CN110403444A - 炒菜机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种炒菜机器人及其控制方法。炒菜机器人包括内螺旋式炒锅和用于驱动炒锅关于炒锅径向摆动、关于炒锅轴向旋转、上下移动、左右移动、前后移动、翻转的机械臂，所述机械臂包括径向摆动机构、U形支架、轴向旋转机构以及姿态调整机构，其中，所述螺旋式炒锅沿炒锅内壁设置有多条螺旋形凸肋，锅沿上端外侧设置有一对对称的耳轴；所述径向摆动机构与炒锅的一个耳轴相连以使炒锅以耳轴为中心关于炒锅的径向摆动；U形支架具有一对对称的连接于炒锅一对耳轴的连接臂；轴向旋转机构的第一端通过连接件U形支架的顶部，第二端经姿态调整机构连接于灶台，所述径向摆动机构和轴向旋转机构协调工作以完成翻炒动作，所述姿态调整机构用于调整炒锅的姿态。本发明提供的炒菜机器人烹饪食材受热均匀且效率高。

Description

炒菜机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种炒菜机器人及其控制方法，属于机器人技术领域。

背景技术

近年来，为了提高效率及节省劳力，开发了替代人类进行固定的动作的烹饪机器人。这种烹饪机器人大多都具备搅拌翼片或者铲，通过在固定的大型锅内部主动地转动搅拌翼片或者铲来搅拌锅内部的烹饪食材，从而对烹饪食材进行加热。但是，这种烹饪装置中，由于锅一直置于火焰上，锅本身受热不均，因此，若出现烹饪材料一直停留在锅底的情况，就会因此被烧焦，从而影响菜的色和味。

发明内容

为克服现有技术中出列的缺点，本发明的发明目的提供一种烹饪食材受热均匀且效率高的炒菜机器人。

为实现所述发明目的，本发明提供一种炒菜机器人，其特征在于，包括内螺旋式炒锅和用于驱动炒锅动作的机械臂，所述机械臂包括径向摆动机构、U形支架、轴向旋转机构以及姿态调整机构，其中，所述螺旋式炒锅沿炒锅内壁设置有多条螺旋形凸肋，锅沿上端外侧设置有一对对称的耳轴；所述径向摆动机构与炒锅的一个耳轴相连以使炒锅以耳轴为中心关于炒锅的径向摆动；U形支架具有一对对称的连接于炒锅一对耳轴的连接臂；轴向旋转机构的第一端通过连接件U形支架的顶部，第二端经姿态调整机构连接于灶台，所述径向摆动机构和轴向旋转机构协调工作以完成翻炒动作，所述姿态调整机构用于调整炒锅的姿态。

优选地，径向摆动机构用于带动砂锅关于炒锅径向顺时针和逆时针摆动，其包括传动机构，伺服电机，所述伺服电机经传动机构驱动耳轴摆动，所述传动机构为锥齿轮、直齿轮或者减速机构。

优选地，锥齿轮、直齿轮或者减速机构中设置有冷却水通道。

优选地，轴向旋转机构用于带动砂锅关于炒锅轴向顺时针和/或逆时针旋转，其包括止推轴承、转轴和中空优选地，中空转子伺服电机连接于转轴的一端，转轴的另一端连于止推轴承。

优选地，U形支架内部具有冷却水通道，其连通于径向摆动机构的传动机构用于冷却传动机构。

优选地，所述姿态调整机构用于调整炒锅的姿态及位置，其至少为平面三自由度机械机构，可使炒锅相对于燃气灶火源升降、前后、左右的移动，由伺服电机驱动三自由度机械机构的每个臂动作。

优选地，炒菜机器人，其特征在于，还包括制动器，其设置在所述伺服电机壳体内部，所述制动器至少包括压电元件。

优选地，所述炒锅为球形炒锅。

优选地，炒菜机器人还包括控制***，其至少包括用于探测炒锅内温度的温度传感器、控制单元、存储单元和伺服机构驱动器，所述温度传感器用于探测炒锅的温度，并将温度信息提供给控制单元，控制单元调用存储于存储单元的控制程序，根据温度传感器提供的信息及设定的炒菜模式给伺服机构驱动器提供控制信号，以控制伺服机构带动炒锅对烹饪食材进行翻炒。

