CN110889931A - 斟杯式多品种饮料供应机器人及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种斟杯式多品种饮料供应机器人及其使用方法，机器人包括机器人本体、存储装置、出料装置、分杯器和抓杯机械手，机器人本体的左右两侧分别带有第一手臂和第二手臂，第一手臂的手腕处设置出料装置，第二手臂的手腕处设有抓杯机械手，存储装置和分杯器分别设于机器人本体内部，存储装置和出料装置相连接，抓杯机械手位于分杯器的杯体出口外侧。其使用方法是当需要按照消费者选择的饮料品种输出饮料时，由存储装置向出料装置输出相应品种的饮料，并利用分杯器分离出单个杯体，抓杯机械手抓取杯体后，由出料装置向杯体中倒出饮料。本发明的机器人模拟人型，可实现按照消费者的意愿提供多种不同品种的饮料，有利于激发消费者的购买欲望。

Description

斟杯式多品种饮料供应机器人及其使用方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种斟杯式多品种饮料供应机器人及其使用方法。

背景技术

饮料在餐饮服务中不可或缺，其品种繁多，量大面广，是一个非常庞大的市场，各品牌各商家都在激烈竞争。饮料销售无处不在，包括商场、餐厅、娱乐场等各公共场所。

饮料的销售传统以人工或自助为主，随着自动化技术的发展，销售及供应方式也在不断的变化，已出现了无人售货机等形式。随着机器人技术的普及应用，在餐饮行业中一些商家也会引入机器人服务作为营销手段，如餐厅中采用机器人送餐饮到台等。另外，目前也有厂家专门针对奶茶饮料开发无人值守销售设备，采用工业机器人，进行现场调配售卖。

然而，目前在餐饮销售行业中应用的机器人还有比较大的局限性，如上述的两类机器人中：第一类机器人(即送餐饮机器人)，实质上，该形式的机器人仅相当于一种人型的AGV小车，只能实现按轨道导航送货，功能单一，难以长久吸引消费者。第二类机器人(即无人值守奶茶销售设备)，其实质是把一台工业用的机械臂集成到系统中形成自动化设备，工作时，机械臂手持钢杯，装入奶茶配料，摇匀后倾倒入台面上的塑料杯中，该套设备配料工位多，系统复杂，占地面积大，但其功能也单一，其本质上还不属于专用的饮料供应机器人，因此在目前市场上仍难以得到较好的推广。因此，为了适应人们日益提高的生活水平，开发一种新的饮料销售机器人及其相关配件，将具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种斟杯式多品种饮料供应机器人，该机器人模拟人型，采用一手取杯、一手握瓶倒出饮料的模式，并可实现按照消费者的意愿提供多种不同品种的饮料，可给消费者提供一种新奇愉悦的感受，从而激发消费者的购买欲望。

本发明的另一目的在于提供上述斟杯式多品种饮料供应机器人的使用方法。

本发明的技术方案为：一种斟杯式多品种饮料供应机器人，包括机器人本体、存储装置、出料装置、分杯器和抓杯机械手，机器人本体的左右两侧分别带有第一手臂和第二手臂，第一手臂的手腕处设置出料装置，第二手臂的手腕处设有抓杯机械手，存储装置和分杯器分别设于机器人本体内部，存储装置和出料装置通过管道相连接，分杯器上设有杯体出口，位于杯体出口外侧的机器人本体侧壁上设有通孔，抓杯机械手位于通孔外侧。其中，机器人本体模拟人型，通过在其两个手臂上设置出料装置和抓杯机械手，可以模仿人手倒出饮料，通过其外部造型吸引消费者；存储装置主要用于存储各品种饮料、清洁用的清洗液以及废水等物料；出料装置的外观造型可设计成瓶状，存储于存储装置中的各品种饮料通过出料装置倒出；分杯器主要用于放置套叠的杯体，当需要倒出饮料时，通过分杯器将预置于机器人本体内的杯体逐个分离出来并送出，供抓杯机械手抓取使用。

所述存储装置中设有清水储罐、废水储罐和至少两个饮料储罐，出料装置中设有清洗机构、废水通孔和至少两个饮料导管；清洗机构与清水储罐的出口端连接，废水通孔与废水储罐的入口端连接，每个饮料导管对应与一个饮料储罐的出口端连接。其中，存储装置通过设置多个独立的储罐，用于存储多种不同的饮料、清洗液、废水等，以供出料装置中相应的机构使用；出料装置中，各饮料导管对应用于导入各品种饮料，当用户所选择的饮料品种与上一次用户选择的饮料品种不同时，可先通过清洗机构对出料装置进行清洗后，并通过废水通孔排除清洗后形成的废水后，再导入用于所选择的饮料，确保饮料的洁净度，避免不同品种饮料之间相互污染而影响口感。

清水储罐的出口端可设置高压泵，废水储罐的入口端可设置真空泵，各饮料储罐的出口端可分别设置计量泵。相应的，清洗机构的清洗液入口端设有水管接头，水管接头通过软管与高压泵连接，废水通孔的出口端设有真空管接头，真空管接头通过软管与真空泵连接，各饮料导管的入口端分别设有饮料管接头，各饮料管接头通过软管与相应饮料储罐的计量泵连接。各饮料储罐中，通过计量泵的设置，可使每次所需饮料的输出量更加精确。

清水储罐和废水储罐可采用同一水储罐，水储罐上下分隔或左右分隔成两个相互独立的储水空间，用于储存清水的储水空间为清水储罐，用于储存废水的储水空间为废水储罐。水储罐与各饮料储罐并列分布，相比将清水储罐和废水储罐分别独立设置的结构形式，该结构的水储罐可更好地简化设备结构，使设备结构更加紧凑，减少占地面积。

