CN110338660A - 一种基于物联网的人机交互智能泡茶机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于物联网的人机交互智能泡茶机器人，包括由四根立柱和方形顶构成的机器人架以及控制中心，该机器人还包括横移装置、机械臂、泡茶装置、多自由度茶夹和旋转茶台，所述的多自由度茶夹设置在横移装置上，所述的横移装置设置在机器人架下部，所述的机械臂安装在方形顶上，所述的泡茶装置固定在立柱上，所述的旋转茶台设置在正前方，且与多自由度茶夹相对设置。与现有技术相比，本发明具有适用范围广、功能全面、操作智能方便、体积小巧、全自动等优点。

Description

一种基于物联网的人机交互智能泡茶机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种基于物联网的人机交互智能泡茶机器人。

背景技术

中国是茶的故乡，也是茶文化的发源地。在现有的泡茶机中，有使用陶瓷泡茶壶来保证茶水香味的电子泡茶机，有能控制泡茶时间并自动倒茶的自动泡茶机，还有可以解决各种茶叶不同泡茶过程的问题的多功能自动泡茶机，有些泡茶机也可以实现解决茶水比例、水温控制、时间控制等功能，但这些泡茶机基本都依靠特殊设计的泡茶加热容器和连通管道来实现烧水、泡茶、出茶等功能，所以在茶具选择以及冲泡技术上并不能实现对人工泡茶手艺的模仿。同时现有的泡茶机只是完成了对茶叶的简单冲泡，没有考虑到冲法的讲究，并不具有可观赏性，也不能将各种茶叶的香味和口感进行完全的保留。

现有的自动泡茶机在泡完茶后不能自动处理残余茶叶，仍需要人工清理。在控制方面，缺少可使用手机等移动客户端进行个性化设定和控制的功能，同时不具有语音唤醒和人机交互功能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于物联网的人机交互智能泡茶机器人。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于物联网的人机交互智能泡茶机器人，包括由四根立柱和方形顶构成的机器人架以及控制中心，该机器人还包括横移装置、机械臂、泡茶装置、多自由度茶夹和旋转茶台，所述的多自由度茶夹设置在横移装置上，所述的横移装置设置在机器人架下部，所述的机械臂安装在方形顶上，所述的泡茶装置固定在立柱上，所述的旋转茶台设置在正前方，且与多自由度茶夹相对设置。

所述的泡茶装置包括水加热机构以及分别设置在相邻立柱上的茶壶机构和公道杯机构，所述的茶壶机构包括固定在左后立柱上的茶壶托板以及前后设置在茶壶托板上的茶壶和茶叶盒，所述的公道杯机构包括固定在左前立柱上的公道杯托板以及放置在公道杯托板上的公道杯，所述的茶壶托板上设有用以实现茶壶侧翻的翻板单元，所述的茶壶上设有实现壶盖开闭的壶盖开闭单元。

所述的翻板单元包括依次传动的翻板舵机、翻板曲柄、翻板连杆和茶壶翻板，所述的茶壶翻板一端与茶壶托板表面通过转轴连击，所述的翻板舵机安装在茶壶托板侧面，所述的茶壶底部固定在茶壶翻板上。

所述的壶盖开闭单元包括套设在茶壶壶身上的壶盖座、固定在壶盖座上的壶盖舵机以及与壶盖舵机依次传动的壶盖曲柄和壶盖翻板，所述的壶盖翻板与壶盖连接。

所述的水加热机构包括通过水管依次连接的电加热水壶、水泵和喷头，所述的电加热水壶内设有与控制中心通信的水温探测器，所述的喷头安装在左前立柱上部，通过换向舵机调节喷水角度，并且对准茶壶。

所述的横移装置包括依次传动的步进电机、联轴器、第一同步带轮、轴和第二同步带轮，所述的第一同步带轮和第二同步带轮平行设置且均套设同步带，所述的多自由度茶夹固定在两条同步带上随同步带转动调节前后位置。

