基于慧魚模型的“早餐小管家”機器人設計*

趙芙蕾，張 琨，劉雨杭，朱紀元，張志華，梁淑裙，陳麗芳，沈文婷

（廣東石油化工學院機電工程學院，廣東茂名 525000）

0 引言

早餐對于人們的身體健康十分重要，特別是學生們正處于身體發育的黃金時期，需要攝入各種的營養元素來保證身體全面發育[1]，早餐的營養更是不可或缺。通過對吃早餐的頻率和地點、吃早餐注重的方面和不吃早餐的原因、早餐的類型等一系列問題的問卷調查研究，發現隨著如今生活節奏的加快，或者是因為家庭對于吃早餐的觀念不強[2]，大多數人對待早餐都是持可有可無、隨意應付的態度。大多數人認為早餐制作麻煩或是覺得外面早餐店的早餐價格偏貴和衛生程度偏低。因此，對于操作方便、安全衛生、早餐制作效率高的機器人的市場需求急劇增加。

然而，現階段市場上出現的傳統早餐制作機器普遍功能比較單一，只能實現某一個加熱功能或是烤制面包功能。用戶制作早餐過程還是比較繁瑣，費時且費力。因而大多數用戶還是不愿意使用傳統的機器制作早餐。為解決以上問題，本文利用慧魚創意模型設計制作了一款新型早餐機器人。該機器人采用加熱棒裝置進行食品的加熱烹飪，利用氣壓傳動裝置和蝸桿鏈條傳動裝置實現食品加工過程的位移，創新使用了超聲波測距模塊和重力傳感模塊分別設計出了機器烹飪過程中安全距離的提醒裝置和精確取用原料的稱重裝置完成了3 個食品加工的一體化自動烹飪過程，包括牛奶加熱、雞蛋烹飪和全麥面包的煎烤，并且設置有用餐臺以及打包外帶功能。該裝置也可以通過時間定時功能，設定的時間完成早餐制作。最后，本文通過設計程序運行機器，確保了機器設計的合理性，能夠高效便捷地制作早餐。

1 設計方案

通過利用慧魚創意模型設計出一整套的區塊鏈，包括模型搭建、功能設計、程序設計等實現了早餐機器人的自動化、智能化運作。

1.1 烤面包

根據調查發現大多數人們都習慣性地對全麥面包進行烘烤加工，將面包兩面煎至暗黃且面包表面附著甜醬，這樣子的面包不僅口感豐富并且還能補充糖分。如圖1所示，首先面包會在固定且密封的儲存室內暫存，儲存室底部有向上的推出結構，將面包送至加工平面，并且推出結構上表面放置壓力傳感器，當儲存室內面包將要用完時，壓力傳感器會將信號發送給控制中樞，警示燈亮起，提醒用戶需要添加原料；緊接著面包被推送至加工平面時，由后方的推進機構將面包送進紅外線mini 烤箱內，烤箱可以根據人們對于面包口感和外觀的要求烤制特定時間，滿足不同的人對于面包口感外觀的需求[3]。當加熱一定時間后，烤箱停止工作，工作臺旋轉至烤箱前接住第一片加工完成的全麥面包，此時工作臺上方的甜醬自動擠落，附著在面包表面，再重復上述步驟，加工出第二片全麥面包，則面包加工工藝完成。

圖1 烤面包設計

1.2 加熱牛奶及蒸雞蛋裝置

加熱牛奶裝置和蒸雞蛋裝置整合為一大功能塊。如圖2所示，首先用戶將冷牛奶和生雞蛋放入專門的容器中，該容器為中心對稱容器，可以放置4 種不同的加熱食材，加熱食材位于二層加熱平臺，且當用戶要放入雞蛋和牛奶加熱時，密封頂蓋通過鏈條傳動自動打開，當雞蛋和牛奶放置好時，則會自動關閉，進行加熱處理。該裝置加熱源為水蒸氣加熱，通過熱傳導的方式加熱二者，在底層設有水槽，水槽內裝有電阻加熱裝置，通過外置電源通電，mini 加熱棒導通，產生大量熱量，使得水最快的達到沸點，水蒸氣通過底部通孔進入密閉加熱室，進行加熱處理。這樣子可以使牛奶在短時間內快速加熱，比較完好地保留了牛奶的營養[4]。且在加熱過程中警示燈亮起，提醒用戶請勿靠近，避免被水蒸氣灼傷，當裝置加熱完畢后，警示燈會自動關閉，密閉頂蓋會打開，此時左方的蝸桿爬升工作面會下降到指定位置，右端的推出機構會將加熱容器推送到工作面上，蝸桿自動爬升至指定高度[5]，加熱牛奶和蒸雞蛋過程完成。