所述出料装置包括上部本体、下部本体、衔接盘、上盖、饮料导管、上盖升降机构和清洗机构，上部本体与下部本体之间通过衔接盘连接，上部本体内形成出料空间，下部本体内形成安装空间，上盖设于上部本体的口部，各饮料导管贯穿于衔接盘，饮料导管的出口端位于出料空间中，清洗机构的出液端也伸入出料空间中并与上盖连接，上盖升降机构的动力输出端通过清洗机构与上盖连接，废水通孔设于衔接盘上。其中，衔接盘一方面用于隔离出料空间和安装空间，使两者形成相互独立的空间，另一方面用作各种管道(如饮料导管、下述废水管、中心管等)的安装基座。上部本体的出料空间用于盛放准备倒出的饮料，下部本体的安装空间便于各组成部件的安装。衔接盘与上部本体的连接处设有密封圈，防止出料空间中的饮料渗漏。

上部本体、衔接盘和下部本体依次连接形成瓶状结构，下部本体的侧壁上设有管线出入口。该瓶状结构类似于饮料瓶，将该出料装置应用于斟杯式饮料供应机器人后，配合机器人上的饮料杯使用，可以提高其趣味性。下部本体侧壁的管线出入口便于各种管道及线路的连接。

作为一种优选方案，配合人们的消费习惯，饮料导管有三个，各饮料导管的入口端位于安装空间中，饮料储罐也对应设有三个。设置三个饮料管和三个饮料储罐(假设为A饮料、B饮料和C饮料)时，则出料装置共可提供七种饮料，包括A饮料、B饮料、C饮料、AB混合饮料、AC混合饮料、BC混合饮料、ABC混合饮料。

所述饮料导管的出口端呈弯头状，饮料导管出口端的出料方向沿饮料导管出口端所在水平圆周的切线方向布置，可迫使从饮料导管流出的饮料沿上部本体的内壁流动，使出料均匀平稳，避免激烈冲击而产生大量的气泡。

上盖设有竖直向下的螺纹孔，且上盖嵌入上部本体内的部分沿外周方向均匀分布若干喷射孔(即上盖呈瓶塞状，整体呈平顶锥状结构，包括相连接的覆盖部和嵌入部，覆盖部呈平顶状，嵌入部呈锥状，嵌入部设有竖直向下的螺纹孔，嵌入部沿外周方向均匀分布若干喷射孔)。其中，覆盖部底面与上部本体口部的相接处也设有密封圈，防止出料空间中的饮料渗透。嵌入部中，螺纹孔主要便于与下述中心管固定连接，喷射孔则是用于与清洗机构相配合，从上部本体的口部处喷洒清洗液，确保整个出料空间均能被全面清洗。

清洗机构包括中心管和联接头，联接头设于中心管底部，中心管的顶部与上盖的螺纹孔处连接，且中心管的顶部沿圆周方向分布有若干出液孔，出液孔与上盖中的喷射孔连通；各出液孔所在的中心管顶部作为清洗机构的出液端。衔接盘中部设有中心孔，中心管为长管状结构，中心管从衔接盘的中心孔处延伸至下部本体的安装空间内，联接头设于安装空间中，联接头内部的通孔与中心管的通孔连通。中心管可采用不锈钢长管，中心管穿越衔接盘的中心孔进行安装，中心管与衔接盘的相接处也设有密封圈，防止出料空间中的饮料渗漏。联接头的末端设置水管接头，水管接头通过软管与清水储罐的高压泵连接，当需要对出料空间进行清洗时，一般采用清水作为清洗液，清水沿中心管上升至其顶部后，从各出液孔喷出，由于出液孔与上盖中的喷射孔连通，因此，清水最后从喷射孔处喷向上部本体的内壁，从而进行清洗，清洗完成后形成的废水从废水通孔处被抽走。

上盖升降机构包括升降电动缸和弹簧，升降电动缸的动力输出端与联接头底面固定连接，弹簧套于中心管外周，弹簧的上端与衔接盘的底面相接，弹簧的下端与联接头的顶面相接。当需要打开上盖倒出饮料时，升降电动缸驱动联接头和中心管上升，将上盖顶升，使上盖的覆盖部远离上部本体的口部，嵌入部与口部之间形成出料空隙，该过程中弹簧被压缩；当饮料倒出完成后，升降电动缸失电，此时由于弹簧的弹力作用，驱动联接头带动中心管复位，上盖也下降盖紧于上部本体的口部。

所述分杯器包括机架、杯体分离机构和杯体提取机构，机架设于机器人本体内部，杯体分离机构和杯体提取机构分别安装于机架上；

杯体分离机构包括动力驱动组件和至少两根推进螺杆，动力驱动组件设于各推进螺杆的一端，各推进螺杆分布于套叠的杯体外侧；各推进螺杆结构相同，包括沿杯体输送方向依次连接的输送段和分离段，分离段的螺距大于输送段的螺距；其中，各推进螺杆的两端分别安装于机架上，推进螺杆的一端设置动力驱动组件，推进螺杆的另一端为杯体出口，推进螺杆的输送段靠近动力驱动组件，分离段靠近杯体出口；

杯体提取机构包括提取电动缸、连杆和吸盘，提取电动缸安装于机架上，连杆一端与提取电动缸的输出端连接，连杆另一端设置吸盘，吸盘作为杯体提取机构的提取端；其中，吸盘还外接有抽真空机构。使用时，当杯体已经初步分离并送至杯体底部与吸盘相接触时，利用抽真空机构的作用，吸盘吸附杯体底部后，提取电动缸驱动连杆移动，使吸盘带动杯体移动，从而将杯体从杯体出口处提取出来；

连杆和吸盘位于机器人本体外侧，杯体分离机构和提取电动缸通过机架安装于机器人本体内部，机器人本体的侧壁上设有供杯体送出的通孔。

所述杯体分离机构还包括导杆，导杆也位于套叠的杯体外侧且与推进螺杆相平行设置；导杆的设置，一方面可对套叠的杯体输送起到导向作用，另一方面，利用导杆和推进螺杆的位置分布，可形成一个适合杯体横卧的输送槽，放置杯体掉落或移位，确保杯体的稳定输送；般情况下，杯体分离机构中设有两根推进螺杆和两根导杆，两根推进螺杆对称位于杯体下部的两外侧，两根导杆对称位于杯体中部的两外侧；

