一種便于回收餐具的餐桌設計

2023-04-29 00:00:00鐘進梁景松鄭徐凱陳嘉俊曾駿暉陳衍藝

機械 2023年2期

摘要：隨著餐飲行業的快速發展，人們對飲食的要求越來越高，為了滿足大部分顧客在餐廳飲食的喜好，以及便于服務人員高效的服務工作。本文設計了一種能夠自由變換餐桌桌面形狀大小，且便于餐具的收集智能餐桌。在餐桌結構設計方面，采用曲柄滑塊機構與凸輪機構的組合實現餐桌桌面大小變換，其次餐桌的中間是一個連接管道的洞口，在底下是一個可以容納餐具的容器，服務人員可將餐具推入洞口，實現便利回收餐具的功能。在餐桌控制設計方面，采用了STM32單片機控制減速電機，通過不同按鈕實現餐桌桌面的自動開合功能。

關鍵詞：智能餐桌；回收便利；曲柄滑塊

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.02.011

文章編號：1006-0316 （2023） 02-0075-06

A Table Design for Easy Tableware Recycling

ZHONG Jin，LIANG Jingsong，ZHENG Xukai，CHEN Jiajun，ZENG Junhui，CHEN Yanyi

（ School of Mechanical and Power Engineering， Guangdong Ocean University， Zhanjiang 524088， China ）

Abstract：With the rapid development of the catering industry， people have higher and higher demand for dining. In order to meet most customers’ preference of dining out and facilitate the service work of service personnel， an intelligent dining table which can freely change the shape and size and is convenient for the collection of tableware is designed. In terms of table structure design， the combination of crank slider mechanism and cam mechanism is used to realize the size transformation of the table top. Secondly， the middle of the table is a hole connecting the pipes， and the bottom is a container that can accommodate the tableware. The waiter can push the tableware into the hole to realize the easy recycling of tableware. In the design of table control， the STM32 single chip microcomputer is used to control the reduction motor， and the automatic opening and closing function of the table top is realized through different buttons.

Key words：intelligent dining table；easy recycling；crank slider

隨著科學技術的發展，餐飲行業逐步的在向著智能化方向發展，很多商家都開始使用智能餐桌，餐桌的智能化也逐漸受到大家的關注[1]。

目前，餐桌市場中的智能餐桌主要有兩類；第一類是在結構方面入手，對桌面進行結構設計，通過手動旋轉改變桌面大小的餐桌[2]；但是自動控制桌面大小變換的餐桌還未出現。第二類是在餐桌內部安裝發熱電圈、單片機、語音識別模塊、LED顯示屏等外設；它的工作原理是通過單片機與LED顯示屏相結合，將LED顯示屏制作為控制面板，屏幕有桌面溫度調節、智能點菜、語音控制等選項，選擇不同的選項將會發生信號給單片機，單片機識別處理并傳遞信號給其它外設，從而達到餐桌桌面溫度變化的效果[3-6]。當前，關于通過餐桌設計達到對餐具便攜回收方面的報道較少。

一直以來，餐桌上的餐具擺放與回收、餐余垃圾的回收和桌布的鋪放等工作，都是由服務員來完成的，本論文致力研究一種通過按鍵控制自動變換餐桌桌面大小，以及通過結構設計能便攜回收餐具及餐余垃圾的一種智能餐桌。以此減少服務人員的數量，也能夠保證用餐質量。

1 智能餐桌結構設計

餐桌的整體模型結構如圖1所示。

（1）餐桌的總體外形設計

餐桌外形主體主要由桌面、餐桌支架和底盤組成。其中，餐桌的桌面設計為圓盤狀，相對于方形的餐桌，圓盤形的餐桌能夠容納下更多的人，餐桌桌面的材質采用實木木板，耐用且具有良好的觀賞性；餐桌的支架設計為圓柱狀，目的是為了更好的利用餐桌底部的空間；圓柱支架里有兩個櫥柜，能夠儲存一定量的物品；餐桌底盤設計為面積較大的圓盤狀，使得餐桌底部有更大的接觸面積，并且重心壓低，能夠更好的保證餐桌的整體結構穩定性，不易晃動。餐桌的整體外形較為美觀，能夠滿足顧客對餐桌的外觀要求。