为实现所述发明目的，本发明还提供一种炒菜机器人的控制方法，控制单元调用存储于存储单元的控制程序以实现：根据食材选择炒菜模式及炒锅的姿态，根据炒菜模式及炒锅的姿态给伺服机构驱动器的伺服电机及制动器提供控制信号执行如下步骤：

S01:给姿态调整机构的伺服电机及制动器提供控制信号使炒锅置于火源适当位置;

S02: 给径向摆动机构的伺服电机提供控制信号使炒锅关于炒锅的径向摆动，摆动到设置的位置，给径向摆动机构的制动器提供控制信号使炒锅快速停；和/或给轴向旋转机构的伺服电机提供控制信号使炒锅关于炒锅的轴向旋转，旋转设定角度，给轴向旋机构的制动器提供控制信号使炒锅快速停止，如此反复；

S03:给姿态调整机构提供控制信号使炒锅改变姿态，而后重复上述过程。

与现有技术相比，本发明提供的炒菜机器人及控制方法能够达到如下有益效果：烹饪食材受热均匀且工作效率高。

附图说明

图1是本发明提供的炒菜机器人的结构立体示意图；

图2是本发明提供的炒菜机器人的顶视图；

图3是本发明提供的炒菜机器人中的径向摆动机构示意图；

图4是本发明提供的炒菜机器人控制***组成框图；

图5是本发明提供的炒菜机器人控制程序的流程图；

图6是本发明提供内置制动器的伺服电机垂直于轴的截面示意图；

图7是表示本发明提供内置制动器的伺服电同的轴向截面示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，也可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1是本发明提供的炒菜机器人的结构立体示意图；图2是本发明提供的炒菜机器人的结构顶视图，如图1-2所示，本发明提供的炒菜机器人包括内螺旋式炒锅200和用于驱动炒锅动作的机械臂，所述机械臂包括径向摆动机构300、U形支架400、轴向旋转机构500以及姿态调整机构600，其中，所述螺旋式炒锅200沿炒锅优为球形炒锅，内壁设置有多条螺旋形凸肋202，锅沿上端外侧设置有一对对称的耳轴201，设置凸肋202是为了在炒锅200摆动并快速停止时，炒锅200内的食材由于惯性作用，而翻炒起来，从而使食材的受热面改变；所述径向摆动机构300与炒锅200的一个耳轴相连以使炒锅200以耳轴201为中心关于炒锅200的径向摆动；U形支架400具有一对对称的连接于炒锅200一对耳轴的连接臂；轴向旋转机构500的第一端通过连接件U形支架400的顶部，第二端经姿态调整机构600连接于灶台100，所述径向摆动机构300和轴向旋转机构500协调工作以完成翻炒动作，所述姿态调整机构600用于调整炒锅的姿态。在灶台上设置有触摸显示屏700,用于显示信息并供用户输入指令。本发明中，灶台100为可移动的灶台，如此，炒菜机器人可根据指令移动到合适的位置。

本明中，轴向旋转机构500用于带动砂锅关于炒锅轴向顺时针和/或逆时针旋转，其包括止推轴承、转轴和中空伺服电机，中空转子伺服电机连接于转轴的一端，转轴的另一端连于止推轴承。所述止推轴承设置于U形支架400顶部的通孔中。

本发明中，U形支架400内部具有冷却水通道，其连通于径向摆动机构300的传动机构用于冷却传动机构。

本发明中，所述姿态调整机构600用于调整炒锅的姿态及位置，其至少为平面三自由度机械机构，可使炒锅相对于燃气灶火源升降、前后、左右的移动，由伺服电机驱动三自由度机械机构的每个臂动作。