推进螺杆的分离段末端为杯体出口，杯体出口外周还设有限位片。限位片为弹性材料，一般采用弹簧片，一端固定于机架上，另一端弹性活动，可防止初步分离后的杯体直接从杯体出口处掉落。作为一种优选方案，杯体出口呈U型状，杯体出口外周设有三个限位片，三个限位片均匀分布于杯体出口的上部和底部。其中，杯体出口的上部设有两个限位片，分别位于杯体的两外侧，杯体出口的底部设有一个限位片，位于杯体下部外侧，各限位片由外周向中心倾斜伸展设置，指向杯体的中心，形成锥状结构。

该分杯器结构中，机架作为支撑机构，主要用于安装杯体分离机构和杯体提取机构的各组成部件；杯体分离机构采用螺杆推进的方式进行套叠杯体的输送，同时利用螺杆上螺距的变化对即将到达杯体出口处的杯体进行分离；杯体提取机构的提取端采用真空吸盘的方式，对已初步分离的杯体底部进行吸附后提取出来。杯体分离机构中，动力驱动组件包括伺服电机、第一带轮、传动带和至少两个第二带轮，第二带轮的数量与推进螺杆的数量相同，每根推进螺杆的一端连接一个第二带轮，伺服电机的输出端与第一带轮连接，第一带轮与各第二带轮之间通过传动带连接。其中，伺服电机安装于机架上，第一带轮和各第二带轮分布于机架的一侧上，使用时，伺服电机带动第一带轮转动，第一带轮通过传动带带动各第二带轮同步转动，从而驱动各推进螺杆相应转动。根据设备的结构需求，动力驱动组件也可采用链条式传动或齿轮式传动。

所述抓杯机械手包括夹爪、手座、夹爪开合驱动组件和旋转关节，手座上对称设有两个夹爪，夹爪与夹爪开合驱动组件连接，手座的一侧与旋转关节连接。该机械手结构中，两个夹爪用于抓取或夹持杯体；手座作为安装基座，主要用于安装组成机械手的各组成部件；夹爪开合驱动组件用于驱动两个夹爪摆动，实现打开或合拢的动作；旋转关节外接机器人手臂腕部，用于带动手抓实现翻转动作，使杯体由取出时的横卧状态转变成竖直状态。

其中，夹爪开合驱动组件包括夹爪电动缸、齿条、第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮和第二齿轮分别通过对应的齿轮轴与两个夹爪连接，夹爪电动缸的输出端与齿条连接，第一齿轮与齿条啮合连接，第二齿轮与第一齿轮啮合连接。爪开合驱动组件采用齿条和齿轮相配合的结构形式，可有效减小机械手的整体体积，且传动精度高，可达到稳定夹持杯体的效果。

手座为一侧带有开口的中空箱装结构，两个夹爪的一端位于手座内并与夹爪开合驱动组件连接，两个夹爪的另一端从开口处伸出。齿条、第一齿轮和第二齿轮安装于手座内，夹爪电动缸安装于手座外侧，旋转关节也安装于手座外侧。安装时，电动缸的活塞杆伸入手座后与齿条一端固定连接。

所述夹爪为整体呈弯刀状的一体式结构，包括相连接的夹持部和摆动部，摆动部与夹爪开合驱动组件连接，夹持部的内侧设有弧形凹槽，弧形凹槽的底部呈托板状。抓杯时，夹持部夹持于杯体外壁上，杯体底部落入弧形凹槽内。一方面，该弧形凹槽可使夹爪在夹持杯体的同时，对杯体也起到稳定承托的作用，避免后续斟注饮料时产生脱落的现象；另一方面，在饮料斟注完成后，用户取杯时，即使夹爪松开，其弧形凹槽的底部仍能为杯体提供支撑作用，杯体仍可平稳至于其内，为用户提供充足的时间取杯。

弧形凹槽顶面所处的高度低于杯体的杯口边沿高度。根据试验表明，该弧形凹槽的深度范围为杯体高度的1/3至3/4时为最佳深度，一方面可较好地保证夹爪稳定夹持杯体，另一方面，杯体上部露出夹爪之外，可为用户抓杯提供空间，使用方便。

弧形凹槽的内侧壁呈倾斜状，其倾斜度等于杯体外壁的倾斜度。根据实际使用过程中杯体外壁的具体形状，弧形凹槽的内侧壁形状可相应设计成与杯体外壁相同的形状，以便于进一步保障其稳定夹持的效果。

旋转关节为伺服驱动的减速器。

所述机器人本体包括由上至下依次设置的头部、身体上室、身体中室、身体下室和足部，分杯器设于身体上室中，第一手臂和第二手臂分别位于身体上室的外侧，身体中室的外壁设有保温层，使其形成温度控制在1～4℃的冷藏室，存储装置设于身体下室中，足部为固定式或移动式支撑脚，头部、身体上室或身体下室还设有显示屏。其中，机器人的控制系统可设于头部内，控制系统可采用微电脑，显示屏及各控制部件(如上述各电动缸、旋转关节等元件)均与控制系统连接，从而可实现机器人的全自动控制，但本申请技术方案不包含该机器人的控制系统。身体下室主要用于安装存储装置中各储罐对应的泵、冷藏室所需的制冷系统、机器人控制系统所需的蓄电池等部件。

上述斟杯式多品种饮料供应机器人的使用方法为：当需要按照消费者选择的饮料品种输出饮料时，包括以下步骤：

(1)启动存储装置，向出料装置输出相应品种的饮料；或者先启动存储装置对出料装置进行清洗后，再启动存储装置向出料装置输出相应品种的饮料；

(2)启动分杯器，在输送套叠杯体的同时将位于杯体出口处的杯体分离；

(3)当杯体从杯体出口处送出后，启动抓杯机械手抓取杯体；

(4)在第二手臂的带动下，抓杯机械手带动杯体从横卧状态旋转为竖直状态；

(5)在第一手臂的带动下，出料装置倾倒并向打开向杯体中倒出饮料；

其中，步骤(2)～(4)在步骤(1)完成之后进行，或与步骤(1)同时进行，或先于步骤(1)进行。

上述方法中，步骤(1)的具体工作原理为：

当用户选择单种饮料时，启动相应品种的饮料储罐，通过相应的饮料导管送入出料装置后，由出料装置将饮料倒出；其中，饮料通过饮料导管进入出料空间后，利用上盖升降机构带动上盖上升打开，使饮料从上部本体的口部倒出；

