CN113100630A - 具有主被动作动并联式机械臂的饮料冲泡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有主被动作动并联式机械臂的饮料冲泡器，供将饮料原粉末冲泡进入一包括有一过滤件和一容器本体的滤液接收容器，该饮料冲泡器包括：一机架装置包括一基座及一温控储水槽，该基座具有一顶部和一底部其间夹置形成一容置空间，该温控储水槽连接一挠性输水管；一组并联式机械臂装置，包括至少三组独立致动的机械臂和连结件，其中每一组该机械臂分别包括：至少一致动组件；至少一组主动臂和从动臂；一组测量纪录装置；一组控制装置，供指令该致动组件带动该主动臂、从动臂及该连结件而移动该挠性输水管；和一挠性输水管的水量调控装置。

Description

具有主被动作动并联式机械臂的饮料冲泡器

技术领域

本发明涉及一种机械臂的饮料冲泡器，尤其是一种具有主被动作动并联式机械臂的饮料冲泡器。

背景技术

工商业时代，人们生活步调日渐加快，咖啡因具有提神功效及独特香味，而成为许多任务商业人士每日必消费的饮品，咖啡产业的产值也因此逐年增加。此外，人们消费能力成长，也使咖啡消费者对咖啡饮品的质量要求逐渐由单纯提神，逐步升级至风味的鉴赏。因此，如何快速提供高质量的咖啡饮品给生活步调快的消费者，就成为咖啡产业的重要课题。此外，手摇饮料的盛行和咖啡饮品的成长相比有过之而无不及，随着市场竞争白热化以及高价化，手摇饮料的基底茶汤也逐渐由人工香料调味逐渐进步到原片茶叶冲泡，如何冲泡出具有专门店特色且风味稳定又美味的基底茶汤，也是手摇饮料市场极需被满足的需求。

机械臂因经久耐用、可自动控制、及具精密度等特性，已被广泛的应用于许多工业领域中。有鉴于消费者对咖啡饮品的质与量的要求，市场上的咖啡饮品供货商开始和机械臂制造商合作，开发出各种使用机械臂的饮料冲泡器，不仅可以现场研磨咖啡豆随即冲泡咖啡，快速提供现磨咖啡给消费者；更可以藉由执行内建的模仿程序，仿效著名咖啡师冲泡咖啡时的手顺以及冲泡条件，而无限次再现著名咖啡师亲手冲泡的咖啡的高级风味，因而提高咖啡饮品的售价和产值。同理，在茶汤的冲泡上，机械臂的使用也有助于提供稳定的茶汤质量。

不过，精准的多轴机械臂价格昂贵，为追求产品的市场竞争力，一般不会随便采用极其精准的多轴机械臂，而会选择较为低廉的简单型机械臂作为核心。这种商业考虑也造成一种困扰，即使机械使用者想要付费下载正确程序，以求准确复制大师手顺，仍然要担心机械设备的重现精准度，是否当真没有失误偏差。

进一步，这类饮品完全取决于饮用者的口感，各人喜好无法标准化。因此对于许多饮用者而言，宁可自行手冲冲泡咖啡或茶汤时是手持热水壶，并且会按照不同咖啡豆或茶叶品种、不同研磨粗细度、不同水温以及不同冲泡量而采取不同手顺、不同的热水壶倾泄热水的时机以产生不同的水流强弱和萃取时间，以得到个人风格风味的饮料，也不愿意遵从千篇一律的大师手顺；一旦偶有佳作，又担心日后无法重现。再者，咖啡以及茶饮市场商机庞大竞争激烈，如何开发出具有特殊风味的饮料并且教导机械臂，以便稳定冲泡出此种具有特殊风格的饮料，也成为重要的问题。

为了要使机械臂完整学习使用者的手冲冲泡手顺，无可避免的是要能在学习模式下，翔实纪录用户手持热水壶机械设法纪录热水壶的动作路径、移动速度和热水壶倾泄热水的时点和倾斜角度，以供未来由机械臂模仿重现。目前最常见的记录模式，一种是用录像机光学影像撷取冲泡期间冲泡者的手部动作而进行分析；另一种是采用包括位置传感器和重力传感器等各种传感器进行记录。