图3是本发明提供的炒菜机器人中的径向摆动机构示意图；如图3所示，径向摆动机构300用于带动砂锅200关于炒锅径向顺时针和逆时针摆动，其包括传动机构和伺服电机301，所述伺服电机301经传动机构驱动耳轴201摆动，所述传动机构包括相互啮合的第一锥齿轮302和第二锥齿轮303，第一锥齿轮302固定套在耳轴201上，第二锥齿轮303套在电机输出轴上，如此结构将电动机轴向输出的力矩变换为垂直轴向的力矩，以驱动耳轴201转动。本发明虽然以锥齿轮的结构形式进行了说明，但传动机构也可以直齿轮或者减速机构。优选地锥齿轮、直齿轮或者减速机构中设置有冷却水通道，设置冷却水通道是为了利用冷却水对由炒锅传递的热量被冷却水吸收并经冷却水管路将热量带走，冷却水路可以单独设置并与机械臂固定在一起，也可以依次穿过U形支架400、轴向旋转机构500及姿调整机构600设置的空腔，如此使外观更加美观。

本发明中，为使炒锅200内的食材进行翻炒，使炒锅200摆动到设定位置，要快速停止，因此，径向摆动机构300还包括制动器以使伺服电机快速停止；同理，为使炒锅200旋转设定的角度，要快速停止，轴向旋转机500构还包括制动器以使伺服电机快速停止；为炒锅移动到离火源设定的位置，并保持一定的姿态，姿态调整机构600也包括与伺服电机配对的制动器。本发明中将制动器设置在所述伺服电机壳体内部，如此，减小炒菜机器的外形体积，所述制动器至少包括压电元件。

下面结合图4说明本发明提供的炒菜机器人的控制***。

如图4所示，本发明提供的炒菜机器人控制***包括处理单元、用于探测炒锅温度的温度传感器、存储单元、语音单元、伺服机构驱动单元、通信单元、定位单元和触摸显示屏，驱动单元包括灶台伺服机构驱动单元和机械臂驱动单元。存储单元中存储有机器人移动程序、语音程序、炒菜控制程序，通信单元用于与上位机进行通信连接，处理单元通过通信单元接收上位机指令并调用存储中存储的机器人移动程序，规划灶台运行路径，并给灶台伺服机构驱动单元提供行迹指令，以驱动灶台根据指令工作。处理单元通过通信单元接收上位机选择的炒菜模式并调用存储中存储的炒菜控制程序，根据温度传感器提供的温度信息和炒菜模式给机械臂提供控制信号，以使机械臂驱动炒锅旋转、翻转、上下移动、左右移动、前后移动、摆动，从而实现对食材的翻炒及温度的控制。语音单元包括语音输入单元和语音输出单元，语音输入单元用于将接收的语音信息转换为电信息，处理单元根据接收的语音电信息调用语音程序，对语音进行识别，而后调用存储单元中存储的应答语言，而后进行语音输出，以将电信息转换为声音信息，以与用户进行交互。定位单元用于确定机器人的位置。

根据本发明一个实施例，所述控制***还包括触摸显示屏，其可设置在灶台上，用于用户输入指令，也用于显示信息。

图3是本发明提供的炒菜机器人炒菜控制程序的流程图，如图3所示，本发明提供的炒菜机器人的控制方法中，控制单元调用存储于存储单元的控制程序以实现：根据食材选择炒菜模式及炒锅的姿态，根据炒菜模式及炒锅的姿态给伺服机构驱动器的伺服电机及制动器提供控制信号执行如下步骤：

步骤S01中：接收炒菜模式和温度传感器提供的信息；

步骤S02中，给姿态调整机构的伺服电机及制动器提供控制信号使炒锅置于火源适当位置，给炒锅中倒入油料，并利用温度传感器监测油温，当油温达到设定温度时，向炒锅中倒入食材;

步骤S03中，给径向摆动机构的伺服电机提供控制信号使炒锅关于炒锅的径向摆动，摆动到设置的位置，给径向摆动机构的制动器提供控制信号使炒锅快速停；和/或给轴向旋转机构的伺服电机提供控制信号使炒锅关于炒锅的轴向旋转，旋转设定角度，给轴向旋机构的制动器提供控制信号使炒锅快速停止，如此反复；

