中央廚房配送料機器人設計

摘要：根據對送料機器人動作需求分析結合自由度分析法確定機器人的綜合構型;借助solidworks軟件對送料機人進行三維虛擬樣機設計并繪制其裝配圖以及關鍵零部件的二維零件圖;提出將機器人手臂裝載在桁架上的設計思路，進一步增強送料機人的工作空間，并借助伺服電機提高其完成相應配送動作的響應速度。

關鍵詞：機器人;機械手;配送;桁架;伺服電機

0 引言

對中央廚房而言，自動配料一直是需要解決的難點;對不同的食材、調料、油料等配料的自動配送，目前還沒有很好的解決方案。所以加快對中央廚房配送料機器人的研究顯得尤為重要。

1 配送料機器人構型綜合設計

根據對送料機人機械手臂動作分析，為了能使機械手將食材送入鍋中，機械手臂在其x軸方向必須具備一個的轉動副初定于圖1中轉動副4所示。由于機械手還需送取調料，所以又需要添加2，3兩個轉動副來模仿手臂動作。

送料機器人手臂完成相應工作需求步驟如下：首先，結合1處繞z軸的轉動副，通過絲桿完成上z軸方向的平動，這樣就可以實現整個手臂1到關節2上的z軸上的自由度，利用傳動導軌和傳動齒條，實現關節1到2的x軸上移動和y軸方向的移動，從而實現第一節的6個自由度。其次，在關節2處加了轉動副，實現了x和y的轉動，同時，關節1的擺動可實現2處z軸的轉動。最后，在關節3處也加了轉動副，2關節處的轉動實現了3處的x和y、z軸的轉動，關節1處的絲杠傳動，實現了x和y的平動，并且利用了2處的轉動也實現了關節4處的轉動。從而最終該構型設計達到中央廚房送料機器人的工作需求，其機構簡圖如圖1所示。

2 送料機器人手臂運動過程及原理

運動過程：整個機械手有六個自由度，機械手的運動范圍廣，可以準確而靈活的抓到相應的菜籃子，和固體調料。選用的電機和機械手臂通過嚴格的計算和實際檢驗，能夠在機械手臂抓取菜籃子的時候做到快、穩、準，以實現從傳送帶上抓菜籃子，然后在輸送菜籃子的過程中，保持運行狀態平穩，最后翻轉菜籃子這一動作的實現，再把菜籃子放回傳送帶上。

原理：利用電機驅動，機械臂可有六個自由度，實現抓菜籃子和固體調料的基本動作。利用機械臂最后末端的執行件，電磁鐵實現抓住這一動作，其中包括取菜、送菜、帶菜、還菜籃子到傳送帶上的過程，送料機器人機械手臂二維圖如圖2所示。

3機械手三維造型

根據送料機器人機械手臂構型設計利用solidworks軟件進行三維虛擬樣機設計如圖3所示。

4 機械手安裝在桁架的方案

考慮到現實情況，在廚房的屋梁結構下，用桁架結構具有以下優點;

①桁架結構常常用于向廚房、廠房、體育館等公共建筑，由于大多用于屋蓋結構，所以桁架結構也被稱為屋架。

②桁架結構主要承受壓力和拉力，可以充分發揮材料的性能和作用，可以節約材料，而且整個結構輕盈、跨距大、受力體系簡單。

③桁架結構設計、安裝、制造都方便簡單，故應用廣泛。

4.1 桁架結構設計

為了節省空間，提高空間利用率，采用桁架連接機械手的結構。桁架架設在廚房的上空，大大利用了原本被浪費掉的廚房上部空間，提高了廚房的空間利用率，空間利用率的提高意味著利潤，因此，從經濟效益出發，桁架的架設是十分明智的。通過查找資料，以及研究對比后，決定了桁架使用絲杠傳動的方式來進行移動。對于機械手的移動方式上，我選擇了通過滾珠絲杠來完成傳動，參照了3D打印機的絲桿經典傳動，利用絲桿精確的傳動，以便實現機械手的z軸的上下移動以及X軸的前后移動。絲桿傳動把回轉運動變成直線運動，可以精確控制機械手在z軸方向的移動。在豎直方向上，通過在絲杠的兩遍安裝兩根光桿以達到導軌的效用，而在水平方向上，在桁架的上表面安裝了兩條導軌，用以配合絲杠傳動，其三維裝配圖如圖4所示。

結語

桁架為導軌，電機為驅動件和減速器相連，輸出合適的轉速和扭矩，控制最終末端執行元件機械手的運動。配送料機器人的執行功能分為三大部分，第一是絲杠和機械手在桁架上的移動，第二機械手關節的運動，第三末端電磁鐵與相應的菜籃子的接口配合運動。首先，整個系統通電，電機開始工作，帶動減速器開始運轉。根據實際情況，灶臺和傳送菜籃子的傳送帶上的菜籃子，調料臺固體調料的位置進行相關的工作。參照各種菜的流程，預先設計好調料放的次序和用量，包括油料和液體、固體調料的混合放置及一起放入。然后，在此期間還要同時兼顧機械手拿菜的時機，做到菜在最準確的時間下鍋，調料在最正確的火候下鍋并嚴格控制其量的輸出。最后，還要根據實際狀況，對不同的菜系有不同做法，不同量的菜量選出適合的調料用量，使得菜品風味更佳。

參考文獻

[1]胡建國，黎勉，烹飪調料自動配出機的機電一體化設計，廣東，2014

[2]陳福民，未來的廚房，陜西，1996. 11，（總171期）

[3]辛松林，我國中央廚房產業發展現狀與發展趨勢，四川，2014，06-07

[4]機械設計，西安：西安交通大學出版社，第二版，2013，50-90

[5]孫恒，陳作模，葛文杰等，機械原理，北京：高等教育出版社，第七版，2014，40-200

[6]張海根，機電傳動控制，北京：高等教育出版社，2012，60-120。

作者簡介：沈茂松（1968-），男，漢族，江蘇揚州，揚州大學機械工程學院，專科文憑，技師，機械加工及熱處理.

（揚州大學機械學院?江蘇?揚州?225127）