CN109007945B - 一种协同式精准营养食品3d打印系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及食品加工技术领域，公开了一种协同式精准营养食品3D打印系统及方法，包括传送装置、多台3D食品打印机、备用料组件以及六轴机器人。本发明协同式精准营养食品3D打印系统及方法，其系统是通过六轴机器人协同配合的食品3D打印机系统，六轴机器人可以根据预先设定记忆的定位点完成多料筒的自动更换和食品模型的自动出料，实现了食品营养的均衡搭配和食品3D打印生产的完全自动化。同时，采用传送带配合多台食品3D打印机形成了精准营养食品3D打印加工的流水线作业，从而可以根据精准营养食品的原料配比要求分层分区域依次流水制作，实现了由多种食品原料构筑而成的精准营养3D打印食品的自动化加工。

Description

一种协同式精准营养食品3D打印系统及方法

技术领域

本发明涉及食品加工技术领域，尤其涉及一种协同式精准营养食品3D打印系统及方法。

背景技术

3D打印技术，也被称为增材制造技术。它是一种以数字三维CAD模型设计文件为基础，运用高能束源或其他方式，将液体、半流体，粉末等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，构造出物体的技术。3D打印技术应用到各行各业的案例颇多，有一个局限性在于原料过于单一，一般都是一种原料打印成型，如果想使打印机在打印过程中切换物料加工多种原料构筑的食品，对于打印机的结构设计、打印机的程序设计都是一个比较大的挑战。目前国内外的3D打印机一般只能打印出巧克力、糖果等原料单一的产品，且制造速度较慢，加工效率低；大部分食品原料的成分构成比较复杂，受设备精度、物料组合流变学和形状稳定性等因素的限制，许多种类的食品无法打印或打印出的食品表面粗糙，外观、质构等品质稳定性差,营养素构成单一，制作的产品只能满足某一类或少数种类食品的消费需求。同时常规食品3D打印机存在原料的替补问题，固定容积的料筒用完后往往通过人工进行料筒的更换，更换过程费时费力，且影响了食品组成的营养多样性和机械自动化的打印加工效率。

针对婴幼儿、儿童、青少年、白领、老人及糖尿病、高血脂等慢性人群等不同人群营养个性化和特膳食品的需求，开展营养靶向设计，开发多品种原料的科学配伍，制作精准营养供给的个性化食品已经迫在眉睫。将可数据设计的3D打印技术引入食品加工领域，采用多品种的原料混合复配，使蛋白、脂肪、碳水化合物、维生素、矿物质、膳食纤维等营养素及其功能因子按照需求比例加以平衡，在满足原料3D打印适宜性的前提下，打印加工成为营养均衡、美味可口、外观优美、方便食用的新型食品，以实现适合对不同人群或个性化精准营养的配餐供应。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种协同式精准营养食品3D打印系统及方法，以解决现有食品3D打印机难以加工由多种原料构筑的营养均衡性食品以及需要人工更换料筒从而影响自动化加工效率的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种协同式精准营养食品3D打印系统，包括传送装置、多台3D食品打印机、备用料组件以及六轴机器人；

所述传送装置包括传送带以及驱动组件，所述传送带呈C型，所述传送带上沿C型延伸方向间距设置有多个托盘，所述驱动组件驱动所述传送带带动所述托盘移动；

所述多台食品3D打印机安装在所述传送带的上方并沿所述传送带的C型延伸方向间距设置，相邻所述食品3D打印机之间的间距与相邻所述托盘之间的间距相同，所述食品3D打印机包括料筒以及与料筒连接的打印头；

所述备用料组件包括物料台以及设置在所述物料台上的多个备用料筒，所述物料台设置在所述传送带的C型内侧；

所述六轴机器人的端部安装有夹具，所述六轴机器人设置在所述传送带的C型的内部中心位置，所述六轴机器人通过夹具将托盘上加工完成的食品放置到出料处，并通过夹具将备用料筒更换到食品3D打印机的打印头上。

