若外壁具有较高的储热能力，在燃气的作用下，外壁将作为第二热源为食材提供热量；（4）燃气组分，对于不同类型的燃气，其单位体积燃烧后释放的热量大相径庭，目前市场上的自动烹饪机器人主要采用液化气及天然气两种，相同体积的液化气与天然气燃烧后，其热量相差2倍以上，相应需氧量也不同。

3提升自动烹调机器人环境自适应能力的方式

3.1设备改造简述

考虑到影响自动烹饪机器人火控系统工作能力的因素众多，烹饪机器人定位于高科技智能化家用设备；为了实现其全方位智能化，必须提升设备的环境自适应能力，使其具备不同环境条件下的正常工作能力。在原设备基础上，加设多组作业高度、外部环境及数据收集传感器，采用先进的32位Cortex-M3处理器作为控制核心组件，并开发相应软件，从提高传感器采集频率，加速硬件数据处理速度方面提高设备的环境适应能力。加之，各因素并非单纯性影响机器人工作性能，譬如：外界温度会干扰作业高度的采集精度，为了消除误差，需对各传感器进行内部融合。

3.2各类传感器的布设

为了适应采集需求，综合考虑设备组件成本及性能，特在原基础上加设如下传感器：（1）压强传感器，布设于中控台内，型号为TP015P，该型号具备测量精准、成本低廉等诸多优势，输出类型为模拟信号，采集结果显示于中控台显示屏中，可经过内置计算程序对信号进行预处理；（2）外温传感器，与压强传感器类似，也布设于中控台内，型号为ADT7302，该传感器精度介于上下2℃内，能够满足自动烹饪机器人的工作精度；（3）桶壁温度传感器，为了满足对桶壁温度的24h监控，在桶壁外侧加设2组温度传感器，传感器与变送器串联，实时将温度信号转变为电信号，最终将采集结果显示于中控台显示屏内。

3.3相关参数采集及整合

上述提到的加设传感器属于提升机器人硬件方面的能力，为了保证机器人具备优良的环境适应能力，必须提升设备的软件实力，实现软硬件问的完美融合。参数采集及整合系统是机器人重要组件之一，直接影响用户对设备工作状态的判定，必须引起足够的重视。考虑到不同传感器采集得到的原始数据会互相干扰，在敲定最终参数取值前，应进行若干试验，并将试验数据存储至设备专用硬盘内，方便采集软件后期单独调用。为了尽可能明确各因素问的相互影响关系，应依照影响因素类型分别安排单因素控制试验、双因素控制试验及多因素综合控制试验。譬如：分析作用高度前，必须先收集空气含氧量与作业高度间的关系，再根据热化学反应中的燃烧定律计算燃气和氧气的配比，再已知燃气输出量的基础上推导出氧气的用量，最终确定风扇及气阀的工作参数。由于桶壁材料的特殊性，在燃烧加热的条件下，桶壁能将吸收的热量源源不断地反射至炊具，因此，通过采集桶壁温度及炊具内食材的热储量，能间接得到桶壁同燃气热量的关系。

4验证及总结

为了验证各类传感器布设及信息采集及整合系统升级对提升自动烹饪机器人外部环境自适应能力的作用，本文选用老百姓餐桌上最常见的香酥鱼作为验证实例。由于香酥鱼对于油温极其敏感，油温过高将导致鱼外皮烧焦，油温过低则出现炸不透的问题，而油温直接受火控系统支配，因此，选用该菜肴能够全面评定自动烹饪机器人火控系统的环境自适能力。结果表明，以上改进方式能够极大提升机器人火控系统的环境适应能力，增强了设备的智能化程度，为设备在各类环境条件、地理区位、燃气类型中推广使用创造了条件。截止目前，经环境适应能力改造的自动烹饪机器人已得到市场的广泛认可，经济价值显著。