（2）餐桌的高度設計

本餐桌的高度是根據人因工程學中的坐姿作業空間設計來進行設計的；從力學的角度可知，人體在坐姿作業的過程中，最輕松的時候為手肘自然下垂時候。而用餐的人員在用餐的過程中屬于輕作業的方式，輕作業的最佳的范圍在肘部以下50～100 mm，精細作業是在手肘以上的50～100 mm之間。由于在坐姿狀態時間，腿的高度至少要離地面高600mm以上；得出桌面高度對應男性的最佳推薦值為離地面740～780 mm，對于女性的最佳高度推薦值為離地面700～740 mm。所以綜合以上數據，此餐桌的桌面高度選取為離地面740 mm的高度，這符合了人因工程中人體坐姿作業中輕作業的較為合適的高度[7]。

（3）餐桌的平面設計

餐桌的小桌面是由4塊90°扇形板組成的直徑為1 m的一個圓形平面，如圖2所示，小桌面下可供5～6人用餐。

餐桌的大桌面是在四個扇形板的基礎上增加四個尖角內板和中部的一個八角內板組合而成的直徑為2 m的大圓形桌面，大桌面可供7～8人用餐[8]，如圖3所示。當電機轉動軸心減速電機自動轉動時，配合曲柄滑塊機構，餐桌能夠從初始的小桌面轉換為大桌面。經計算，小桌面面積大小約為0.78 m2；大桌面的面積約為3.14 m2；從小餐桌變換為大餐桌的過程中，餐桌桌面的面積增加了大約2.36 m2。

（4）餐桌的平面變換設計

準備階段：由于需要實現餐桌的自動變換大小的功能，需要使用電機進行實現，尋找能夠將由將旋轉方向的力轉換為直線方向的力的機械結構，并且能夠帶動多個結構的一起運動，而曲柄滑塊機構能夠實現餐桌桌面在水平方向的移動；于是選擇了曲柄滑塊機構以及滑軌進行結合。

設計階段：運用SolidWorks進行繪制，曲柄滑塊機構主要是由八組滑塊滑軌，以及一個曲柄組成，如圖4所示。

餐桌平面在減速電機的驅動下，曲柄帶動連桿，使滑塊在滑軌上做往復運動[9]。運用Matlab對曲柄滑塊機構各個參數進行計算[10]。

曲柄滑塊機構具體參數設計如下：

已知滑塊的行程S＝37.5 cm，行比速率" "K＝1.25；通過Matlab計算曲柄長度A、連桿長度B以及偏心距C。

綜上得：設計曲柄長度A為17.4578 cm、連桿長度B為43.0861 cm、偏心距C為14.1518 cm。

優化階段：在運用SolidWorks進行仿真運動的過程中發現，當滑塊運動到滑軌盡頭時，尖角內板的角會與中間的八角形嚙合；但扇形板、八角內板和尖角內板存在一定的高度差；為解決這一問題，需要一種機構來動態提升八角內板以及尖角內板的水平高度，在此利用了凸輪機構，凸輪機構的特點為結構簡單，設計方便，能夠使從動件任意預期運動。在矩形框隨著主軸轉動時，會沿著梯形塊上升到頂端，梯形塊頂端與扇形塊處于同一水平面；在餐桌底板上增加四個梯形塊，將尖角內板以及八角內板放在矩形框上，組成凸輪機構（如圖5所示）。所以，隨著矩形框的移動，尖角內板以及八角內板與扇形塊處于同一水平面。通過以上方式，小桌面由此變為大桌面，實現餐桌桌面大小切換的功能。設計餐桌桌面變換的目的是讓一個餐桌擁有兩種不同的大小，能夠滿足不同人數的用餐需求。

