智能廚房管家的設計

（華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237）

0 引言

當今人們對營養健康與烹飪體驗的訴求日益提高。糖尿病低齡化、牛奶血等問題的出現，對烹飪經驗不足的年輕人提出了嚴峻挑戰［1］。此外，人口老齡化日趨嚴重，利用智能家居協助老人輕松便捷烹飪三餐，有利于構建和諧社會［2］。然而，復雜繁瑣的烹調技法，又制約著中餐制作走向自動化與現代化［3］。

因菜肴特色差異，國外菜肴著重于保持食材的原本特性［4］，烹飪機的功能相對簡單，大都無法實現中國廚藝中的翻炒功能［5］。極少數能夠勝任中式菜肴的烹飪機，如Moley Robot，其原理為通過攝像頭捕捉并模仿廚師的動作，功能強但售價昂貴［6］。國內，張少文等［7］通過對人工烹飪過程中鍋具的運動分析，提出具有顛鍋、晃鍋、傾鍋等功能的設計方案，但體積龐大不宜家用。家用型炒菜機的相關專利［8-10］，大部分只具有簡單的加熱、燜煮功能，能夠烹飪的菜肴有限。因此，亟待設計全自動、多功能、體積小巧、適用于中餐制作的智能廚房機器人，向千家萬戶開啟中國菜肴色、香、味、形的大門。

本文設計了一款智能廚房管家，通過多模塊協調運作，實現調料與食材的精準添加與均勻混合。在做到自動化程度高、運行精準穩定的前提下，實現交互友好、合理經濟。

1 總體方案設計

工作流程如下：

如圖1，用戶通過語音、觸控屏或者APP選擇菜譜，發出添加調料指令。首先，液體容器轉盤架轉動，使得所選液體對應容器上的嚙合塊與長嚙合板相嚙合。接著，滑臺滑動壓動活塞桿，調料通過與液體容器底端接通的液體軟管定量擠出。

圖1 固液調料系統整體示意Fig.1 Overall schematic diagram of solid-liquid seasoning system

與此同時，撒料端連接桿的伸縮與從動轉盤的旋轉相配合，通過復合運動使調料添加更加均勻。針對大顆粒調料，采用轉輪出料機構，將調料定量可控地撒入鍋內。小顆粒調料采用雙電磁隔膜閥出料機構，上下兩個電磁鐵依次動作完成對粉末調料出料的精細把控。

另外，針對大用量調味料，采用螺旋輸送機構，實現從固體粉末調料儲罐到使用前端的定量送料。給料時，伸縮臂旋至特定位置，小顆粒接收機構可以自動測滿并向螺旋輸送機構發出停止加料指令，伸縮臂自動復位。

配合由傾倒機構和攪拌機構組成的倒菜翻炒模塊，實現食材的分步、按時、定量添加與均勻混合。

2 各模塊單元設計

設計的智能廚房管家的機械結構可分為5個核心模塊：液體給料模塊、固體給料模塊、固液撒料模塊、固體出料模塊、倒菜翻炒模塊。

2.1 液體給料模塊設計

功能：實現多種液體調料定量擠出與吸入。優勢：結構緊湊、出量精準、連續高效。

如圖2所示，當機器接收到添加調料指令后，液體給料模塊開始運轉。首先，步進電機旋轉指定角度，傳動至液體軟管架，使得相應的液體容器上的嚙合塊與長嚙合板相嚙合。緊接著，滑臺通過內置絲桿-步進電機組塊的驅動，帶動長嚙合板向下移動特定距離，迫使與之嚙合的嚙合塊向下運動，通過位于液體容器內的活塞桿將液體調料擠出，與出口相連的液體軟管聯通灑料端，將液體調料灑向鍋內，實現液體調料的精準添加。

