新型商用炒菜机器人搅拌系统结构设计与轨迹分析

雷 鸣,管声启,王 杰,卢 浩

(西安工程大学 机电工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

随着互联网和制造业的飞速发展,机器人技术逐渐应用于各行各业。随着机器人制造成本的降低,能为人类减轻工作负担的服务型机器人有着越来越广阔的市场[1]。其中隶属服务机器人的烹饪机器人能够辅助厨师完成食物的料理,降低高强度的劳动时间、工作量和高昂运营成本[2]。在烹饪过程中,烹饪机器人主要完成料理的炒制和加热过程,厨师通过选择合适的烹饪轨迹实现对不同菜品精准加热,让食材受热均匀。因此,设计一款能够高效率辅助菜品均匀加热,并拥有多种烹饪轨迹的搅拌机器人是重中之重。

目前国内外已有多种多样的烹饪机器人,但是这些机器人依然存在许多不足。不论是大型商用烹饪机器人还是小型的家用烹饪机器人,其烹饪轨迹大都以简单的搅拌轨迹为主。不仅烹饪方式过于单一,并且烹饪对象也有很大局限性[1-3]。国内有中国的捷赛自动炒菜机、九阳料理机,国外有韩国的现代全自动炒菜机、美国ASHTON自动炒菜机、德国的OROWA全自动炒菜机器人等[4]。上述的家用小型烹饪机器人仅能完成有限种类的料理制作,因此只能作为单一的辅助料理机器,而且价格极其昂贵。国外的自动烹饪装置主要是以微波炉、烤箱、豆浆机、面包机等简单日常且使用目的单一的辅助料理机器为主。大型炒菜机器人主要是以德国的赛米控和欧诺华等一些公司作为代表。如文献[4]的单头偏心搅拌炒菜机器人,通过偏心轴的方式固定在曲轴上,电机驱动搅拌菜肴。但是由于末端轨迹过于简单,因此只能炒制小块且不易碎的菜肴。文献[5]的搅拌和颠锅一体的炒菜机器人是目前市面上功能最完善的炒菜机器人之一,不仅能仿人进行颠锅,还能进行简单的送料和加水功能，但是简单的旋转轨迹和小巧的锅具限制了食材的尺寸和种类。而文献[6]利用并联机器人结构仅仅使得炒菜机器人运动平台实现旋转,颠锅,倾斜和翻锅4种运动方式。文献[7]英国的“Moley Robotics”机器人厨房系统,通过摄像头记录主厨的烹饪过程并用仿人机械手模仿烹饪过程,整个机器人厨房系统有高达20多个关节,20多个电动马达和129个传感器，能和人类一样灵活的利用炉灶,烤箱等各种厨具,基本完全复刻了烹饪过程，但其昂贵的价格令人望而止步。综上所述,现存的炒菜机器人普遍运用的运动轨迹较为简单,限制了烹饪机器人的烹饪对象。因此,设计一款能够实现组合烹饪轨迹的烹饪机器人是当务之急。

针对上述问题,本文进行了烹饪机器人搅拌系统的结构设计。利用运动学对机构搭建了运动模型,并用MATLAB软件对模型仿真得到轨迹结果和速度曲线。然后利用SolidWorks软件建模仿真得到相似目标轨迹。实验证明设计的新型机构能够实现多功能的烹饪轨迹,也能够实现仿人烹饪中的多种运动轨迹曲线的规划,同时也证明了机构的可行性。

1 搅拌系统结构设计

1.1 设计原理

研究发现日常烹饪过程中,翻炒轨迹能将上下两层的食材再次混合后均匀受热[8]。因此,翻炒轨迹能够改善旋转轨迹只能均匀加热贴近锅面食物,而不能够将食材上下层均匀加热的缺点,同时使烹饪机器人的运动轨迹更为多样化。为实现上述翻炒工作的末端轨迹,采用经典杠杆原理设计的原理图如图1所示。