（5）餐桌的通道設計

準備階段：尋找合適的開合機構，能夠有足夠的空間將餐具投入進去，經過對機械結構的分析發現，曲柄搖桿機構的功能較為符合，曲柄搖桿機構的特點是，在主動件轉動的時候，搖桿作為從動件會做往返運動；其次是設計餐具投放口的尺寸大小，選擇一種合適于大多數餐具規格的餐具投放口。

設計階段：確定曲柄搖桿機構后，在餐桌的中部設計了一個由曲柄搖桿和五塊扇形板組成的結構，通過曲柄的旋轉來實現扇形板的開合，如圖6所示；扇形板的下面是一個能夠放入餐具和餐飲垃圾的圓形四孔餐具投放口，餐具投放口的尺寸，如圖7所示。市面上大部分的餐具尺寸均小于直徑18 cm，所以將餐具投放口設計為半徑為12.5 cm的圓形。因此，計算可得，餐具投放口允許放入最大的餐具為寬度為17.6 cm規格的餐具。其中的兩個通道用于投放餐具，另外兩個用于存放餐飲垃圾，餐具投放口下方是一個平分格的回收容器，一個用于回收餐飲垃圾，另外一個回收餐具，如圖8所示。

總結流程階段：旋轉餐桌中部的曲柄，扇形板塊隨之打開，餐具投放口顯現出來，先后

將餐具內的餐飲垃圾以及餐具投入對應的投放口內，在收拾完畢后，再次旋轉曲柄，將扇形板閉合，以此方式能夠便捷的回收餐飲垃圾和餐具；因此，服務人員在客人用餐完畢后可按照以上流程將餐具以及餐飲垃圾處理，并且放入相應的容器，回收容器可以儲存一定時間段內的餐具以及餐飲垃圾；在餐廳營業結束后，可統一將每個餐桌的容器回收；與普通的餐桌相比，服務人員只需要將餐具以及餐飲垃圾分類投放即可，不需要像目前的餐廳一樣，每一次都需要單獨的回收一個桌面的餐具以及餐飲垃圾；通過以上方式，大大減少了餐廳服務人員的工作量，提高了工作效率。

（6）餐桌櫥柜設計

此餐桌共設計有兩個櫥柜；櫥柜1連接著餐具投放口通道，餐具以及餐飲垃圾通過餐具投放口進入櫥柜1中的餐具回收容器內，在需要處理櫥柜1內的物品時，可將整個櫥柜抽取出來，方便清洗；櫥柜2內是儲存干凈餐具的櫥柜，櫥柜2的主要作業是便于下一次的用餐的擺臺，內置消毒裝置，可以在一定的時間內保持餐具的干凈[11]；圖9為櫥柜模型。

2 智能餐桌控制流程設計

（1）準備階段：硬件的選擇階段：驅動電機轉動需要主控制板塊、減速電機、電機驅動、觸碰開關、按鍵；根據芯片的價格和功能，選擇STM32f103zet6單片機，它內含多個時鐘，能夠實現PWM調速控制，滿足控制減速電機按照一定速度轉動的需求，性價比較高；根據扭矩大小選擇合適的電機，FAULHABER直流減速電機的轉速為120RPM、扭矩約17 kg·cm，符合餐桌開合條件。電機驅動采用FAULHABER運動控制器，此驅動控制器的驅動能力較強，使用方便；內置多個電容，在電壓變化時，不易燒壞驅動；觸碰開關型號采用YB-MVM03VER1.0，該型號觸碰開關價格中等，但是穩定性強，不會出現誤觸的情況。軟件編寫階段：使用軟件Keil uVisoin5進行編寫stm32控制程序，控制程序需要達到電機正反轉、速度的調控、以及定點停止的目的。所以編寫PWM調速控制以及接受按鍵反饋信號后的正反轉程序。

