一種實現潮汕工夫茶藝過程的智能沏茶機設計

邱偉彬 曾志豪 李裕武 黎維健 劉宇星 卿艷梅

關鍵詞：茶藝;沏茶機;智能;自動化

0引言

潮汕家庭無論貧富，都愛好喝茶，龐大的茶葉消費群體，形成了一個巨大的茶葉消費市和獨特的潮汕工夫茶文化。工夫茶的沖泡過程復雜，其步驟大致分為燙杯熱罐、高沖低灑、關公巡城、韓信點兵。泡茶過程中的每一個步驟都極有講究，如“燙杯熱罐”和“高沖低灑”是為了充分散發茶葉的香味，“關公巡城”和“韓信點兵”是為了使茶汁平等均勻。

但是隨著社會節奏的加快，工夫茶并不能適應所有茶葉消費群體的需求，其考究的飲茶方式對時間和空間上均有較高的要求。為此，研制一種智能沏茶機，在具備自動沏茶功能的同時仍保持著傳統工夫茶文化技藝，顯得尤為必要。

國內外對自動泡茶裝置已經做了大量研究。太原理工大學研制出一種智能控制全自動沏茶機，實現了整個沏茶過程的工業化。2011年，雀巢公司推出了一款類似咖啡機的自動泡茶機。該機器具備自動沖泡功能，并能根據茶葉的種類來調節水溫及時間。上述研究都注重于實現沖泡過程的自動化，但是忽略了沖泡過程中的茶藝文化實現及茶具的清洗步驟。本文將針對國內外現有的自動泡茶裝置的不足進行改進，并結合傳統工夫茶藝文化知識，設計出一種實現潮汕傳統工夫茶藝的智能沏茶機。

1機械結構設計及工作過程

1.1整體方案

該智能沏茶機主要由5大部分組成，分別是出茶葉機構、茶壺控制系統、淋灌機構、茶盤機構及底盤。在這些機構的集成作用下，該機器可以實現加茶、沖茶、淋罐、泡茶、洗茶、燙杯、沏茶、洗杯、洗壺、清茶渣的動作，各個步驟聯動，全自動完成飲茶的準備工作及飲茶后的工作，其整體結構如圖1所示。

沏茶機的簡易工作流程如下。

（1）茶壺處于出茶葉機構下方，出茶葉機構接受相關命令后，根據用戶設定好的茶葉種類和茶葉量，開始出茶葉，實現“納茶”茶藝;茶壺接收茶葉后移至淋灌機構下，淋灌機構開始工作，加熱水泡茶，實現“高沖低灑”和“淋壺”茶藝;接著茶壺來到茶盤上方，茶壺蓋合上并開始倒茶。同時，茶盤轉動，使茶杯均勻得茶，完成“關公巡城”與“韓信點兵”茶藝;倒完之后茶杯翻轉，倒掉洗茶水完成洗茶工作。

（2）茶壺蓋打開，重復以上納茶之后的步驟，完成第二遍沖茶、第三遍沖茶直至沖茶結束。

（3）待結束沖茶時，茶盤旁的噴嘴出冷水清洗茶杯。同時茶壺回到出茶葉機構下方，導管往水壺中加冷水，茶壺旋轉以清理茶渣。

1.2出茶葉機構設計

出茶葉機構整體構成如圖2所示，其功能是可實現定量供給2種不同的茶葉以及檢測茶葉剩余量。

定量供給不同種類茶葉的功能由螺桿機構實現。該機構由單向離合器和復位彈簧、螺旋桿、外殼及傳動齒輪構成。螺旋傳動主要就是利用旋轉運動變換為直線運動。利用螺旋桿轉動帶動槽內茶葉向前傳遞，上方的儲茶器不斷地補充茶葉，保證連續出茶并通過控制螺桿轉動圈數來實現定量供給效果。單向離合器與復位彈簧聯合作用，保證只有一個方向可帶動螺桿（另一個方向空轉），結合電機正反轉，便可分別控制左右螺旋桿的轉動，實現供給不同種類的茶葉。而檢測茶葉剩余量的功能由壓力傳感器實現。