进一步地，所述传送装置还包括传送支架，所述传送支架为与所述传送带适配的C型，所述传送支架在其C型延伸方向上间隔设置有多根传送辊，所述传送带铺设在所述传送辊上；

所述驱动组件为电机，所述电机与位于传送支架的C型末端的传送辊连接并驱动该传送辊带动传送带移动。

进一步地，所述传送支架上设置有两层传送辊，所述传送带覆盖在上层传送辊的上方和下层传送辊的下方形成双层C型连续式循环带。

进一步地，所述食品3D打印机连接有第一电机和第二电机，所述第一电机和第二电机控制所述打印头运行区域在一个平面上。

进一步地，多台所述食品3D打印机分别通过打印机支架安装在所述传送带C型的内侧，所述打印机支架包括横向固定框和竖向立柱，所述食品3D打印机固定在所述横向固定框上，所述竖向立柱的上端与所述横向固定框固定连接，所述竖向立柱的下端与所述传送支架的内侧连接，且所述竖向立柱下端与所述传送支架的固定高度可调。

进一步地，所述夹具上设置有柔性材料。

进一步地，所述料筒远离所述打印头的一端连接有气管，所述气管与气泵连接，所述气管上设置有电磁阀，所述电磁阀控制料筒内的气压间隔性的增加与减小。

进一步地，所述物料台上设置有多个料筒架，所述备用多个料筒设置在所述料筒架上；

所述物料台上还放置有模型铲。

进一步地，多个所述托盘安装在所述传送带长度方向的中心线上。

基于上述目的，本发明还提供了一种协同式精准营养食品3D打印方法，包括上述任一项所述的协同式精准营养食品3D打印系统，所述方法包括如下步骤：

步骤1，将装好物料的备用物料筒放置到料理台上，将各台食品3D打印机上分别安装好装满所需物料的料筒并在料筒远离所述打印头的一端连接好气管；

其中沿传送带的运行方向各台食品3D打印机的打印头距离托盘的距离依次递增，各台食品3D打印机分别正对所述传送带上的一个托盘，沿传送带的运行方向各个食品3D打印机的料筒依次放置待加工食品从下到上的各层或各区域物料；

步骤2，启动协同式精准营养3D食品打印系统，第一个工位的食品3D打印机通过机器人精准营养设计程序中设置的营养需求，按数量要求分别取其对应料筒中的物料在托盘上打印完一层物料，传送带将托盘输送至第二工位，第二工位的食品3D打印机又通过机器人程序中设置的营养需求，按数量要求再分取其对应料筒中的物料打印上一层物料后，传送带继续将托盘输送到第三工位，第三工位的食品3D打印机再进行一层物料打印，依次流水式地旋转打印，直到最后一个工位的食品3D打印机通过机器人程序中设置的营养需求打印完食品的最后一层物料同时相应获得立体的、具有多种物料和多种营养成分精准组合的3D打印食品；

步骤3，六轴机器人根据预先设定的食品铲的定位点夹取物料台上的食品铲，调整角度将步骤2打印的食品坯铲起放到传送带之外的固定出料位，托盘继续随传送带输送到第一工位循环利用；

步骤4，其中一个工位的食品3D打印机的料筒内物料用完后，六轴机器人根据预先设定的该料筒的定位点先将该工位的料筒上的气管拔下，再将料筒从打印头上拆卸下来并放置到物料台上；