所述的多自由度茶夹包括翻转横杆机构和茶夹机构，所述的茶夹机构通过翻转横杆机构与横移装置传动连接，所述的翻转横杆机构包括同轴线设置的翻转伺服电机、翻转横杆和滑块，所述的翻转伺服电机和滑块分别与两条同步带固定连接，并且翻转伺服电机限位在导轨内滑动。

所述的茶夹机构包括设置在翻转横杆上的旋转伺服电机、与旋转伺服电机传动连接的T形架、并排设置在T形架横杆上的多个直角夹板以及设置在T形架竖杆上的叉形杯托，每个直角夹板通过茶夹舵机进行旋转扣合，所述的叉形杯托通过杯托伺服电机进行抬升动作。

所述的机械臂具有5个自由度，包括依次连接的伺服电机、轴座、连接板、U形架和夹子，所述的伺服电机上端固定在方形顶上，所述的夹子通过依次传动的舵机、夹子曲柄和柔性连杆实现夹持动作，所述的夹子口部两侧的内表面还设有凸块。

所述的旋转茶台包括茶台伺服电机、主动同步带轮和水平茶台板，所述的水平茶台板设有两个，其上分别开设用以放置茶杯的U形槽，两个水平茶台板的左右两端分别通过圆角矩形板连接，左侧圆角矩形板中心处设有主动轴，在主动轴依次套设双环同步带轮和主动同步带轮，左侧圆角矩形板两端分别设置水平轴，所述的双环同步带轮分别通过环形同步带与水平轴传动，所述的主动同步带轮通过同步带与茶台伺服电机传动，右侧圆角矩形板中心设有从动轴，所述的从动轴与茶台支座连接，所述的茶台支座固定在右前立柱上，并且通过固定角块限位固定。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、适用范围广泛：机器人模仿人工泡茶手艺，可灵活调整参数和流程，在泡制不同种类茶叶时选用不同的冲泡方法，适应多种需求，同时泡茶过程流畅且具有观赏价值。

二、保留茶香：使用最适合泡茶的传统茶具进行泡茶，能较好的保留茶的口感和香味，同时茶夹、机械臂、茶台等机构与茶具非完全固定连接，茶具均可取下和安装，便于存贮，也可在一定尺寸范围内更换不同材质的茶具，方便使用。

三、功能全面：机器人可以实现从取茶、泡茶到最后清洗等全部泡茶流程，基本不需要人工辅助操作，智能化程度高，使用方便。

四、体积小巧：机器人结构紧凑，各装置基本都集中在机体内部，尺寸合适，使用时占用室内空间少。

五、使用安全便捷：通过旋转茶台机构，可以将茶杯从机体内部输送到外部，实现端茶过程，不仅方便用户取用品茶，还能使干净杯子与脏杯子区域隔离，避免污染，同时也能防止用户与内部茶夹等机构直接接触，安全保护。

六、操作智能方便：使用物联网技术，通过移动客户端就可实现对机器人的个性化设置和全部功能控制，同时人机交互离线唤醒也可进行主要功能控制，联网语音交互技术可以实现人机互动的功能，机器人不仅可以作为生活助手，还具备茶文化宣传的作用。

