CN108237546B - 一种自动喂饭机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动喂饭机，包括机架，其特征在于：在机架上安装有喂饭机构、喂菜机构、换菜机构、控制机构；其中：喂饭机构是采用勺子与电机结合实现循环往复的喂饭，换菜机构由电机驱动旋转盘带动旋转盘上的菜盘做精确旋转运动，实现不同菜之间相互切换，机械臂机构与机械手爪相互配合实现本台机器的喂菜功能，控制机构利用单片机编程来控制舵机和电机的运转，以实现各个机构运转的动作次序配合关系，从而达到喂饭和喂菜的功能，本发明结构简单、功能强大，且成本低廉、简单易修理。

Description

一种自动喂饭机

技术领域：

本发明涉及一种喂饭机器人，具体是指一种能实现自动喂饭、智能选菜、自动喂菜以及饭菜切换的自动喂饭机。

背景技术：

随着技术的提升，越来越多的问题得以解决。但有些状况是目前科技难以解决的，而残疾人的生活状况就是其中一个沉重的话题，目前国家也越来越重视这个问题。据中国残联最新统计，中国的残疾人总数已达8500万，约占中国总人数的6.21%。当然这个比例在医院中还会进一步扩大，而我国助残机械发展较晚，正处于起步阶段，所获得的研究成果并没有国外那么显著。长此以往残疾人的生活现状难以改变，容易对生活失去信心。

照顾残疾人需要巨大的人力和物力，但就目前情况而言这对于个人、乃至社会都难以实现。针对于双臂不便的病人和失去双臂的残疾人，自动喂饭机得以出现，自动喂饭机能大规模应用在医院等场所或亲人因时间紧迫不能照顾残疾人的时候，可以减少人力，解放照看者的时间、方便残疾人和提高残疾人生活质量。

现有的自动喂饭机器人，多采用齿轮或液压传动，传动结构较为复杂，而其存在的主要缺点是：结构功能单一，例如：CN205094881U、CN205339230U、CN201684277U等，其主要是通过一组驱动装置和传动机构来实现自动喂饭功能，其能实现的动作比较单一，功能较少，例如当病人需要实现饭菜的切换、或者在多种菜肴之间进行选菜、换菜时，这些功能均无法实现。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种能实现自动喂饭、智能选菜、自动喂菜以及饭菜切换的自动喂饭机。

本发明采取的技术方案如下：

一种自动喂饭机，包括机架，其特征在于：在机架上安装有喂饭机构、喂菜机构、换菜机构、控制机构；

喂饭机构包括第一支架，第一支架竖直安装于机架上，升降平台与导轨滑动连接，升降平台为水平放置，用于放置饭碗，调节装置用于调节升降平台的高度，在第一支架的一侧设置有第二支架，第二支架竖直安装于机架上，在第二支架上部连接有悬臂梁，舵机安装于悬臂梁上，勺子通过托盘与舵机相连，勺子可以在舵机的驱动下进行旋转运动；

喂菜机构包括第三支架，第三支架竖直安装于机架上，驱动电机安装于第三支架上，机械臂与驱动电机联动连接，驱动电机控制机械臂的转向，机械爪与机械臂相连，张合舵机、旋转舵机分别与机械爪联动连接，控制着机械爪的张合及转动；

换菜机构包括一转盘，转盘安装于机架上的工作面板上，驱动电机安装于转盘的下方，转盘与驱动电机联动连接，并在驱动电机的作用下完成转动，在转盘上设置有若干圆形的定位槽，菜碗置于定位槽内，定位槽的尺寸与菜碗的尺寸相匹配。

进一步的设置在于：

机架采用角铝机架，通过角铝和螺丝螺母组建而成，在机架上置有一工作面板。

机架使用20mmX20mm的角铝，机架长度为735mm、宽度为235mm、高度为350mm。

舵机采用MG995舵机，最大转动角度为270°，最大扭矩为13KG/cm，舵机的一端连接于长150mm的悬臂梁，悬臂梁的材料也是20mmX20mm的角铝，舵机的前端安装有直径为50mm的托盘，托盘的边缘安装一个喂饭的勺子。

正常状态下，勺子位于饭碗的右边且端面与水平面呈45°角。

所述的喂菜机构，驱动电机采用了37GBT-555直流减速电机，电机的末端接在两根长350mm的角铝支架上，通过角铝支架与第三支架相连接，电机的安装与水平面成一定的角度，该角度为0～30度，电机的另一端连接着整个机械臂，通过电机的旋转带动机械臂做扇形运动，由于电机斜置的原因，可以使机械臂在做扇形运动的同时，又完成了斜向上的运动，从而方便将菜送至使用者的口中。