圖2 加熱牛奶及蒸雞蛋裝置設計圖

1.3 推出裝置

該早餐機器人的推出裝置總共有4 處，如圖3所示，3 處為電機和齒輪箱配合固定滑軌的推出機構，一處為彈簧氣壓泵的推出機構。第一處設置在面包儲存室的下方，主要負責的是面包的進給以及原料的補充作用；第二處設置在面包加工平面的推出上，主要負責的是將面包推送進烘烤室和醬料擠出處以及工作臺面上；第三處是在雞蛋牛奶加熱裝置中，負責將加熱容器推送到蝸桿爬升平面上；第四處是啟動彈簧氣泵的推出裝置，該裝置配有小氣缸、氣泵、泄氣閥以及推板4 個部分構成，負責將蝸桿爬升平面上的容器推送至用餐平面上。

圖3 推出裝置設計

1.4 超聲波測距

圖4所示為超聲波測距，通過將前方存在的物質的距離反饋給控制器，達到用戶用餐時與機器或者用餐平面保持好一定距離的作用效果，超聲波測距的作用在于提醒用戶當機器人在運轉過程中，需要保持一定的距離，避免被相關過程的熱氣灼傷，若用戶靠的過近，安全警示燈會亮起，提醒用戶保持距離[6]。

圖4 超聲波測距設計

2 程序設計

早餐小管家分別由3個程序組成，分別是圖5所示等牛奶面包加熱聯合程序，圖6所示為用餐臺及升降臺聯合程序，圖7所示為超聲波測距程序。3個程序分工運行有條不紊做出熱騰騰的早餐。

圖5 牛奶面包加熱聯合程序

圖6 用餐臺及升降臺聯合程序

圖7 超聲波測距程序

3 工作原理

“早餐小管家”工作原理分為幾大模塊，分別是烤面包系統模塊，加熱牛奶和蒸熟雞蛋模塊，以及氣壓傳動模塊，鏈條蝸桿傳動模塊，超聲波測距及附加模塊。首先針對于烤面包模塊的工作原理，由用戶將要烤熟的面包置于烤面包的工作臺的表面，使用金屬板加熱（此處利用可移動按壓板模擬）熱傳導原理，由可移動加熱金屬板和固定金屬板結合構成加熱系統，加熱面包兩面，時間為4～5 min，加熱至面包兩面略顯焦黃由脆度為止，斷開電源，停止加熱，可移動金屬板上升，此時外置可旋轉的用餐臺，旋轉至合適位置，內置推桿將烤熟的面包推至用餐臺處，此時完成面包加工環節。

加熱牛奶和雞蛋模塊的工作原理，首先特制的雙層塔臺，底層為純凈水加熱區，內置兩根220 Vmini加熱棒（加熱效率高，且升溫時長短，可短時間達到水的沸點溫度，原理也是熱傳導），是純凈水沸騰蒸發成水蒸汽，上升至第二層的牛奶和生雞蛋預加熱區，通過加熱附近空氣，實現加熱效果，且二層塔臺為密閉容器，且設置可轉動塔臺，當用戶放置欲加熱的牛奶和雞蛋時，二層塔臺自動翻轉打開，當用戶填充完畢時，自動旋轉閉合，開始加熱計時，用時大概在10～15 min范圍。

針對于氣壓傳動模塊，由氣泵接通電源，作為動力源提供氣體，配合兩個彈簧氣缸作為推出裝置，配合上泄氣閥實現推出和復位功能，以及外置換向閥門，控制氣體運送途徑，既可以作為推出機構動力源，也可作為外置水泵的出水動力源。