附图说明

图1为本发明的结构立体图。

图2为本发明泡茶装置结构图。

图3为本发明壶盖开合装置结构示意图。

图4为本发明机械臂立体结构图。

图5为本发明多自由度茶夹立体结构图。

图6为本发明旋转茶台结构示意图，其中图(6a)为立体结构图，图(6b)为俯视图。

图7为本发明电路结构示意框图。

图中标记说明：

1、机架，2、下导轨，3、步进电机，4、上导轨，5、联轴器，6、固定茶台支座，7、多自由度茶夹，8、固定角块，9、轴，10、第二同步带轮，11、同步带，12、机械臂，13、茶叶盒，14、壶盖，15、茶壶，16、喷头，17、水管，18、茶壶翻板，19、茶壶托板，20、公道杯，21、公道杯托板，22、茶杯，23、水平茶台板，24、水泵，25、换向舵机，26、翻板连杆，27、翻板曲柄，28、翻板舵机，29、壶盖翻板，30、壶盖曲柄，31、壶盖舵机，32、壶盖座，33、U形架，34、伺服电机，35、轴座，36、连接板，37、舵机，38、夹子曲柄，39、柔性连杆，40、夹子，41、凸块，42、楔形块，43、翻转伺服电机，44、翻转横杆，45、杯托伺服电机，46、茶夹舵机，47、直角夹板，48、T形架，49、叉形杯托，50、滑块，51、旋转伺服电机，52、主动轴，53、主动同步带轮，54、双环同步带轮，55、环形同步带，56、茶台伺服电机，57、水平轴，58、水平同步带轮，59、从动轴，60、圆角矩形板，61、水槽，62、电加热水壶。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，本发明提供一种基于物联网的人机交互智能泡茶机器人，主要由机器人架、横移装置、机械臂12、泡茶装置、多自由度茶夹7、旋转茶台、控制中心七部分组成。

机器人架由机架1、下导轨2、上导轨4、茶壶托板19、公道杯托板21、固定角块8、水槽61组成，机架1由四根立柱和方形顶连接组成。上导轨4在下导轨2上方，两组上下导轨分别平行固定在机架1两侧，中间形成的空隙用于限制多自由度茶夹7中翻转伺服电机43的移动范围。茶壶托板19与公道杯托板21分别位于机架左侧立柱上，固定角块8固定在机架1前面两根立柱上用于固定茶台支座6，水槽61位于机架1底部前后两面间，用以盛放废茶水。

如图5所示，横移装置由步进电机3、联轴器5、第一同步带轮、轴9、第二同步带轮10、同步带11组成。步进电机3固定在一侧下导轨2后端的上方，输出轴与联轴器5相连，联轴器5与轴9相连，第一同步带轮和第二同步带轮10分别固定在轴9的两段，同步带11分别张紧在第一同步带轮和第二同步带轮10以及配套的从轮上。

如图4所示，机械臂12由U形架33、伺服电机34、轴座35、连接板36、舵机37、夹子曲柄38、柔性连杆39、夹子40、凸块41组成。四个伺服电机34与舵机37通过U形架33、轴座35、连接板36进行顺序连接，构成五自由度机械臂主体部分，夹子40一侧边垂直固定在机械臂末端的连接板36上，柔性连杆39一端连接在夹子40对侧，一端通过夹子曲柄38与舵机37转轴相连，四个凸块41固定在夹子40口部两侧，用于实现与楔形块42的配合连接，楔形块42固定到公道杯20侧壁上。

如图2所示，泡茶装置由电加热水壶62、水泵24、水管17、喷头16、换向舵机25、茶壶15、茶叶盒13、公道杯20、楔形块42、茶壶翻板18、翻板舵机28、翻板曲柄27、翻板连杆26、壶盖14、壶盖座32、壶盖舵机31、壶盖曲柄30、壶盖翻板29组成。电加热水壶62内壁安装水温探测器，并由继电器控制加热通断。水管17将电加热水壶62、水泵24、喷头16依次连接起来，换向舵机25输出轴固定到喷头16拐角侧边。壶盖14依次通过壶盖翻板29、壶盖曲柄30、壶盖舵机31、壶盖座32固定到茶壶15上。茶壶15固定在茶壶翻板18上，茶壶翻板18与茶壶托板19通过铰链相连，同时翻板舵机28、翻板曲柄27、翻板连杆26与茶壶翻板18构成曲柄摇杆机构。

如图5所示，多自由度茶夹7由翻转伺服电机43、翻转横杆44、滑块50、旋转伺服电机51、T形架48、茶夹舵机46、直角夹板47、叉形杯托49、杯托伺服电机45组成。翻转伺服电机43、翻转横杆44、滑块50三者中心轴在一条直线上，依次连接构成横移支撑杆，翻转伺服电机43与滑块50分别固定在两侧同步带11上。旋转伺服电机51固定在翻转横杆44中间，T形架48安装在旋转伺服电机51输出轴上，三组由茶夹舵机46与直角夹板47组成的加紧装置安装在T形架48上，直角夹板47在闭合位置时用以卡住茶杯壁，防止溅洒。叉形杯托49根部固定在杯托伺服电机45输出轴上，杯托伺服电机45安装在T形架48后，用以向上抬举起茶杯22。