机械臂的一端连接有机械爪，机械爪设计有两个MG995舵机，其中一个控制机械爪的张合，完成夹菜、喂菜动作，另外一个舵机为旋转舵机，用于定位机械爪的位置，并配合机械臂完成送菜动作。

所述的换菜机构，驱动电机采用JGB37-520B减速电机。

所述的换菜机构，转盘采用十字形转盘，采用两块厚4.5mm、宽100mm长200mm的钢板相互交叉配合形成。

所述的换菜机构，定位槽用于承载和固定菜碗，定位槽直径设计为100～200mm直径。

所述的控制机构，包括控制面板和控制元件，控制元件主要由单片机和继电器组成，单片机采用单片机STC12C5A60S2，利用单片机编程来控制各舵机和电机的运转，以实现各个机构运转的动作次序配合关系，从而达到喂饭和喂菜的功能，继电器采用固体继电器。

本发明的有益效果如下：

1、用机械的可靠性代替单一反复的人工喂饭，在减少人工劳动强度的同时又增加喂饭的效率。

2、轻量化的机身能够方便携带和运输，在需要经常移动的场合下相当于增加了该机器的实用性。

3、简单的机械结构与条理清晰的功能区域能让使用者快速上手，方便使用者的理解与使用。

4、不同于国外部分喂饭机器，本机器并没有采用更为复杂的机械手臂，而是创新的将二维手臂和转盘的相结合，这样一来降低了整台机器的成本便于以后在市场上的大规模推广。

5、采用独特的喂饭机构，以及互相配合的选菜和换菜机构，结构简单，功能强大。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明：

图1为本发明的正面结构示意图；

图2为本发明的侧面结构示意图；

图3为本发明的俯视状态图；

图4为本发明三维结构示意图；

图5为本发明另一工作状态图；

图6为本发明控制面板的示意图。

具体实施方式：

如图1-图6所示，本发明的一种自动喂饭机，包括机架1，在机架1上安装有喂饭机构2、喂菜机构3、换菜机构4、控制机构5。

机架1：

机架1采用角铝机架，通过角铝和螺丝螺母组建而成，可以更据不同工作环境来进行微调，从而保证了使用的便利性，便于拆卸，方便清洗和运输，成本低廉，简单易修理，在机架1上置有一工作面板10。

机架1设计的主要目的是稳定机器的运转，同时能够配合喂菜功能与喂饭功能的进行。机架1材料方面选用的是角铝，它能很好的稳定机体并减轻机体重量。根据实验统计测量，旋转使用的是20mmX20mm的角铝，并设计了长度为735mm、宽度为235mm、高度为350mm的机架。

喂饭机构2：

本发明采用旋转式喂饭机构，通过勺子与电机结合实现循环往复的喂饭。

喂饭机构2包括第一支架20，第一支架20竖直安装于机架1上，升降平台21与导轨20滑动连接，升降平台21为水平放置，用于放置饭碗22，调节装置23可以根据使用者的高度要求，用于调节升降平台21的高度，调节装置23可以采用调节螺栓等结构，在第一支架20的一侧设置有第二支架24，第二支架24竖直安装于机架1上，在第二支架24上部连接有悬臂梁25，舵机26安装于悬臂梁25上，舵机26优选采用MG995舵机，勺子28通过托盘27与舵机26相连，勺子28可以在舵机26的驱动下进行旋转运动。

旋转喂饭功能：本发明将喂饭与喂菜分开实施，喂饭采用旋转式喂饭机构，具体工作过程如下：

在正常情况下，饭碗22置于平台21上，此时电机处于初始位置，勺子28位于饭碗22的右侧，实行取饭功能时，MG995舵机顺时针转动半圈，勺子28在MG995舵机的带动下自右端转到饭碗的左端，这样通过MG995舵机带动勺子28旋转实现取饭，取饭完成后使用者就可以吃勺中的饭了。整个喂饭功能，代替了人手动喂饭，减少了人力成本增加了喂饭的效率。