鏈條傳動和蝸桿傳動模塊，鏈條傳動模塊利用的是齒輪的二級傳動原理，由紅色步進電機作為動力源，兩個齒輪和鏈條的配合構成的傳動系統控制二層塔臺的開閉功能，蝸桿傳動模塊，利用的是兩個限位柱，使得升降平面只做縱向運動，將盛放熱牛奶和熟雞蛋的四方容器運送到一定高度，配合氣壓傳動模塊的推出裝置，將容器推至用餐臺表面。

超聲波測距及其他模塊，利用的是超聲波測距傳感器當感應到機器人正處于工作狀態時就會將指令傳送到控制面板，此時警示燈亮起，提醒用戶裝置正在運轉需要保持適當距離，避免燙傷或者灼傷，內置mini 風扇可以達到內部裝置機構的余熱消散，避免由于大量熱量存于導致機構的內應力過大，減少設備儀器的使用壽命，外置mini 小風扇位于用戶用餐處，可以使得用戶在用餐時能暫時降溫涼爽作用，還有煉奶瓶，可以用于面包的甜度調試，可以增強用戶的用餐體驗，還有打包裝置可以讓用戶將早餐打包外帶。幾大模塊之間相互配合完成雞蛋蒸熟和牛奶加熱以及面包烤熟并且運送到用戶就餐區的過程。

4 應用效果分析

早餐小管家的設計相對于現有的早餐機器人在功能上和結構上都有顯著的優勢特點，集合表現如下。

（1）功能的多樣性。傳統的早餐機器人在功能上實現較為單一，只能完成某一個加熱功能或者烤熟面包環節，本機器人兼顧了加熱功能和烤面包環節，以及能夠將早餐運送到特定的就餐位置而且還提供打包外帶的裝置，給用戶帶來了極大的便捷，且在功能上多樣化。

（2）多模塊控制。每一個模塊之間既是獨立的操作個體同時也相互配合。在功能上相互配合互不干涉，且都有自己特制的機構構成。

（3）氣壓傳動系統中的換向閥和泄氣閥以及氣泵之間的相互配合，使得彈簧氣缸能夠往復的推出運動，且結構穩定，配合精度高，推出位置精準。

（4）升降臺與雙層塔臺的配合，由塔臺外置的推出機構，將裝有熱牛奶和熟雞蛋的容器送至升降平臺，此過程最主要的是二層塔臺的翻轉在時間精確性高。

（5）5 個模塊之間的由兩個TXT 控制器完成程序指令控制，控制器將指令傳送到各大模塊完成相應的工作任務，結構緊湊且完成度高。

（6）整體裝置在空間分布功能塊與功能塊之間位置適當且擁有一定的美感。

“早餐小管家”目前主要適用于快節奏的城市生活人群或者是要求生活方便的人群，早餐小管家應需求而設計，完全符合他們需求，用戶只需花1～2 min放置原料，其余交給小管家運行就可以，小管家將原料加工完畢，將用戶滿意的早餐送至他們面前，無論是在方便性上還是情感體驗上都是極好的，而且還有外置的打包裝置和煉奶瓶存放區，用戶可以根據自身需求而加煉奶或者打包在路上吃，不僅省時間而且在資金上也會幫助用戶節約，是真正意義上的物美價廉。而且這個機器人有擴展性的潛力，可以擴展一些個性化的服務和功能，并建立早餐的數據庫，契合現在工業4.0對于時代智能機器人的要求[7]，可以根據人群的喜好和需求制作不同的個性化營養早餐。

5 結束語

本文所設計的機器人運用慧魚創意模型整個區塊鏈包括模型搭建、功能設計、程序設計等實現了早餐機器人的自動化、智能化運作。使用超聲波測距儀和重力感應器，進行安全化和精確化制作早餐。該機器人還可以進行個性化和定制化的改進和完善，契合市場的各種需求，完成各式各樣的食物制作操作。本文調研了市場的需求和習慣，發現市場沒有這方面比較好的產品，且人們的需求熱烈，而早餐機器人的領域比較空白，而且利潤龐大和毛利率高[8]，未來的發展前景巨大。