如图6所示，旋转茶台由茶台伺服电机56、主动同步带轮53、主动轴52、茶台支座6、双环同步带轮54、环形同步带55、水平同步带轮58、水平轴57、水平茶台板23、圆角矩形板60、从动轴59、茶杯22组成。茶台伺服电机56、茶台支座6固定到机架1上，图6a中双环同步带轮54可见的圆形表面固定到茶台支座6上，不可转动。主动轴52与圆角矩形板60中心固定，双环同步带轮54通过环形同步带55与水平同步带轮58形成行星轮组合结构。水平茶台板23固定在水平轴57上，茶杯22放置在水平茶台板23的U形槽内。

如图7所示，控制中心由中央处理器、物联网模块、语音交互硬件、下位机组成。中央处理器用于各部分信号的接受、处理和发送。物联网模块与服务器实时通信，接受和发送指令。语音交互硬件由四阵列麦克风和扬声器组成，接受语音和进行播报。下位机接受中央处理器发送的指令控制继电器、电动机、伺服电机的运转。

本发明的工作原理如下：

本机器人可通过物联网进行控制，当机器人控制中心、云端服务器、移动端三者匹配完成后，用户通过移动端内应用软件，点击启动按钮，即可将启动指令通过服务器传递给机器人控制中心，控制中心执行相应的程序，机器人启动。

1、取茶叶：启动后机械臂12将夹子40移动到茶叶盒13处，向下夹取单位量的茶叶，将茶叶移动到茶壶15上方(在机械臂12取茶叶时，壶盖舵机31驱动壶盖14翻转打开)，释放茶叶，重复动作至夹取标准量茶叶(调整夹取次数即可改变茶叶量)，机械臂12快速回到初始位置。

2、洗茶(泡茶)：换向舵机25转动，使喷头16喷口对准茶壶位置，控制中心接通水泵24的电源继电器，将电加热水壶62中的热水(水温设定根据移动端应用软件所选茶类型调整成默认值，在启动前初始化时加热完成)通过水管17泵入茶壶15内，水量由茶壶15容量决定，并且满足标准茶叶量对应比例，泵水时间根据水泵24流量计算得出，壶盖14翻转合盖，翻板舵机28通过曲柄摇杆机构使茶壶15翻转，将头冲茶水导入公道杯20中。

3、取茶杯：洗完茶后，多自由度茶夹7由横移装置驱动到旋转茶台中位于下方的水平茶台板23处(初始化时两个水平茶台板23为上下位置设置)，使叉形杯托49伸入到下方三个茶杯22与水平茶台板23中间空隙中，同时驱动茶夹舵机46与杯托伺服电机45，使直角夹板47夹住茶杯22杯沿，叉形杯托49托住茶杯22下杯侧，将三个茶杯22提升至刚刚脱离水平茶台板23的位置，这样杯子就被固定在了T形架48上。在横移装置驱动下，多自由度茶夹7将茶杯22移动到机器人内部，旋转伺服电机51驱动T形架48旋转180°，使杯子22朝内放置，横移装置微调，使杯子22停在合适位置。

4、倒茶水：机械臂12运动到公道杯20处，缓进使得夹子40运动到与楔形块42水平的位置，并使凸块41与楔形块42上的通孔处于可配合状态，舵机37转动使夹子40加紧，凸块41伸入到通孔里，实现限位配合。机械臂12运动将公道杯20里的头冲茶水连续倒入位于T形架48上的三个茶杯22里，倒茶结束后机械臂12将公道杯20放回原来位置。

