機(jī)器人技術(shù)在烹飪智能化中的應(yīng)用價值

劉 俊 葛安同 查 理 曹 凱 殷毓?fàn)N 陳 猛

（1.國網(wǎng)揚(yáng)州供電公司,揚(yáng)州 225000；2.國網(wǎng)揚(yáng)州綜合能源服務(wù)有限公司,揚(yáng)州 225000）

隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，美國著名機(jī)器人研究員英格伯格，在1980年首次提出將此項技術(shù)應(yīng)用到烹飪領(lǐng)域[1]。烹飪機(jī)器人不僅需要具有主動識別不同菜品的能力，還需要具有完善的烹飪程序與無差錯的烹飪技術(shù)流程[2]。中國美食歷史悠久，現(xiàn)階段已有一些科研單位設(shè)計了可用于輔助烹飪的智能機(jī)器人。在將設(shè)計成果正式投入使用過程中發(fā)現(xiàn)，設(shè)計成果存在3點(diǎn)集中性缺陷：智能烹飪模塊無法執(zhí)行過于復(fù)雜的動作，要滿足多元化菜肴的制作，還需要投入大量資金調(diào)試程序；烹飪過程智能化程度低，一些程序仍需要人工參與；機(jī)器人體積過大，不適用于在市場內(nèi)廣泛推廣使用。為了解決上述問題，全面落實(shí)烹飪智能化計劃，本文將開展機(jī)器人技術(shù)在烹飪智能化中的應(yīng)用研究，以期為我國在智能化領(lǐng)域的相關(guān)研究提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 機(jī)器人技術(shù)在烹飪智能化中的應(yīng)用

1.1 烹飪智能化終端設(shè)計

為更好地實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器人技術(shù)的烹飪智能化設(shè)計，需要在開展相關(guān)設(shè)計研究前對烹飪智能化終端展開設(shè)計。結(jié)合烹飪作業(yè)需求，選擇基于工控機(jī)設(shè)備的上機(jī)位操作端與可編程控制的下機(jī)位操作端作為智能終端。前者主要用于存儲不同烹飪菜品的數(shù)據(jù)、菜單材料投放比例數(shù)據(jù)等，后者主要用于控制傳感器、執(zhí)行機(jī)械、電機(jī)設(shè)備等。為了確保控制過程的全自動化與全智能化，全面優(yōu)化終端部署[3]。

為了滿足烹飪智能化設(shè)計需求，需要在配置終端時科學(xué)部署不同資源層。經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計，需選擇大于10臺的直流發(fā)電機(jī)（對每臺電機(jī)進(jìn)行綜合調(diào)速控制）、大于3臺的步進(jìn)發(fā)電機(jī)以及采用通信串口。考慮到在此過程中需要控制的技術(shù)參數(shù)較多，使用單一結(jié)構(gòu)的單片機(jī)無法滿足對多個終端控制器的同步控制需求，本文設(shè)計優(yōu)選數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）+復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programming Logic Device，CPLD）終端作為支撐，將此終端集成在烹飪機(jī)器人中，以保證機(jī)器人結(jié)構(gòu)與行為的靈活性。同時，考慮到智能化終端的安全性需求，可在火控單元專設(shè)一個單片機(jī)，將其與智能化控制終端隔離，為整體頂層設(shè)計提供一個相對良好的控制與操作環(huán)境[4]。

1.2 基于機(jī)器人技術(shù)的烹飪攪拌機(jī)構(gòu)行為優(yōu)化

攪拌機(jī)構(gòu)是烹飪智能化中的主要構(gòu)成，也是機(jī)器人技術(shù)的主要控制對象。為了實(shí)現(xiàn)對烹飪攪拌機(jī)構(gòu)行為的智能化，引進(jìn)機(jī)器人技術(shù)中的離散元思想，結(jié)合分子動力學(xué)原理，建立機(jī)器人烹飪動力學(xué)行為方程[5]。此過程要確保每個烹飪行為都滿足牛頓第二定律。假設(shè)機(jī)器人執(zhí)行操作的步進(jìn)長度為y，接收指令到執(zhí)行指令的時間為t，則基于機(jī)器人動力學(xué)角度智能化烹飪過程中的攪拌行為進(jìn)行建模，表達(dá)式如下：

