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摘要：现阶段早餐机器人普遍功能单一、各个模块难以完美衔接、自动化及智能化程度低。对此基于慧鱼模型设计制作了早餐机器人，其主要由食物加热模块、气压传动模块、链条蜗杆传动模块等部分组成，实现了牛奶加热、鸡蛋烹饪以及全麦面包煎烤这3个食品加工流程，减少整个早餐的烹饪时长的同时设置了用餐台以及打包外带功能。根据以上设计方案完成了各个模块的结构组装、程序设计运行，并且利用控制器使各个模块独立运行的同时进行相互配合。创新将超声波测距、重力感应等智能程序应用于早餐机器人的功能结构中，从而达到安全、精确及便利地制作早餐的目的。用户只需放置原料和设置启动机器，经过15 min左右的机器自动化运行就可以得到一份美味又健康的早餐。
关键词：机器人智能；高效率；便捷；健康；慧鱼模型
Design of Intelligent Mechanical"Breakfast Butler"System Based on Fischertechnik
Zhao Fulei，Zhang Kun※，Liu Yuhang，Zhu Jiyuan，Zhang Zhihua，Liang Shuqun，Chen Lifang，Shen Wenting
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming,Guangdong 525000,China)
Abstract:At present,breakfast robots generally have a single function,each module is difficult to connect perfectly,and the degree of automation and intelligence is low.Based on the comet model,a breakfast robot was designed and made,which was mainly composed of food heating module,pneumatic transmission module,chain worm transmission module and so on.The three food processing processes of milk heating,egg cooking and whole wheat bread frying and baking were realized,the cooking time of the whole breakfast was reduced,and the dining table and packing and taking out function was set up at the same time.According to the above design scheme,the structure assembly and program design operation of each module were completed,and the controller was used to make each module run independently and cooperate with each other.Innovatively apply intelligent programs such as ultrasonic ranging and gravity induction to the functional structure of breakfast robot,so as to make breakfast safely,accurately and conveniently.Users only needed to place raw materials and set up and start the machine.After about 15 minutes of automatic operation of the machine,they could get a delicious and healthy breakfast.
Key words:intelligence;high efficiency;convenient;healthy;fischertechnik
0引言
早餐对于人们的身体健康十分重要，特别是学生们正处于身体发育的黄金时期，需要摄入各种的营养元素来保证身体全面发育[1]，早餐的营养更是不可或缺。通过对吃早餐的频率和地点、吃早餐注重的方面和不吃早餐的原因、早餐的类型等一系列问题的问卷调查研究，发现随着如今生活节奏的加快，或者是因为家庭对于吃早餐的观念不强[2]，大多数人对待早餐都是持可有可无、随意应付的态度。大多数人认为早餐制作麻烦或是觉得外面早餐店的早餐价格偏贵和卫生程度偏低。因此，对于操作方便、安全卫生、早餐制作效率高的机器人的市场需求急剧增加。
