咖啡拉花機＊

霍夢真，王章陶

（北京航空航天大學，北京 100083）

咖啡拉花機＊

霍夢真，王章陶

（北京航空航天大學，北京 100083）

咖啡作為世界三大飲品之一，被世人稱為最美味的植物飲料，留香在齒，讓舌頭的觸味達到極點。但是由于咖啡拉花細致優雅，難度很高，一直以來，國內外眾多公司企業都致力研究開發一款能拉花的機器。因此，設計了一款咖啡拉花機，可通過伺服控制、圖像處理、藍牙通信等原理實現人機互動功能，即用戶在手機Android APP中上傳一張圖片，經處理后點擊發送給咖啡拉花機，機器接收信號后便在咖啡奶泡上繪制出用戶所選擇的圖案，短短十幾秒鐘就可以DIY一杯屬于自己的獨一無二的拉花咖啡，開啟一天的美好時光。

咖啡；拉花機；自動控制；人機互動

經調查，近年來咖啡消費群體逐漸成長壯大，咖啡飲品既實用又能烘托出優雅淡然的生活情調，無論是休閑場所，還是正式會談，都不失為一種彰顯品位的飲品。對于關注生活質量的現代人而言，更是日常生活工作中不可或缺的提神利器。目前，只有國外少數公司開發了咖啡拉花機，比如美國的“Onlatte”公司就設計出了類似辦公用的桌面打印機技術的“Coffee Printer”，通過與電腦鏈接后可以用它打印出文字和非常精致的圖案；以色列初創公司Steam CC推出了一款名為“波紋制造者（Ripple Maker）的咖啡拉花機，這臺機器結合3D打印及噴墨技術，用戶通過配套的 iOS/Android APP從Ripples在線圖書館選擇自己想要的各種拉花形狀，然而，機器價格高達999美元，僅適用于一些向客戶提供咖啡的商業公司，且還要定期收取專利費用，很難打開我國的市場。受到目前咖啡拉花機成果的啟發，我們決定研發出一臺能夠改變打印材料需要為可食用油墨或咖啡萃取物等特殊材料、拉花缺乏立體感等問題，且能夠實現同樣拉花功能的咖啡拉花機。我們改進后的產品使用的原料是純正咖啡，原料廉價易得，立體效果好，同時，還能夠克服當前產品體積大、費用高等缺陷，使其既能滿足咖啡館等場合的需要，又能推廣到家庭或個人使用。

1 基本框架

1.1 硬件架構

硬件主要采用atmel公司的16位單片機進行伺服控制，對于普通的伺服控制，該類單片機性能足夠，且廉價易得。單片機使用串口接收電腦指令，解算后轉化為x，y，z軸和步進電機蠕動泵的控制脈沖信號輸出，以此實現伺服控制。

1.2 軟件架構

軟件主要采用自主開發圖像處理軟件以及伺服程序，電腦端圖像處理軟件負責圖像處理，并且使用軌跡提取算法獲得圖像中的線條的軌跡信息，并轉化為單字節編碼儲存。為了與現有的G-code兼容，通過代碼轉換程序把軌跡代碼轉換成標準G代碼，方便后期的批量生產。

2 核心技術

2.1 圖像提取

通過二值化、邊緣提取、形態學膨脹、去噪點等處理方法進行圖像提取。

2.2 軌跡提取

軌跡提取代碼使用自適應曲率尋跡算法。針對用戶圖像雜亂噪點較多的情況，設計了細化處理和去噪算法。

對原始圖像進行二值化處理：進行細化處理，細化處理會自動填充線條中的微小空隙，使其更加平滑；邊緣提取得到線條的信息；軌跡提取算法，如圖1所示。

圖1 軌跡提取

軌跡提取算法屬于循跡類算法，當找到第一個軌跡上的點之后算法將搜索其周邊一定范圍內的點，然后迭代執行搜索下去；遇到分支時，通過計算分支的方向角和前一次的方向角來判斷分支方向，進而選擇最大輪廓進行搜索；在遇到斷點時，算法會自動擴大搜索范圍。這樣的好處在于，對于曲率較小的軌跡可以使用較大的搜索范圍，以減少取樣點個數，對于曲率較大的部分能夠自動增加采樣點來進行跟蹤，實現了自適應曲率軌跡提取。