设计特点：在考虑到要减轻机器重量后，需要采取最简单的机械结构来实现，因此在喂饭方面，单独采用了一个MG995舵机，其最大转动角度为270°，最大扭矩为13KG/cm，舵机的一端连接于长150mm的悬臂梁，悬臂梁的材料也是20mmX20mm的角铝，舵机的前端安装有直径为50mm的托盘，托盘的边缘安装一个喂饭的勺子，正常状态下，勺子位于饭碗的右边且端面与水平面呈45°角。

喂菜机构3：

喂菜机构3包括第三支架30，第三支架30竖直安装于机架1上，驱动电机31安装于第三支架30上，机械臂32与驱动电机31联动连接，驱动电机31控制机械臂32的转向，机械爪33与机械臂32相连，张合舵机34、旋转舵机35分别与机械爪33联动连接，控制着机械爪33的张合及转动。

本发明的喂菜机构3：主要是两部分动作，一部分是夹菜，在夹菜之前，首先通过机械臂32与机械爪33之间的旋转舵机35运转，来调节机械爪33偏转的角度，以迎合不同情况下的菜，到达指定位置后，通过张合舵机34控制机械爪33闭合实现夹菜；夹菜完成后，通过旋转舵机35与机械臂32末端的驱动电机31之间的相互旋转配合，来将菜送入使用者的口中。

设计特点：本发明的喂菜动作主要是通过机械臂32和机械爪33来实现的，而为了实现整个手臂的运动，本发明的驱动电机31采用了37GBT-555直流减速电机，电机的末端接在两根长350mm的角铝支架36上，通过角铝支架36与第三支架30相连接，电机的安装角度，可以通过角铝支架36进行调节，优选与水平面成一定的角度，这个角度可以根据实际情况进行微调，优选在0～30度，电机的另一端连接着整个机械臂32，通过电机31的旋转带动机械臂32做扇形运动，由于电机斜置的原因，可以使机械臂32在做扇形运动的同时，又完成了斜向上的运动，从而方便将菜送至使用者的口中。机械臂32的一端连接有机械爪33，机械爪设计有两个MG995舵机，其中一个控制机械爪的张合舵机34，完全夹菜、喂菜动作，另外一个舵机为旋转舵机35，用于定位机械爪的位置，并配合机械臂32完成送菜动作。

换菜机构4：

换菜机构4采用旋转换菜机构，由电机驱动旋转盘带动旋转盘上的菜盘做精确旋转运动，实现不同菜之间相互切换。

换菜机构4包括一转盘40，转盘40安装于机架1上的工作面板10上，驱动电机41安装于转盘40的下方，转盘40与驱动电机41联动连接，并在驱动电机41的作用完成转动，在转盘40上设置有若干圆形的定位槽42，菜碗43置于定位槽42内，定位槽42的尺寸与菜碗43的尺寸相匹配。

优选地：

所述驱动电机41采用JGB37-520B减速电机。

所述的转盘40优选采用十字形转盘，特别优选采用两块厚4.5mm、宽100mm长200mm的钢板相互交叉配合形成。

所述的定位槽42，用于承载和固定菜碗43，主要是针对日常使用的4.5寸碗，直径设计为100～200mm直径，转盘与定位槽的设计，足以适用目前世面上绝大多的盘子和碗的规格。

设计特点：首先计算了喂菜机构的机械手臂的长度，随后在距离基座中心向外400mm处设置了一个电机槽，将JGB37-520B的12V电机放入槽中，电机的上端再连接换菜的转盘，通过控制机构来控制电机转动的角度，实现自动换菜功能，这样，通过换菜机构与喂菜机构的配合，增加了喂菜的多样化与效率。

控制机构5：

控制机构5包括控制面板和控制元件，控制元件（图中未示出）主要由单片机和继电器组成，本实施例中采用单片机STC12C5A60S2，利用单片机编程来控制各舵机和电机的运转，以实现各个机构运转的动作次序配合关系，从而达到喂饭和喂菜的功能。

控制面板：

为了让使用人更好地操控机器，整个控制面板51设置有喂菜52、喂饭53、换菜54三个开关，简单易懂，按对应的开关做对应的事，由于使用人群的双臂不便，可以将开关做大，方便使用人员使用其他部位控制，增强了机器的可操作性。在控制面板51的下方设有总开关55、复位指示灯56、复位开关57，由放菜的人进行操作使机器做到随开随停，避免了人为调试的复杂性，也降低了机器配合出错的可能性，保证了被服务人员的安全。

单片机STC12C5A60S2：

本实施例中，选用的单片机STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合，其工作电压通常为3.5V～5.5V，完全满足设计需求。