然后六轴机器人再根据预先设定的该工位物料对应的备用料筒的定位点，夹取物料台上放置有该工位所需备物料的备用料筒，安装在该工位的打印头上；

最后六轴机器人将气管重新插接到新安装的料筒上，从而完成一次料筒更换。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明协同式精准营养3D食品打印系统及方法，其系统是通过六轴机械人协同配合的3D食品打印机系统。六轴机器人的运动特性使其端部能运行到绕其一周的一定半径范围内的球形空间中的每一点，所以利用六轴机器人这种特性，可以根据预先设定的精准营养需求、记忆的定位点完成从料筒的取料、料筒的自动更换和食品打印的自动出料；实现了3D打印食品生产的完全自动化。同时，采用传送带配合多台食品3D打印机形成了食品加工的流水线作业，从而可以根据食品模型的层数分层依次流水制作，实现了多种原料和多种营养成分构筑食品的自动化加工。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例协同式精准营养食品3D打印系统的示意图；

图2是本发明实施例协同式精准营养食品3D打印系统的食品打印机以及打印机支架的组装示意图；

图3是本发明实施例协同式精准营养食品3D打印系统的传送装置的示意图；

图4是本发明实施例协同式精准营养食品3D打印系统的传送带的缠绕示意图。

图中：1：传送装置，11：传送辊，11a：主动辊筒，12：驱动电机，13：传送带，14：支腿架，15：槽板；2：托盘；3：食品3D打印机组件，31：横向固定框，32：竖向立柱，33：料筒，34：打印头，35：气管，36：气泵，37：第一电机，38：第二电机；4：备用料组件，41：料理台，42：料筒架，43：备用料筒，44：料理台支架；5：六轴机器人，51：机器人安装基础。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

如图1所示，本发明实施例提供的协同式多层3D食品打印系统，包括传送装置1、多台食品3D打印机组件3、备用料组件4以及六轴机器人5。

所述传送装置1包括传送支架、传送带13以及驱动组件。所述传送支架的整体形状呈C型，其包括呈C型延伸的两相对设置并形成容置槽的槽板15以及设置在槽板15下方支撑所述槽板的支腿架14，其中所述支腿架14沿所述槽板15的C型延伸方向间距设置有多组。所述两相对槽板15之间安装有多根传送辊11，多根传送辊11沿槽板15的C型延伸方向间距排列，且多根传送辊11呈上下两层间距设置。所述传送带13覆盖在上层的传送辊11的上方以及下层的传送辊11的下方，如图1或3所示，传送带13是传送带缺口处的主动辊筒11a绕行形成一个双层C型的连续式效果循环带。所述驱动组件优选为驱动电机12，其设置在C型槽板15靠近开口的位置的下方的支腿架14上，驱动电机12的输出轴与C型槽板15靠近开口的位置的传送辊(为了方便描述，此根传送辊定义为主动辊筒11a)连接并驱动该传送辊(主动辊筒11a)带动传送带13移动。其中，所述主动辊筒11a对应的槽板15上设置有与主动辊筒11a适配的带座轴承。所述传送带13上间距固定有多个托盘2。

所述多台食品3D打印机组件3安装在所述传送带13的上方并沿所述传送带13的长度方向均匀间距设置，相邻所述食品3D打印机组件的食品3D打印机之间的间距与相邻所述托盘2之间的间距相同，所述食品3D打印机包括料筒33、与料筒33连接的打印头34。

所述备用料组件4设置在所述传送带的C型内侧的物料台41，所述料理台通过物料台支架44支撑，其上放置有多个料筒架42，所述料筒架42设置有多个与备用料筒43适配的容置孔，并在所述容置孔内放置多个备用料筒43。

所述六轴机器人5的端部安装有夹具，所述六轴机器人通过机器人安装基础51设置在所述传送带13的C型的中心位置，其作用是通过夹具将加工完成的托盘2上的3D打印食品坯放置到出料处，并通过夹具将备用料筒43更换到打印机的打印头34上。

可以理解的是，所述传送支架为C型，相应的传送带13为与之匹配的C型，其相同于在一个环状的传送带一侧预留一个缺口，该缺口的作用可以方便系统的各个构件的维修以及调试。