步骤S04中:给姿态调整机构提供控制信号使炒锅改变姿态，而后再给径向摆动机构的伺服电机提供控制信号使炒锅关于炒锅的径向摆动，摆动到设置的位置，给径向摆动机构的制动器提供控制信号使炒锅快速停；和/或给轴向旋转机构的伺服电机提供控制信号使炒锅关于炒锅的轴向旋转，旋转设定角度，给径轴向旋机构的制动器提供控制信号使炒锅快速停止，如此反复；

步骤S05中，判断是否还加入食材，若是，加入食材，并返回到步骤S03,否则执行步骤S06;

步骤S06中，判断炒菜时间是否到，若到，则执行步骤S07,否则，返步骤S03;

步骤S07中:给姿态调整机构提供控制信号使炒锅离开火源；

步骤S08中，给径向摆动机构300的伺服电机301提供控制信号使炒锅200翻转，将食材倒入盘中，而后通过通信单元向上位机或送餐机器人发送信息，以将菜送给客户。

本发明中，由于需要将炒锅内的食材翻炒，还需要将锅体的侧面、底面全部受热，因此，每个伺服电机都需要制动器，当伺服电机的转出轴转到某个位置，则需要将其保持不变，下面结合图4-5描述本发明提供的内置制动器的伺服电机。

图4是本发明提供内置制动器的伺服电机垂直于轴的截面示意图，图5是表示本发明提供内置制动器的伺服电同的轴向截面示意图。如图4-5所示，本发明提供的伺服电机包括外壳21，所述外壳21包括圆盘状的壳体底板21a和具有圆柱形空腔的壳体21b。空腔内设置有定子和转子，所述轴子固定于转子轴上。在壳体底板21a的中心部位，经由轴承22可旋转地安装有转子轴11。另外，上述轴承22收容在固定于壳体底板21a中心部位的圆筒状的轴承收容器23内。上述输出轴11的一端向壳体21的外方伸出，另一端固定在伺服电机10的转子固定架12的中心。该转子固定架12具有中空的鼓状的形状，在圆筒状的侧壁的外周面固定有圆筒状的永久磁铁13。另外，该永久磁铁13的外周面被磁化交错设置的N极性和S极性。

另外，在壳体21b的圆筒状的侧壁的内表面固定有定子铁心14，该定子铁心14形成为伺服电机10的定子。该定子铁心14具有圆筒状的形状，在内周面周期性、等间距排列配设有向内侧突出的极靴14a。在各极靴14a的周围緾绕有作为绕线的定子线圈15。另外，上述极靴14a的突出端面大致为圆弧面，如图4所示，作为整体形成圆周面，隔着规定的间隙（间隙）与永久磁铁13的外周面对置地配置。与一般的电动相同，通过使电流流过上述定子线圈15，使固定有永久磁铁13的转子支架12旋转，能够驱动与输出轴11的一端连接的被驱动部件旋转。另外，在定子线圈15中流过电流而使固定有永久磁铁13的转子固定架12旋转的方法与一般的伺服电机相同，因此省略说明。

另一方面，在作为转子的转子支架12的内部设置有制动器。所述制动器包括压电元件25和对称设置的一对制动片16、一对输出杆26、一对第一连杆部件17及一对第二连杆部件18制动片16抵接与转子固定架12的内周面，压电元件25为驱动该一对制动片16的制动驱动源，压电元件25的两端分别连接一对输出杆26，一对输出杆26分别经一对第一连杆部件17及一对第二连杆部件18连接到一对制动片16；一对输出杆26，一对第一连杆部件17以及一对第二连杆部件18以轴对称的方式配设，通过单一的压电元件25控制二个制动片16。压电元件25，制动片16，输出杆26，第1连杆部件17和第2连杆部件18的数量可以是几个，根据需要任意设定。