圖2 液體給料模塊結構Fig.2 Structural diagram of liquid feeding module

嚙合塊與長嚙合板的設計，既通過穩固的配合實現了移動距離的精準傳動，又巧妙地實現了不同液體容器轉換配合的無縫銜接。轉換高效、出量精準。

2.2 固體給料模塊設計

功能：完成從存儲裝置到使用前端的定量送料；優勢：結構精巧、高效低耗、自檢續加。

如圖3所示，針對使用量較大的固體粉末調料，設有可自動上料的固體給料模塊，該模塊的核心是螺旋輸送機構，上料步驟的具體流程為：固體粉末顆粒從大容量調料儲罐落入螺旋輸送機入料口后，顆粒群在螺旋葉片的旋轉推撥下，從輸送管底端升至頂端，并從螺旋輸送機出料口落到小顆粒接收機構，接收機構的紅外傳感器檢測到料滿后，直流電機停轉，上料過程結束。

圖3 固體給料模塊結構Fig.3 Structural diagram of solid feeding module

針對螺旋輸送機構，選擇其驅動電機并確定螺旋葉片設計參數如表1所示。

表1 相關參數取值Tab.1 Relevant parameter values

大量試驗表明，由于物料對于管壁的摩擦力，顆粒與螺旋葉片產生相對運動，從而使得徑向相鄰顆粒間產生滑動，遠離螺旋軸的物料逐漸影響到內部的物料［11］。選用500 r/min的直流電機，超過物料與螺旋葉片發生相對滑動的臨界轉速［12］，滿足設計需求。

2.3 固液撒料模塊設計

功能：進行固液體調料的均勻撒料。優勢：占用空間小、活動范圍大、結構分布好。

如圖4，固液撒料模塊主要由剪叉式伸縮臂和水平旋轉組件構成。其運作流程：絲桿在步進電機的驅動下旋轉，使得滑塊沿滑動導桿移動，剪叉式伸縮桿組相應地被拉長或縮短。撒料時，控制系統根據鍋的尺寸與將撒調料的種類規劃前端路徑，并轉化為絲桿步進電機和主動齒輪步進電機控制信號，控制懸臂伸縮與轉盤旋轉，通過復合運動實現均勻撒料。

圖4 固液撒料模塊結構Fig.4 Structural diagram of solid-liquid strewing module

伸縮懸臂的設計結構分布合理，保障了使用的安全性與持久性。利用ANSYS軟件對懸臂系統最大形變、最大應力進行求解分析。

如圖5，取懸臂最長伸長狀態為最危險情況，在懸臂前端加10 N壓力（大于撒料前端所能提供最大壓力），應變最大處為懸臂最前端，數值為0.022 661 m，此應變不對運轉造成影響，結構合理。

圖5 伸縮懸臂應變云圖Fig.5 Strain nephogram of telescopic cantilever

在最危險情況下，對伸縮懸臂整體進行應力分析，在懸臂前端加10 N壓力，結果如圖6（a），可知最大應力集中在滑動導桿上，最大應力為192.85 MPa。導桿使用材料為：45鋼。查表得45鋼抗拉強度σb為 600 MPa［13］，屈服強度σs為 355 MPa，均大于導桿最大應力，因此滿足強度要求。

由于伸縮臂結構輕巧的需要，剪叉式伸縮桿采用強度較弱的亞克力板，與上文施加相同條件，單獨分析連桿部分應力。分析結果如圖6（b），連桿最大應力為8.93 MPa。查表得亞克力板拉伸強度 70 MPa［14］，遠大于連桿所受最大應力，因此滿足強度要求。

圖6 伸縮懸臂與剪叉式伸縮桿應力云圖Fig.6 Stress nephogram of telescopic cantilever and scissor telescopic rod

2.4 固體出料模塊設計

功能：保證大小顆粒調料流暢出料、用量精準把控。

如圖7，針對易阻塞于狹縫的小顆粒固體調料，如糖和鹽，采用雙電磁隔膜閥出料機構。電磁隔膜閥帶動上閘板開啟，下閘板關閉，調料在重力作用下落至乳膠管內的兩閘板之間，接著下閘板開啟，上閘板關閉，調料落入鍋內。如此設計，保證了每次出鹽量為1 g。

圖7 固體出料模塊結構Fig.7 Structural diagram of solid discharging module

針對大顆粒固體調料，如胡椒粒，采用轉輪出料機構。轉輪在舵機帶動下180°往復旋轉，上方的凹槽旋至下方，將凹槽內的調料撒向鍋內，同時原位于下方的空凹槽旋至上方，自動完成上料，保證流暢出料。