继电器：

继电器采用固体继电器，由单片机控制进行吸合、释放，起到以小电流控制大电流的“自动开关”作用，能够实现电路的自动调节、安全保护、转换电路等功能。

本发明自动喂饭机的工作原理及性能分析：

本发明功能主要分为四个部分：喂饭部分、喂菜部分、换菜部分和控制部分。喂饭部分采用了舵机旋转的原理，同时斜置的勺子，更好的使喂饭方面的动作做到了最大化。换菜部分是由转盘与电机组成，其主要利用了电机的间断的转动，即通过设定每一次使电机只转动90°就停止。喂菜部分利用了菜与人嘴之间的斜度设计，将整个机械臂与电机的角度安装，减少了材料的使用，简化了机械臂的难度；之后又利用了舵机的扭矩，使机械爪之间能够紧紧的咬合在一起，机械爪与机械臂的连接处设有转动舵机，通过舵机的转动带动机械爪的转动。电气控制部分采用单片机STC12C5A60S2和固体继电器，协调各功能模块之间的工作。经实验，本发明的喂饭与喂菜效率可达：12次/min。

Claims (8)

1.一种自动喂饭机，包括机架，其特征在于：在机架上安装有喂饭机构、喂菜机构、换菜机构、控制机构；

喂饭机构包括第一支架，第一支架竖直安装于机架上,导轨安装于第一支架上，升降平台与导轨滑动连接，升降平台为水平放置，用于放置饭碗，调节装置用于调节升降平台的高度，在第一支架的一侧设置有第二支架，第二支架竖直安装于机架上，在第二支架上部连接有悬臂梁，舵机安装于悬臂梁上，勺子通过托盘与舵机相连，勺子在舵机的驱动下进行旋转运动；

喂菜机构包括第三支架，第三支架竖直安装于机架上，驱动电机安装于第三支架上，机械臂与驱动电机联动连接，驱动电机控制机械臂的转向，机械爪与机械臂相连，张合舵机、旋转舵机分别与机械爪联动连接，控制着机械爪的张合及转动；

所述的喂菜机构，驱动电机采用了37GBT-555直流减速电机，电机的末端接在两根长350mm的角铝支架上，通过角铝支架与第三支架相连接，电机的安装与水平面成一定的角度，该角度为0～30度，电机的另一端连接着整个机械臂，通过电机的旋转带动机械臂做扇形运动，通过电机斜置，使机械臂在做扇形运动的同时，又完成了斜向上的运动，方便将菜送至使用者的口中；

机械臂的一端连接有机械爪，机械爪设计有两个MG995舵机，其中一个控制机械爪的张合，完成夹菜、喂菜动作，另外一个舵机为旋转舵机，用于定位机械爪的位置，并配合机械臂完成送菜动作；

换菜机构包括一转盘，转盘安装于机架上的工作面板上，驱动电机安装于转盘的下方，转盘与驱动电机联动连接，并在驱动电机的作用下完成转动，在转盘上设置有若干圆形的定位槽，菜碗置于定位槽内，定位槽的尺寸与菜碗的尺寸相匹配。

2.根据权利要求1所述的一种自动喂饭机，其特征在于：机架采用角铝机架，通过角铝和螺丝螺母组建而成，在机架上置有一工作面板。

3.根据权利要求2所述的一种自动喂饭机，其特征在于：机架使用20mmX20mm的角铝，机架长度为735mm、宽度为235mm、高度为350mm。

4.根据权利要求1所述的一种自动喂饭机，其特征在于：舵机采用MG995舵机，最大转动角度为270°，最大扭矩为13KG/cm，舵机的一端连接于长150mm的悬臂梁，悬臂梁的材料为20mmX20mm的角铝，舵机的前端安装有直径为50mm的托盘，托盘的边缘安装一个喂饭的勺子。

5.根据权利要求1所述的一种自动喂饭机，其特征在于：正常状态下，勺子位于饭碗的右边且端面与水平面呈45°角。

6.根据权利要求1所述的一种自动喂饭机，其特征在于：所述的换菜机构，驱动电机采用JGB37-520B减速电机。

7.根据权利要求1所述的一种自动喂饭机，其特征在于：所述的换菜机构，转盘采用十字形转盘，采用两块厚4.5mm、宽100mm长200mm的钢板相互交叉配合形成。

8.根据权利要求1所述的一种自动喂饭机，其特征在于：所述的换菜机构，所述的定位槽，用于承载和固定菜碗，直径设计为100～200mm直径。