下面描述制动器的工作过程：

当给上述压电元件25施加电压时，电元件25在长度方向（图4中的横向）上伸长，与其两端连接的一对输出杆26的前端彼此的间隔变宽。另外，第一连杆部件17的一端（图4中的下端）作为固定端，通过未图示的安装部件固定在壳体底板21a上，另一端（图4中的上端）作为作用端与第二连杆部件18连接，第一连杆部件17与第二连杆部件18连接。并以第一连杆部件17的固定端附近，为摆动支点，形成容许部件弹性变形的薄壁部17a，在比该薄壁部17a更靠近作用端的位置连接输出杆26的前端。因此，当对压电元件25施加电压而使输出杆26变位时，第一连杆部件17以薄壁部17a为支点进行摆动。在该情况下，由于从薄壁部17a到作用端的距离比从薄壁部17a到输出杆26的前端所连接的位置的距离长，因此输出杆26的位移被放大，从而输出杆26的位移被放大到第1连杆部件17的作用端。

另外，第2连杆部件18的一端（图4中的上端）为固定部，通过未图示的安装部件固定在壳体底板21a上，另一端（图4中的下端）作为作用端，用于控制制动片16制动，在第二连杆部件18的固定部附近，作为摆动支点，形成容许部件的弹性变形的薄壁部18a，在位于比该薄壁部18a更靠近作用端的相反侧的位置的被作用端，在第一连杆部件17的作用端形成第一连杆部件17的作用端部。因此，当对压电元件25施加电压而使第一连杆部件17摆动时，第二连杆部件18以薄壁部18a为支点摆动。在该情况下，由于从薄壁部18a到作用端的距离比从薄壁部18a到连接有第一连杆部件17的作用端的距离长，所以第一连杆部件17的作用端的位移被放大。这样，上述第一连杆部件17及第二连杆部件18作为放大输出杆26的位移放大机构发挥作用。由此，当在压电元件25上施加电压时，输出杆26的位移被第一连杆部件17及第二连杆部件18放大，从而传递给制动片16。

另外，如图4所示，制动器，即位移放大机构、制动片16、压电元件25及输出杆26关于输出轴11的轴向收纳在转子固定架12内。使转子旋转的驱动力和制动器产生的制动力在与输出轴11的轴向垂直的同一平面内作用于转子。因此，能够使伺服电机10的厚度变薄。另外，不会产生由于使转子旋转的力的作用点与制动力的作用点的偏差而产生的力矩。

接着，对上述结构的伺服电机10的工作过程进行说明：

首先，在未施加电压的情况下，如图4所示，压电元件25在长度方向上为收缩的状态，此时，通过第一连杆部件17及第二连杆部件18的作用，制动片16以被按压抵接在转子固定架12的内周面。因此，通过制动片16与转子固定架支座12的摩擦力产生制动力，即，制动器工作，转子固定架12及输出轴11保持为不旋转的状态。接着，当对压电元件25施加电压时，压电元件25在长度方向上伸长，输出杆26向其前端彼此的间隔变宽的方向位移。于是，输出杆26的位移被第一连杆部件17及第二连杆部件18放大，传递给制动片16。由此，该制动片16向从转子固定架12的内周面离开的方向位移。因此，制动片16与转子固定架12的摩擦力产生的制动力消失，即，制动器被解除，转子固定架12及输出轴11成为可旋转的状态。

接着，当解除向压电元件25施加电压时，压电元件25在长度方向上收缩，输出杆26向其前端彼此的间隔变窄的方向位移。由此，从输出杆26向第一连杆部件17施加的力被解除，因此，通过薄壁部17a的弹力，第一连杆部件17恢复到原来的姿势。因此，由于从第一连杆部件17向第二连杆部件18施加的力被解除，所以通过薄壁部18a的弹力，第二连杆部件18恢复到原来的姿势。而且，由于制动片16恢复到被按压在转子固定架12的内周面的状态，所以制动器再次动作，转子固定架12及输出轴11保持在不旋转的状态。

这样，在发明中，伺服电机10在转子固定架12内部内置有将压电元件25作为制动驱动源的制动器。因此，能够使伺服电机10整体小型化及薄型化。另外，由于使用压电元件25，所以制动器高速动作。进而，由于发热也减少，所以能够减少对伺服电机10的输出的影响。

