智能分餐機(jī)的設(shè)計(jì)

馬新玲，張子軒，孫矢初，洪昌琪，酈瀅澄

（華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237）

0 引言

新冠疫情的爆發(fā)，公眾對(duì)就餐過(guò)程中衛(wèi)生、安全和健康等多個(gè)方面提出了更高的要求[1]。傳統(tǒng)的“共餐制”增大了人與人之間體液的接觸概率，易使細(xì)菌病毒傳播，引發(fā)一系列疾病。相比于“共餐制”，“分餐制”可以有效減少細(xì)菌傳播和食物浪費(fèi)[2]。目前市面上尚無(wú)自動(dòng)分餐的裝置，用餐時(shí)人手動(dòng)夾取所需菜品[3]。亟待一款能高效自動(dòng)實(shí)現(xiàn)菜品分配的裝置，解決分餐帶來(lái)的不便，更進(jìn)一步推廣利用公筷公勺“分餐制”。

本文針對(duì)上述情況設(shè)計(jì)制作一款高效便捷、自動(dòng)智能和交互人性的分餐機(jī)，幫助用戶(hù)在就餐過(guò)程中自動(dòng)分餐，避免繁瑣人力勞動(dòng)，阻斷細(xì)菌病毒傳播。

1 總體方案設(shè)計(jì)

分餐機(jī)如圖1所示。使用時(shí)，用戶(hù)通過(guò)顯示屏選擇自己想要的菜品，并發(fā)出分餐指令。分餐機(jī)接收到用戶(hù)的指令后，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使餐盤(pán)托盤(pán)將用戶(hù)選擇的餐盤(pán)運(yùn)送到用戶(hù)面前。隨后，攝像頭拍攝餐盤(pán)的圖像，并傳輸?shù)絉aspberryPi對(duì)其進(jìn)行圖像識(shí)別，確定用戶(hù)選擇的是菜還是湯，如果是菜，則定位食材在餐盤(pán)中的具體位置，再使用機(jī)械臂和公筷機(jī)構(gòu)對(duì)菜品進(jìn)行夾取，將其放置于用戶(hù)餐盤(pán)中；如果是湯，則機(jī)械臂和公勺機(jī)構(gòu)直接執(zhí)行勺湯動(dòng)作，將湯傾倒于用戶(hù)碗中[4]。分餐完成之后，機(jī)械臂依次將公筷機(jī)構(gòu)和公勺機(jī)構(gòu)置于清潔器皿中，微型水泵開(kāi)啟，將儲(chǔ)水槽中的洗滌液高速?lài)娚涞焦隀C(jī)構(gòu)和公勺機(jī)構(gòu)表面。由清潔器皿的機(jī)構(gòu)對(duì)洗滌液進(jìn)行收集，保證洗滌液被控制在器皿內(nèi)，完成清潔。

圖1 分餐機(jī)總裝配圖Fig.1 Total assembly diagram of meal separating machine

2 各模塊的設(shè)計(jì)

分餐機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)分為3個(gè)模塊：分餐模塊、餐盤(pán)運(yùn)輸模塊和消毒清潔模塊。

2.1 分餐模塊的設(shè)計(jì)

分餐模塊主要包括公筷機(jī)構(gòu)、公勺機(jī)構(gòu)和機(jī)械臂，如圖2所示。模塊呈Y形，下端與底座相連，上端分別為公筷機(jī)構(gòu)與公勺機(jī)構(gòu)。機(jī)械臂由鏤空氧化鋁支架組成，板材厚度為2 mm，并安裝有LDX-335MG型數(shù)字舵機(jī)、LDX-218型數(shù)字舵機(jī)和LFD-06型防堵轉(zhuǎn)舵機(jī)。

圖2 分餐模塊裝配圖Fig.2 Assembly diagram of meal separating module

公筷機(jī)構(gòu)由仿生柔性爪、不完全嚙合齒輪、LDX-335MG舵機(jī)、連桿與舵機(jī)支架組成。其中，仿生柔性爪爪齒由TPU材料通過(guò)3D打印制成，爪齒長(zhǎng)20 mm，爪齒壁厚0.8 mm。當(dāng)爪齒受到載荷時(shí)，爪齒的根部和尖端向載荷的施加方向發(fā)生彎曲變形，以貼近物體的表面，這被稱(chēng)為“鰭條效應(yīng)”[5]。因此，仿生柔性爪可以根據(jù)被夾持物品的形狀被動(dòng)形變，保障夾持力足夠的同時(shí)確保不會(huì)損傷被夾持物體的表面[6]。

公勺機(jī)構(gòu)末端有尖角開(kāi)槽，防止湯汁傾倒過(guò)程中沿公勺外壁回流。

2.2 餐盤(pán)運(yùn)輸模塊的設(shè)計(jì)