5、洗茶杯：横移装置微调多自由度茶夹7位置，使茶杯22位于机器人内部略靠后的位置。翻转伺服电机43向着将茶杯22中茶水倒出的方向缓慢转动，同时旋转伺服电机51以较快的频率进行左右往返摇晃，使茶杯22中的茶水可以充分清洗内壁，同时倒水时挂在外壁的茶水也会因为摇晃而充分清洗外壁。倒出的水流进水槽61内，洗杯结束后自由度茶夹7恢复至倒茶水前的位置。

6、端茶：重复执行上述“洗茶(泡茶)”动作，但其中注入热水后，要根据茶叶预留出泡茶时间后再将茶壶15翻转，重复上述“倒茶水”动作，将二冲茶水导入茶杯22中。通过横移装置和旋转伺服电机51运动，使茶杯22运动回“取茶杯”动作时茶杯22提升至刚刚脱离水平茶台板23的位置，直角夹板47与叉形杯托49释放，将茶杯22放置到水平茶台板23的U形槽内。茶台伺服电机56转动180°，通过双环同步带轮54、环形同步带55、水平同步带轮58组成的行星轮结构保证水平茶台板23可围绕主动轴52水平公转，交换上下两组茶杯22位置，未清洗的茶杯22运动到下方，刚刚泡好茶的茶杯22运动到上方，用户即可拿起茶杯饮用，一次泡茶结束。

7、续杯：泡茶结束后，可通过移动客户端选择续杯功能，动作顺序与上述类似，但不执行“取茶叶”和“洗茶”动作。续杯时通过换向舵机25调整喷头16喷口朝向公道杯20位置，直接注入热水，水量与“洗茶(泡茶)”动作水量一致。之后再一次执行“取茶杯”、“倒茶水”、“洗茶杯”、“端茶”动作，续杯结束。

8、清洗：当茶水为无色茶用户需要清理茶叶或结束泡茶时，通过移动客户端选择清洗功能，翻板舵机28驱动茶壶15翻转适当倾角，壶盖舵机31驱动壶盖14翻转打开，换向舵机25不断调整喷头16喷口位置在水流可注入茶壶15的范围内周期变化，同时水泵24泵水，将茶壶15内的茶叶残渣冲入公道杯20中，注水量与“洗茶(泡茶)”动作水量一致，机械臂12夹取公道杯20向水槽61内倒水，重复执行2～3次，完成后复原，清洗结束。

本机器人也可通过人机交互离线唤醒功能进行控制，通过语音识别执行上述泡茶、续杯、清洗功能。通过接入云端数据库，可进行人机智能语音交互，实现音乐播放、天气预报、茶文化介绍等功能。

Claims (10)

1.一种基于物联网的人机交互智能泡茶机器人，包括由四根立柱和方形顶构成的机器人架以及控制中心，其特征在于，该机器人还包括横移装置、机械臂(12)、泡茶装置、多自由度茶夹(7)和旋转茶台，所述的多自由度茶夹(7)设置在横移装置上，所述的横移装置设置在机器人架下部，所述的机械臂(12)安装在方形顶上，所述的泡茶装置固定在立柱上，所述的旋转茶台设置在正前方，且与多自由度茶夹(7)相对设置。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的人机交互智能泡茶机器人，其特征在于，所述的泡茶装置包括水加热机构以及分别设置在相邻立柱上的茶壶机构和公道杯机构，所述的茶壶机构包括固定在左后立柱上的茶壶托板(19)以及前后设置在茶壶托板(19)上的茶壶(15)和茶叶盒(13)，所述的公道杯机构包括固定在左前立柱上的公道杯托板(21)以及放置在公道杯托板(21)上的公道杯(20)，所述的茶壶托板(19)上设有用以实现茶壶(15)侧翻的翻板单元，所述的茶壶(15)上设有实现壶盖开闭的壶盖开闭单元。

3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的人机交互智能泡茶机器人，其特征在于，所述的翻板单元包括依次传动的翻板舵机(28)、翻板曲柄(27)、翻板连杆(26)和茶壶翻板(18)，所述的茶壶翻板(18)一端与茶壶托板(19)表面通过转轴连击，所述的翻板舵机(28)安装在茶壶托板(19)侧面，所述的茶壶(15)底部固定在茶壶翻板(18)上。