以上所述仅对本发明的实施方式做了详细的说明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种炒菜机器人，其特征在于，包括内螺旋式炒锅和用于驱动炒锅动作的机械臂，所述机械臂包括径向摆动机构、U形支架、轴向旋转机构以及姿态调整机构，其中，所述螺旋式炒锅沿炒锅内壁设置有多条螺旋形凸肋，锅沿上端外侧设置有一对对称的耳轴；所述径向摆动机构与炒锅的一个耳轴相连以使炒锅以耳轴为中心关于炒锅的径向摆动；U形支架具有一对对称的连接于炒锅一对耳轴的连接臂；轴向旋转机构的第一端通过连接件U形支架的顶部，第二端经姿态调整机构连接于灶台，所述径向摆动机构和轴向旋转机构协调工作以完成翻炒动作，所述姿态调整机构用于调整炒锅的姿态。

2.根据权利要求1所述的炒菜机器人，其特征在于，径向摆动机构用于带动砂锅关于炒锅径向顺时针和逆时针摆动，其包括传动机构，伺服电机，所述伺服电机经传动机构驱动耳轴摆动，所述传动机构为锥齿轮、直齿轮或者减速机构。

3.根据权利要求2所述的炒菜机器人，其特征在于，锥齿轮、直齿轮或者减速机构中设置有冷却水通道。

4.根据权利要求1所述的炒菜机器人，其特征在于，轴向旋转机构用于带动砂锅关于炒锅轴向顺时针和/或逆时针旋转，其包括止推轴承、转轴和中空转子伺服电机，U形支架的顶部设置有盲孔，止推轴承设置于盲孔中，中空转子伺服电机连接于转轴的一端，转轴的另一端连于止推轴承。

5.根据权利要求4所述的炒菜机器人，其特征在于，U形支架内部具有冷却水通道，其连通于径向摆动机构的传动机构用于冷却传动机构。

6.根据权利要求1所述的炒菜机器人，其特征在于，所述姿态调整机构用于调整炒锅的姿态及位置，其至少包括平面三自由度机械机构，可使炒锅相对于燃气灶火源升降、前后、左右的移动，由伺服电机驱动三自由度机械机构的每个臂动作。

7.根据权利要求2-6任一所述的炒菜机器人，其特征在于，还包括制动器，其设置在所述伺服电机壳体内部，所述制动器至少包括压电元件。

8.根据权利要求7所述的炒菜机器人，其特征在于，所述炒锅为球形炒锅。

9.根据权利要求8所述的炒菜机器人，其特征在于，还包括控制***，其至少包括用于探测炒锅内温度的温度传感器、控制单元、存储单元和伺服机构驱动器，所述温度传感器用于探测炒锅的温度，并将温度信息提供给控制单元，控制单元调用存储于存储单元的控制程序，根据温度传感器提供的信息及设定的炒菜模式给伺服机构驱动器提供控制信号，以控制伺服机构带动炒锅对烹饪食材进行翻炒。

10.一种权利要求1-9任一所述炒菜机器人的控制方法，其特征在于，控制单元调用存储于存储单元的控制程序以实现：根据食材选择炒菜模式及炒锅的姿态，根据炒菜模式及炒锅的姿态给伺服机构驱动器的伺服电机及制动器提供控制信号执行如下步骤：

S01:给姿态调整机构的伺服电机及制动器提供控制信号使炒锅置于火源适当位置;

S02: 给径向摆动机构的伺服电机提供控制信号使炒锅关于炒锅的径向摆动，摆动到设置的位置，给径向摆动机构的制动器提供控制信号使炒锅快速停止；和/或给轴向旋转机构的伺服电机提供控制信号使炒锅关于炒锅的轴向旋转，旋转设定角度，给径轴向旋机构的制动器提供控制信号使炒锅快速停止，如此反复；

S03:给姿态调整机构提供控制信号使炒锅改变姿态，而后重复上述过程。