為滿足不同人群飲茶習慣的需求，對出茶葉量設計淡、適宜、濃3個檔次。考慮到通過理論計算一定容積內的茶葉質量涉及到容重、茶葉老嫩、條索緊實程度等多種數據的測量，不僅測量難度較大并且誤差較大，故采用直接測量法得到相關數據。讓螺桿轉動1圈，得到茶葉樣本（以茶葉鐵觀音為準），稱重得到數據mt。重復本實驗步驟，得到多組數據，取平均值，計算得到平均m=3.2g。查詢資料得，工夫茶沖泡中，每200mL水沖泡6g茶葉為宜。每次注水體積為160mL，則適宜茶葉用量x可由下列計算得到：由此整理濃度等級數據情況如表1所示。

1.3茶壺控制系統設計

茶壺控制系統結構如圖3所示，其功能是控制移動茶壺到相應位置點，并實現茶壺蓋開合、茶壺的傾倒倒茶及翻轉清理茶渣等動作。

該裝置通過蝸輪蝸桿傳動來控制茶壺水平方向上的移動。蝸輪蝸桿傳動具有精度高、傳動穩定易于控制等特點，還能實現大傳動比。為此，本方案中采用蝸輪蝸桿傳動可有效降低傳動誤差，精確控制茶壺位置。另外，使用舵機分別控制茶壺蓋的開合、茶壺的傾斜、茶壺的翻轉。

1.4淋灌機構設計

淋灌機構整體結構如圖4所示，其功能是實現傳統工夫茶藝中的“高沖低灑”及“淋壺”茶藝。

“高沖低灑”茶藝功能由圖中的絲桿傳動實現，變流器連接在絲桿上，可由電機驅動變流器的上下運動。絲桿上下端都設有行程開關，以確保控制的精確性。

“淋壺”茶藝功能由變流器實現，其結構原理如圖5所示。在高位時，水流經收束口直下，進入茶壺。在低位時，彈性擋片適應機架接觸面發生位移，擋住直下出口，水流開始分散到其余均勻分布的小口，實現淋灌壺身。

1.5茶盤機構設計

茶盤機構整體結構如圖6所示，其功能是旋轉茶盤實現茶藝“關公巡城”以及翻轉茶杯。

其中，茶盤的旋轉由電機直接驅動。茶杯翻轉機構原理如圖7所示。因彈簧作用，擋軸始終與機架接觸。擋軸尾部實質上是一個凸輪，凸輪與機架進行高副接觸，獲得預期的直線運動，在茶套翻轉時，擋住茶杯，防止掉落。電機驅動一個茶杯翻轉，其他茶杯由錐齒輪傳動系統發生同步同向翻轉。

1.6底盤設計

底盤結構如圖8所示。清洗槽用于收集洗茶壺的廢水廢渣，濾網過濾茶渣，防止堵塞導管。從機器外側可直接抽出濾網，清理茶渣，清洗槽的廢水都通過導管匯集到四通接口處，集中排出到廢水桶中。顯示屏及按鈕方便人工輸入相關指令信息。噴嘴用于沖茶結束時，對茶杯進行清洗。擋板可以防止沖茶過程中水的外濺。中間位置設有漏水孔，以防水殘留在底盤上，廢水同樣經導管排到廢水桶。管線收集盒用于匯聚導管導線等，避免纏繞雜亂。

2電氣控制系統設計

在電氣控制方面，在實現機器全部功能的前提下，需盡量做到簡潔高效，并符合常人的操作習慣，遵循可行性、合理性、相容性的原則，以下將從各個方面詳細介紹。

2.1控制模塊

控制該沏茶機的核心部件如圖9所示。茶機上的按鈕和手機端的藍牙通過串口通信與主控芯片進行通信;藍牙無線傳輸通過RF（2.4 GHz）載波進行功耗低，傳輸速度快，可同時連接多個系統。當裝置通電，主控芯片即完成對裝置電機和串口的初始化，當主控芯片接收到藍牙或按鍵的“開始”信號即開始自動泡茶，在此期間用戶可以“重復沖茶”、“清洗茶具”、“停止”等按鈕進行人機交互，實現相應操作。

