自動烹飪機器人實際環境適應能力提升的設計

張兵　蘇波

摘要：為了實現烹飪工作的機械化，自動烹飪機器人應運而生，現代化的烹飪機器人是基于機電一體化理論設計的，在機電系統基礎上嵌入智能化管理系統，并開發配套軟件，以實現烹飪活動的自動化。火控系統的靈敏性是確保烹飪機器人工作質量的關鍵節點，同時也是機器人研制的瓶頸。火控系統之所以復雜主要是由于影響火控系統正常工作的因素復雜且眾多，大體涵蓋：工作高度、室溫、輸入燃氣特性、火控系統蓄熱能力等。為了精確分析各因素的影響程度，通過部設傳感器的方式采集各類數據信號，實現對機器人火控系統的智能調節，最終提升烹飪機器人的環境適應力。

關鍵詞：自動烹飪機器人；火控系統；智能調節；影響因素

我國的飲食文化博大精深，不同地域烹調方式千差萬別、各具特色。長此以往，烹調方法的傳承還停留在口傳心授的階段，徒弟很難完全領悟師傅的精華，導致一大批烹調技術面臨失傳的危險。隨著人口老齡化的到來，勞動力銳減，廚師行業屬于典型的人力密集型工作，現代社會給廚師行業提出了新的要求，自動烹飪機器人的出現恰好解決了這一問題。

自動烹飪機器人是集機電一體化技術、軟件工程技術、系統工程技術等一系列高科技技術于一身的智能化設備，它的出現解決了廚師烹調行業的若干難題和困境。近些年來，隨著制造技術和市場營銷體系的不斷成熟，烹調機器人面臨多樣化的選擇，也引發了一系列問題，譬如：不同的區位因素導致燃料燃燒差異；不同的室溫影響烹調效果；不同的燃料性質影響了烹飪火候；此外，烹調機器人自身的儲熱能力也會間接影響菜品質量。為了實現烹調機器人的差異化要求，提高設備對不同環境的適應能力，重點解決不同環境條件下，機器人火控系統的自適應能力，以實現對不同烹飪方式的精準貼合。

1自動烹飪機器人及其火控體系簡述

1.1自動烹調機器人簡介

目前，市場上主流的自動烹調機器人均能實現多種燃氣形式問切換使用，基本均包括全自動加熱及火力智能控制體系、自動翻炒、定量添加輔料等功能，超大容量的存儲系能添加超過1500種菜系烹調方式，所烹調菜品質量可靠，均能達到一流廚師水準，目前主要市場遍布于東北、西北、西南、華南等地區，經市場調查，用戶普遍反映良好。主流自動烹調機器人均采用模塊化組裝形式，以確保各系統均可隨時維護。考慮到火控系統是決定設備烹調能力的關鍵，本文主要分析包括火控系統、保溫管、器皿等在內的全套火控設備，需要注意的是，保溫管是安裝在設備外圍負責保溫的器件，是火控系統的重要構件之一。

1.2自動烹調機器人火控系統簡介

火控系統是全套設備的核心器件，其工作性能決定了烹調機器人的工作水平。其中，火控系統的主要零件包括：鍋爐、吹風機、氣閥、伺服作動器、風扇、氣閥驅動組件等。風扇主要用于調節火力速度和波及范圍；氣閥主要用于調節火力輸出強度，氣閥采用電控形式，通過調節電流大小間接控制火力，火力最終的輸出形式取決于氣閥與風扇的聯合作用，設定氣閥與風扇的調節比重，以保證燃料的充分燃燒。為了增強設備的可升級性，伺服作動器采用Cortex-M3核心，其價格低廉、反應時間短、接口可擴展性強，恰能滿足自動烹調機器人環境自適應的基本訴求。