路徑模擬程序能夠讀取軌跡信息編碼，然后將其復現出來，用戶之間可以方便地交流這些軌跡文件。

2.3 伺服控制

步進電機實現方面，選用工業使用的標準42步進電機，使用單片機系統控制步進電動機。

2.4 物料控制

為了實現精確地控制打印線條的粗細，我們使用了步進電機蠕動泵。它具有很高的響應頻率和精密程度，使得我們打印控制更加方便、可靠。

2.5 人機互動（Android APP）

手機APP可實現打開圖庫選擇照片、拍照、畫圖、自定義提取圖片輪廓的閾值、內置基本拉花圖案、藍牙連接拉花機器、1910社區交流、拉花圖案共享、一鍵拍照分享、意見反饋等功能。

2.5.1 圖像獲取

用戶通過拍照或圖庫提取圖片，進行選擇。

2.5.2 圖像處理

用戶對圖像進行截取，然后通過一鍵處理將圖像二值化；通過輪廓提取算法得出照片中物體的輪廓，并顯示到屏幕上；預處理；輪廓分段處理，即通過遍歷查找輪廓起點判斷下一個點的位置，依次進行輪廓點的尋找，并將點的位置信息轉化為針頭的移動指令，通過藍牙發送到拉花機。

2.5.3 畫圖模塊

用戶可通過畫板畫出輪廓，通過上述處理后，同樣發到拉花機進行打印。

3 前景方向

目前，美國的“Onlatte”公司設計出的類似辦公用的桌面打印機技術的“Coffee Printer”和以色列初創公司Steam CC推出的名為“波紋制造者（Ripple Maker）的咖啡拉花機都是以3D打印技術和噴墨技術為核心，是將已有的技術融合在一起，并沒有較大的創新，且為了適應這種技術必須要特制拉花材料——咖啡萃取物。國內申請專利的咖啡拉花機使用的是噴墨打印技術，拉花的耗材也不是咖啡而是可食用油墨。這兩款產品因為使用的拉花材質并非是傳統的咖啡拉花材料，制作出來的咖啡口感并不好，且由于專利等限制，產品體積大、價格高。

在技術方面，本文的設計摒棄了目前所采用的噴墨打印技術，結合十字滑臺定位技術，通過類似于咖啡拉花針的結構在奶泡上勾勒出拉花圖案。與噴墨技術不同，我們的設計打印出來的圖案更加貼近于人工拉花，更具有拉花的美感，而非機械復制將粉末噴灑在奶泡上；我們選用的拉花原料為純正咖啡，而非咖啡萃取物或其他可食用色素，不僅在口感、口味上更舒服，且消除了食品安全隱患；本產品也采用手機APP來實現與機器的對接，但增添了圖片處理提取過程，即機器提取圖片輪廓進行勾勒，縮短了制作一杯咖啡拉花所需要的時間，效率更高，實用性更好。

總體而言，本款咖啡機的設計既能滿足咖啡館等場合的需要，又能推廣到家庭或個人使用，在當今市場上有更大的需求量，也具有更大的實際價值。

［1］王宗培.步進電動機的發展及建議［J］.微電機，2004（04）.

［2］王宗培，趙書韜，任雷，等.混合式步進電機的研究（一）［J］.電工技術雜志，1998（03）.

［3］張家生.電機原理與拖動基礎［M］.北京：北京郵電大學出版社，2006.

［4］周向紅.51系列單片機應用與實踐教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

［5］李惠，丁革建.智能手機操作系統概述［J］.電腦與電信，2009（03）.

［6］陳清.打印機技術研究和未來應用趨勢初探［J］.電子世界，2013（16）.

F272

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.21.101

2095－6835（2017）21－0101－02

國家大學生自主創新項目基金支持

〔編輯：張思楠〕