餐盤(pán)運(yùn)輸模塊包括導(dǎo)軌、餐盤(pán)托盤(pán)、牛眼輪、步進(jìn)電機(jī)與行星齒輪，如圖3所示。餐盤(pán)托盤(pán)用于承載餐盤(pán)，其底面等間距安裝6個(gè)牛眼輪，牛眼輪與導(dǎo)軌相切，行星齒輪的太陽(yáng)輪安裝在餐盤(pán)托盤(pán)的底部，而行星輪與步進(jìn)電機(jī)相連，安裝在分餐模塊底座的下方。工作時(shí)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)行星齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，行星齒輪帶動(dòng)餐盤(pán)托盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)軌和牛眼輪則起引導(dǎo)定位的作用。

圖3 餐盤(pán)運(yùn)輸模塊裝配圖Fig.3 Assembly diagram of tray transport module

2.3 消毒清潔模塊的設(shè)計(jì)

消毒清潔模塊包括儲(chǔ)水槽支架、儲(chǔ)水槽、水泵支架、微型水泵、噴嘴和清潔器皿等，如圖4所示。清潔器皿呈缽盂狀，開(kāi)口處收攏，防止洗滌液高速?zèng)_刷公筷公勺時(shí)液體飛濺[7]。清潔完成后，打開(kāi)清潔器皿底部的閥門(mén)，將液體排入廢水回收裝置進(jìn)行處理。

圖4 消毒清潔模塊總裝配圖Fig.4 General assembly diagram of disinfection and cleaning module

微型水泵和儲(chǔ)水槽相連，由支架固定于底座上。水泵采用柱塞泵，流量為220 mL/min，額定電壓為3.7 V，壓強(qiáng)為1.0 MPa。

3 受力分析與參數(shù)計(jì)算

分餐模塊是主要受載部件，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。

3.1 靜力學(xué)分析

靜力學(xué)分析分為整機(jī)靜力學(xué)分析和局部靜力學(xué)分析[8]。整機(jī)靜力學(xué)分析主要通過(guò)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端施加載荷，模擬在工作狀態(tài)下整機(jī)及關(guān)鍵零部件的受力情況。局部靜力學(xué)分析通過(guò)從特定工況下受力分析中提取相應(yīng)零件的結(jié)果數(shù)據(jù)，對(duì)特定關(guān)鍵零件進(jìn)行受力分析。

整機(jī)靜力學(xué)分析：在SolidWorks中完成整機(jī)建模后，將Parasolid格式文件導(dǎo)入Ansys Workbench中。

材料設(shè)置：板材設(shè)為鋁合金，舵機(jī)外殼設(shè)為PLA材料，螺母螺栓設(shè)為結(jié)構(gòu)鋼。具體材料特性如表1所示[9]。

表1 材料特性表Tab.1 Table of material properties

網(wǎng)格劃分：?jiǎn)卧叽缭O(shè)為4 mm，應(yīng)用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法，保證精度的同時(shí)，加快計(jì)算速度[10-11]。最終整機(jī)被劃分為75 516個(gè)單元，171 227個(gè)節(jié)點(diǎn)。整機(jī)網(wǎng)格質(zhì)量較為均衡，僅在公勺機(jī)構(gòu)底面四周有局部網(wǎng)格質(zhì)量較差情況，因其不參與力的傳遞，所以忽略其所帶來(lái)的影響。

工況設(shè)置：主要受載部件是公勺機(jī)構(gòu)和公筷機(jī)構(gòu)的爪齒部分。因公勺機(jī)構(gòu)在滿載情況下的質(zhì)量相對(duì)于整機(jī)質(zhì)量非常小，所以在整機(jī)靜力學(xué)分析中僅考慮公筷機(jī)構(gòu)夾持重物的質(zhì)量。

邊界條件設(shè)定：將運(yùn)行過(guò)程中公筷機(jī)構(gòu)所持重物質(zhì)量設(shè)為1 kg，以底部作為固定位置。

形變?nèi)鐖D5所示，最大形變出現(xiàn)在公勺機(jī)構(gòu)處，約為1.4 mm，在可接受范圍內(nèi)。現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下，公筷機(jī)構(gòu)夾取食物的質(zhì)量遠(yuǎn)小于1 kg，所以整機(jī)的形變不會(huì)造成明顯影響。

圖5 分餐模塊形變?cè)茍DFig.5 Deformation nephogram of the meal separating module

應(yīng)力分布如圖6所示，整機(jī)應(yīng)力分布較為均勻。但在公筷機(jī)構(gòu)不完全齒輪嚙合點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)力集中，其原因可能是末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的載荷導(dǎo)致齒輪嚙合點(diǎn)出現(xiàn)彎矩，從而齒頂出現(xiàn)除嚙合力以外的壓應(yīng)力。更換齒輪材料可以解決該問(wèn)題。

