智能送餐機器人設計

蘇業環+任軍

摘 要：文章設計一款可實現送餐和回收餐盤的智能送餐機器人。首先對餐廳布局進行設計，然后進行機器人結構設計。機器人由自主行走單元和取放餐盤單元兩部分組成，行走采用電磁軌道巡線原理，取放餐盤通過絲桿螺母傳動裝置實現；通過紅外傳感系統實現機器人避障與定位；最后通過有限元分析結果表明機器人結構穩定性強，設計可行。

關鍵詞：送餐機器人；電磁循跡；餐盤回收

中圖分類號：TP24 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）07-0032-03

Abstract： In this study， we designed an intelligent delivery robot which can realize the delivery and recovery of meals. First， the restaurant layout is designed， and then the robot structure is designed. The robot is composed of two parts： the autonomous walking unit and the plate delivery and recovery unit. The walking is realized by adopting the principle of electromagnetic track inspection， and the plate is taken out through the wire rod nut transmission device. The obstacle avoidance and localization of robot is realized by infrared sensing system. Finally， the results of finite element analysis show that the stability of the robot structure is strong， and the design of it is feasible.

Keywords： food delivery robot； electromagnetic track； plate recovery

1 設計背景

當前，機器人產業已經上升為國家“十三五”戰略規劃重點發展項目，成為國家“互聯網+”和“中國制造2025”的新動力。在餐飲行業中，企業普遍刮起一陣“送餐機器人”風，中國送餐機器人近年來開啟了爆發式增長模式。“送餐機器人”不單是一種與傳統餐飲聯合的工具，它是科技創新發展下的新形態。隨著社會的發展，餐飲業傳統的營銷思維和經營思維將被徹底顛覆，而融合娛樂化、智能化、多樣化、互動化的餐飲全新營銷思路將成為主流。

2 總體方案設計

2.1 機器人送餐流程設計

智能送餐機器人（后文中均簡稱“機器人”）送餐流程如圖1所示。初始狀態，機器人位于零位，依次完成1取餐、2送餐、3收盤、4送盤和5歸零五個任務。具體工作步驟如下：

步驟1：取餐。機器人離開零位前往出菜區的接盤架上取餐。

步驟2：送餐。機器人送餐至指定餐桌（如1號桌）的接盤架上。

步驟3：收盤。機器人繼續前往指定餐桌（如3號桌）接盤架上收拾餐盤。

步驟4：送盤。機器人將收拾的餐盤送至清洗區接盤架上。

步驟5：歸零。機器人回歸零位，等待下一次送餐指令。

2.2 機器人主要尺寸及性能指標

機器人總體尺寸為460×400×718，相關性能指標如表1所示。

2.3 機器人及接盤架結構設計

機器人總體示意圖如圖2（a）所示，接盤架（如圖2（b）所示）是機器人取放托盤的場所，在餐廳布局的三個區域中（出菜區接盤架、就餐區餐桌接盤架、清洗區接盤架）均有使用到。接盤架與餐桌可通過緊固件、強力膠或者焊接等方式相連，具體連接方式取決于餐桌的材質，圖2（c）為緊固件連接方式示例。圖2（d）為機器人在接盤架上收餐盤的示意圖。

2.4 機器人工作原理

機器人總體由取放餐盤單元和自主行走單元兩大部分組成。取放餐盤單元由托盤，擱板，絲桿，螺母，直線軸承，電機組成。自主行走單元由后輪，電源，主動輪電機，主動輪，磁導航傳感器組成。相應的工作原理如下。

（1）行走工作原理

機器人行走采用電磁軌道巡線原理，通過裝在底部磁導航傳感器導引沿著餐廳地面鋪設的電磁軌道行走。機器人底座裝有兩主動輪和一個從動輪。兩主動輪電機同向正轉和反轉可分別驅動機器人前進和后退，兩電機反向轉動則實現差速轉動，實現機器人的轉彎運動；若軌道上有人或其他的障礙物，餐車機器人會通過紅外距離傳感器探測到障礙物，然后進行語音提示。

（2）取、放餐盤工作原理

機器人取放餐盤動作受啟發于物流行業中的叉車取放貨物原理。機器人上裝有紅外距離傳感器，當傳感器檢測到機器人到達接盤架處時，機器人開始取（放）餐盤工作。具體的，當絲桿螺母機構帶動擱板向下運動時，將托盤擱置于接盤架上，即完成送餐作業；當絲桿螺母機構帶動擱板向上運動時，從接盤架上取下托盤，即完成收拾餐盤作業。

3 相關部件選型

3.1 電機選型

本設計中共兩處涉及電機選用，分別為驅動行走的主動輪電機和絲桿螺母傳動用的電機，具體選型計算如下。

4 設計合理性及可行性分析

假定每次送餐三盤，總重量為15Kg，機器人等效應力分析如圖3所示，X、Y和Z向位移變形如圖4-圖6。

有限元分析結果分析表明：

（1）機器人最大等效應力僅為4.659MPa（如圖3），遠小于材料鋁6061的許用應力。因此，機器人工作安全可靠。

（2）在X、Y和Z三個方向中，機器人沿Y向變形量最大。如圖5位移圖，擱板垂直方向（Y向）的變形最大值僅為0.07785mm，可基本忽略。可見，該機器人穩定性強，設計可行。

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