4.根据权利要求2所述的一种基于物联网的人机交互智能泡茶机器人，其特征在于，所述的壶盖开闭单元包括套设在茶壶(15)壶身上的壶盖座(32)、固定在壶盖座(32)上的壶盖舵机(31)以及与壶盖舵机(31)依次传动的壶盖曲柄(30)和壶盖翻板(29)，所述的壶盖翻板(29)与壶盖连接。

5.根据权利要求2所述的一种基于物联网的人机交互智能泡茶机器人，其特征在于，所述的水加热机构包括通过水管(17)依次连接的电加热水壶(62)、水泵(24)和喷头(16)，所述的电加热水壶(62)内设有与控制中心通信的水温探测器，所述的喷头(16)安装在左前立柱上部，通过换向舵机(25)调节喷水角度，并且对准茶壶(15)。

6.根据权利要求1所述的一种基于物联网的人机交互智能泡茶机器人，其特征在于，所述的横移装置包括依次传动的步进电机(3)、联轴器(5)、第一同步带轮、轴(9)和第二同步带轮(10)，所述的第一同步带轮和第二同步带轮(10)平行设置且均套设同步带(11)，所述的多自由度茶夹(7)固定在两条同步带(11)上随同步带(11)转动调节前后位置。

7.根据权利要求6所述的一种基于物联网的人机交互智能泡茶机器人，其特征在于，所述的多自由度茶夹(7)包括翻转横杆机构和茶夹机构，所述的茶夹机构通过翻转横杆机构与横移装置传动连接，所述的翻转横杆机构包括同轴线设置的翻转伺服电机(43)、翻转横杆(44)和滑块(50)，所述的翻转伺服电机(43)和滑块(50)分别与两条同步带(11)固定连接，并且翻转伺服电机(43)限位在导轨内滑动。

8.根据权利要求7所述的一种基于物联网的人机交互智能泡茶机器人，其特征在于，所述的茶夹机构包括设置在翻转横杆(44)上的旋转伺服电机(51)、与旋转伺服电机(51)传动连接的T形架(48)、并排设置在T形架(48)横杆上的多个直角夹板(47)以及设置在T形架(48)竖杆上的叉形杯托(49)，每个直角夹板(47)通过茶夹舵机(46)进行旋转扣合，所述的叉形杯托(49)通过杯托伺服电机(45)进行抬升动作。

9.根据权利要求1所述的一种基于物联网的人机交互智能泡茶机器人，其特征在于，所述的机械臂(12)具有5个自由度，包括依次连接的伺服电机(34)、轴座(35)、连接板(36)、U形架(33)和夹子(40)，所述的伺服电机(34)上端固定在方形顶上，所述的夹子(40)通过依次传动的舵机(37)、夹子曲柄(38)和柔性连杆(39)实现夹持动作，所述的夹子(40)口部两侧的内表面还设有凸块(41)。

10.根据权利要求1所述的一种基于物联网的人机交互智能泡茶机器人，其特征在于，所述的旋转茶台包括茶台伺服电机(56)、主动同步带轮(53)和水平茶台板(23)，所述的水平茶台板(23)设有两个，其上分别开设用以放置茶杯(22)的U形槽，两个水平茶台板(23)的左右两端分别通过圆角矩形板(60)连接，左侧圆角矩形板中心处设有主动轴(52)，在主动轴(52)依次套设双环同步带轮(54)和主动同步带轮(53)，左侧圆角矩形板(60)两端分别设置水平轴(57)，所述的双环同步带轮(54)分别通过环形同步带(55)与水平轴(57)传动，所述的主动同步带轮(53)通过同步带与茶台伺服电机(56)传动，右侧圆角矩形板中心设有从动轴(59)，所述的从动轴(59)与茶台支座(6)连接，所述的茶台支座(6)固定在右前立柱上，并且通过固定角块(8)限位固定。