TWI621511B - 實施料理翻炒動作之機械手臂 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種機械手臂及其作業系統，用以參數化軌跡控制料理翻炒動作的進行，其中，該機械手臂之結構，由馬達與複數桿件連接鍋具所組成，係先記錄廚師進行翻炒動作時的鍋具與手腕軌跡，透過正弦曲線逼近法(Sum of Sine Function)的曲線迴歸，由一拘束方程式限制連桿長度與關節角度，完成料理翻炒動作之機械手臂設計。進一步，因應料理時不同材料的重量和濕黏度等條件，其作業系統得改變參數，包括：速度、進退衝程速度比例、上升時間點、關節馬達角度範圍、初始鍋面角度偏移，調整機械手臂的動作，支援該機械手臂實施最佳地料理翻炒動作，降低人工烘調料理所需之時間與手部負擔，廚師可有更多時間進行食材的前處理或後製擺盤。

Description

實施料理翻炒動作之機械手臂
本發明是關於一種機械手臂及其作業系統，特別是，關於一種五連桿機構設計的機械手臂，藉由一拘束軌跡方程式限制連桿長度與關節角度，模擬人力予自動化完成一料理翻炒動作的運動軌跡。
手指狹窄性腱鞘炎是廚房工作者常見的職業傷害，其原因在於部分料理進行時，需要單手翻鍋，例如：翻炒義大利麵，用以將沙司均勻分布於麵條中，由此，手腕及拇指需使用較大的力氣，長時間對廚師肌肉與關節是一種負擔。基於上述緣由，發明人將一翻炒動作由料理過程分離出來，以機械手臂取代此制式化動作，降低人工烘調料理所需之時間與手部負擔，廚師可有更多時間進行食材的前處理或後製擺盤，進而加大料理業者的產能。
目前雖有業者提出一模擬人手的機械臂設計，採用多連桿線性連接，由於僅有單一固定點，各關節係隨相對鍋具距離的增加，需加大關節點馬達輸出馬力，不僅耗能，亦有容易造成關節點馬達損壞的缺點，再者，對於該翻炒動作的執行，除了要求特定關節點的瞬間出力與位置，亦應考量食材因重新落於鍋具中產生的瞬間重量。因此，本發明透過改變 機械手臂機構與調整馬達角運動，克服既有技術的缺點，並藉由數值化控制，針對鍋具中裝載食材不同，提供低耗能下對應之翻炒動作，比較習知工業型機器手臂，得以小尺寸物件進行組合，其結構相對穩定且低單價。
本發明提供一種機械手臂，用以執行一料理翻炒動作，其包含：一固定機座、一第一搖桿、一第一浮桿、一第二浮桿、一第二搖桿以及一第三搖桿。
該固定機座設置一第一馬達及一第二馬達，其中，該第一馬達與該第二馬達相距一第一長度。
該第一搖桿具有一第二長度，其中，該第一搖桿之第一端連接該第一馬達，該第一馬達帶動該第一搖桿進行一第一角運動。
該第一浮桿具有一第三長度，其中，該第一浮桿之第一端銷接該第一搖桿之第二端。
該第二浮桿具有一第四長度，其中，該第二浮桿之第一端銷接該第一浮桿之第二端，該第二浮桿之第二端設置一第三馬達。
該第二搖桿具有一第五長度，其中，該第二搖桿之第一端連接該第二馬達，由該第二馬達帶動該第二搖桿進行一第二角運動，該第二搖桿之第二端銷接於該第二浮桿且樞接點距離該第二浮桿之第一端相距一第六長度處。
該第三搖桿具有一第七長度，其中，該第三搖桿之第一端連接一第三馬達，由該第三馬達帶動該第三搖桿進行一第三角運動。其中， 前述之該第一長度、該第二長度、該第三長度、該第四長度、該第五長度、該第六長度以及該第七長度不以特定機構桿件長度為限，且前述之該第一角運動、該第二角運動以及該第三角運動不以特定關節馬達角度控制為限。
較佳地，該機械手臂係具有：一速度調整模組411、一進退衝程速度比例調整模組412、一上升時間點調整模組413、一關節馬達角度範圍調整模組414以及一初始鍋面角度偏移調整模組415，以參數化軌跡控制該料理翻炒動作的進行。
本發明另提供一種自動化廚房裝置，其包含：一如前述之機械手臂、一鍋具、一加熱裝置、一備料裝置以及一操作裝置。
該鍋具設置於該機械手臂之該第三搖桿第二端。
該加熱裝置偵測該鍋具溫度，並提供一加熱溫度。
該備料裝置具有複數備料空間裝載食料。