当用户选择多种饮料组成的混合饮料时，启动相应品种的多个饮料储罐，通过相应的多个饮料导管送入出料装置后，由出料装置将饮料倒出；其中，各品种饮料通过相应的饮料导管同时或先后进入出料空间后，利用上盖升降机构带动上盖上升打开，使饮料从上部本体的口部倒出；

当用户所选择的饮料品种与前一次用户所选择的饮料品种不同时，在用户选择相应的饮料后，先启动清洗机构，由清水储罐提供清洗液对出料装置进行清洗，并通过废水通孔将清洗后的废水排至废水储罐后，再启动相应品种的饮料储罐，通过相应的饮料导管送入出料装置后，由出料装置将饮料倒出。

其中，饮料倒出的具体过程为：升降电动缸驱动联接头和中心管上升，将上盖顶升，使上盖的覆盖部远离上部本体的口部，嵌入部与口部之间形成出料空隙，该过程中弹簧被压缩；当饮料倒出完成后，升降电动缸失电，此时由于弹簧的弹力作用，驱动联接头带动中心管复位，上盖也下降盖紧于上部本体的口部。

对出料空间进行清洗的具体过程为：中心管内通入清洗液(一般采用清水即可)，清水沿中心管上升至其顶部后，从各出液孔喷出，由于出液孔与上盖中的喷射孔连通，因此，清水最后从喷射孔处喷向上部本体的内壁，从而进行清洗；清洗完成后，与废水通孔连接的真空泵启动，利用真空作用，通过真空管接头和废水通孔将出料空间中的废水抽至废水储罐中，以便新的饮料导入。

步骤(2)～(4)的具体工作原理为：

套叠的杯体呈长条状横卧于杯体分离机构上，由杯体分离机构进行输送并利用螺距的变化将杯体初步分离；然后利用杯体提取机构的提取端吸附杯体底部，将杯体取出；再利用抓杯机械手将取出的杯体夹紧固定并转换成持杯状态。该方法的原理是：先利用推进螺杆的转动及其螺距的变化，完成对套叠的杯体的输送以及初步分离，为后续的提取动作做好准备；然后再利用吸盘的吸附作用，将已初步分离的杯体提取出来；最后利用抓杯机械手中夹爪的开合动作抓取已被提取出来的杯体，并利用其翻转动作将杯体旋转至持杯状态。

其中，杯体分离机构将杯体初步分离的具体过程为：动力驱动组件驱动各推进螺杆转动，套叠的杯体随着推进螺杆的转动逐渐向杯体出口移动，当杯体到达推进螺杆的分离段时，由于螺距增大，相邻两个杯体的杯口之间距离也会随着推进螺杆的转动被迅速拉大，从而实现杯体的初步分离。

抓杯机械手抓取杯体的具体过程为：夹爪开合驱动组件中的夹爪电动缸动作，带动齿条移动，齿条驱动第一齿轮转动，第一齿轮带动第二齿轮转动，第一齿轮和第二齿轮的转动带动两个夹爪打开；杯体进入两个夹爪之间后，夹爪电动缸驱动齿条反向移动，使第一齿轮反向转动，带动第二齿轮也反向转动，进而使两个夹爪合拢，从而夹持住杯体；再由旋转关节转动，带动机械手及杯体转动至杯体的开口竖直向上为止。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本斟杯式多品种饮料供应机器人模拟人型，采用一手取杯、一手握瓶倒出饮料的两手协调配合模式，按照消费者的需求把出料装置中的饮料斟倒进杯中，并可实现按照消费者的意愿提供多种不同品种的饮料，其最终展示给消费者的现象是：瓶不变，但倒入杯中的饮料是按消费者需求而变化的，可给消费者提供一种新奇愉悦的感受，从而激发消费者的购买欲望，该机器人集销售、服务、娱乐于一体，具有较好的市场前景。

本斟杯式多品种饮料供应机器人的使用方法原理简单，可实现快速出料。

本斟杯式多品种饮料供应机器人中，通过设置可存储多种饮料的存储装置和可输出多种饮料的出料装置，可实现多种不同饮料之间的出料切换，并且在出料装置中设置清洗机构，可实现在不同品种的饮料切换时先对出料空间进行清洗，确保不同品种的饮料之间相互独立，有效保证其清洁度，避免了不同品种饮料之间产生的相互污染。同时，存储装置中的各储罐集成设于机器人体内，再通过相应的软管连接出料装置，其结构紧凑、占用面积小，出料装置中上部本体和下部本体形成瓶状结构，类似于饮料瓶，配合机器人上的饮料杯使用，可以提高其趣味性，具有较强的市场竞争力。

本斟杯式多品种饮料供应机器人中，出料装置内的各饮料导管沿圆周方向均匀分布于衔接盘上，将饮料导管的出口端设计成弯头状，且出口端的出料方向沿出口端所在水平圆周的切线方向布置，可迫使从饮料导管流出的饮料沿上部本体的内壁流动，确保出料均匀平稳，避免激烈冲击而产生大量的气泡，也防止饮料直接冲击上盖。

本斟杯式多品种饮料供应机器人中，利用分杯器和抓杯机械手的配合，可实现连续的自动取杯和持杯动作，其原理简单、装置使用灵活且运行稳定，自动化程度也高。分杯器采用了螺杆式的杯体分离机构、吸盘式的杯体提取机构和抓杯机械手三者相配合，先利用杯体分离机构对套叠的杯体进行输送并在杯体出口处对其初步分离，再利用杯体提取机构将杯体逐一吸附提取出来，最后通过抓杯机械手抓取并夹持杯体，以供后续饮料斟注用，该装置所实现的动作连贯、运行精度高，将其应用于斟杯式饮料供应机器人上时，可将套叠的杯体预存放于机器人内，并将抓杯机械手的动作转化成机器人的手臂腕部动作，使用灵活而方便，且具有较高的趣味性。