本发明实施例协同式精准营养食品3D打印系统的食品打印机可以采用两个电机进行控制，也即每个食品3D打印机连接有第一电机37和第二电机38，所述第一电机37控制打印头34在平面坐标系的X方向运动，第二电机38控制打印头34在平面坐标系的Y方向运动，也即第一电机37和第二电机38控制所述打印头运行区域在一个平面上。本发明实施例协同式多层3D食品打印系统的食品3D打印机可采用如图2所示的打印机支架进行固定。如图2所示，所述打印机支架包括横向固定框31和竖向立柱32，所述食品3D打印机的第一电机37、第二电机38、料筒33以及打印头34固定在所述横向固定框31上，所述竖向立柱32的上端与所述横向固定框31固定连接，所述竖向立柱32的下端与所述传送支架的内侧连接，且所述竖向立柱32下端与所述传送支架的固定高度可调。

可以理解的是，3D打印机支架的竖向立柱32与所述传送支架的固定高度可调指的是，3D打印机支架的竖向立柱32与传送支架的固定位置不同可以实现横向固定框31以及其上的食品3D打印机高度的调节，也即实现了打印头34与传送带13之间的距离的调节，从而使食品3D打印机能够适应不同的打印高度差。

优选的，食品3D打印机采用压缩空气挤料方式，通过气管35向料筒33内加压，使物料被挤出。具体的设置是所述料筒33远离所述打印头34的一端连接有气管35，所述气管35与所述气泵36连接，所述气泵36安装所述横向固定框31上；同时为了控制物料的间隔挤出，所述气管上设置有电磁阀。

可以理解的是，气泵36可以选用小型气泵即可，其是持续加压，但是本实施例协同式精准营养食品3D打印系统的打印机在不需要打印的区域，料筒内的压力需要放掉，以防物料被持续挤出，所以在气管上设置电磁阀控制料筒内的气压间隔性的增加与减小。

需要说明的是，本发明实施例的食品3D打印机不限于上述给出的形式，其可以直接采用带有Z轴升降功能的三维打印机，则单个打印机也可以实现立体打印而不需要打印机支架的高度调节。

本发明实施例协同式精准营养食品3D打印系统为了增强六轴机器人5的夹具的抓握能力，可在所述夹具的手指上安装柔性材料使夹持物品时能增大摩擦力。为了保证加工完成的食品洁净，所述料理台41上还放置有食品铲，所述食品铲用于将加工完成的食品坯铲起并输送到出料处。

优选的，所述托盘2安装所述传送带13的长度方向的中心线上，相应的多台3D打印机的打印头34也处于传送带13的中心线上。

需要说明的是，本发明实施例协同式精准营养食品3D打印系统的六轴机器人5在使用前需要预先设定好定位点，该定位点包括各个食品3D打印机的料筒33的位置、料筒33的气管35在安装时的位置以及气管35拆卸下后的位置、各种备用料筒43的相应放置位置、模型铲的位置以及出料处的位置。也即，六轴机器人5需要完成的动作以及其动作对应的构件的位置均需要预先设置记忆的定位点。

本发明实施例还提供一种针对上述协同式精准营养食品3D打印系统的协同式精准营养食品3D打印方法，其包括上述的协同式精准营养食品3D打印系统。具体方法如下。

步骤1，将固定容积的装好物料的备用料筒放置到料理台上，将各台食品3D打印机上分别按照好装满营养成分已知的所需物料的料筒并在料筒远离所述打印头的一端连接好气管；其中沿传送带的运行方向各台食品3D打印机的打印头的距离托盘的距离依次越大，各台食品3D打印机分别正对所述传送带上的一个托盘，沿传送带的运行方向各个食品打印机的料筒内依次放置待加工食品从下到上的各层或各区域物料。

可以理解是是，沿传送带的运行方向各台食品3D打印机的打印头的距离托盘的距离依次越大也即每个工位按照料头出料直径需要递增高度，其是为了形成3D打印食品的立体叠加效果。