該操作裝置係接收一料理指令時，控制該備料裝置開啟對應之備料空間，置放食料於該鍋具內，且控制該料理用機械手臂進行一料理翻炒動作，並控制該加熱裝置提供該加熱溫度。
經觀察廚師該料理翻炒動作的進行後，發現其運動條件為限制於一垂直平面上，大致可以分為下壓、前行、上拉及回抽這四個動作，如參考資料動作示意圖，其中，鍋具中心呈現橢圓傾斜的運動軌跡，係有賴於廚師手臂施力控制鍋具前行與回抽，且手腕同步施力控制鍋具下壓與上拉，如第一圖所示。由此，本發明建構一種2維平面運動的機械手臂，係採用五連桿機構設計，將二組馬達設置於一固定機座對應手臂施力，且將 另一組馬達設置於機構末端對應手腕施力，輔以運動限制方程式，模擬人力予完成一料理翻炒動作的運動軌跡，相較於既有技術，除了將整組機構重量平居分散於個別馬達，降低其一馬達支撐的負擔，亦可有效地調控三組馬達出力，使該料理翻炒動作更為流暢。
關於本發明之優點與精神，以及更詳細的實施方式可以藉由以下的實施方式以及所附圖式得到進一步的瞭解。
200、400‧‧‧機械手臂
AE‧‧‧固定機座
AB‧‧‧第一搖桿
DE‧‧‧第二搖桿
MP‧‧‧第三搖桿
BC‧‧‧第一浮桿
CM‧‧‧第二浮桿
A‧‧‧第一馬達
E‧‧‧第二馬達
M‧‧‧第三馬達
a5‧‧‧第一長度
a1‧‧‧第二長度
a2‧‧‧第三長度
Lcm‧‧‧第四長度
a4‧‧‧第五長度
a3‧‧‧第六長度
Lmp‧‧‧第七長度
θmotor1‧‧‧第一角運動
θmotor2‧‧‧第二角運動
θmotor3‧‧‧第三角運動
θbac‧‧‧∠BAC角度
θcae‧‧‧∠CAE角度
θdem‧‧‧∠DEM角度
θdm‧‧‧MD端點距與X軸餘弦角
θme‧‧‧ME端點距與X軸餘弦角
Lac‧‧‧AC端點距
Lem‧‧‧ME端點距
310‧‧‧聯軸器
320‧‧‧培林座
410‧‧‧控制裝置
411‧‧‧速度調整模組
412‧‧‧進退衝程速度比例調整模組
413‧‧‧上升時間點調整模組
414‧‧‧關節馬達角度範圍調整模組
415‧‧‧初始鍋面角度偏移調整模組
第一圖為一料理翻炒動作的運動軌跡圖；第二A圖與第二B圖為本發明所示之機械手臂的結構示意圖與角運動示意圖；第三圖為本發明所示之機械手臂的實施例構件；以及第四圖為本發明所示之機械手臂的控制裝置示意圖。
為讓鈞院貴審查委員及習於此技術人士，對本發明之功效完全了解，茲配合圖示及圖號，就本發明較佳之實施例說明，為了解決料理人員培養及長時間連續且重複性的動作等問題，本發明以專業廚師為樣本進行建模，記錄其進行翻炒動作時鍋具與手腕軌跡，透過正弦曲線逼近法(Sum of Sine Function)的曲線迴歸，設計由馬達與複數桿件連接鍋具所組成之機械手臂，重現翻炒動作的運動軌跡。
請參考第二A圖與第二B圖所示；本發明提供一種機械手 臂，用以執行一料理翻炒動作，其包含：一固定機座(AE)、一第一搖桿(AB)、一第一浮桿(BC)、一第二浮桿(CM)、一第二搖桿(DE)以及一第三搖桿(MP)。
該固定機座(AE)設置一第一馬達(A)及一第二馬達(E)，其中，該第一馬達(A)與該第二馬達(E)相距一第一長度(a5)。
該第一搖桿(AB)具有一第二長度(a1)，其中，該第一搖桿(AB)之第一端連接該第一馬達(A)，該第一馬達(A)帶動該第一搖桿(AB)進行一第一角運動(θmotor1=θbac+θcae)。
該第一浮桿(BC)具有一第三長度(a2)，其中，該第一浮桿(BC)之第一端銷接該第一搖桿(AB)之第二端。
該第二浮桿(CM)具有一第四長度(Lcm)，其中，該第二浮桿(CM)之第一端銷接該第一浮桿(BC)之第二端，該第二浮桿(CM)之第二端設置一第三馬達(M)。
該第二搖桿(DE)具有一第五長度(a4)，其中，該第二搖桿之第一端連接該第二馬達(E)，由該第二馬達(E)帶動該第二搖桿(DE)進行一第二角運動(θmotor2=θdem+θmme)，該第二搖桿(DE)之第二端銷接於該第二浮桿(CM)且銷接點距離該第二浮桿(CM)之第一端相距一第六長度(a3)處。