然而，现阶段市场上出现的传统早餐制作机器普遍功能比较单一，只能实现某一个加热功能或是烤制面包功能。用户制作早餐过程还是比较繁琐，费时且费力。因而大多数用户还是不愿意使用传统的机器制作早餐。
为解决以上问题，本文利用慧鱼创意模型设计制作了一款新型早餐机器人。该机器人采用加热棒装置进行食品的加热烹饪，利用气压传动装置和蜗杆链条传动装置实现食品加工过程的位移，创新使用了超声波测距模块和重力传感模块分别设计出了机器烹饪过程中安全距离的提醒装置和精确取用原料的称重装置完成了3个食品加工的一体化自动烹饪过程，包括牛奶加热、鸡蛋烹饪和全麦面包的煎烤，并且设置有用餐台以及打包外带功能。该装置也可以通过时间定时功能，设定的时间完成早餐制作。最后，本文通过设计程序运行机器，确保了机器设计的合理性，能够高效便捷地制作早餐。
1设计方案
通过利用慧鱼创意模型设计出一整套的区块链，包括模型搭建、功能设计、程序设计等实现了早餐机器人的自动化、智能化运作。
1.1烤面包
根据调查发现大多数人们都习惯性地对全麦面包进行烘烤加工，将面包两面煎至暗黄且面包表面附着甜酱，这样子的面包不仅口感丰富并且还能补充糖分。
如图1所示，首先面包图1烤面包设计
会在固定且密封的储存室内暂存，储存室底部有向上的推出结构，将面包送至加工平面，并且推出结构上表面放置压力传感器，当储存室内面包将要用完时，压力传感器会将信号发送给控制中枢，警示灯亮起，提醒用户需要添加原料；紧接着面包被推送至加工平面时，由后方的推进机构将面包送进红外线mini烤箱内，烤箱可以根据人们对于面包口感和外观的要求烤制特定时间，满足不同的人对于面包口感外观的需求[3]。当加热一定时间后，烤箱停止工作，工作台旋转至烤箱前接住第一片加工完成的全麦面包，此时工作台上方的甜酱自动挤落，附着在面包表面，再重复上述步骤，加工出第二片全麦面包，则面包加工工艺完成。
1.2加热牛奶及蒸鸡蛋装置
加热牛奶装置和蒸鸡蛋装置整合为一大功能块。如图2所示，首先用户将冷牛奶和生鸡蛋放入专门的容器中，该容器为中心对称容器，可以放置4种不同的加图2加热牛奶及蒸鸡蛋装置设计图热食材，加热食材位于二层加热平台，且当用户要放入鸡蛋和牛奶加热时，密封顶盖通过链条传动自动打开，当鸡蛋和牛奶放置好时，则会自动关闭，进行加热处理。该装置加热源为水蒸气加热，通过热传导的方式加热二者，在底层设有水槽，水槽内装有电阻加热装置，通过外置电源通电，mini加热棒导通，产生大量热量，使得水最快的达到沸点，水蒸气通过底部通孔进入密闭加热室，进行加热处理。这样子可以使牛奶在短时间内快速加热，比较完好地保留了牛奶的营养[4]。且在加热过程中警示灯亮起，提醒用户请勿靠近，避免被水蒸气灼伤，当装置加热完毕后，警示灯会自动关闭，密闭顶盖会打开，此时左方的蜗杆爬升工作面会下降到指定位置，右端的推出机构会将加热容器推送到工作面上，蜗杆自动爬升至指定高度[5]，加热牛奶和蒸鸡蛋过程完成。
1.3推出装置
该早餐机器人的推出装置总共有4处，如图3所示，3处为电机和齿轮箱配合固定滑轨的推出机构，一处为弹簧气压泵的推出机构。第一处设置在面包储存室的下方，主要负责的是面包的进给以及原料的补充作用；第二处设置在面包加工平面的推出上，主要负责的是将面包推送进烘烤室和酱料挤出处以及工作台面上；第三处是在鸡蛋牛奶加热装置中，负责将加热容器推送到蜗杆爬升平面上；第四处是启动弹簧气泵的推出装置，该装置配有小气缸、气泵、泄气阀以及推板4个部分构成，负责将蜗杆爬升平面上的容器推送至用餐平面上。
1.4超声波测距
图4所示为超声波测距，通过将前方存在的物质的距离反馈给控制器，达到用户用餐时与机器或者用餐平面保持好一定距离的作用效果，超声波测距的作用在于提醒用户当机器人在运转过程中，需要保持一定的距离，避免被相关过程的热气灼伤，若用户靠的过近，安全警示灯会亮起，提醒用户保持距离[6]。
2程序设计
早餐小管家分别由3个程序组成，分别是图5所示等牛奶面包加热联合程序，图6所示为用餐台及升降台联合程序，图7所示为超声波测距程序。3个程序分工运行有条不紊做出热腾腾的早餐。
3工作原理
“早餐小管家”工作原理分为几大模块，分别是烤面包系统模块，加热牛奶和蒸熟鸡蛋模块，以及气压传动模块，链条蜗杆传动模块，超声波测距及附加模块。首先针对于烤面包模块的工作原理，由用户将要烤熟的面包置于烤面包的工作台的表面，使用金属板加热(此处利用可移动按压板模拟)热传导原理，由可移动加热金属板和固定金属板结合构成加热系统，加热面包两面，时间为4~5 min，加热至面包两面略显焦黄由脆度为止，断开电源，停止加热，可移动金属板上升，此时外置可旋转的用餐台，旋转至合适位置，内置推杆将烤熟的面包推至用餐台处，此时完成面包加工环节。
加热牛奶和鸡蛋模块的工作原理，首先特制的双层塔台，底层为纯净水加热区，内置两根220 Vmini加热棒(加热效率高，且升温时长短，可短时间达到水的沸点温度，原理也是热传导)，是纯净水沸腾蒸发成水蒸汽，上升至第二层的牛奶和生鸡蛋预加热区，通过加热附近空气，实现加热效果，且二层塔台为密闭容器，且设置可转动塔台，当用户放置欲加热的牛奶和鸡蛋时，二层塔台自动翻转打开，当用户填充完毕时，自动旋转闭合，开始加热计时，用时大概在10~15 min范围。