然而，采用光学影像纪录，以影像辨识为基础的机器视觉技术，对咖啡冲泡器进行冲泡手顺的教导模式，为了要清晰且正确的摄录判别教导时每一冲泡细节的动作以便机器辨识，教导全程都必须在强光下进行，不但必定产生阴影造成影像辨识错误，此外，使用者还需要准备摄影机及强光灯等器材，增加不少设备成本，何况部分细节会被遮蔽，使得此种记录辨识模式不能广泛被采用。

另一方面，如果要让人手推动机械臂移动而教导手冲冲泡的手顺，除需要以手臂力量悬空提热水壶倾倒热水，而且冲泡过程还需要同时抵抗机械臂的自重迟滞以及关节阻尼的干扰，使得教学过程其实会造成失真。因此，推拉教导机械臂上述手顺时，推送机械臂学习阻力将成为主要的偏差，使得记录数据无法准确教导记录，因而难以再现上述使用者的手冲冲泡手顺，不能再现个人风格的冲泡饮料风味。

此外，一般机械臂无论进行何种搬移操作，过程中通常工件只有位置变更，不会有明显的重量改变，但在本发明冲泡的过程中，携带的热水壶将会因为热水量逐渐减少而造成整体重量减轻，负载重量的逐步改变，对于本身为轻量结构的机械臂，也容易增加重现过程的误差。更何况一般例如三轴机械臂，都会从基座向外侧凸伸，需要承受本身重心偏斜所造成的扭矩，长期使用下，若不时时校准，就会因自重而偏失。

另一种测量方式则是在机械臂的各关节处设置扭力传感器并搭配一校正流程，用以测量施加于机械臂的负载变化，如美国第9,533,414B2号核准公告专利揭示一种扭力检测方法，主要在机械臂外加负载时，先测量机械臂的机械偏差值与计算重力系数并经校正流程后，根据扭力传感器回馈及输出轴旋转角度计算出重力补偿量，然而，此种方式需要额外设置高成本的扭力传感器，且对于变重量的负载更需要不断校正才能正确补偿，甚至可能无法补偿，使得此种解决方案难以被市场接纳。因此，如何以经济的结构，建立可快速且精确教导和重现的饮料冲泡器，对专业个人消费者以及饮料市场业者而言都将属迫切与必要。

发明内容

针对现有技术的上述不足，根据本发明的实施例，希望提供一种具有主被动作动并联式机械臂的饮料冲泡器，旨在实现如下发明目的：(1)降低冲泡器自重对教导手冲手顺的影响；(2)实现低阻尼的机械臂以提高机械臂的教导精确度；(3)消去重量渐减的影响效应，使得机械臂重现误差降低；(4)藉由机械臂本身的重力平衡，降低长期使用所造成偏斜。

根据实施例，本发明提供的一种具有主被动作动并联式机械臂的饮料冲泡器，供以一主动或被动模式将一饮料原粉末冲泡进入一滤液接收容器，该滤液接收容器包括一承载上述饮料原粉末的过滤件，以及一承接冲泡上述饮料原粉末所得饮料的容器本体，上述饮料冲泡器包括：一机架装置，包括一基座及一设置于该基座的温控储水槽，该基座具有一顶部和相对上述顶部的一底部，上述顶部和上述底部间夹置形成一供容置上述滤液接收容器的容置空间，该温控储水槽更延伸连接有一挠性输水管；一组设置在上述顶部并朝向上述底部延伸的并联式机械臂装置，包括至少三组独立致动的机械臂，以及连结前述三组机械臂的连结件，该连结件形成有一供携行上述挠性输水管至少一部份的衔接埠，其中每一组前述机械臂分别包括：至少一个设置于上述顶部的致动组件；至少一根一端枢接上述致动组件的主动臂，受上述致动组件驱动枢转；以及至少一根一端枢接上述主动臂以及另一端枢接上述连结件的从动臂；一组分别测量并纪录上述机械臂的上述运动状态、并转换为一运动信息加以纪录的测量纪录装置；一组控制装置，供在一主动模式时，输出一组驱动讯号指令上述致动组件带动上述主动臂、上述从动臂及上述连结件运转，藉此调控上述挠性输水管的移动；以及一组水量调控装置，供接受上述控制装置指令，调节上述挠性输水管出水量。

藉由本发明的上述揭露，可提供一种本身结构相对简单，且自重平衡的机械臂，无论是成本的竞争力，长期使用的误差低，都可以超越现有解决方案；尤其因为热水槽不作为机械臂的负载，使得热水量完全不会影响机械臂负载重量，而且三维纪录简易而翔实，重现饮品冲泡手顺时精确无误，不论使用者是专业的个人使用、或是商转营运都可以无限次重现原风味的美味饮品，对于饮料产业以及冲泡器本身的市场推广都有莫大帮助。

