奶油蛋糕遠程3D打印機器人數控協同機電系統設計

安嘉強 - 湯曉華TG - 吳 婧 楊泗萍YG - 李天驕 -

(北京工商大學材料與機械工程學院，北京 100048)

一般的奶油蛋糕制作過程先選用一定形狀規格的蛋糕坯料，然后將奶油平整地涂抹在坯料上，此過程稱為抹坯，最后再做各種裝飾，裝裱花型，完成蛋糕加工工藝流程[1]。傳統上這些工作都是由手工完成，效率、效果也因技師的技能不同而差別甚大。隨著3D打印技術的不斷成熟，其應用范圍也隨之擴展，在食品行業已有以巧克力、奶油、糖漿、面糊、果醬等為打印材料的3D食品打印機出現[2-3]。這種食品打印機通常是由X、Y、Z3個方向的移動副構成，其中X、Y軸組成平面操作平臺，帶動噴嘴在平面內掃描，Z軸在電機的帶動下做垂直運動，X、Y軸每掃描完1層，Z軸移動1個厚度，X、Y軸重新掃描，如此重復逐層堆積完成整個模型的成型[4]。逐層堆積的這種成型方式噴嘴始終垂直向下，這就要求模型下方不能出現懸空結構，否則就要在下面設計支撐結構，這對于食品打印來說后期的拆除不但麻煩而且還會造成食物浪費。

隨著工業化程度的提高，特別是成型路徑要求的提高，雙機器人或者多機器人協同工作的優勢越來越受到專家學者的關注[5-7]。目前的奶油蛋糕3D打印成型工藝中都是采用傳統逐層掃描堆積成型[8-9]，沒有出現雙機器人或者多機器人協同完成奶油蛋糕成型加工，傳統的逐層掃描堆積成型方式由于噴嘴的姿態不可調整，限制了蛋糕裱花造型的多樣性。為了滿足蛋糕成型加工運動的復雜性，尤其是裝裱花型成型運動路徑的多樣性、復雜性，擴大機器的加工工藝范圍，本設計擬采用1臺三軸機械臂和1臺四自由度的運動臺協同完成蛋糕成型加工，對機器人以及運動臺的結構進行設計，并使用微控制器加運動控制芯片的結構對控制器進行設計，開發了相應的上位機，最后對控制器及整個機電系統進行測試，以期為提升蛋糕裝裱造型加工的復雜程度和制作效率提供基礎支撐。

1 系統分析及規劃

手工進行奶油蛋糕的加工是在轉臺上完成，操作者一手拿抹刀或者裱花袋，另一只手旋轉轉臺，裱花時的成型軌跡一般是1個半徑漸縮的S形螺旋，如圖1所示。要完成這個造型運動軌跡需要4個自由度，其中3個聯動完成錐螺旋插補，另外1個自由度控制半徑的尺寸。按照這種加工思路，使用三軸的機械臂來模擬拿抹刀或者裱花袋的一只手，使用四自由度的運動臺來帶動坯料運動。

圖1 蛋糕裱花成形軌跡

裱花時的運動方程：

x=acost，

(1)

y=asint，

(2)

z=bt，

(3)

α=ct，

(4)

式中：

a——螺旋最大半徑，mm；

b——螺旋上升速度，mm/s；

c——A軸旋轉角速度，rad/s；

t——時間，s；

x——X軸位移方程，mm；

y——Y軸位移方程，mm；

z——Z軸位移方程，mm；

α——A軸旋轉角度，(°)。

為實現上述成形運動，設計蛋糕加工機械結構如圖2所示。機械臂3個關節從左到右可以分別繞O1X1Y1Z1坐標系中的Z1軸、Y1軸、X1軸轉動以控制機械臂末端位姿。機械臂的基坐標系為O1，末端坐標系為O3。運動臺系統可以沿O2X2Y2Z2坐標系下的X2軸、Y2軸、Z2軸3個方向移動，并且可以繞Z4軸轉動，其基坐標系為O2，末端坐標系為O4。

(5)

當前市場上的運動控制器通常只針對單個機器人，為了能同時控制機械臂和運動臺協同工作，需要開發一款協同運動控制器作為該系統的控制部分。

圖2 機械系統運動原理圖

通常運動控制器的硬件架構有3種。第1種是以嵌入式微控制為核心，這種控制器結構簡單，開發周期短，計算能力相對較弱；第2種是以微控制器加專用的運動控制芯片，這種結構由于使用了專用的運動控制芯片，計算能力較強，并且能夠有效縮短開發周期；另外1種是微控制器加FPGA的結構，這種結構計算能力強，而且開放性好，但是通常開發周期比較長[10]。從開發周期以及控制器需要完成的計算量等方面考慮，選用第2種方案，使用STM32F1系列微控制搭配MCX514四軸運動控制芯片作為控制器的核心硬件進行控制器的開發。

2 機械系統設計

機械系統是完成蛋糕加工的執行部分，由于蛋糕的加工載荷小，故免強度校核，重點在于實現相應的運動。圖3是依據圖2實現的結構設計：左部為1臺三自由度關節機器人系統，右部為一四自由度運動臺，蛋糕加工空間為Φ300 mm×200 mm。機器人機座回轉中心至數控臺機座中心距離O1O2為680 mm。

2.1 機器人結構設計

機器人系統主要實現夾持帶動奶油噴嘴以及抹刀運動，見圖4。變換其末端的位姿以協同數控運動臺完成預定軌跡及奶油流量，完成預期造型工作。整個機械臂由下方步進電機帶動繞基座轉動，為了降低手臂的復雜程度，減小機器人占用空間，機器人手腕采用差動輪系結構以控制手腕的A軸和B軸2個自由度。