式中：Iy為智能化烹飪過程中攪拌行為的步進(jìn)長度；M為動力學(xué)不平衡力矩；i為支撐結(jié)構(gòu)承重點(diǎn)；β為整體結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)，計算單位為N·s·m-1；g為動力學(xué)平衡力矩；ω為烹飪攪拌機(jī)構(gòu)行為增量。

為避免在攪拌過程中不同結(jié)構(gòu)出現(xiàn)行為方面的碰撞，可在設(shè)計過程中根據(jù)機(jī)器人機(jī)械運(yùn)行原理與其不同部位的最大角速度構(gòu)建機(jī)器人動力學(xué)三維模型，將所有結(jié)構(gòu)的最大旋轉(zhuǎn)角度以中性格式導(dǎo)入動力學(xué)軟件，定義此時執(zhí)行烹飪行為的邊界條件、模擬參數(shù)量。將定義的數(shù)值按照標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)入式（1），當(dāng)計算公式中的動力學(xué)參量之間不發(fā)生沖突時，說明此時設(shè)計的攪拌行為參量符合標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足機(jī)器人輔助烹飪智能化操作需求[6]。反之，當(dāng)設(shè)計參量不符合實(shí)測關(guān)系或動力學(xué)參量之間存在沖突關(guān)系時，說明此時設(shè)計的攪拌行為參量不符合標(biāo)準(zhǔn)，需要繼續(xù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，并重復(fù)上述步驟，直到設(shè)計的參量符合機(jī)器人動力學(xué)運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 基于互聯(lián)網(wǎng)的烹飪智能化功能模塊布局

完成上述相關(guān)設(shè)計后，引進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行烹飪智能化功能模塊布局設(shè)計。在此過程中，可采用Visual Basic程序編譯工具，對烹飪智能化過程中的翻炒功能與材料旋轉(zhuǎn)功能進(jìn)行動力學(xué)仿真，在操作軟件中模擬不同烹飪行為的運(yùn)動軌跡。同時，將機(jī)器人結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)角度、行為速度等參數(shù)采用系統(tǒng)化編譯的方式錄入烹飪智能化程序之中。根據(jù)目標(biāo)選擇設(shè)計中的最優(yōu)參數(shù)，確保多個功能模塊在操作中可以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

按照上述方式對不同功能模塊進(jìn)行編譯與布局，以確保不同單元可以按照預(yù)設(shè)的指令達(dá)成指定功能。

2 應(yīng)用價值分析

為證明此次設(shè)計研究的基于機(jī)器人技術(shù)的烹飪智能化方法在實(shí)際應(yīng)用中具有較高的市場推廣價值，下面將采用將設(shè)計成果應(yīng)用到真實(shí)作業(yè)環(huán)境的方式進(jìn)行設(shè)計成果的全面檢驗(yàn)。

為了確保此次實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，選擇市場內(nèi)某個星級餐廳作為此次實(shí)驗(yàn)的參與對象。根據(jù)技術(shù)人員對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的勘察與走訪可知，該餐廳已初步實(shí)現(xiàn)了將智能化技術(shù)應(yīng)用到烹飪制作環(huán)節(jié)。但是，由于該餐廳資金鏈不足，無法實(shí)現(xiàn)對更先進(jìn)的設(shè)備與技術(shù)的引進(jìn)，導(dǎo)致此餐廳的智能化烹飪制作模式設(shè)計止步不前。