主要程序內容如下：

u16pwmdj=0;vu8 key=0;

delay_init（）;LED_Init（）; KEY_Init（）;" " " "TIM1_PWM_Init（1690，1000）;

while（1）

{

key=KEY_Scan（0）;

if（key）

{

switch（key）

{

case0： pwmdj=75;" " " " " TIM_SetCompare1（TIM1，pwmdj）;

//0為餐桌打開動作

case1： pwmdj=125;" " " " " TIM_SetCompare1（TIM1，pwmdj）;

//1為餐桌閉合動作

}

（2）實施階段：將軟件編寫好的內容燒錄入STM32芯片，將硬件連接好后進行實驗：通過按鍵控制可選擇不同的餐桌桌面模式，當按下不同按鈕時，會傳遞不同的信號給stm32單片機，單片機接收并發送信號給電機驅動模塊，通過單片機的PWM調速控制減速電機按照一定的速度運動，使得餐桌平穩的在滑塊上沿直線水平運動；當滑塊到達滑軌的末尾時，會觸碰到觸碰開關，觸碰開關反饋信號給stm32主控板塊，以相同的方式控制減速電機的停止，讓扇形板塊能夠在固定的位置停止下來，以免減速電機空轉而損壞電機。以上流程能夠達到變換餐桌大小的全過程[12]。圖10為控制流程圖。

3 結語

在智能餐廳急速普及的背景下，此餐桌能夠很好的加快收拾餐具時間的時間，以及顧客人數與餐桌不符合的問題。運用了現代化控制技術，使得餐桌能夠通過控制電機的方式實現自動旋轉變形的功能，使其智能化。餐桌的高度設計較為合理，結合了人因工程的內容進行了分析。此餐桌的設計能夠方便餐廳服務人員回收餐具，幫助緩解酒店服務人員人手不足的問題。

本餐桌考慮的問題并不周全，可能還需進行不斷的改進才能投入生產、及大規模普及，如餐桌實體的實現是否能夠符合經濟利益、餐具回收容器能夠裝入餐具數量等問題。智能餐桌還有很多改進的地方，例如餐桌還能與娛樂相結合等，具有較好的發展前景。

參考文獻：

[1]于卓立，劉沙沙，蘇家鵬，等. 智能餐桌系統設計與實現[J].電腦編程技巧與維護，2014（24）：46-48.

[2]魏國濤. 智能餐桌結構與控制系統的設計[J]. 大眾標準化，2019（12）：128-129.

[3]佚名. 自動調節溫度的餐桌[J]. 陜西檔案，2018（3）：59.

[4]李銀露，劉浩，陶銀浩. 基于PLC的智能餐桌控制系統設計[J].機械制造與自動化，2022，51（6）：208-211.

[5]姜俊鵬，呂杰，張翠玲，等. 基于STM32的智能餐桌設計[J].電子世界，2017（3）：128-130.

[6]孟志剛，劉麗芳，李濤，等. 基于PLC控制的智能旋轉餐桌的設計與實現[J]. 開封大學學報，2018，32（1）：83-86.

[7]曹詠，韓方珍，余平祥. 基于人因學的坐姿作業空間設計評價研究初探[J]. 科技經濟市場，2020（10）：21-22.

[8]易琦，余五新，鄢鑫凱，等. 一種新型智能餐桌的設計[J]. 造紙裝備及材料，2020，49（4）：32-33.

[9]李震，王維，王宏強，等. 曲柄滑塊成型機輸出功率分析與動力學仿真[J]. 機電工程，2022，39（3）：419-426.

[10]許海強，唐海平. 曲柄滑塊機構的MATLAB優化設計與SolidWorks運動仿真[J]. 寶雞文理學院學報（自然科學版），2019，39（2）：63-66.