本斟杯式多品种饮料供应机器人中，抓杯机械手的夹爪开合驱动组件采用齿条和齿轮相配合的结构形式，可有效减小机械手的整体体积，且传动精度高，可达到稳定夹持杯体的效果；同时，抓杯机械手的夹爪设有弧形凹槽，一方面，该弧形凹槽可使夹爪在夹持杯体的同时，对杯体也起到稳定承托的作用，避免后续斟注饮料时产生脱落的现象；另一方面，在饮料斟注完成后，用户取杯时，即使夹爪松开，其弧形凹槽的底部仍能为杯体提供支撑作用，杯体仍可平稳至于其内，为用户提供充足的时间取杯。

附图说明

图1为本斟杯式多品种饮料供应机器人的正面局部剖视图。

图2为图1所示机器人的右侧视图。

图3为图1所示机器人的俯视图。

图4为出料装置在第一手臂上的安装结构示意图。

图5为存储装置中各储罐在机器人本体中的分布示意图。

图6为单个饮料储罐的结构示意图。

图7为清水储罐和废水储罐集成为一个水储罐时的结构示意图。

图8为出料装置的结构示意图。

图9为图8的A-A截面视图。

图10为需要打开上盖倒出饮料时，出料装置的结构示意图。

图11为分杯器及抓杯机械手在机器人上的相对位置示意图。

图12为分杯器的结构示意图。

图13为图12的B方向视图。

图14为图12的C方向视图。

图15为图12的D方向视图。

图16为抓杯机械手的结构示意图。

图17为图16的E方向视图。

图18为图16的F-F向截面视图。

图19为旋转关节带动机械手及杯体转动时的原理示意图。

图20为夹爪夹持杯体时的结构示意图。

图21为夹爪松开杯体后，弧形凹槽底部仍承托杯体时的结构示意图。

图22为抓杯机械手进行取杯和持杯动作时的原理示意图。

图23为出料装置进行饮料斟杯时的原理示意图。

上述各图中，各附图标记所示部件如下：1为头部，2为身体上室，3为身体中室，4为身体下室，5为足部，6为第一手臂，7为第二手臂，8为出料装置，9为抓杯机械手，10为分杯器，11为存储装置，12为显示屏，13为弧形夹板，14为软性套管；

8-1为上部本体，8-2为衔接盘，8-3为下部本体，8-4为上盖，8-5为中心管，8-6为饮料导管，8-7为弹簧，8-8为联接头，8-9为升降电动缸，8-10为饮料管接头，8-11为密封圈，8-12为喷射孔，8-13为出液孔，8-14为水管接头，8-15为出料空隙，8-16为废水通孔，8-17为真空管接头，8-18为管线出入口，8-19为出料空间，8-20为安装空间；

9-1为夹爪，9-2为齿轮轴，9-3为第二齿轮，9-4为手座，9-5为齿条，9-6为夹爪电动缸，9-7为旋转关节，9-8为第一齿轮，9-9为弧形凹槽；

10-1为伺服电机，10-2为推进螺杆，10-3为导杆，10-4为提取电动缸，10-5为吸盘，10-6为限位片，10-7为右支板，10-8为左支板，10-9为传动带，10-10为第一带轮，10-11为第二带轮，10-12为连杆，10-13为杯体出口，10-14为输送段，10-15为分离段；

11-1为清水储罐，11-2为废水储罐，11-3为饮料储罐，11-4为水储罐，11-5为计量泵，11-6为高压泵，11-7为真空泵。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例是一种斟杯式多品种饮料供应机器人，其结构如图1至图3所示，该机器人模拟人型，其机器人本体包括由上至下依次设置的头部1、身体上室2、身体中室3、身体下室4和足部5，身体上室的左右两侧分别带有第一手臂6和第二手臂7，第一手臂的手腕处设置出料装置8，第二手臂的手腕处设有抓杯机械手9，分杯器10设于身体上室中，抓杯机械手位于分杯器的杯体出口外侧(如图1或图11所示)。身体中室的外壁设有保温层，使其形成温度控制在1～4℃的冷藏室，存储装置11设于身体下室中，足部为固定式结构，也可为滚轮等移动式结构。头部上还设有显示屏12。其中，机器人的控制系统可设于头部内，控制系统可采用微电脑，显示屏及各控制部件(如上述各电动缸、旋转关节等元件)均与控制系统连接，从而可实现机器人的全自动控制，但本实施例的技术方案不包含该机器人的控制系统。身体下室主要用于安装存储装置中各储罐对应的泵、冷藏室所需的制冷系统、机器人控制系统所需的蓄电池等部件。其中，各主要装置的具体结构如下：

1、存储装置

如图5至图7所示，存储装置中设有清水储罐11-1、废水储罐11-2和三个饮料储罐11-3，其中，清水储罐和废水储罐集成为同一水储罐11-4，水储罐与各饮料储罐并列分布。水储罐上下分隔成两个相互独立、互不连通的储水空间，上部储水空间用于储存作为清洗液的清水，下部储水空间用于储存清洗后排出的废水。

如图6所示，饮料储罐的出口端设有计量泵11-5，计量泵联接在饮料储罐的底部。各饮料储罐中，通过计量泵的设置，可使每次所需饮料的输出量更加精确。

如图7所示，清水储罐的出口端设有高压泵11-6，废水储罐的入口端设有真空泵1-7。

相应的，在下述出料装置中，如图8所示，各饮料导管的入口端分别设有饮料管接头8-10，各饮料管接头通过软管与相应饮料储罐的计量泵连接，清洗机构的清洗液入口端设有水管接头8-14，水管接头通过软管与高压泵连接，废水通孔的出口端设有真空管接头8-17，真空管接头通过软管与真空泵连接，