附图说明

图1为本发明第一较佳实施例具有主被动作动并联式机械臂的饮料冲泡器的示意图。

图2为本发明第一较佳实施例具有主被动作动并联式机械臂的弹性体示意图。

图3为本发明第一较佳实施例具有主被动作动并联式机械臂的饮料冲泡器的教导示意图。

图4为本发明第一较佳实施例具有主被动作动并联式机械臂的饮料冲泡器的执行示意图。

图5为本发明第二较佳实施例具有主被动作动并联式机械臂的饮料冲泡器的示意图。

图6为本发明第二较佳实施例具有主被动作动并联式机械臂的饮料冲泡器的教导示意图。

其中：1为冲泡器；2为机架；20为基座；21、21’为顶部；22为底部；23为容置空间；24、24’为温控储水槽；241、241’为挠性输水管；242’为加热器；3、3’为并联式机械臂；31、31’为机械臂；311为致动单元；3111为伺服驱动器；3112、3112’为步进马达；3113、3113’为位置传感器；312、312’为主动臂；313、313’为从动臂；314为万向轴承；32、32’为连结件；321、321’为凹陷埠；322为衔接端口；33、33’为弹性体；34、34’为教导装置；4为滤液接收容器；41为滤液容器；42为过滤器；5、5’为水量调控装置；6、6’为控制装置；61为通信单元；62为处理单元；63为储存单元；64为人机界面；7为测量记录装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修改同样落入本发明权利要求所限定的范围。

第一较佳实施例

本发明的第一较佳实施例具有主被动作动并联式机械臂的饮料冲泡器如图1所示，在本实施例中，主要是以远距离操作的无人咖啡店为例，远程的咖啡师则是在中央厨房使用一台并联式机械臂咖啡冲泡器1进行教学，开发手冲冲泡的新口味咖啡饮品，冲泡器1包含一例如不锈钢制的机架2，上述机架2包括一基座20及一设置于该基座20的温控储水槽24，温控储水槽24的内壁设置例释为石墨烯涂层的电加热层，且有温度传感器以控制冲泡用热水至一预定温度，温控储水槽24更延伸连接有一挠性输水管241，该基座具有一顶部21和相对上述顶部的一底部22且两者之间夹置形成一容置空间23以容置一组并联式机械臂3、一组冲泡咖啡的滤液接收容器4。滤液接收容器4包含一例释为咖啡杯而用以接收来自过滤器42的滤液的滤液容器41、一承载研磨咖啡粉以萃取出咖啡饮料并过滤咖啡粉的过滤器42。

为与远程的无人咖啡店联系，咖啡冲泡器1还具有包括至少一通信单元61、一处理单元62、一储存单元63和一人机接口64的控制装置6。咖啡师从人机接口64选择进入教导模式，就可以开始教导冲泡器1以建立新的冲泡程序，也可以选择进入执行模式，选择任一已经建立的冲泡程序来确认咖啡饮品的风味。咖啡冲泡器1更具有一组水量调控装置5，供接受上述控制装置6指令，调节上述挠性输水管241终端的出水量。

并联式机械臂3则包括设置在上述顶部21的三组可以独立作动并互相配合的机械臂31，每一组机械臂31包括一组可以驱动主动臂312经由一例释为鱼眼轴承的万向轴承314带动从动臂313在一单轴方向摆动的致动单元311、一链接件32、一用以连结从动臂313和连结件32的万向轴承314和至少一例释为弹簧的弹性体33。链接件32形成有一供教导装置勾住链接的凹陷埠321，以及一供携行至少部份挠性输水管241的衔接埠322。上述弹性体33具有一预先延伸长度而藕接在顶部21和连结件32之间，可在主动臂312牵引从动臂313加速和/或减速运动时，分别提供抗拉力和/或回复力使得机械臂31的动作更为顺畅。

因为连结件32和从动臂313之间是以万向轴承314连接，因此，不论三组机械臂31如何摆动而将连结件32移动到任何高度的任何位置，链接件32都可以保持水平，且三组机械臂分担荷重并互相配合达成力平衡，故此种并联式多组机械手臂不仅可以轻量化，还可以大幅减少因自重和阻尼造成教导手冲手顺时的教导失真，更可以在长期使用时无须顾忌因自重所造成的机械臂偏斜，减少调校所需的时间与人力。

