智能炒菜機顛鍋機構(gòu)研究

廖義德，祝 俊，鄒軍軍，危 則，余龍兵

（武漢工程大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205）

烹飪是中國現(xiàn)代家庭中不可缺少的一項勞動，隨著生活節(jié)奏的加快，工作壓力越來越大，人們沒有更多的時間去準備中、晚餐，因此要求烹飪自動化代替?zhèn)鹘y(tǒng)模式的呼聲越來越高[1-2].目前出現(xiàn)的炒菜機還沒有達到完全智能炒菜效果，一臺真正意義上的智能炒菜機應(yīng)該具備以下功能：送料、加調(diào)味料、調(diào)節(jié)大小火、菜肴烹飪過程、蓋鍋蓋、倒菜、洗鍋；有些菜肴還需要過油，即把菜倒出來濾掉油然后再加入菜肴的動作[3-4].智能炒菜機在炒菜過程中，能否炒出可口的菜肴很大程度取決于鍋具動作機構(gòu).當前大多數(shù)炒菜機的鍋具動作機構(gòu)采用炒菜鍋和攪拌葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動不同角度的方式，來達到均勻加熱和翻炒菜的效果[5].但這種方式不能夠炒魚片和豆腐等易碎的食物，均勻加熱和翻炒的效果也不是最好.為此提出一種顛鍋機構(gòu)，該機構(gòu)能夠翻炒各種類型的食物，由于把菜肴顛翻起來，菜肴能夠充分和空氣接觸，保證了菜肴的均勻受熱和鮮亮的菜色，并對其進行了相應(yīng)的實驗驗證.

圖1 巔鍋機構(gòu)示意圖

1 炒菜機巔鍋機構(gòu)的設(shè)計

1.1 巔鍋機構(gòu)的軌跡設(shè)計

巔鍋機構(gòu)是智能炒菜機的核心機構(gòu)，應(yīng)該具備以下兩個功能：首先，讓菜肴在鍋里均勻受熱；其次，能夠把菜肴翻轉(zhuǎn)過來.要讓炒菜機炒出菜肴的味道不亞于人工炒的，鍋具的運動軌跡必須和廚師巔鍋的軌跡相似[6].在該炒菜機中，鍋具的巔鍋動作由曲柄搖桿機構(gòu)來完成.

在巔鍋機構(gòu)中（如圖1所示），包括曲柄AB、連桿BC、搖桿CD、鍋具等.為了保證機構(gòu)為曲柄搖桿機構(gòu)，四桿AB、BC、CD、DA的長度應(yīng)該滿足一定的條件，即：最短桿長度加上最長桿長度小于或等于其余兩桿長度之和.其中鍋具是固定在連桿BC上的E點，電機與曲柄AB連接提供旋轉(zhuǎn)動力，搖桿CD支撐著鍋具等結(jié)構(gòu).

曲柄作360°等角速度轉(zhuǎn)動時，曲柄搖桿機構(gòu)和鍋具都有著自己的運動軌跡（如圖2所示）.在各個運動軌跡中，鍋底中心處的運動軌跡決定著巔鍋過程中是否能夠把菜肴顛翻起來.通過二維繪圖軟件繪制出曲柄每轉(zhuǎn)動45°時，各桿和鍋具所處的位置.在軌跡圖中標出鍋具底部中心處在8種狀態(tài)所處的位置，并依次編號1、2、……、8，連接該8點所得的軌跡就是鍋具在顛動過程的軌跡.

圖2 巔鍋機構(gòu)運動軌跡圖

1.2 巔鍋機構(gòu)的運動分析

在該巔鍋機構(gòu)中，對鍋具的運動性能分析，需計算其速度、加速度、角速度和角加速度[7].鍋具由桿EF固定在桿BC上.鍋具運動的速度和加速度，取鍋具上F點來分析；鍋具運動的角速度和角加速度，則需要對桿BC或桿BF進行分析（如圖3所示）.

圖3 巔鍋機構(gòu)運動分析圖

巔鍋機構(gòu)中，曲柄AB由電機驅(qū)動，已知其角速度為w1，曲柄AB的長度為lAB，B點速度 vB的方向與AB垂直，其大小為：

B點的加速度aB只有法向加速度anB，其大小為：

鍋具上的F點對B點的相對法向加速度anFB大小為：

和鍋具連接的F點的速度vF和加速度aF的矢量方程分別為：

將式（1）、（2）、（3）分別代入式（4）、（5），經(jīng)過整理得到鍋具上F點的速度 vF和加速度 aF的矢量方程：

式中，F(xiàn)點相對B點的速度vFB大小可以作速度多邊形求解，而F點對B點的相對切向向加速度atFB大小作加速度多邊形可以求解.

