奶茶調配售貨機器人系統研發

張守明，范劍偉，丁成康

（安徽工業大學機械工程學院，安徽 馬鞍山 243000）

目前，中國奶茶行業基本都以實體店的形式經營，面向消費者現場制作、出售奶茶飲品，消費者可以隨時隨地享用，不受時間地點的限制，更能夠滿足現在人們快節奏的生活習慣，這也是奶茶行業近幾年持續火爆的原因之一，迅速增長的市場規模和發展潛力也引起了投資者的廣泛關注。奶茶行業多以加盟零售方式進行，人工制作奶茶效率低，衛生安全難以防范，且難以做到每杯奶茶中的奶和茶的配比量相同。除此之外，在售賣高峰期時人工制作容易出錯，不能滿足顧客對奶茶質量的需求。

另外一方面，隨著中國社會經濟的快速發展，人們的生活節奏加快，繁雜而又重復的工作越來越難以吸引求職者。由此，服務機器人應運而生，并且其市場價值也呈現出爆發式增長的趨勢，可以預料不久后，這些機器人都將越來越廣泛地服務于人們的日常生活[1-2]。

目前世界各國的服務機器人市場化程度仍處于起步階段，有調查數據顯示，當前有至少48 個國家在發展機器人，其中25 個國家開始在服務型機器人領域進行研究。在北美、歐洲和日本，共計40 余款服務型機器人進入實驗和半商業化應用[3]。雖然目前對服務機器人的研究和應用越來越廣泛，但在如奶茶這種現調現售的休閑飲品方面鮮有案例。

針對上述問題，提出將服務機器人與現調現配的奶茶飲品相結合，設計研發了一套奶茶調配售貨機器人系統，該系統能夠實現對顧客點單信息的查詢及解析，并依據訂單信息控制該機器各個模塊運動，完成對奶茶制作、取餐等整個流程的控制。

1 研究技術路線和實現方案

1.1 研究技術路線

奶茶調配售貨機器人系統是一種無人化的奶茶飲品調配售貨機器，與普通的奶茶店相同，其首先應該具備制作不同口味、不同溫度奶茶的能力。其次，由于該機器在運營方面不是依靠人工勞動力，顧客可以根據自己的選擇自主下單、付款，所以該機器要能夠實現人機交互，要能夠反饋缺料、缺水等情況，提示店員及時補料；另外，要能夠提供更便捷、更迅速的服務，減少顧客等待時間，而且必須保持密閉的衛生環境和恒定的溫度。其研究技術路線如圖1 所示。

圖1 研究技術線路圖

1.2 實現方案

該系統制作奶茶的流程為：落杯器落杯同時機械臂取料杯、取冰、加糖、倒料、加奶、加茶、封口，最后打開取貨窗口等待顧客取走奶茶。為實現上述功能，設計了相應的硬件和軟件。整個系統的組成如圖2所示。

圖2 系統組成

2 機械結構設計

機械結構設計由機身整體框架和外部鈑金的設計、傳送帶部件的設計、取杯模塊的設計、落杯模塊的設計、封口模塊的設計、機器臂驅動電機的選擇6 個部分組成。以下簡要論述機身整體框架的設計、傳送帶部件的設計[4-5]和落杯模塊的設計。

2.1 機身整體框架的設計

機身的設計主要考慮到要簡單，并且要易于制造、安裝。要實現的功能如下：①有足夠的空間安放制冰機、果糖機、開水機、封口機、機械臂、茶桶、封口機、冰臺及傳送帶組件等；②便于傳感器、電磁閥等布線，并便于維護；③內部要有足夠的空間安裝空調，便于降溫；④整個設備必須密封，防止蚊蟲進入。系統整體外觀效果如圖3 所示。

圖3 系統整體外觀效果

2.2 傳送帶部件的設計

傳送帶部件的作用是利用傳送帶把奶茶料杯傳送到指定位置，即傳送帶最前端。在傳送帶的最前端安裝了漫反射光電開關傳感器，當傳感器檢測到奶茶料杯時傳送帶停止轉動。為了增加容量，將傳送帶部件設計為2 層，每層各并排安裝10 個傳送帶，每個傳送帶可以放置4～5 個奶茶料杯；為了方便補料，在每層傳送帶底部托板的兩側各安裝了1 個滑軌，使其便于從傳送帶部件的背部推進拉出；為了節省補料時間、減少工作人員的勞動，在傳送帶部件的側面安裝了1 個補料按鈕，工作人員補料后按下補料按鈕，則會啟動補料程序，把奶茶料杯傳送至指定位置。傳送帶部件的外觀效果如圖4 所示。

