CN107775652A - 实施料理翻炒动作的机械手臂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机械手臂及其操作系统，用以参数化轨迹控制料理翻炒动作的进行，其中，该机械手臂的结构，由马达与复数杆件连接锅具所组成，先记录厨师进行翻炒动作时的锅具与手腕轨迹，通过正弦曲线逼近法的曲线回归，由一拘束方程式限制连杆长度与关节角度，完成料理翻炒动作的机械手臂设计。此外，因应料理时不同材料的重量和湿黏度等条件，其操作系统得改变参数，包括:速度、进退冲程速度比例、上升时间点、关节马达角度范围、初始锅面角度偏移，调整机械手臂的动作，支持该机械手臂实施最佳地料理翻炒动作，降低人工烘调料理所需的时间与手部负担，厨师可有更多时间进行食材的前处理或后制摆盘。

Description

实施料理翻炒动作的机械手臂
技术领域
本发明涉及一种机械手臂及其操作系统，特别是，关于一种五连杆机构设计的机械手臂，藉由一拘束轨迹方程式限制连杆长度与关节角度，模拟人力予自动化完成一料理翻炒动作的运动轨迹。
背景技术
手指狭窄性腱鞘炎是厨房工作者常见的职业伤害，其原因在于部分料理进行时，需要单手翻锅，例如：翻炒意大利面，将沙司均匀分布于面条中，由此，手腕及拇指需使用较大的力气，长时间对厨师肌肉与关节是一种负担。基于上述缘由，发明人将一翻炒动作由料理过程分离出来，以机械手臂取代此制式化动作，降低人工烘调料理所需的时间与手部负担，厨师可有更多时间进行食材的前处理或后制摆盘，进而加大料理业者的产能。
目前虽有业者提出一模拟人手的机械臂设计，采用多连杆线性连接，由于仅有单一固定点，各关节随着与锅具距离的增加，需加大关节点马达输出马力，不仅耗能，亦有容易造成关节点马达损坏的缺点，此外，对于翻炒动作的执行，除了要求特定关节点的瞬间出力与位置，亦应考虑食材因重新落于锅具中产生的瞬间重量。因此，本发明通过改变机械手臂机构与调整马达角运动，克服既有技术的缺点，并藉由数值化控制，针对锅具中装载食材不同，提供低耗能下对应的翻炒动作，比较现有工业型机器手臂，得以小尺寸对象进行组合，其结构相对稳定且低单价。
发明内容
本发明提供一种用于执行一料理翻炒动作的机械手臂，其包含：一固定机座、一第一游戏杆、一第一浮杆、一第二浮杆、一第二游戏杆以及一第三游戏杆。
固定机座设置一第一马达及一第二马达，其中，第一马达与第二马达相距一第一长度。
第一游戏杆具有一第二长度，其中，第一游戏杆的第一端连接第一马达，第一马达带动第一游戏杆进行一第一角运动。
第一浮杆具有一第三长度，其中，第一浮杆的第一端销接第一游戏杆的第二端。
第二浮杆具有一第四长度，其中，第二浮杆的第一端销接(例如，通过销轴连接)第一浮杆的第二端，第二浮杆的第二端设置一第三马达。
第二游戏杆具有一第五长度，其中，第二游戏杆的第一端连接第二马达，由第二马达带动第二游戏杆进行一第二角运动，第二游戏杆的第二端销接于第二浮杆且枢接点距离第二浮杆的第一端相距一第六长度处。
第三游戏杆具有一第七长度，其中，第三游戏杆的第一端连接一第三马达，由第三马达带动第三游戏杆进行一第三角运动。其中，上述的第一长度、第二长度、第三长度、第四长度、第五长度、第六长度以及第七长度不以特定机构杆件长度为限，且上述的第一角运动、第二角运动以及第三角运动不以特定关节马达角度控制为限。
较佳地，机械手臂具有：一速度调整模块、一进退冲程速度比例调整模块、一上升时间点调整模块、一关节马达角度范围调整模块以及一初始锅面角度偏移调整模块，以参数化轨迹控制料理翻炒动作的进行。
本发明还提供一种自动化厨房装置，其包含：如上所述的一机械手臂、一锅具、一加热装置、一备料装置以及一操作装置。
锅具设置于机械手臂的第三游戏杆第二端。