步骤2，启动协同式精准营养食品3D打印系统，第一个工位的食品3D打印机通过机器人精准营养设计程序中设置的营养需求，按数量要求分取其对应料筒中的物料在其对应的托盘上打印完一层物料，传送带将托盘输送至第二工位，第二工位的食品3D打印机进行打印上一层物料后，传送带继续将托盘输送到第三工位，第三工位的食品3D打印机再进行一层物料打印，依次流水式循环打印，直到最后一个工位的食品3D打印机打印完食品的最后一层物料，同时相应的获得立体的、具有多种物料和多种营养成分组合的3D打印食品。

例如，3D打印的营养食品如馅饼，可以通过第一工位的食品打印机在底层打印一层面饼坯，再通过第二工位的食品3D打印机打印一层肉泥，通过第三工位的食品打印机再打印一层蔬菜泥，通过第四工位的食品3D打印机再打印一层面饼坯，经过烘焙即可食用。

步骤3，六轴机器人夹取根据预先设定的模型铲定位点夹取物料台上的食品铲，调整角度将步骤2打印的食品铲起放到传送带之外的固定出料位，托盘继续随传送带输送到第一工位循环利用。

步骤4，其中一个工位的食品3D打印机的料筒内物料用完后，六轴机器人根据预先设定该料桶的定位点先将该工位的料筒上的气管拔下，再将料筒从打印头上拆卸下来并放置到料理台上，然后六轴机器人再根据设定的该料桶对应的备用料桶的定位点拿取料理台上放置有该工位所需备物料的备用料筒安装在该工位的打印头上，最后将气管重新插接到新安装的料筒上，从而完成一次料筒更换。

本发明协同式精准营养食品3D打印系统及方法利用六轴机器人的端部能运行到绕其一周的一定半径范围内的球形空间中的每一点的运动特性，从而六轴机器人可以根据预先设定记忆的定位点拔出打印机上面的气管，取下打印机上面的料筒，从料筒架上夹取一个料筒放在打印机上，然后塞入气管，从而完成一台3D打印机的料筒更换。为了方便气管的插拔，气管与料筒的连接最好做成快接头形式，并且每次拔下来后气管端部需放置在固定的位置，以便机器人能按照记忆中的定位去进行抓取。同时，六轴机器人可以根据记忆的定位点夹取料理台上的固定位置摆放的食品铲，调整角度将食品铲起放置在传送带之外的固定出料位，实现了打印食品的自动出料。

本发明协同式精准营养食品3D打印系统及方法流水式的打印策略能实现打印机不停机打印，自动化程度高，且可以在托盘上对打印的食品进行再装饰，如在打印的蛋糕上装装饰不同的水果泥三维造型等。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种协同式精准营养食品3D打印系统，其特征在于：包括传送装置、多台3D食品打印机、备用料组件以及六轴机器人；

所述传送装置包括传送带以及驱动组件，所述传送带呈C型，所述传送带上沿C型延伸方向间距设置有多个托盘，所述驱动组件驱动所述传送带带动所述托盘移动；

所述多台食品3D打印机安装在所述传送带的上方并沿所述传送带的C型延伸方向间距设置，相邻所述食品3D打印机之间的间距与相邻所述托盘之间的间距相同，所述食品3D打印机包括料筒以及与料筒连接的打印头；

所述备用料组件包括物料台以及设置在所述物料台上的多个备用料筒，所述物料台设置在所述传送带的C型内侧；

所述六轴机器人的端部安装有夹具，所述六轴机器人设置在所述传送带的C型的内部中心位置，所述六轴机器人通过夹具将托盘上加工完成的食品放置到出料处，并通过夹具将备用料筒更换到食品3D打印机的打印头上；

所述食品3D打印机连接有第一电机和第二电机，所述第一电机和第二电机控制所述打印头运行区域在一个平面上。

2.根据权利要求1所述的协同式精准营养食品3D打印系统，其特征在于：所述传送装置还包括传送支架，所述传送支架为与所述传送带适配的C型，所述传送支架在其C型延伸方向上间隔设置有多根传送辊，所述传送带铺设在所述传送辊上；