2.2程序設計總思路

沏茶機控制總程序如圖10所示。該總程序有m1茶壺橫向轉動子程序、m2出茶電機子程序、m3壺蓋翻轉子程序、m4茶壺垂直翻轉子程序、m5茶壺橫向翻轉子程序、m6絲桿電機子程序、m7抽水電機子程序、m8茶盤電機子程序、m9茶杯翻轉電機子程序。程序分為納茶函數、注水函數、沖泡函數、清理函數、檢測茶葉量函數幾大模塊。

2.3茶壺橫向轉動子程序

編碼器電機能機械位置同步跟蹤，各個函數以ml電機編碼器S1＼S2＼S3＼S4返回值作為主人口參數，自增值Flag為次人口參數，如圖11所示。

2.4納茶函數設計

該函數實現茶葉進入茶壺動作。主控芯片輸入脈沖數，電機m5轉動，茶壺翻轉180°;按鈕選擇m2出茶子程序電機轉動，螺桿出茶，定時器2s后結束，如圖12所示。

2.5注水函數設計

該函數實現茶壺淋壺和注水動作。絲桿上下固定有11和12限位開關，被觸發時實現m6電機反轉;電機m6、m7轉動，P1注水口注水同時向上移動，上方限位開關12被觸發2次即停止，如圖13所示。

2.6沖泡函數設計

該函數實現茶水從茶壺注入茶杯。電機m3轉動至內部壓力傳感器觸發而停止，帶動蓋子合上;電機m4轉動，帶動茶壺傾斜俯角60°，使茶水倒入茶杯中，與此同時，電機m8轉動，使茶盤轉動，確保每個茶杯中倒人茶水;定時器5s后，電機m4翻轉，茶壺回到水平狀態，電機m8停止，茶盤停轉，如圖14所示。

2.7清理函數設計

該函數實現茶杯茶壺清理。電機m3反轉60°，打開壺蓋;電機m5轉動，帶動茶壺橫向翻轉180°，茶渣掉落。電機m7、m8轉動，選擇P2注水口注水，定時器3s后停止，電機m9轉動，翻轉茶杯，轉動180°后，電機反轉，茶杯復位，如圖15所示。

2.8檢測茶葉量函數設計

該函數實現茶庫中茶葉量過少自動通知用戶添加茶葉。重力傳感器返回值，少于設定閾值，添加茶葉指示燈亮起，如圖16所示。

2.9重要電機控制簡述

M1編碼器電機作為其他函數人口，要確保其準確控制，實現裝置的正常運行。對此，經行PID算法的閉環控制，公式表達為：

由此可以實現對編碼器電機的閉環控制，如圖17所示。

3關鍵機構分析

針對茶壺傾倒機構，關鍵部位在于L型鈑金懸臂梁的受力情況，以及翻轉扭矩是否足夠。以下將使用Inventor運動仿真及應力分析插件進行分析。

3.1茶壺L型鈑金的應力分析

懸臂梁末端受力為機構總重力，測得該力FI=14N。將前端做固定約束，選擇材料為鍍鋅鋼，網格劃分后計算得到以下結果。如圖18、表2所示。表2結果表明，懸臂梁末端發生的最大位移為0.26mm，在允許的范圍內。

3.2茶壺翻轉傾倒的仿真運動分析

茶壺傾倒過程中（受力情況如圖18（a）所示），初始力F，=14N，由于傾倒過程中水的重量減少，末位置的力減少為F2=11N。擬定該力呈線性變化，添加后計算得到茶壺翻轉力矩結果，如圖19所示。

由圖可知，最大力矩Wo=1481.37N·mm，其中齒輪傳動系統減速比為1：1.4。故作用在舵機上的力矩W為：

4結束語

本文設計的一種實現潮汕傳統工夫茶茶藝過程的智能沏茶機，結構簡潔、功能多樣，實現了清洗茶具、裝茶葉、洗茶葉、泡茶、倒茶等功能的自動化，其動作過程模擬了潮汕傳統工夫茶藝的人工過程。在控制方面，能及時反饋茶葉剩余量，且擁有遠程控制等智能化設計。相比較于其他簡單沖泡的茶具，本設計具有良好的市場前景。