全自動智能沏茶機的設計與研究

左義海,董敘言,黃玉軒,李 琰,楊 璐,李作卿

(太原工業學院 工程訓練中心，山西 太原 030008)

0 引言

茶是世界上三大飲料之一[1]，作為國飲，在某種程度上可以作為中國雅文化的代表[2]。沖茶、飲茶作為一種修身養性、老少皆宜的休閑方式一直深受大眾的喜愛[3]。據統計，我國有近4.3億人飲茶，日均飲茶量達6杯[4]，我國人民在長期的飲茶過程中形成了一套獨特的茶藝文化，茶藝內容的綜合表現就是茶文化[5]。不同茶葉沖泡時所需的水溫、浸泡時間各異，對不了解茶藝的人，通過一款全自動沏茶機可以在享受傳統茶藝文化的同時感受到智能科技帶來的便利。

早在19世紀30年代，英國的哥卜林公司將鬧鐘與煮水設備相結合，發明了帶鬧鈴提示的煮茶機[6]。Rosengren LO利用連通器與定時器原理發明了帶定時功能的泡茶機[7]。隨著人工智能的發展，泡茶機也逐漸向智能化方向發展。2014年，BKON公司研發了真空泡茶機，利用真空萃取技術一次性沖泡出茶香。2015年，Teforia公司設計的智能泡茶機[8]可以實現茶葉種類的自動識別，并根據用戶的飲茶習慣調整茶葉泡制方式。國內也相繼推出了電磁式泡茶機、泡茶咖啡一體機、茶王泡茶機等智能泡茶設備。但上述設備均未將泡茶、沏茶、清洗集成為一體，缺少與茶文化、茶藝的融合。

在上述研究的基礎上，本文設計了一款全自動智能沏茶機。該機可按照不同用戶的喜好，根據茶葉品種，自動實現水溫調節、泡茶、倒茶以及茶具清洗等，并將茶藝流程融入沏茶過程，起到傳播茶文化的作用。

1 全自動智能沏茶機工作原理

全自動智能沏茶機核心控制處理器采用STM32F407ZGT6單片機[9]，搭配DS18B20溫度傳感器[10]、GP2Y0A21YK0F紅外測距傳感器[11]、智能串口屏、42步進直線絲桿電機等元器件，實現沏茶的智能化。該沏茶機由出茶裝置、升降裝置、沏茶裝置和清洗裝置組成，其結構如圖1所示。

圖1 全自動智能沏茶機三維模型

用戶將不同種類茶葉放入儲茶盒，通過智能屏輸入泡茶類別，水泵向熱水壺注水，水壺底部熱水器開始工作，通過溫度傳感器監測水壺內水溫，達到預設水溫后進行語音提示；出茶裝置開始工作，機械臂帶動茶漏轉至儲茶盒下方，電動蝸桿推動定量茶葉落入茶漏，機械臂帶動漏網轉至茶壺上方，水泵向茶漏網加注適量熱水，并開始洗茶；洗茶完成后，平臺轉動至廢水收集處，將洗茶水倒出并將茶漏移動到水壺上方，沏茶裝置開始工作；水泵向茶壺加注熱水開始泡茶，泡茶水溫及時間由機器自主控制；泡茶完成后，升降裝置工作，茶壺上升至指定位置，紅外測距檢測到茶杯，傾倒茶水，否則槽輪帶動茶盤轉動相應角度，直至檢測到茶杯，完成倒茶任務；若茶壺中水量不足，升降裝置將茶壺下降至初始位置，重復下一個泡茶流程；飲茶完畢，茶壺下降至初始位置，平臺轉動傾倒廢茶，清洗裝置開始工作，機械臂將茶漏翻轉，抖出殘余茶葉，超聲波清理器伸入茶壺內開始清洗，清洗完成后，各裝置復位。

2 各裝置的設計

2.1 出茶裝置的設計

出茶裝置主要由蝸桿、儲茶盒、拇指電機組成，其結構如圖2所示。拇指電機控制螺距為18 mm的蝸桿定時旋轉，實現向茶壺中定量添加茶葉的功能。

圖2 出茶裝置

2.2 升降裝置的設計

升降裝置主要由步進電機、絲桿、鋼軸、箱式直線軸承和平臺組成，其結構如圖3所示。

圖3 升降裝置

通過控制步進電機[12]驅動絲桿旋轉帶動平臺運動，控制茶壺升降到指定位置。在整個工作流程中，需要實現茶壺的升降和側轉動作，為保證茶壺平穩升降，采用兩根絲桿驅動平臺、兩根鋼軸配合直線軸承為導向的升降方式。平臺通過四個相互間隔90°的卡件完成對茶壺的固定及限位。采用舵機輔以交叉滾子軸承等零件配合實現茶壺旋轉動作，在整個茶壺轉動中較好地完成了對茶壺的固定及旋轉動作。