加热装置检测锅具温度，并提供一加热温度。
备料装置具有数个备料空间装载食料。
操作装置收到一料理指令时，控制该备料装置开启对应的备料空间，置放食料于该锅具内，且控制该料理用机械手臂进行一料理翻炒动作，并控制加热装置提供加热温度。
本发明的有益效果是：经观察厨师该料理翻炒动作的进行后，发现其运动条件为限制于一垂直平面上，大致可以分为下压、前行、上拉及回抽这四个动作，其中，锅具中心呈现椭圆倾斜的运动轨迹，系有赖于厨师手臂施力控制锅具前行与回抽，且手腕同步施力控制锅具下压与上拉，由此，本发明建构一种2维平面运动的机械手臂，采用五连杆机构设计，将二组马达设置于一固定机座对应手臂施力，且将另一组马达设置于机构末端对应手腕施力，辅以运动限制方程式，模拟人力予完成一料理翻炒动作的运动轨迹，相较于既有技术，除了将整组机构重量平居分散于个别马达，降低其一马达支撑的负担，亦可有效地调控三组马达出力，使该料理翻炒动作更为流畅。
下面结合附图以具体实施例对本发明进行详细描述，以便进一步了解本发明的优点与精神。
附图说明
图1A与图1B为一料理翻炒动作的步骤图与运动轨迹图；
图2A与图2B为本发明的机械手臂的结构示意图与角运动示意图；
图3为本发明的机械手臂的实施例构件；
图4为本发明的机械手臂的控制装置示意图；以及
图5A至图5G为本发明的机械手臂执行料理翻炒动作的实施例照片。
附图标记说明：机械手臂200、400，固定机座AE，第一游戏杆AB，第二游戏杆DE，第三游戏杆MP，第一浮杆BC，第二浮杆CM，第一马达A，第二马达E，第三马达M，第一长度a5，第二长度a1，第三长度a2，第四长度Lcm，第五长度a4，第六长度a3，第七长度Lmp，第一角运动θmotor1，第二角运动θmotor2，第三角运动θmoto3，联轴器310，培林座320。控制装置410，速度调整模块411，进退冲程速度比例调整模块412，上升时间点调整模块413，关节马达角度范围调整模块414，初始锅面角度偏移调整模块415。
具体实施方式
为了解决料理人员培养及长时间连续且重复性的动作等问题，本发明以专业厨师为样本进行建模，记录其进行翻炒动作时锅具与手腕轨迹，透过正弦曲线逼近法(Sum ofSine Function)的曲线回归，设计由马达与数个杆件连接锅具所组成的机械手臂，重现翻炒动作的运动轨迹。
请参见图2A图和图2B，本发明提供的一种用于执行一料理翻炒动作的机械手臂包含：一固定机座AE、一第一游戏杆AB、一第一浮杆BC、一第二浮杆CM、一第二游戏杆DE以及一第三游戏杆MP。
固定机座(AE)设置一第一马达(A)及一第二马达E，其中，第一马达A与第二马达E相距一第一长度a5。
第一游戏杆AB具有一第二长度a1，其中，第一游戏杆AB的第一端连接第一马达A，第一马达A带动第一游戏杆AB进行一第一角运动(θmotor1＝θbac+θcae)。
第一浮杆BC具有一第三长度a2，其中，该第一浮杆BC的第一端销接第一游戏杆AB的第二端。
第二浮杆CM具有一第四长度Lcm，其中，第二浮杆CM的第一端销接第一浮杆BC的第二端，第二浮杆CM的第二端设置一第三马达(M)。
第二游戏杆DE具有一第五长度a4，其中，第二游戏杆的第一端连接第二马达E，由第二马达E带动第二游戏杆DE进行一第二角运动θmotor2＝θme+θdem，第二游戏杆DE的第二端销接于第二浮杆CM且销接点距离该第二浮杆CM的第一端相距一第六长度a3处。
第三游戏杆MP具有一第七长度Lmp，其中，第三游戏杆MP的第一端连接一第三马达M，由第三马达M带动第三游戏杆MP进行一第三角运动θmoto3。