由于鍋具中桿EF和桿BC可作為一個整體來看待，因此鍋具的角速度w2和角加速度a2即為桿BC或桿BF的角速度和角加速度，可以取鍋具上的F點來求得，其大小為：

2 炒菜機巔鍋機構(gòu)的運動仿真

完成巔鍋動作的曲柄搖桿機構(gòu)，其中曲柄、連桿、搖桿任何一個長度的改變，就會影響巔鍋的軌跡.如果每改變一個長度來確定巔鍋的軌跡，則會帶來很大的工作量，并且還不能保證巔鍋的效果最好.通過Visual Basic軟件，我們能夠清晰地仿真出不同參數(shù)時巔鍋運動的軌跡，減少了工作量并節(jié)省了產(chǎn)品開發(fā)的成本.

在Visual Basic軟件的界面上，設(shè)計出曲柄連桿、搖桿、曲柄角速度的文本標簽和命令按鈕，分別定義各個標簽和按鈕的屬性.在程序里，根據(jù)曲柄搖桿機構(gòu)各桿長度和曲柄角速度的變化，編寫成相應(yīng)的執(zhí)行語句，即可實現(xiàn)巔鍋運動的仿真.在仿真界面上，我們可以清楚地看到運動時鍋具和桿的運動軌跡（見圖4）.

通過對鍋具運動軌跡的比較，選擇出和廚師巔鍋軌跡近似的那組參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)做成巔鍋機構(gòu)的實物進行實驗驗證.

圖4 巔鍋機構(gòu)的運動仿真圖

3 實驗

3.1 實驗?zāi)康募霸O(shè)備

為了驗證該方法的正確性，專門設(shè)計了巔鍋機構(gòu)來進行實驗.巔鍋機構(gòu)（如圖5所示）主要由電機、曲柄搖桿機構(gòu)、鍋具、機架等部分組成.

3.2 實驗內(nèi)容

通過改變變頻器的頻率，使得電機提供給曲柄不同的轉(zhuǎn)速.本實驗所用電機為三相異步電機，工作電壓為380 V，轉(zhuǎn)速為1440 r/min.根據(jù)巔鍋機構(gòu)運動仿真的數(shù)據(jù)，該巔鍋機構(gòu)實物（如圖6所示）的曲柄長度lAB=50 mm，連桿長度lBC=240 mm，搖桿長度 lCD=150 mm，桿BF長度 lBF=400 mm.根據(jù)式（6）～（9）計算出巔鍋運動時vF、aF、w2、a2的值，變頻器選取5個不同的頻率來做巔鍋對比實驗，記錄巔鍋時翻菜的效果.實驗結(jié)果如表1所示.

3.3 結(jié)果分析

由表1可知，巔鍋機構(gòu)各桿長度一定的前提下，隨著變頻器頻率的變大，巔鍋動作的速度越來越快，幅度也越來越大.變頻器頻率為55 Hz時，菜肴正好被翻起；頻率為45 Hz時，菜肴正好不被翻起；頻率為65 Hz時，菜肴基本上被慢慢顛翻到鍋具外面.變頻器頻率為50 Hz、60 Hz時，則是翻菜效果的過渡點.造成這一現(xiàn)象的主要原因是：巔鍋軌跡不變的前提下，巔鍋速度越快，鍋具中菜肴受力越大.

圖5 巔鍋機構(gòu)的設(shè)計圖

圖6 巔鍋機構(gòu)實物圖

表1 實驗結(jié)果

4 結(jié)語

智能炒菜機巔鍋機構(gòu)成功解決了菜肴受熱不勻和菜肴攪爛的問題，并且能夠保證炒出菜肴的品質(zhì).

通過巔鍋運動仿真的方法，快速準確地找到巔鍋運動的軌跡，提高了產(chǎn)品設(shè)計效率，并降低了成本.實驗證明，本文設(shè)計的巔鍋機構(gòu)完全滿足使用要求.為此類機構(gòu)的設(shè)計提供了有價值的理論方法.

[1]Weixin Yan,Enguang Guan,Wentao Ma,et al.Automatic cooking robot with a novel feeding system[C]//ICIRA 2010,Part I,LNAI 6424.Berlin Heiderg GER:Springer-Verlag,2010:519-529.

[2]唐建華，周曉燕，劉小勇.中國菜肴自動烹飪機器人的研究現(xiàn)狀與展望[J].揚州大學(xué)烹飪學(xué)報，2007（2）：24-26。

[3]Yuan Chen,Zongquan Deng.Bing Li.Numerical simulations of motion behaviors of pan mechanism in a cooking robowith granular cuisine[J].Joumal of Mechanical Science and Technology,2011,25(3):83-88.

[4]劉軍.論中國的“烹飪”文化[J].成都理工大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2003，15（3）：19-24.

[5]趙興，閆維新，趙言正，等.基于DSP和CPLD的自動烹飪機器人設(shè)計[J].機器人，2007，29（5）：469-470.

[6]周曉燕，唐建華，趙言正，等.自動烹飪機器人鍋具運動機構(gòu)的設(shè)計原理[J].食品科學(xué)，2007，28（3）：373-374.

[7]陳賽克，凌軒.基于Solidworks齒輪連桿機構(gòu)的運動仿真[J].食品與機械，2012，28（6）：177-179.