2.5 倒菜翻炒模塊設計

功能：實現食材的分步、按時、定量添加與均勻混合；優勢：用量控制精準、食材混合均勻、結構小巧靈動。

如圖8所示，倒菜翻炒模塊由傾倒機構和攪拌機構組成。其運作流程為：用戶先向四個盛放食材的翻斗狀食材盒中添加食材，與此同時，OLED顯示屏通過食材盒底部壓力傳感器的反饋，精確顯示食材的質量，方便使用者將食材定量加入。食材加入完畢，驅動四桿聯動機構的舵機按照系統預設的食材烹飪順序和時間依次動作，將食材加入鍋中。倒菜動作完成后，機械懸臂在雙軸舵機的帶動下旋轉90°，使錨式攪拌槳葉片水平。緊接著，步進絲桿滑軌使機械懸臂下降直至攪拌槳葉片與鍋壁貼合，直流電機帶動槳葉轉動，實現食材的均勻混合。

圖8 倒菜翻炒模塊示意Fig.8 Schematic diagram of stirring module

四桿聯動機構的采用，小巧美觀?，F將翻斗狀食材盒底面簡化為與機架相連的搖桿進行分析，已知食材盒底部兩轉動副圓心距離CD為67 mm，機架長度AD為101 mm，曲柄AB長度為53 mm，連桿長度BC為95 mm。在SolidWorks中新建運動算例，選定舵機A為原動件，選擇運動方式為勻速轉動，轉速60 r/min，對食材盒軌跡進行追蹤。根據圖示弧線運動軌跡可知，食材盒的運動軌跡連續光順、過程平穩流暢，可以很好滿足食材傾倒入鍋的需求。

考慮到食材和調料具有黏度高的特點，為保證均勻混合，采用錨式攪拌槳。此種攪拌槳的槳葉外緣形狀與鍋內壁形狀一致，攪拌時不易產生盲區［15］。為提高攪拌均勻度和提升攪拌效率，區別于傳統的錨式攪拌槳無軸向混合的平行槳葉結構，本裝置采用槳葉20°傾角的設計。試驗證明，相同條件下該傾角槳葉單位體積混合能最低［16-17］。

3 控制系統與交互界面

3.1 控制系統的組成及控制流程

如圖9所示，固液調料系統主要由控制器Arduino、人機交互界面HMI、各類傳感執行元件、及配套通信、電源系統組成。通過接受來自人機交互界面的控制指令，控制器精確控制各執行元件，實現了固、液體調料的可控、定量添加。

圖9 固液調料系統控制流程Fig.9 Control flow chart of solid-liquid seasoning system

倒菜翻炒模塊在運行過程中接受用戶指令并據此完成相應動作，借助重力傳感器、計時器和顯示屏實現對食材加入與加工的智能控制及與用戶的友好交互。

3.2 人機交互界面

智能廚房管家擁有人性化的交互界面，可通過語音、觸控屏或者APP選擇菜譜，系統預設了海量調料配方，涵蓋八大菜系并可根據大數據生成個性化口味偏好，將中餐菜譜中所謂“些許”、“少量”等含糊用語數字化，變成機器可以理解的語言。

4 結語

本文設計的智能廚房管家，借助精巧的機械結構與智能的交互系統，將五個核心模塊協調運作，強大的功能設計全面覆蓋廚房情景，杰出的運行效果保證愉快料理體驗。結構考究、微縮高能，體積小巧完美迎合廚房需求。

該裝置現已有國家專利：外觀設計專利（ZL201930238930.4），發明專利（ZL201910408540.6實質審查階段），實用新型專利（ZL202021911685.2），實物樣機獲得了2020第九全國大學生機械創新設計大賽二等獎、2020中國大學生機械工程創新創意大賽三等獎、2019上海市大學生機械工程創新大賽一等獎、2020中國“互聯網+”大學生創新創業大賽校二等獎，并代表高校參展2020中國國際工業博覽會。