图1 翻炒机构原理示意图

图1主要包括驱动推杆1、连杆2、上翻盖、下翻盖和支撑架结构。在杠杆原理的作用下当推杆1下移,连杆2带动上翻盖向上旋转,帮助表面的食材在空中均匀混合。随后在重力的作用下,混合后的食材返回锅具内继续被加热。整个混合过程中,机构的末端轨迹能够实现预想的翻炒运动轨迹。

1.2 局部结构设计

如图2所示,设计烹饪机构部分主体将由燕尾槽结构连接到旋转圆盘上,电机驱动旋转圆盘转动带动烹饪机构主体完成基本旋转轨迹[9]。两个气缸相互配合带动烹饪机构完成弧线工作和翻炒工作并实现相应轨迹。图2所示的驱动结构图主要由铰链连接驱动部分和连杆组成三角机构[10-12]。连接机构4将弧线连杆7连接到翻炒连杆3的同时又不影响翻炒连杆3单独动作[13]。翻炒气缸2带动翻炒连杆3上下运动带动铰链连接的连杆8在支撑架10的作用下完成杠杆运动,并且带动炒菜铲11完成将料理翻炒的轨迹。翻炒气缸2休止,驱动弧线气缸6带动弧线连杆7推动烹饪机构的下部分完成弧线轨迹。旋转、翻炒和弧线轨迹可以相互结合,排列组合产生更多的运动轨迹。

注:1—旋转圆盘;2—翻炒气缸;3—翻炒连杆;4—连接机构;5—燕尾槽连接机构;6—弧线气缸;7—弧线连杆;8—连杆;9—仿锅具;10—支撑架;11—炒菜铲。

本文设计的炒菜机器人结构与传统的炒菜机器人相比,具有更多的运动轨迹选择,并且运行轨迹与人工操作的运行轨迹更加贴合。

1.3 整体结构设计

搅拌系统机构的总高1 365 mm,总宽1 050 mm,设计的新型商用炒菜机器人搅拌系统的整体结构由带轮(旋转单元)、支撑架和炒菜机构(翻炒单元)组成,由铝合金方杆组支撑炒菜机构,通过电机连接带轮传送力矩、转速到旋转圆盘的伸出轴和轴承。新型商用炒菜机器人搅拌系统结构能够通过带轮驱动旋转单元实现搅拌轨迹,其次采用气缸驱动的方式,驱动连杆推动机构的末端实现翻炒轨迹。最后实现翻炒轨迹和弧形轨迹相互组合。

图3 智能烹饪机器人搅拌系统整体结构示意图

2 运动学分析

2.1 参数计算

由于机械结构功能因素,首先化简搅拌系统机械结构模型图,如图4(a)所示。由于机构杆长、初始角度已知,因此初始尺寸参数如下:d=255 mm,l1=558 mm,l2=611 mm,θ1=66.88°,θ2=90°,θ3=23.12°。d为两气缸定位装置中心的水平距离,连杆长l1为翻炒气缸2及延伸连杆部分的长度之和,连杆长l2为弧线气缸6和连杆7的长度之和。

2.2 建立翻炒运动模型

基于结构设计,当翻炒气缸2运动、弧线气缸6静止时,连杆3在连接机构4(连接杆为中空方形短杆,将弧线连杆7和翻炒连杆3连接到一起)中垂直上下运动,驱动其余连杆完成杠杆运动实现翻炒运动。如图4(a)所示,翻炒模型简化为三角形结构模型。翻炒连杆长度为l1,弧线连杆长度为l2,由于翻炒气缸驱动翻炒连杆l1在连接结构中上下移动时,其运动过程对弧线气缸所驱动的弧线连杆l2并无太大影响,因此简化翻炒运动的模型为:翻炒气缸驱动翻炒连杆运动时,三角模型中θ1,θ3,d,l2大小不变,翻炒推杆总长度l1随翻炒气缸伸缩长度Δl的变化而变化。