针对于气压传动模块，由气泵接通电源，作为动力源提供气体，配合两个弹簧气缸作为推出装置，配合上泄气阀实现推出和复位功能，以及外置换向阀门，控制气体运送途径，既可以作为推出机构动力源，也可作为外置水泵的出水动力源。
链条传动和蜗杆传动模块，链条传动模块利用的是齿轮的二级传动原理，由红色步进电机作为动力源，两个齿轮和链条的配合构成的传动系统控制二层塔台的开闭功能，蜗杆传动模块，利用的是两个限位柱，使得升降平面只做纵向运动，将盛放热牛奶和熟鸡蛋的四方容器运送到一定高度，配合气压传动模块的推出装置，将容器推至用餐台表面。
超声波测距及其他模块，利用的是超声波测距传感器当感应到机器人正处于工作状态时就会将指令传送到控制面板，此时警示灯亮起，提醒用户装置正在运转需要保持适当距离，避免烫伤或者灼伤，内置mini风扇可以达到内部装置机构的余热消散，避免由于大量热量存于导致机构的内应力过大，减少设备仪器的使用寿命，外置mini小风扇位于用户用餐处，可以使得用户在用餐时能暂时降温凉爽作用，还有炼奶瓶，可以用于面包的甜度调试，可以增强用户的用餐体验，还有打包装置可以让用户将早餐打包外带。几大模块之间相互配合完成鸡蛋蒸熟和牛奶加热以及面包烤熟并且运送到用户就餐区的过程。
4应用效果分析
早餐小管家的设计相对于现有的早餐机器人在功能上和结构上都有显著的优势特点，集合表现如下。
(1)功能的多样性。传统的早餐机器人在功能上实现较为单一，只能完成某一个加热功能或者烤熟面包环节，本机器人兼顾了加热功能和烤面包环节，以及能够将早餐运送到特定的就餐位置而且还提供打包外带的装置，给用户带来了极大的便捷，且在功能上多样化。
(2)多模块控制。每一个模块之间既是独立的操作个体同时也相互配合。在功能上相互配合互不干涉，且都有自己特制的机构构成。
(3)气压传动系统中的换向阀和泄气阀以及气泵之间的相互配合，使得弹簧气缸能够往复的推出运动，且结构稳定，配合精度高，推出位置精准。
(4)升降台与双层塔台的配合，由塔台外置的推出机构，将装有热牛奶和熟鸡蛋的容器送至升降平台，此过程最主要的是二层塔台的翻转在时间精确性高。
(5)5个模块之间的由两个TXT控制器完成程序指令控制，控制器将指令传送到各大模块完成相应的工作任务，结构紧凑且完成度高。
(6)整体装置在空间分布功能块与功能块之间位置适当且拥有一定的美感。
“早餐小管家”目前主要适用于快节奏的城市生活人群或者是要求生活方便的人群，早餐小管家应需求而设计，完全符合他们需求，用户只需花1~2 min放置原料，其余交给小管家运行就可以，小管家将原料加工完毕，将用户满意的早餐送至他们面前，无论是在方便性上还是情感体验上都是极好的，而且还有外置的打包装置和炼奶瓶存放区，用户可以根据自身需求而加炼奶或者打包在路上吃，不仅省时间而且在资金上也会帮助用户节约，是真正意义上的物美价廉。而且这个机器人有扩展性的潜力，可以扩展一些个性化的服务和功能，并建立早餐的数据库，契合现在工业4.0对于时代智能机器人的要求[7]，可以根据人群的喜好和需求制作不同的个性化营养早餐。
5结束语
本文所设计的机器人运用慧鱼创意模型整个区块链包括模型搭建、功能设计、程序设计等实现了早餐机器人的自动化、智能化运作。使用超声波测距仪和重力感应器，进行安全化和精确化制作早餐。该机器人还可以进行个性化和定制化的改进和完善，契合市场的各种需求，完成各式各样的食物制作操作。本文调研了市场的需求和习惯，发现市场没有这方面比较好的产品，且人们的需求热烈，而早餐机器人的领域比较空白，而且利润庞大和毛利率高[8]，未来的发展前景巨大。
参考文献：
[1]龚艳红.我国高校学生营养健康与科学饮食[J].食品安全导刊,2019(15):73.
[2]梁洁玉,朱丹实,冯叙桥,等.早餐的食用现状及早餐食品的发展趋势[J].中国食物与营养,2014,20(2):59-64.
[3]Evan Ackerman.烹饪机器人可制做完美的煎蛋卷[J].家电科技,2020(4):13-14.
[4]刘思彤.怎样制作食物更营养?[J].抗癌之窗,2012(8):54-55.
[5]邢斌,吴庆梅,宋原,等.一种自动烹饪机器人的设计与实现[J].机电产品开发与创新,2016,29(1):76-77.
[6]郭林,杨立君,王城,等.关于超声波测距报警系统的教学课题设计[J].电气电子教学学报,2021,43(6):112-115.
[7]杨铭铎,张宇晴.基于工业4.0时代的烹饪加工发展的思考[J].武汉商学院学报,2019,33(4):88-92.
[8]Research And Markets.com Adds Report:On-the-go Breakfast Products Global Market[Z].Food and Beverage Close-Up,2021.
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