圖6 分餐模塊整機(jī)應(yīng)力云圖Fig.6 Overall stress nephogram of the meal separating machine

通過(guò)對(duì)形變與應(yīng)力的分析可知，形變不會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生明顯的影響，且整機(jī)應(yīng)力分布合理，不會(huì)發(fā)生承力部件突然斷裂。

局部靜力學(xué)分析：在整機(jī)的上半部分中，因?yàn)楣隀C(jī)構(gòu)與公勺機(jī)構(gòu)的載荷不均衡，易導(dǎo)致V形板在尺寸變化處斷裂，所以對(duì)此進(jìn)行局部靜力學(xué)分析。

由圖7可見(jiàn)，位移分布較為均勻，并未因負(fù)載的不均衡出現(xiàn)有偏向性的位移。

圖7 V形板變形云圖Fig.7 Deformation nephogram of V-shaped plates

由圖8可見(jiàn)，V形板最大應(yīng)力僅為7.6 MPa，應(yīng)力較大的部位為V形板側(cè)面與底面轉(zhuǎn)角處和V形板側(cè)面的直角處，與公筷機(jī)構(gòu)、公勺機(jī)構(gòu)的連接處并未出現(xiàn)應(yīng)力集中。

圖8 V形板應(yīng)力云圖Fig.8 Stress nephogram of V-shaped plates

綜上靜力學(xué)分析所述，分餐模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

3.2 動(dòng)力學(xué)分析

動(dòng)力學(xué)分析包括模態(tài)分析與諧響應(yīng)分析。從理論上說(shuō)，模態(tài)分析存在無(wú)限種振型，但因?yàn)閷?shí)際情況中，前10階振型占有主要比例，因此對(duì)于1～10 階模態(tài)進(jìn)行提取[12]。

1～3階振型皆表現(xiàn)為整機(jī)移動(dòng)；4階振型表現(xiàn)為繞著整機(jī)中點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)；5階振型表現(xiàn)為整機(jī)上半段繞中點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)；6階振型表現(xiàn)為公勺機(jī)構(gòu)偏移，而其他部位均未見(jiàn)明顯偏移；7階振型表現(xiàn)為公筷機(jī)構(gòu)偏移；8階振型表現(xiàn)為以公筷機(jī)構(gòu)末端舵機(jī)處為中心點(diǎn)發(fā)生扭轉(zhuǎn)形變；9階振型表現(xiàn)為下端支撐件的脫離；10階振型表現(xiàn)為公筷機(jī)構(gòu)的彎曲。此外，各階固有頻率與最大位移如表2所示。

表2 各階固有頻率與最大位移Tab.2 Natural frequency and maximum displacement of each order

共振的影響相當(dāng)大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)令機(jī)器無(wú)法正常運(yùn)行。通過(guò)諧響應(yīng)分析，找出工作情況下易誘發(fā)共振的激振源[13]。關(guān)于公筷機(jī)構(gòu)和公勺機(jī)構(gòu)的諧響應(yīng)分析結(jié)果如圖9所示。公筷機(jī)構(gòu)的諧響應(yīng)分析結(jié)果如圖9（a）所示，公筷機(jī)構(gòu)前3階的振型頻率皆接近0，呈現(xiàn)為自由態(tài)，在諧響應(yīng)分析中往往忽略其影響。頻率接近41.984 Hz，即6階振型時(shí)響應(yīng)最劇烈。公勺機(jī)構(gòu)的諧響應(yīng)分析結(jié)果如圖9（b）所示，同樣為6階振型時(shí)響應(yīng)最劇烈。

圖9 公筷機(jī)構(gòu)與公勺機(jī)構(gòu)的諧響應(yīng)分析Fig.9 Harmonic response analysis of chopsticks mechanism and spoon mechanism

綜上動(dòng)力學(xué)分析所述，分餐模塊的整機(jī)結(jié)構(gòu)中，僅底部支撐件與中部舵機(jī)連接處受共振影響較大，其余部位不會(huì)因共振發(fā)生聯(lián)接脫離。工作時(shí)需要避免環(huán)境中41.984 Hz的激振源，以保證穩(wěn)定運(yùn)行。

4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)的組成

控制系統(tǒng)包括RaspberryPi、Arduino Mega 2560和TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其中RaspberryPi作為上位機(jī)，安裝Raspbian系統(tǒng)，并配置有Python開(kāi)發(fā)環(huán)境和OpenCV，負(fù)責(zé)圖像識(shí)別和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。Arduino Mega 2560作為下位機(jī)，與舵機(jī)和TB 6600連接，負(fù)責(zé)控制電機(jī)和舵機(jī)。RaspberryPi和Arduino通過(guò)USB接口串口通訊。攝像頭型號(hào)為L(zhǎng)RCP7720，像素30萬(wàn)，分辨率720P。攝像頭水平放置，垂直高度500 mm，對(duì)焦于餐盤(pán)正中央，以減少圖片畸變和定位誤差。