请参阅图2，上述致动单元311分别包括一伺服驱动器3111、一步进马达3112和一设置在步进马达3112转轴上例释为霍尔组件的位置传感器3113，伺服驱动器3111受控于控制装置6而调节供应步进马达3112的供电电流大小以控制主动臂312的运动。

请参阅图3，此外，也可以将位置传感器3113、储存单元63和处理单元62共同构成一组测量记录装置7，供分别测量并纪录主动臂312的运动状态、并转换为一运动信息加以纪录。在本实施例中，每当步进马达3112的转速加速或减速以驱动主动臂312运动时位置传感器3113实时回传感测数据至控制装置6，控制装置6的通信单元61接收上述部件回传的数据经由处理单元62储存在储存单元63中，或是经由处理单元例如是根据用户的需求运算上述回传的数据以产生控制指令，再将控制指令经由通信单元61传送到伺服驱动器3111，然后驱动各主动臂312以执行使用者期望的动作。

当使用者欲教导冲泡器1以建立新的冲泡程序时，用户需先操作控制装置，确认冲泡器各部件复归到一机械原点，再选择进入教导模式成为被动状态，然后手持例释为一空热水壶模型的教导装置34直接勾住链接件32的凹陷埠321，依照对应于新口味风味的手冲手顺一面以热水壶推动并联式机械臂3，一面开启例释为一电磁阀的水量调控装置5，让热水经由挠性输水管241进入该滤液接收容器4。

其中，当并联式机械臂3的机械臂31受使用者牵引向下运动或水平加速运动时弹性体33拉伸，每一步进马达3112转轴上的位置传感器3113实时回传步进马达3112转轴的位置数据至控制装置6，控制装置6的处理单元62运算上述位置数据经由通信单元61输出一减速指令给上述主动臂312的伺服驱动器3111，再由伺服驱动器3111降低步进马达3112的电流供给，以配合上述弹簧的抗拉伸力使得机械臂31的下行运动如同执行手冲咖啡的手顺时流畅无阻尼，处理单元62并将上述各机械臂31的位置数据和减速指令储存到储存单元63做为新冲泡程序的一部分。

而当并联式机械臂3的机械臂31受使用者牵引向上运动时或水平减速运动时弹性体33松弛回弹，每一步进马达3112转轴上的位置传感器3113实时回传步进马达3112转轴的位置数据至控制装置6，控制装置6的处理单元62运算上述位置数据后经由通信单元61输出再一减速指令给上述主动臂的伺服驱动器3111，再由伺服驱动器3111再降低步进马达3112的电流供给，以配合上述弹簧的回复力使得机械臂31的上行运动如同执行手冲咖啡的手顺时流畅无阻尼，处理单元62并将上述各机械臂31的位置数据和减速指令储存到储存单元63做为新冲泡程序的一部分，而达到无阻尼教导。

请参阅图4，用户完成新冲泡程序的教导后，就可以将此一纪录上传至例如云端，并且在无人咖啡店收到订单时，执行依照此纪录的新冲泡程序而主动进行冲泡作业，此时无人咖啡店中的饮料冲泡器控制装置6的处理单元62会读取新冲泡程序的记录，依照各时序的加减速运动以及位置数据，输出驱动讯号到伺服驱动器3111，藉此调整各步进马达3112的作动带动主动臂312、从动臂313及连结件32运转，而调控挠性输水管241的移动使机械臂31重现使用者教导的手冲手顺，控制装置6还配合上述机械臂的时序驱动水量调控装置5，让热水进入该滤液接收容器4而在无人咖啡店中完成冲泡新口味的手冲咖啡饮品。