升降裝置中兩個帶絲桿的步進電機需要負載3 kg的物體，為了保證平臺在絲桿上平穩運動且步進電機停止時平臺能穩定停留，對應步進電機的輸出扭矩應該大于0.096 N·m，本文選擇導程為8 mm的絲桿，采用42BYGH34-01型號的步進電機。

2.3 沏茶裝置的設計

沏茶裝置主要由茶壺卡件、茶壺底盤、交叉滾子軸承、雙軸舵機、茶壺、茶杯組成，如圖4所示，其中的茶壺固定示意圖如圖5所示。雙軸舵機帶動茶壺底盤運動，利用固定在茶壺一側的紅外測距傳感器檢測茶杯是否就位。當檢測到茶杯時，通過控制舵機轉動角度將茶水倒入茶杯中，完成一次倒茶任務。茶壺底盤啟動將下一個茶杯轉動到指定位置，依次實現自動出茶及傳統茶藝表演。

圖4 沏茶裝置

圖5 茶壺固定示意圖

全自動智能沏茶機茶壺質量為240 g，注水量為500 mL，倒五杯茶為一個循環，每一杯沏茶量50 mL，取水的密度為1 g/cm3，茶壺底部中心距舵機輸出軸中心的距離為9 cm。

沏茶裝置中雙軸舵機需要舉起茶壺，所需扭矩較大，為保證沏茶過程中茶壺的穩定，本文選用RDS3225雙軸舵機，其額定功率和額定扭矩均可滿足要求。

當雙軸舵機工作時，在豎直方向上茶壺上升的加速度分量ay為：

ay=a×cosθ3.

(1)

其中：a為茶壺上升的加速度；θ3為舵機臂與桌面的夾角。

在此過程中a恒定，又因為θ3<90°，即 cosθ3隨著θ3的增加而遞減，所以ay隨著θ3的增加而遞減，近似于余弦函數。

在豎直方向上茶壺上升的速度分量vy為：

vy=ay×Δt.

(2)

其中：Δt為茶壺上升時間。

茶壺的速度應從0開始到0結束，結合加速度函數，當θ3≤45°時，茶壺做加速度逐漸減小的加速運動，直至加速到最大速度；當θ3>45°時，做加速度逐漸增大的減速運動，直至減速到0。

采用Adams軟件[13]對沏茶過程進行仿真，研究茶壺自身速度、加速度、位移隨時間的變化，仿真結果如圖6所示。

圖6 茶壺速度、加速度、位移隨時間的變化曲線

倒滿第一杯茶的時間為3.5 s，舵機運動角度0～35°，倒滿第五杯茶的時間為5.2 s，舵機運動角度0～42°。由于五次倒茶過程相似，本文取倒第一杯茶與倒第五杯茶進行數據分析，舵機的扭矩與角度如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，舵機最大負載發生在倒第一杯茶的1.9 s處，此時舵機傾角為35°，扭矩達到最大值為7.800 7 kg·cm，小于計算所得8.1 kg·cm。而灑在茶杯外的茶水量僅為20 g，影響較小。以倒五杯茶為一個循環，當倒完第一杯茶后，任意時刻茶壺中的茶水質量都小于第一次倒茶時茶壺中茶水的質量。因此，本文所選舵機符合要求。

圖7 倒第一杯茶數據

圖8 倒第五杯茶數據

2.4 清洗裝置的設計

清洗裝置主要由雙軸舵機、單軸舵機和超聲波模塊組成，其結構如圖9所示。清洗裝置為兩個自由度的機械臂，通過機械臂翻轉配以流水沖洗茶漏，完成對茶漏的清洗；茶壺注水，將超聲波清洗模塊伸入茶壺內部，對茶壺進行清洗。

3 結語

本文針對目前泡茶機集成化、智能化程度低，人機交互性差的問題，設計并開發了一種全自動智能沏茶機，將茶藝流程融入到沏茶過程中，可以按照不同用戶的喜好，根據不同種類茶葉，實現水溫自動調節、自動泡茶、自動上茶、自動清洗的全自動化功能。通過實驗分析，全自動智能沏茶機可以實現設計要求。在后續研究中，還可以根據客戶需求調整各個模塊的功能，提高市場推廣價值和應用前景。

圖9 清洗裝置