2外部環境對火控系統作用效果的影響

為了節省燃氣資源，并防止出現燃氣外泄的情況發生，必須確保燃氣在爐內完全燃燒。燃氣與氧氣按比例均勻混合是保證燃氣充分燃燒的關鍵，如果出現燃燒不充分，將生成大量的一氧化碳有毒氣體，嚴重威脅用戶的生命安全。此外，還應深入分析燃氣熱量如何作用于菜品。烹飪機器人最終目標是保證熱量通過火控組件傳遞到器皿內的菜品中，經分析，影響燃氣對菜品加熱效果的因素主要有如下幾點，即：（1）區位因素，區位因素主要指地理位置，地理位置直接影響當地的空氣含氧量，從而影響燃氣的燃燒性能；（2）外部溫度，外部溫度首先干擾食材的初始溫度，同時也會干擾火控系統的點火溫度及桶壁的熱交換情況；（3）保溫管的蓄熱能力，若外壁具有較高的儲熱能力，在燃氣的作用下，外壁將作為第二熱源為食材提供熱量；（4）燃氣組分，對于不同類型的燃氣，其單位體積燃燒后釋放的熱量大相徑庭，目前市場上的自動烹飪機器人主要采用液化氣及天然氣兩種，相同體積的液化氣與天然氣燃燒后，其熱量相差2倍以上，相應需氧量也不同。

3提升自動烹調機器人環境自適應能力的方式

3.1設備改造簡述

考慮到影響自動烹飪機器人火控系統工作能力的因素眾多，烹飪機器人定位于高科技智能化家用設備；為了實現其全方位智能化，必須提升設備的環境自適應能力，使其具備不同環境條件下的正常工作能力。在原設備基礎上，加設多組作業高度、外部環境及數據收集傳感器，采用先進的32位Cortex-M3處理器作為控制核心組件，并開發相應軟件，從提高傳感器采集頻率，加速硬件數據處理速度方面提高設備的環境適應能力。加之，各因素并非單純性影響機器人工作性能，譬如：外界溫度會干擾作業高度的采集精度，為了消除誤差，需對各傳感器進行內部融合。

3.2各類傳感器的布設

為了適應采集需求，綜合考慮設備組件成本及性能，特在原基礎上加設如下傳感器：（1）壓強傳感器，布設于中控臺內，型號為TP015P，該型號具備測量精準、成本低廉等諸多優勢，輸出類型為模擬信號，采集結果顯示于中控臺顯示屏中，可經過內置計算程序對信號進行預處理；（2）外溫傳感器，與壓強傳感器類似，也布設于中控臺內，型號為ADT7302，該傳感器精度介于上下2℃內，能夠滿足自動烹飪機器人的工作精度；（3）桶壁溫度傳感器，為了滿足對桶壁溫度的24h監控，在桶壁外側加設2組溫度傳感器，傳感器與變送器串聯，實時將溫度信號轉變為電信號，最終將采集結果顯示于中控臺顯示屏內。

3.3相關參數采集及整合

上述提到的加設傳感器屬于提升機器人硬件方面的能力，為了保證機器人具備優良的環境適應能力，必須提升設備的軟件實力，實現軟硬件問的完美融合。參數采集及整合系統是機器人重要組件之一，直接影響用戶對設備工作狀態的判定，必須引起足夠的重視。考慮到不同傳感器采集得到的原始數據會互相干擾，在敲定最終參數取值前，應進行若干試驗，并將試驗數據存儲至設備專用硬盤內，方便采集軟件后期單獨調用。為了盡可能明確各因素問的相互影響關系，應依照影響因素類型分別安排單因素控制試驗、雙因素控制試驗及多因素綜合控制試驗。譬如：分析作用高度前，必須先收集空氣含氧量與作業高度間的關系，再根據熱化學反應中的燃燒定律計算燃氣和氧氣的配比，再已知燃氣輸出量的基礎上推導出氧氣的用量，最終確定風扇及氣閥的工作參數。由于桶壁材料的特殊性，在燃燒加熱的條件下，桶壁能將吸收的熱量源源不斷地反射至炊具，因此，通過采集桶壁溫度及炊具內食材的熱儲量，能間接得到桶壁同燃氣熱量的關系。

4驗證及總結

為了驗證各類傳感器布設及信息采集及整合系統升級對提升自動烹飪機器人外部環境自適應能力的作用，本文選用老百姓餐桌上最常見的香酥魚作為驗證實例。由于香酥魚對于油溫極其敏感，油溫過高將導致魚外皮燒焦，油溫過低則出現炸不透的問題，而油溫直接受火控系統支配，因此，選用該菜肴能夠全面評定自動烹飪機器人火控系統的環境自適能力。結果表明，以上改進方式能夠極大提升機器人火控系統的環境適應能力，增強了設備的智能化程度，為設備在各類環境條件、地理區位、燃氣類型中推廣使用創造了條件。截止目前，經環境適應能力改造的自動烹飪機器人已得到市場的廣泛認可，經濟價值顯著。