1. 機械臂 2. 工作空間 3. 四軸運動臺

機械手的腕部結構是由錐齒輪組成的差動輪系,差動輪系的2個輸入是由步進電機經過鏈傳動輸入,運動輸出由行星輪6輸出，當2個輸入齒輪同向轉動時，末端繞A軸轉動，當2個輸入齒輪反向轉動時，末端繞B軸轉動。

1. 步進電機 2. 鏈輪 3. 鏈條 4. 錐齒輪 5. 行星架 6. 行星輪 7. 末端手爪

圖4 手腕結構

Figure 4 Wrist structure

2.2 運動臺結構設計

運動臺主要是帶動蛋糕胚體運動，圖5為運動臺1個移動軸的結構，用3個類似結構進行疊加構成三軸方向的移動。各軸均由1臺伺服電機帶動，行程為200 mm，由于Z軸受重力作用，故Z軸電機需要有自鎖功能，結構參數如表1所示。圓盤的轉動由1個步進電機帶動，圓盤直徑為320 mm。

1. 滑塊 2. 絲杠螺母 3. 絲杠 4. 導軌 5. 聯軸器 6. 伺服電機

圖5 運動臺結構

3 控制系統設計

3.1 控制器硬件

考慮到系統對運算速度以及穩定性、開發周期等方面的要求，控制器硬件系統采用微控制加運動控制芯片的方案。使用日本NOVA公司的MCX514四軸運動控制芯片控制四軸運動臺[11-12]；STM32F103微控制器通過FSMC總線對運動控制芯片各個寄存器進行讀寫實現2個芯片間的通信。STM32F103通過自身的定時器實現對三自由度的機械臂進行控制，同時輸出PWM波控制奶油泵流量。為了能實現遠程個性化定制蛋糕以及后期功能擴展的需要，將STM32的4個串口引出，其中串口1用來和上位機進行通信，串口2接SIM800A DTU模塊用來接收遠程發來的蛋糕模型加工代碼，串口3和串口4分別轉換成RS232和RS485作為預留接口備用。控制器硬件結構框圖如圖6所示。

圖6 控制器硬件結構框圖

3.2 控制器軟件

控制器軟件結構以FreeRTOS嵌入式操作系統為依托，采用多線程編程模式實現各任務間并行處理以減低各任務間的耦合度。控制器的軟件結構框圖如圖7所示，共6個并行任務。MCX514通過內部的8個16位寫寄存器以及8個16位讀寄存器實現四軸運動臺的直線、圓弧以及S形螺旋插補功能，由于對MCX514的控制就是對其寄存器的讀寫，所以可以將其作為1個存儲器掛在STM32的FSMC總線下作為STM32的外部存儲器[13]。然后，依據寄存器的功能和命令碼等，將MCX514的內部功能封裝成運動控制函數供外部調用。機械臂的控制采用開源的GRBL數控系統[14]，實現對3個關節的控制。

3.3 上位機

上位機用于加工系統的人機交互，主要有坐標顯示、控制器加工控制、通信設置、控制器狀態查看、機器人和運動臺協同標定等功能，使用Qt框架開發[15]。控制器和上位機使用串口進行通信，上位機通過串口發送命令行指令用于設置查看控制器狀態，圖8為協同標定窗口。

圖7 控制器軟件結構框圖

圖8 協同標定窗口

3.4 遠程通信

用戶在遠程客戶端完成蛋糕定制后，需要將加工代碼傳給控制器。由于基于TCP/IP協議的GPRS網絡擁有傳輸速度快、永遠在線、支持透傳等優勢[16]，使用SIM800A DTU模塊來完成數據的傳輸，控制器接收到數據后將其保存到內部存儲單元，并通過串口1發出接收到新文件的提示。遠程通信的結構如圖9所示，為了避免數據傳輸過程中出現數據丟失、出錯等問題，需要在傳輸時加入校驗等保證數據傳輸可靠。

4 系統搭建與測試

系統設計完成后，搭建如圖10所示實驗測試系統驗證系統的可行性。確認接線無誤后，首先使用串口將控制器和上位機建立通信連接，讓機器人和運動臺各軸都回到原點，再手動控制讓機器人和運動臺完成3次握手進行標定，標定完成之后即可將測試程序發給控制器啟動加工。這里控制運動臺進行一段圓弧和一段直線插補，并使用激光位移傳感器對位移數據采集，將采集到的數據處理得到插補偏移距離誤差，結果如圖11所示。

圖9 遠程通信

1. 機械臂 2. 反光板 3. 激光位移傳感器 4. 運動臺 5. 驅動器 6. 數據接收器 7. 控制器 8. 上位機

圖10 系統測試

Figure 10 System test

圖11 插補測試結果

5 結論

在分析奶油蛋糕加工制作的操作行為以及奶油蛋糕成形軌跡的基礎上，提出使用1臺三自由度的機器人和1臺四軸的運動臺協同完成奶油蛋糕的抹坯、裱花等工序，這樣不但可以擴大加工范圍，而且由于噴嘴的位姿可以調整，避免了傳統3D打印只能在垂直方向上逐層掃描堆積加工所帶來的局限性，可以完成更復雜的成型軌跡，同時采用微控制器加專用運動控制芯片的結構設計了相應的控制器以及上位機系統，經測試整個系統的精度可以達到0.11 mm以內。本設計與傳統的3D奶油打印機相比雖然能完成抹坯以及更加復雜的裱花造型，但在噴嘴、抹刀的自動清洗、更換以及多色奶油噴涂等方面有待進一步升級優化。