2、出料装置

如图6所示，出料装置主要由上部本体2-1、衔接盘2-2、下部本体2-3、上盖2-4、中心管2-5、饮料导管2-6、弹簧2-7、联接头2-8和升降电动缸2-9组成。其中，上部本体和下部本体形成瓶体，上盖为瓶塞状，中心管和联接头组成清洗机构，弹簧和升降电动缸组成上盖升降机构。

瓶体分上下两部分(即上部本体和下部本体)，中间用衔接盘紧固联接，形成两个上下分隔的空间(即出料空间2-19和安装空间2-20)。上部本体与衔接盘的联接部位安装有环形密封圈，可防止饮料下渗。

如图9所示，饮料导管有三支，在衔接盘上呈圆周均布，各饮料导管由上而下穿过衔接盘安装。饮料导管上部加工成弯头，其出料口方向沿圆周切线布置，可迫使流出的液体沿瓶壁流动，令出料均匀平稳，同时防止剧烈冲击而大量发泡。饮料导管下部装配有饮料管接头8-10，通过软管连接到饮料储罐的计量泵出口端。瓶中有三支饮料导管，即有三个饮料管接头，分别对应连接到三个装有不同饮料品种的饮料储罐的计量泵。工作时，饮料储罐中的饮料由计量泵定量泵出，经软管输送进入饮料导管，再通过饮料导管流入上部本体的出料空间中。

中心管是不锈钢长管状零件，穿越衔接盘的中心孔安装，其连接处也设有密封圈。

中心管的顶端延伸至上部瓶体的口部，并通过螺纹联接上盖。上盖为平顶锥状结构(即包括相连接的覆盖部和嵌入部)，与口部的相接处带有密封圈8-11，用于关闭和开启瓶口。上盖的锥部圆周均布若干个喷射孔8-12，中心管顶端分布有若干出液孔8-13，各喷射孔与出液孔一一对应连接，并且与中心管相通。

中心管的底端安装弹簧和联接头。联接头的内部管道连通中心管，联接头的末端设有水管接头8-14。水管接头通过软管连接到清水储罐的高压泵出口端。工作时，清水储罐中的清洗液可由高压泵泵出，经软管输送进入出料装置，通过联接头流经中心管，最后从上盖的喷射孔喷出。

在下部本体的安装空间内，固定安装有一个升降电动缸，用于控制上盖的关闭或开启。如图8所示，升降电动缸失电时，在弹簧的作用下，上盖受到中心管向下的拉力，压合于上部本体的口部，使瓶口处于关闭状态。如图10所示，升降电动缸通电时，其活塞杆上升，顶压联接头，通过中心管顶升上盖，开启瓶口，露出出料空隙8-15。

在衔接盘的中部还加工有一个废水通孔8-16，上下贯通，废水通孔底部联接有真空管接头8-17，真空管接头通过软管连接到废水储罐的真空泵入口端。工作时，真空泵启动，通过软管由废水通孔把出料空间中的残液抽吸干净，送入废水储罐。

下部本体的侧壁开有一个管线出入口8-18，作为上述软管及导线等管线的出入口(如图4所示，第一手臂的腕部也设置旋转关节，旋转关节通过弧形夹板13夹持出料装置，管线出入口处通过软性套管14与第一手臂连接，将出料装置所需的各种管线藏于软性套管内)。

3、分杯器

分杯器主要用于一次性纸杯或塑料杯的分隔和提取，可把套叠在一起的杯子连续自动分解，并逐一取出。

如图12至图15所示，分杯器整体呈卧式布置，主要由伺服电机10-1、推进螺杆10-2、导杆10-3、提取电动缸10-4、吸盘10-5、限位片10-6、右支板10-7、左支板10-8、传动带10-9、第一带轮10-10、第二带轮10-11和连杆10-12组成。其中，伺服电机、推进螺杆、导杆、传动带、第一带轮和第二带轮组成杯体分离机构，提取电动缸、吸盘和连杆组成吸盘式杯体提取机构，左支板和右支板作为机架的主要部分，主要用于其他部件的安装和支撑。

右支板和左支板作为机架，左右相对，右支板上加工有U型缺口(如图14所示，该缺口作为杯体出口10-13)。在左、右支架之间，平行安装两根推进螺杆和两根导杆。推进螺杆的安装位置处于右支板的U型缺口下部(如图14所示)，推进螺杆两端与左、右支板联接部位装配有塑料轴承，使推进螺杆可自转；导杆的安装位置处于U型缺口中部(如图14所示)，导杆端部与左、右支板联接处固定安装。左、右支板之间的两根推进螺杆和两根导杆共同组成了一条U型输送槽，适合套叠的杯体卧置其中(如图11所示)。

如图12或图15所示，两根推进螺杆的结构相同，其螺纹的螺距和旋向一致。螺杆的螺距分两段设计，由左至右最长的一段行程为输送段10-14，其螺距较小，到右端有一小段行程，为分离段10-15，其螺距较大，由此形成了两段螺距输送。在杯体输送过程中，由于螺距由小变大，会出现输送加速和间隔拉开的现象，从而在分离段内将各相邻的两个杯体初步分离开。

推进螺杆在工作时会自转，其动力来源于安装在左支板上的伺服电机。伺服电机通过第一带轮和传动带同时带动两个第二带轮转动，进行带动两根推进螺杆同步旋转。

在右支板的外表面，处于杯体出口的周边位置，安装有三个限位片，杯体出口的上部有两个，底部有一个，均匀布置，由周边向内倾斜伸展，指向圆心，形成锥状结构。这些限位片为弹性簧片材料，一端固定于右支板上，另一端弹性活动。

在右支板的侧面，即杯体出口的旁边，安装有一台提取电动缸，与推进螺杆和导杆相互平行设置。提取电动缸的活塞杆端部装配有一支连杆，连杆末端带一个吸盘。当提取电动缸通电动作时，其活塞杆伸缩，可带动吸盘左右移动。