以該餐廳的魚香肉絲菜品為例，在餐廳后廚制作區(qū)域按照設(shè)計的方式進(jìn)行規(guī)劃布局，包括設(shè)計烹飪智能化終端、初始化并優(yōu)化烹飪攪拌機(jī)構(gòu)行為、在烹飪區(qū)域聯(lián)網(wǎng)布局等。完成對烹飪場地的設(shè)計后，準(zhǔn)備如表1所示的菜品烹飪食材。

表1 烹飪菜品基礎(chǔ)食材制備

完成對烹飪菜品基礎(chǔ)食材的準(zhǔn)備后，安排專業(yè)廚師在機(jī)器人控制終端輸入指令。指令內(nèi)容包括里脊肉的切絲、蔬菜的清洗、不同調(diào)味劑與調(diào)料的添加與加量控制。完成對指令的輸入后，啟動智能化終端，在機(jī)器人技術(shù)的支撐下前端開始自動進(jìn)行菜品的烹飪制作。此時，技術(shù)人員可以通過傳感器反饋的烹飪操作信號進(jìn)行機(jī)器人智能化指令的調(diào)整。

為了更好地評估其價值，選用基于人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)的烹飪智能化方法作為傳統(tǒng)方法。操作智能化終端使用機(jī)器人技術(shù)與AI技術(shù)進(jìn)行菜品的烹飪。完成對菜品的制作后，選擇由10名專業(yè)烹飪?nèi)藛T組成的評定小組，對兩種技術(shù)烹飪的菜品進(jìn)行品嘗打分。為了確保評分結(jié)果的完全量化，設(shè)定針對魚香肉絲菜品的4項評定指標(biāo)，分別為外觀指標(biāo)、氣味指標(biāo)、滋味指標(biāo)與口感指標(biāo)。對評價指標(biāo)進(jìn)行量化與分值設(shè)定，具體內(nèi)容如表2所示。

表2 兩種技術(shù)烹飪菜品感官評分標(biāo)準(zhǔn)

在品嘗過程中，專業(yè)人員需要依次品嘗制作成品，完成一次品嘗并給出得分后，使用淡綠茶進(jìn)行漱口，再進(jìn)行下一次品嘗，直到完成對菜品各項指標(biāo)的量化評分。統(tǒng)計兩種技術(shù)烹飪菜品每項得分的平均分作為最終得分，如表3所示。

表3 兩種技術(shù)烹飪菜品感官得分結(jié)果對比

通過表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于機(jī)器人技術(shù)的智能化烹飪方法制作的菜品的各個項目的評分，均高于基于AI技術(shù)的智能化烹飪成品得分，說明機(jī)器人技術(shù)在烹飪智能化中的應(yīng)用價值較高，可以將此項技術(shù)代替AI等現(xiàn)代化技術(shù)在市場內(nèi)廣泛推廣使用。

3 結(jié)語

1954年，美國喬治設(shè)計了世界上第一臺數(shù)字化機(jī)器人。此機(jī)器人的操作與運(yùn)行由電子程序支撐，自此項設(shè)計成果被提出，機(jī)器人技術(shù)便開始在市場內(nèi)不同生產(chǎn)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，包括工業(yè)領(lǐng)域、機(jī)械作業(yè)領(lǐng)域以及危險性較強(qiáng)的工作領(lǐng)域等。使用機(jī)器人輔助或代替人類的行為，可以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有人力資源的節(jié)約。為了進(jìn)一步落實(shí)機(jī)器人代替人工烹飪的方法，需實(shí)現(xiàn)此項技術(shù)在更多領(lǐng)域中的廣泛使用。本文從烹飪智能化終端設(shè)計、基于機(jī)器人技術(shù)的烹飪攪拌機(jī)構(gòu)行為優(yōu)化、基于互聯(lián)網(wǎng)的烹飪智能化功能模塊布局3個方面，開展了機(jī)器人技術(shù)在烹飪智能化中的應(yīng)用研究，并通過實(shí)驗(yàn)證明了提出的技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有的市場價值。