第二较佳实施例

本发明第二较佳实施例如图5所示，与前一较佳实施例相同部分于此不再赘述，仅就差异部分提出说明，相似的组件也使用相似名称与标号，本实施例中的并联式机械臂3’共有四组独立致动的机械臂31’，两端分别枢设于连结件32’和该顶部21’，受控于控制装置6’供在并联式机械臂3’需要旋转时提供扭力，每一组机械手臂31’还具有例释为弹簧的弹性体33’具有一预先延伸长度而藕接在主动臂312’和从动臂313’之间，可在主动臂312’牵引从动臂313’加速和/或减速运动时，分别提供抗拉力和或回复力使得机械臂31’的动作更为顺畅。而每一组机械臂31’的位置传感器3113’是套装在步进马达3112’的转轴上的例如是光学编码器，此外本实施例中的温控储水槽24’和挠性输水管241’之间有一例释为一伺服加压马达的水量调控装置5’，和一组串接在挠性输水管241’水量调控装置5’下游的辅助加热器242’，水量调控装置5’供用户透过控制装置6’选择水滴、小水流和大水流等三种水流以配合冲泡手顺的需要，而加热器242’则对来自温控储水槽24’的冲泡用水实时补充加热至适合冲泡饮料源粉末的温度，以弥补冲泡用水在挠性输水管241’中流动时的散热损失。

请参阅图6，在本实施例中，在教导模式时用户是使用一例释为一教导棒的教导装置34’勾入凹陷埠321’，并以预定的手顺推动连结件32’以带动四组机械臂31’，再由位置传感器3113’将测得的位置数据上传到控制装置6’而建立教导的冲泡程序。

综上所述，本发明所提供的具有主被动作动并联式机械臂的饮料冲泡器，透过并联的机械臂而达成轻量化以降低冲泡器自重对教导手冲手顺的影响，再藉由设置的弹簧提供加减速时的缓冲，而实现低阻尼的机械臂，并配合步进马达驱动器适时作动，还以温控储水槽提供稳定的水流削去热水重量逐渐减轻的影响，使得并联式机械臂被精确教导良好的冲泡手冲手顺，而在本发明的冲泡器上建立手冲冲泡程序，不论用户是个人使用或是商转营运都可以无限次重现原风味的美味饮品，对于饮料产业以及冲泡器本身的市场推广都有莫大帮助。

Claims (8)

1.一种具有主被动作动并联式机械臂的饮料冲泡器，供以一主动或被动模式将一饮料原粉末冲泡进入一滤液接收容器，该滤液接收容器包括一承载上述饮料原粉末的过滤件，以及一承接冲泡上述饮料原粉末所得饮料的容器本体，其特征是，上述饮料冲泡器包括：

一机架装置，包括一基座及一设置于该基座的温控储水槽，该基座具有一顶部和相对上述顶部的一底部，上述顶部和上述底部间夹置形成一供容置上述滤液接收容器的容置空间，该温控储水槽更延伸连接有一挠性输水管；

一组设置在上述顶部并朝向上述底部延伸的并联式机械臂装置，包括至少三组独立致动的机械臂，以及连结前述三组机械臂的连结件，该连结件形成有一供携行上述挠性输水管至少一部份的衔接埠，其中每一组前述机械臂分别包括：

至少一个设置于上述顶部的致动组件；

至少一根一端枢接上述致动组件的主动臂，受上述致动组件驱动枢转；以及

至少一根一端枢接上述主动臂以及另一端枢接上述连结件的从动臂；

一组分别测量并纪录上述机械臂的上述运动状态、并转换为一运动信息加以纪录的测量记录装置；

一组控制装置，供在一主动模式时，输出一组驱动讯号指令上述致动组件带动上述主动臂、上述从动臂及上述连结件运转，藉此调控上述挠性输水管的移动；以及

一组水量调控装置，供接受上述控制装置指令，调节上述挠性输水管出水量。

2.如权利要求1所述的饮料冲泡器，其特征是，每一上述致动组件均包括一步进马达，且前述步进马达彼此协同运作。

3.如权利要求2所述的饮料冲泡器，其特征是，上述测量纪录装置包括测量上述步进马达转动状况的位置传感器。

4.如权利要求1、2或3所述的饮料冲泡器，其特征是，上述致动组件枢接上述主动臂和/或上述主动臂枢接上述从动臂中，至少有一枢接处设置有万向轴承。

5.如权利要求1、2或3所述的饮料冲泡器，其特征是，进一步包括一个教导装置，以及上述链接件上进一步形成有至少一个供该教导装置链接的凹陷端口。

6.如权利要求1所述的饮料冲泡器，其特征是，上述衔接埠是夹置上述挠性输水管远离上述温控储水槽的一端，以及上述衔接埠。

7.如权利要求3所述的饮料冲泡器，其特征是，上述位置传感器包括一霍尔组件。

8.如权利要求3所述的饮料冲泡器，其特征是，上述位置传感器包括一光学编码器。

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