请参见图3，在一实施例中，本发明利用联轴器310加长机械手臂的马达轴长，并配合培林座320使整个机构系统稳固于基座上；此外，机械手臂采取对称设计，以两边同时受力，避免单边受力导致结构损坏；为考虑于厨房中长时间连续且重复性的烹饪过程，本发明以铝合金作为机械手臂的主要材料，适用于高温潮湿的工作环境。
上述第一长度、第二长度、第三长度、第四长度、第五长度、第六长度以及第七长度不以特定机构杆件长度为限，且上述第一角运动、第二角运动以及第三角运动不以特定关节马达角度控制为限。较佳地，第一角运动θmotor1＝θbac+θcae以及该第二角运动θmotor2＝θme+θdem选自由第一长度a5、第二长度a1、第三长度a2、第四长度Lcm、第五长度a4以及第六长度a3组合的方程式集合。
配合一料理翻炒动作执行，上述方程式集合包含下列所示的拘束方程式，作为该机械手臂的运动限制条件。
θmotor2＝θme+θdem
Dx＝Ex+a1cosθmotor2
Dy＝Ey+a1sinθmotor2
Cx＝Dx+a3cosθdm
Cy＝Dy+a3sinθdm
θmotor1＝θcae+θbac
较佳地，第一角运动θmotor1的范围为0至120度，第二角运动θmotor2的范围为80至120度，第三角运动θmotor3的范围为90至120度。
请参见图4，本发明提供的机械手臂还包含：一控制装置410，得因应各种情况，让使用者可依照烹饪的情况，以有线或无线方式实时调变控制参数，保持料理翻炒动作的最佳轨迹，或因应多样性配方的不同翻炒条件，以参数化调整这些杆件长度以及这些马达角运动的轨迹生成。
控制装置410具有：一速度调整模块411、一进退冲程速度比例调整模块412、一上升时间点调整模块413、一关节马达角度范围调整模块414以及一初始锅面角度偏移调整模块415。
速度调整模块411控制第一角运动θmotor1、第二角运动θmotor2以及第三角运动θmotor3于机械手臂完成翻炒动作所需的时间。若速度调整越快，翻炒高度越高，锅具中食材越位于后方；反之，若速度调整越慢，翻炒高度越低，锅具中食材越位于前方。
进退冲程速度比例调整模块412控制第一角运动θmotor1与第二角运动θmotor2提供第三马达θmotor3进行一水平方向动作所需的时间。若进退冲程速度比例调整越高，翻炒高度越高，锅具中食材越分散；反之，若进退冲程速度比例调整越低，翻炒高度越低，锅具中食材越集中。
上升时间点调整模块413控制该第一角运动θmotor1与第二角运动(θmotor2)提供第三马达θmotor3一垂直方向动作所需的时间。若上升时间点调整越多，锅具中食材翻转越大；反之，若上升时间点调整越少，锅具中食材翻转越少。
关节马达角度范围调整模块414控制该第三角运动θmotor3所需的时间。若关节马达角度范围调整越大，锅具中食材越位于后方；反之，若关节马达角度范围调整越小，锅具中食材越位于前方。
初始锅面角度偏移调整模块415控制第三角运动的一初始角度。若初始锅面角度偏移调整越大，锅具中食材越位于后方；反之，若初始锅面角度偏移调整越小，锅具中食材越位于前方。
请参见图5A至图5G，在一实施例中，本发明系以该速度调整模块411参数为95％、该进退冲程速度比例调整模块412参数为120％、该上升时间点调整模块413参数为5单位和翻炒次数为4次、该关节马达角度范围调整模块414参数为100％、初始锅面角度偏移调整模块415参数为0度，针对意大利面(180g)与少许油盐执行一料理翻炒动作，由连续照影计算其运动轨迹，吻合厨师对料理翻炒动作的进行。
本发明另提供了一种厨房装置，其包含：一如上述的机械手臂、一锅具、一加热装置、一备料装置以及一操作装置。
锅具设置于该机械手臂的第三游戏杆第二端。
加热装置检测锅具温度，并提供一加热温度。
备料装置具有数个备料空间装载食料。