4、抓杯机械手

如图16到图18所示，抓杯机械手主要由两个夹爪9-1、齿轮轴9-2、第一齿轮9-8、第二齿轮9-3、手座9-4、齿条9-5、夹爪电动缸9-6和旋转关节9-7组成。其中，齿轮轴、第一齿轮、第二齿轮、齿条和夹爪电动缸组成夹爪开合驱动组件，用于驱动两个夹爪摆动实现打开或合拢的动作。

单个夹爪的外形如弯刀状，夹爪为一体式结构，包括相连接的夹持部和摆动部。其中，摆动部加工有轴孔，通过齿轮轴安装于手座内，同时，摆动部还通过齿轮轴与第一齿轮或第二齿轮紧固装配，使夹爪与第一齿轮或第二齿轮一起绕齿轮轴旋转。夹持部作为夹爪的主体部分，加工有弧形凹槽9-9(如图16或图18所示)，弧形凹槽与杯体的杯型相仿。夹爪分左右两个，对称布置，两个合拢时会形成C型结构，两个弧形凹槽合成一个杯腔，刚好嵌入一个杯体。弧形凹槽的深度约为杯体高度的1/2。弧形凹槽的底部呈托板状抓杯时，杯体底部落入弧形凹槽内；一方面，该弧形凹槽可使夹爪在夹持杯体的同时，对杯体也起到稳定承托的作用(如图20所示)，避免后续斟注饮料时产生脱落的现象；另一方面，在饮料斟注完成后，用户取杯时，即使夹爪松开，其弧形凹槽的底部仍能为杯体提供支撑作用(如图21所示)，杯体仍可平稳至于其内，为用户提供充足的时间取杯。

左右夹爪对称安装后，第一齿轮和第二齿轮相互啮合。在手座的一侧，安装有一台夹爪电动缸，夹爪电动缸的活塞端装配有齿条，齿条伸入手座内并与第一齿轮啮合。当夹爪电动缸动作时，其活塞杆可带动齿条上下移动，使第一齿轮和第二齿轮啮合旋转，从而驱动两个夹爪合拢或张开，实现夹持杯体或松开杯体的动作。

手座的背面装配有一个旋转关节。旋转关节是一个伺服驱动的减速器，固定安装在机器人的手臂腕部上。当旋转关节动作时，可通过手座带动机械手旋转。机械手夹杯后的旋转动作如图19所示，杯体先从侧向嵌入夹爪，并被夹爪夹持住；然后旋转关节动作，带动机械手转位90°，致使杯体由侧卧变成直立，以便其后斟注饮料。

实施例2

本实施例是将实施例1所述斟杯式多品种饮料供应机器人与现有通用的扫码购买系统相结合进行使用，图1所示为机器人的原始状态。其显示屏上显示饮料品种、价格、二维码等相关信息。假设本实施例中图示配置了三种饮料(即A饮料、B饮料和C饮料)，则显示屏显示可供七种饮料选择：A饮料、B饮料、C饮料、AB混合饮料、AC混合饮料、BC混合饮料、ABC混合饮料。

如图23所示，机器人的工作全过程及原理具体如下：

(1)消费者手机扫码，选择饮料品种并支付费用，假设消费者选择了A饮料；

(2)抓杯机械手取杯并持杯转位(该过程如图22所示)，此时，机器人处于“空杯被夹紧直立、出料瓶直立”的状态；

(3)第一手臂上的旋转关节动作，带动出料瓶(即出料装置)逆时针旋转一定角度，使瓶口倾斜插入杯口；

(4)出料瓶内的升降电动缸通电，驱动中心管顶升瓶塞(即上盖)，开启瓶口(如图23中的箭头③所示)；A饮料对应的饮料储罐的计量泵启动，泵出定量的饮料，经过软管、饮料导管流入上瓶体(即上部本体中的出料空间)，然后从瓶口流出注入杯内；灌注完成后，出料瓶内的升降电动缸失电，瓶塞关闭瓶口(如图23中的箭头④所示)；

(5)第一手臂的旋转关节动作，带动出料瓶顺时针旋转复位直立；其后，抓杯机械手的手爪松开，显示屏显示或语音提示消费者可取走手爪中的杯装饮料；

(6)机器人等待下一位消费者；

假如下一位消费者同样选择A饮料，则重复上述步骤(2)～(5)的流程；

假如下一位消费者选择不同品种的饮料，则需启动清洗程序清洗出料瓶中的出料空间：首先，清水储罐的高压泵启动，泵出一定量的纯水，经软管进入出料瓶内的中心管，从瓶塞的喷射孔喷射而出，冲洗出料空间；其后，废水储罐的真空泵启动，通过衔接盘上的废水通孔，经软管把积聚在出料空间底部的冲洗液抽吸干净；完成清洗后，继续重复上述步骤(2)～(5)的流程。

上述过程中，假如消费者选择混合饮料，例如AB混合饮料，则A饮料和B饮料对应的饮料储罐的计量泵同时启动，各泵出杯装额定容量1/2的饮料；若选择的是三种饮料混合，则A饮料、B饮料和C饮料对应的饮料储罐的计量泵同时启动，各泵出杯装额定容量1/3的饮料。如此类推。

对于混合型饮料，如果需要混合更均匀，可以改变以上灌装程序：在上述步骤(2)中机器人处于“空杯被夹紧直立、出料瓶直立”的状态时，就把两种或三种饮料泵入瓶内，让多种饮料在注入上瓶体的过程中充分混合；其后，第一手臂上的旋转关节才动作，旋转瓶体，倾倒饮料入杯。

上述过程中，分杯器送出杯体及抓杯机械手取杯并持杯转位的具体过程如下：

(2-1)伺服电机启动，两根推进螺杆同步旋转，螺纹推动杯口边缘，驱使套叠在一起的杯体由左向右移动；

(2-2)当杯体移动至靠近螺杆右端部(即进入分离段)时，由于螺距变大，迫使杯体加速并拉大间隔，从而使套叠紧密的杯体松开成单个，实现初步分离；

(2-3)松开的杯体穿越右支板上的杯体出口，进入限位片范围，杯身接触圆周布置的三个限位片，被有效导向和定位；

(2-4)当杯体的底部运动至触碰吸盘时，机器人控制系统中的限位开关会触发信号，伺服电机停止动作，杯体停止移动；

(2-5)抓杯机械手的手爪张开，两个手爪中部形成的杯腔正对着杯体出口处由杯体分离机构分离出的杯体；

(2-5)吸盘接通真空，吸紧于杯体底部；再启动提取电动缸，其活塞杆伸出，驱动连杆带动吸盘右移，从而把杯体分离并提取出来；使杯体进入抓杯机械手的杯腔中，并平移直至杯体底面接触手爪的弧形凹槽底面；