2.3 建立弧线运动模型

如图4(b)所示，当弧线气缸运动,翻炒气缸静止时,L1定长,L2伸长,在弧线气缸的推力下P点开始运动,实现弧线轨迹。D和L1均为定值,L2变量范围Δl为100 mm。同时建立相应的极坐标系模型如图4(c)所示。本设计中所涉及的参数如下所示:定位尺寸D=255 mm,连杆长L1=558 mm,连杆长L2=611mm,气缸伸缩范围Δl=100 mm。OB和OP的初始夹角θ1=66.88°

(a)翻炒轨迹模型图

(b)弧线轨迹模型图

(c)极坐标系模型图

如图4(c)所示的极坐标系下,设末端移动点P的坐标为(Px,Py),则旋转角度θ为

(1)

在△OBP′中,由余弦定理可得θ1:

(2)

将式(2)带入式(1)得θ1,得末端P点坐标表示如下:

(3)

由式(3)可得到D,L1,L2和点P(Px,Py)之间的关系,即各参数满足P点轨迹坐标方程,为设计提供了依据。

3 运动轨迹仿真和结果分析

3.1 运动仿真分析

由于翻炒轨迹较为简单,所以只针对弧线轨迹进行仿真。仿真时间为10 s,杆长L2每次增量Δl为1 mm。MATLAB仿真的P点弧线运动轨迹结果基本近似于弧线轨迹。而且P点的速度曲线是平滑的,表明运动平稳，见图5。

(a)位移变化

(b)速度变化

(c)角度变化

由图5可知，θ1,θ2角度值和L2的长度变化呈线性关系。随着弧线气缸的伸长,L2的长度逐渐增加,θ1的角度值逐渐减小,θ2的角度值逐渐增大。仿真结果表明模型运行过程中,角度变化较为平稳,并且θ1和θ2角度值变化符合运动规律。

以上MATLAB仿真结果证明,机构运行所形成的轨迹、速度和角度变化,能够满足商用炒菜机器人搅拌系统弧形轨迹规划的需求。

3.2 轨迹仿真

经过MATLAB验证了模型的可行性后,利用SolidWorks建模并先后模拟弧线轨迹和翻炒轨迹,验证机构运动结果。

3.2.1 翻炒轨迹仿真 翻炒运动是在弧线气缸不运动的情况下,由翻炒气缸的伸缩运动来完成炒菜机构的上下翻炒功能的运动。利用SolidWorks平台得到其运动轨迹跟踪过程如图6所示。翻炒气缸驱动,推动翻炒连杆下移,下移的翻炒连杆带动连杆8上扬,进而带动炒菜铲实现翻炒轨迹,完成翻炒工作。

3.2.2 弧线轨迹仿真 烹饪机构的弧线工作轨迹是在翻炒机构完成之后进行的运动。翻炒工作完成后翻炒气缸停止运动,处于主要烹饪机构中的弧线气缸开始伸缩带动烹饪机构完成沿锅具的弧线运动[16-20]。由于沿锅具的弧线运动主要是由弧线连杆推动的,所以选定弧线连杆为运动轨迹跟踪的对象,跟踪结果如图6所示。弧线气缸驱动弧线连杆向下方移动,带动烹饪机构划弧前进,整体机构前倾,完成弧线轨迹实现弧线工作。

图6 翻炒轨迹和弧线轨迹仿真结果图

4 结 语

通过对国内外炒菜机器人研究现状的综合分析,设计了一种新型商用炒菜机器人搅拌系统结构,采用组合机构代替传统搅拌装置,开发了新的烹饪轨迹,实现了多种轨迹联合运行。其次,对新型商用炒菜机器人搅拌系统结构进行运动学分析,得到了目标点的末端轨迹,速度和相关角度变化图;经过运动仿真,验证了该新型机构轨迹曲线。实验结果证明,设计的新型商用炒菜机器人搅拌系统能够实现目标轨迹,并且运行平稳;实验验证了设计的合理性,并为以后的控制系统建立奠定了良好的基础。