所述驱动组件为电机，所述电机与位于传送支架的C型末端的传送辊连接并驱动该传送辊带动传送带移动。

3.根据权利要求2所述的协同式精准营养食品3D打印系统，其特征在于：所述传送支架上设置有两层传送辊，所述传送带覆盖在上层传送辊的上方和下层传送辊的下方形成双层C型连续式循环带。

4.根据权利要求1所述的协同式精准营养食品3D打印系统，其特征在于：多台所述食品3D打印机分别通过打印机支架安装在所述传送带C型的内侧，所述打印机支架包括横向固定框和竖向立柱，所述食品3D打印机固定在所述横向固定框上，所述竖向立柱的上端与所述横向固定框固定连接，所述竖向立柱的下端与所述传送支架的内侧连接，且所述竖向立柱下端与所述传送支架的固定高度可调。

5.根据权利要求1所述的协同式精准营养食品3D打印系统，其特征在于：所述夹具上设置有柔性材料。

6.根据权利要求1-5任一项所述的协同式精准营养食品3D打印系统，其特征在于：所述料筒远离所述打印头的一端连接有气管，所述气管与气泵连接，所述气管上设置有电磁阀，所述电磁阀控制料筒内的气压间隔性的增加与减小。

7.根据权利要求1-5任一项所述的协同式精准营养食品3D打印系统，其特征在于：所述物料台上设置有多个料筒架，多个所述备用料筒设置在所述料筒架上；

所述物料台上还放置有模型铲。

8.根据权利要求1-5任一项所述的协同式精准营养食品3D打印系统，其特征在于：多个所述托盘安装在所述传送带长度方向的中心线上。

9.一种协同式精准营养食品3D打印方法，包括利用上述权利要求1-8任一项所述的协同式精准营养食品3D打印系统，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，将装好物料的备用料筒放置到料理台上，将各台食品3D打印机上分别安装好装满所需物料的料筒并在料筒远离所述打印头的一端连接好气管；

其中沿传送带的运行方向各台食品3D打印机的打印头距离托盘的距离依次递增，各台食品3D打印机分别正对所述传送带上的一个托盘，沿传送带的运行方向各个食品3D打印机的料筒依次放置待加工食品从下到上的各层或各区域物料；

步骤2，启动协同式精准营养3D食品打印系统，第一个工位的食品3D打印机通过机器人精准营养设计程序中设置的营养需求，按数量要求分别取其对应料筒中的物料在托盘上打印完一层物料，传送带将托盘输送至第二工位，第二工位的食品3D打印机又通过机器人程序中设置的营养需求，按数量要求再分取其对应料筒中的物料打印上一层物料后，传送带继续将托盘输送到第三工位，第三工位的食品3D打印机再进行一层物料打印，依次流水式地旋转打印，直到最后一个工位的食品3D打印机通过机器人程序中设置的营养需求打印完食品的最后一层物料同时相应获得立体的、具有多种物料和多种营养成分精准组合的3D打印食品；

步骤3，六轴机器人根据预先设定的食品铲的定位点夹取物料台上的食品铲，调整角度将步骤2打印的食品坯铲起放到传送带之外的固定出料位，托盘继续随传送带输送到第一工位循环利用；

步骤4，其中一个工位的食品3D打印机的料筒内物料用完后，六轴机器人根据预先设定的该料筒的定位点先将该工位的料筒上的气管拔下，再将料筒从打印头上拆卸下来并放置到物料台上；

然后六轴机器人再根据预先设定的该工位物料对应的备用料筒的定位点，夹取物料台上放置有该工位所需备物料的备用料筒，安装在该工位的打印头上；

最后六轴机器人将气管重新插接到新安装的料筒上，从而完成一次料筒更换。

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