圖4 傳送帶部件的外觀效果

2.3 落杯模塊的設計

落杯模塊的主要作用是將單個奶茶杯落進封口機開合氣缸的擴展部分，以供后續系統的灌裝、封口、出杯等[6-7]。落杯模塊主要由雙孔落杯器、奶茶杯、落杯器升降氣缸及氣缸鈑金罩組成，雙孔落杯器有2 個作用：①存儲奶茶杯。每孔可存儲50 個奶茶杯，2 個儲杯孔只有1 個位于工作位置，即落杯口，當該儲杯孔中沒有奶茶杯后，另一個儲杯孔才會被彈簧推至落杯口。②通過控制齒輪的旋轉從而控制單個奶茶杯落下。落杯器固定在L 形鈑金上，L 形鈑金的另一端通過螺栓安裝固定在落杯器升降氣缸上，落杯器升降氣缸的作用是避免其在最低位置時與水龍頭的工作位置產生干涉，而落杯器升降氣缸固定在升降氣缸鈑金罩上。落杯模塊裝配圖如圖5 所示。

圖5 落杯模塊裝配圖

3 控制系統設計

在奶茶調配售貨機器人控制系統中，上位機采用占美8 代GK5000 無風扇工控機，通過交換機、USB轉485 模塊、USB 轉TTL 模塊等與機器人、落杯器、Ⅰ/O 模塊、制冰機等實現數據交換。系統總體包含機器手、供料及補料、制冰、出茶及供水、落杯、出糖、封口、取杯、人機交互、上位機10 個模塊，彼此間是并列運行的關系[8-9]，如圖6 所示。其中機械臂的控制系統采用的是納博特NRC 系列EtherCAT 工業機器人控制系統，優秀的硬件平臺和算法能力，完全能夠滿足六軸同步運動和插補計算。人機交互模塊采用的是自主點餐機，能夠滿足顧客自主選擇下單并付款，速度快、省時間。

機械手模塊是該系統中最重要的組成部分之一，直接影響整個系統的可靠性和穩定性。機械手由末端執行器、機械臂、驅動器、控制器構成。其主要作用是準確夾取奶茶料杯，然后根據指令夾著料杯依次送至指定位置完成取冰、取糖、倒料、棄杯、回初始位置等步驟。機械手本體是該系統的軸心部件，起到機器換人的作用。結合本文研究方案設計，采用六軸機械人作為本系統完成奶茶飲品調配的關鍵部件。

出茶及供水模塊由茶桶、牛奶桶、開水機、水桶、抽水泵、自吸泵、高壓開關、液體電磁閥等組成，其中出茶模塊是對奶茶原漿進行定量灌裝的部分，當控制系統發出相應指令后，對應的抽水泵、高壓開關、液體電磁閥開始工作，將指定量的奶茶原漿輸送至奶茶杯中；供水模塊對茶桶、開水機進行供水，由自吸泵和高壓開關組成，當開水機缺水時，高壓開關打開同時自吸泵開始工作，直到開水機自動關閉進水口，則高壓開關關閉，同時自吸泵停止工作。

人機交互模塊是消費者選取奶茶飲品下單、支付并取走小票的部分，點餐軟件界面簡單、形象直觀，每個奶茶飲品都配有相應的圖片和價格，選取甜度和溫度的界面也有相應的說明。消費者首先選擇奶茶飲品，然后選擇甜度、溫度，確認后付款，最后取走小票，等待奶茶飲品調配制作完成。該點餐系統能夠歸納分析銷售數據，使經營者掌握不同飲品的售賣情況，再根據售賣情況調整奶茶原料的投放量及研制不同口味的奶茶飲品，吸引消費者前來體驗。

為了使軟件設計程序的結構清晰，便于理解、調試程序，本文控制系統軟件部分采用Labview 主/從模式的設計方式，將任務從整體到局部功能進行分析，然后把不同功能的各個工作流程分成單個模塊分別進行編程，然后再通過主程序調用，使程序的邏輯性更清晰，便于編寫和調試程序。

本文程序設計主要由水龍頭控制、落杯器控制、制冰控制、果糖機控制、機器人通信、傳送控制、云訂單查詢、流程控制、封口機控制及Ⅰ/O 控制組成。通過對這10 個部分進行分析，對整個控制系統的軟件部分進行模塊化、簡單化，最終實現對整個系統的有效控制[10]。

4 結論

本文提出了一套奶茶調配售貨機器人系統的設計技術路線，并給出了該系統的總體實現方案；設計了該系統的本體結構； 采用自動多線程編程語言Labview，設計了上位機控制系統；然后根據設計方案制造了樣機。通過該樣機試驗，認為按設計方案制造的系統樣機工作性能良好，實現了代替人工制作奶茶的效果，具有廣闊的市場價值。