操作装置收到一料理指令时，控制该备料装置开启对应的备料空间，置放食料于锅具内，且控制料理用机械手臂进行一料理翻炒动作，并控制加热装置提供加热温度。
上述实施例仅用于说明本发明的原理及其功效，并非限制本发明。因此本领域技术人员对上述实施例进行修改及变化仍不脱本发明之精神。本发明的保护范围由其权利要求确定。

Claims (8)

1.一种机械手臂，用以执行一料理翻炒动作，其包含：
一固定机座，设置一第一马达及一第二马达，其中，一马达与第二马达相距一第一长度(a5)；
一第一游戏杆，具有一第二长度(a1)，其中，第一游戏杆的第一端(A)连接第一马达，第一马达带动第一游戏杆进行一第一角运动(θmotor1＝θbac+θcae)；
一第一浮杆，具有一第三长度(a2)，其中，第一浮杆的第一端销接第一游戏杆的第二端；
一第二浮杆，具有一第四长度(Lcm)，其中，第二浮杆的第一端(C)销接该第一浮杆的第二端，第二浮杆的第二端设置一第三马达；
一第二游戏杆，具有一第五长度(a4)，其中，第二游戏杆的第一端(E)连接第二马达，由第二马达带动第二游戏杆进行一第二角运动(θmotor2＝θme+θdem)，第二游戏杆的第二端(D)销接于该第二浮杆且销接点距离该第二浮杆的第一端相距一第六长度(a3)处；以及
一第三游戏杆，具有一第七长度(Lmp)，其中第三游戏杆的第一端(M)连接一第三马达，由第三马达带动第三游戏杆进行一第三角运动。
2.如权利要求1所述的机械手臂，其中，第一角运动(θmotor1＝θbac+θcae)以及第二角运动(θmotor2＝θme+θdem)选自由第一长度(a5)、第二长度(a1)、第三长度(a2)、第四长度(Lcm)、第五长度(a4)以及第六长度(a3)组合的方程式集合。
3.如权利要求2所述的机械手臂，其中，所述方程式集合包含下列拘束方程式：
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θmotor2＝θme+θdem
Dx＝Ex+a1cosθmotor2
Dy＝Ey+a1sinθmotor2
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Cx＝Dx+a3cosθdm
Cy＝Dy+a3sinθdm
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θmotor1＝θcae+θbac
4.如权利要求1所述的机械手臂，其中，第一角运动的范围为0至120度。
5.如权利要求1所述的机械手臂，其中，第二角运动的范围为80至120度。
6.如权利要求1所述的机械手臂，其中，第三角运动的范围为90至120度。
7.如权利要求1所述的机械手臂，其中，还包含:
一控制装置，具有：
一速度调整模块，控制第一角运动、第二角运动以及第三角运动完成该料理翻炒动作所需的时间；
一进退冲程速度比例调整模块，控制第一角运动与第二角运动提供第三马达进行一水平方向动作所需的时间；
一上升时间点调整模块，控制第一角运动与第二角运动提供第三马达进行一垂直方向动作所需的时间；
一关节马达角度范围调整模块，控制第三角运动所需的时间；以及
一初始锅面角度偏移调整模块，控制第三角运动所需的初始角度。
8.一种自动化厨房，其包含：
一如权利要求1至7所述的机械手臂；
一锅具，设置于机械手臂的第三游戏杆第二端；
一加热装置，检测锅具温度，并提供一加热温度；
一备料装置，具有数个备料空间装载食料；以及
一操作装置，用于收到一料理指令时，控制备料装置开启对应的该备料空间，置放食料于锅具内，且控制料理用机械手臂进行一料理翻炒动作，并控制加热装置提供加热温度。
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