4.2 信號(hào)傳遞流程

控制系統(tǒng)信號(hào)傳遞分為5個(gè)階段：圖片取樣階段、預(yù)處理階段、識(shí)別定位階段、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析階段和電機(jī)控制階段。其流程如圖10所示。

圖10 信號(hào)傳遞流程Fig.10 The transmission flow of signals

在圖片取樣階段，接收到用戶(hù)的指令并確定所需菜品后，通過(guò)Dijkstra算法求解出盛該菜品的餐盤(pán)到達(dá)攝像頭下方的最短路徑[14]，Dijkstra算法通過(guò)廣度優(yōu)先搜索的方法解決帶權(quán)圖的單源最短路徑問(wèn)題，在分餐機(jī)中即具有6個(gè)節(jié)點(diǎn)，相鄰節(jié)點(diǎn)之間相互連接的環(huán)狀帶權(quán)圖。其中每條路徑權(quán)值為1，每次調(diào)度時(shí)通過(guò)求解目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到達(dá)機(jī)械臂夾持節(jié)點(diǎn)的最短路徑即可確定1個(gè)旋轉(zhuǎn)的方向，從而得到具有最小步數(shù)的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

RaspberryPi通過(guò)USB串口將求解數(shù)據(jù)發(fā)送給Arduino Mega 2560控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使餐盤(pán)到達(dá)攝像頭正下方。此時(shí)Arduino Mega 2560控制打開(kāi)攝像頭，對(duì)餐盤(pán)圖像進(jìn)行取樣，并將幀圖像發(fā)送給RaspberryPi，進(jìn)入后續(xù)圖像處理階段。

在預(yù)處理階段，將圖像從RGB圖像形式轉(zhuǎn)換為灰度圖形式，采取非線性的平滑技術(shù)，利用中值濾波算子的卷積核對(duì)圖像進(jìn)行卷積運(yùn)算，提高圖像銳化程度，突出圖像中的邊緣信息，減少非邊緣信息在圖像中的權(quán)重[15]，中值濾波算式如下：

在識(shí)別定位階段，首先將圖像進(jìn)行二值化處理并進(jìn)行灰度反轉(zhuǎn)，超過(guò)閾值的圖像灰度區(qū)域在閾值圖像中顯示為白色，其余部分為黑色，分別對(duì)應(yīng)灰度為0和灰度255；其次利用Laplacian算子對(duì)濾波后的圖像進(jìn)行邊緣的增強(qiáng)和提取，二維笛卡爾坐標(biāo)系下Laplacian算子如下：

最終進(jìn)行圖像邊緣的定位，以最貼近矩形的形式進(jìn)行每一幀圖像的實(shí)時(shí)匹配，建立矩形中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)[16]，如圖11所示。

圖11 視覺(jué)識(shí)別圖像Fig.11 Image of visual recognition

在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析階段，首先建立以機(jī)械臂為坐標(biāo)原點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)系，確定出取像區(qū)域的坐標(biāo)范圍，根據(jù)物塊位置坐標(biāo)計(jì)算偏移量后，轉(zhuǎn)換得到現(xiàn)實(shí)世界笛卡爾坐標(biāo)系下的實(shí)際坐標(biāo)[17]；再利用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算出機(jī)械臂末端到達(dá)目標(biāo)三維坐標(biāo)所需的各關(guān)節(jié)形態(tài)，得到其實(shí)際所需舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算后得到舵機(jī)控制的實(shí)際參數(shù)[18]。

在電機(jī)控制階段，RaspberryPi將各個(gè)舵機(jī)所需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度按照順序生成1個(gè)字符串，并通過(guò)USB串口發(fā)送給Arduino Mega 2560，由Arduino Mega 2560控制各個(gè)舵機(jī)依次轉(zhuǎn)動(dòng)指定角度完成分餐[19]。

5 結(jié)語(yǔ)

如圖12所示，本文設(shè)計(jì)的分餐機(jī)，利用RaspberryPi和Arduino Mega 2560搭建控制系統(tǒng)，配合分餐模塊、餐盤(pán)運(yùn)輸模塊和消毒清潔模塊等機(jī)械結(jié)構(gòu)，使分餐過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，樣機(jī)識(shí)別準(zhǔn)確，運(yùn)行穩(wěn)定，可以有效阻斷細(xì)菌病毒傳播、減少人力勞動(dòng)、提升就餐趣味性。未來(lái)，為使樣機(jī)推向市場(chǎng)，需做更進(jìn)一步用戶(hù)友好、適宜居家使用的外觀設(shè)計(jì)，使用戶(hù)更易于接受分餐機(jī)及分餐制。