此时，当提取出一个杯体时，由于摩擦力的作用，后面的杯体有可能顺势而出，但由于有三个限位片弹性卡紧后面的杯体，从而保证了每次分离出一个杯体，不会重叠；

(2-6)两个手爪合拢，夹紧杯子，随即吸盘取消真空；

(2-7)旋转关节动作，驱动手座及手爪转位90°(如图22中的箭头①所示)，使杯子由侧卧状态转变成直立状态；随后，提取电动缸的活塞杆收缩，带动吸盘复位(如图22中的箭头②所示)，等待下一次的取杯动作。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (10)

1.斟杯式多品种饮料供应机器人，其特征在于，包括机器人本体、存储装置、出料装置、分杯器和抓杯机械手，机器人本体的左右两侧分别带有第一手臂和第二手臂，第一手臂的手腕处设置出料装置，第二手臂的手腕处设有抓杯机械手，存储装置和分杯器分别设于机器人本体内部，存储装置和出料装置通过管道相连接，分杯器上设有杯体出口，位于杯体出口外侧的机器人本体侧壁上设有通孔，抓杯机械手位于通孔外侧。

2.根据权利要求1所述的斟杯式多品种饮料供应机器人，其特征在于，所述存储装置中设有清水储罐、废水储罐和至少两个饮料储罐，出料装置中设有清洗机构、废水通孔和至少两个饮料导管；清洗机构与清水储罐的出口端连接，废水通孔与废水储罐的入口端连接，每个饮料导管对应与一个饮料储罐的出口端连接。

3.根据权利要求1所述的斟杯式多品种饮料供应机器人，其特征在于，所述出料装置包括上部本体、下部本体、衔接盘、上盖、饮料导管、上盖升降机构和清洗机构，上部本体与下部本体之间通过衔接盘连接，上部本体内形成出料空间，下部本体内形成安装空间，上盖设于上部本体的口部，各饮料导管贯穿于衔接盘，饮料导管的出口端位于出料空间中，清洗机构的出液端也伸入出料空间中并与上盖连接，上盖升降机构的动力输出端通过清洗机构与上盖连接，废水通孔设于衔接盘上。

4.根据权利要求3所述的斟杯式多品种饮料供应机器人，其特征在于，所述饮料导管的出口端呈弯头状，饮料导管出口端的出料方向沿饮料导管出口端所在水平圆周的切线方向布置。

5.根据权利要求1所述的斟杯式多品种饮料供应机器人，其特征在于，所述分杯器包括机架、杯体分离机构和杯体提取机构，机架设于机器人本体内部，杯体分离机构和杯体提取机构分别安装于机架上；

杯体分离机构包括动力驱动组件和至少两根推进螺杆，动力驱动组件设于各推进螺杆的一端，各推进螺杆分布于套叠的杯体外侧；各推进螺杆结构相同，包括沿杯体输送方向依次连接的输送段和分离段，分离段的螺距大于输送段的螺距；

杯体提取机构包括提取电动缸、连杆和吸盘，提取电动缸安装于机架上，连杆一端与提取电动缸的输出端连接，连杆另一端设置吸盘，吸盘作为杯体提取机构的提取端；

连杆和吸盘位于机器人本体外侧，杯体分离机构和提取电动缸通过机架安装于机器人本体内部，机器人本体的侧壁上设有供杯体送出的通孔。

6.根据权利要求5所述的斟杯式多品种饮料供应机器人，其特征在于，所述杯体分离机构还包括导杆，导杆也位于套叠的杯体外侧且与推进螺杆相平行设置；

推进螺杆的分离段末端为杯体出口，杯体出口外周还设有限位片。

7.根据权利要求1所述的斟杯式多品种饮料供应机器人，其特征在于，所述抓杯机械手包括夹爪、手座、夹爪开合驱动组件和旋转关节，手座上对称设有两个夹爪，夹爪与夹爪开合驱动组件连接，手座的一侧与旋转关节连接。

8.根据权利要求7所述的斟杯式多品种饮料供应机器人，其特征在于，所述夹爪为整体呈弯刀状的一体式结构，包括相连接的夹持部和摆动部，摆动部与夹爪开合驱动组件连接，夹持部的内侧设有弧形凹槽，弧形凹槽的底部呈托板状。

9.根据权利要求1所述的斟杯式多品种饮料供应机器人，其特征在于，所述机器人本体包括由上至下依次设置的头部、身体上室、身体中室、身体下室和足部，分杯器设于身体上室中，第一手臂和第二手臂分别位于身体上室的外侧，身体中室形成冷藏室，存储装置设于身体中室中，足部为固定式或移动式支撑脚，头部、身体上室或身体下室还设有显示屏。

10.权利要求1～9任一项所述斟杯式多品种饮料供应机器人的使用方法，其特征在于，当需要按照消费者选择的饮料品种输出饮料时，包括以下步骤：

(1)启动存储装置，向出料装置输出相应品种的饮料；或者先启动存储装置对出料装置进行清洗后，再启动存储装置向出料装置输出相应品种的饮料；

(2)启动分杯器，在输送套叠杯体的同时将位于杯体出口处的杯体分离；

(3)当杯体从杯体出口处送出后，启动抓杯机械手抓取杯体；

(4)在第二手臂的带动下，抓杯机械手带动杯体从横卧状态旋转为竖直状态；

(5)在第一手臂的带动下，出料装置倾倒并向打开向杯体中倒出饮料；

其中，步骤(2)～(4)在步骤(1)完成之后进行，或与步骤(1)同时进行，或先于步骤(1)进行。

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