該第三搖桿(MP)具有一第七長度(Lmp)，其中，該第三搖桿(MP)之第一端連接一第三馬達(M)，由該第三馬達(M)帶動該第三搖桿(MP)進行一第三角運動(θmoto3)。
請參考第三圖所示；在一實施例中，本發明係利用聯軸器310加長機械手臂的馬達軸長，並配合培林座320使整個機構系統穩固於基座上；再者，機械手臂採取對稱設計，以兩邊同時受力，避免單邊受力導 致結構損壞；為考量於廚房中長時間連續且重複性的烹飪過程，本發明係以鋁合金作為機械手臂的主要材料，適用於高溫潮濕的工作環境。
其中，前述之該第一長度、該第二長度、該第三長度、該第四長度、該第五長度、該第六長度以及該第七長度不以特定機構桿件長度為限，且前述之該第一角運動、該第二角運動以及該第三角運動不以特定關節馬達角度控制為限。較佳地，該第一角運動(θmotor1=θbac+θcae)以及該第二角運動(θmotor2=θdem+θmme)係選自由該第一長度(a5)、該第二長度(a1)、該第三長度(a2)、該第四長度(Lcm)、該第五長度(a4)以及該第六長度(a3)組合之方程式集合。
配合一料理翻炒動作執行，該方程式集合係包含下列所示之拘束方程式，作為該機械手臂的運動限制條件。
θ motor2=θ me +θ dem D x =E x +a 1 cosθ motor2 D y =E y +a 1 sin θ motor2 C x =D x +a 3 cosθ dm C y =D y +a 3 sin θ dm θ motor1=θ cae +θ bac
較佳地，該第一角運動(θmotor1)的範圍為0至120度，該第二角運動(θmotor2)的範圍為80至120度，該第三角運動(θmotor3)的範圍為90至120度。
請參考第四圖所示；本發明提供該機械手臂，更包含：一控制裝置410，得因應各種情況，讓使用者可依照烹飪的情況，以有線或無線方式即時調變控制參數，保持該料理翻炒動作的最佳軌跡，或因應多樣性配方的不同翻炒條件，以參數化調整該些桿件長度以及該些馬達角運動的軌跡生成。
該控制裝置410係具有：一速度調整模組411、一進退衝程速度比例調整模組412、一上升時間點調整模組413、一關節馬達角度範圍調整模組414以及一初始鍋面角度偏移調整模組415。
該速度調整模組411控制該第一角運動(θmotor1)、該第二角運動(θmotor2)以及該第三角運動(θmotor3)於該機械手臂完成該翻炒動作所需之時間。若速度調整越快，翻炒高度越高，鍋具中食材位於越後方；反之，若速度調整越慢，翻炒高度越低，鍋具中食材位於越前方。
該進退衝程速度比例調整模組412控制該第一角運動(θmotor1)與該第二角運動(θmotor2)提供該第三馬達(θmotor3)進行一水平方向動作所需之時間。若進退衝程速度比例調整越高，翻炒高度越高，鍋具中食材越分散；反之，若進退衝程速度比例調整越低，翻炒高度越低，鍋具中食材越集中。
該上升時間點調整模組413控制該第一角運動(θmotor1)與該第二角運動(θmotor2)提供該第三馬達(θmotor3)一垂直方向動作所需之時間。若上升時間點調整越多，鍋具中食材翻轉越大；反之，若上升時間點調整越少，鍋具中食材翻轉越少。
該關節馬達角度範圍調整模組414控制該第三角運動(θmotor3)所需之時間。若關節馬達角度範圍調整越大，鍋具中食材位於越後方；反之，若關節馬達角度範圍調整越小，鍋具中食材位於越前方。
該初始鍋面角度偏移調整模組415控制該第三角運動的一初始角度。若初始鍋面角度偏移調整越大，鍋具中食材位於越後方；反之，若初始鍋面角度偏移調整越小，鍋具中食材位於越前方。
請參考參考資料動作連續照片；在一實施例中，本發明係以該速度調整模組411參數為95%、該進退衝程速度比例調整模組412參數為120%、該上升時間點調整模組413參數為5單位和翻炒次數為4次、該關節馬達角度範圍調整模組414參數為100%、初始鍋面角度偏移調整模組415參數為0度，係針對義大利麵(180g)與少許油鹽執行一料理翻炒動作，由連續照影計算其運動軌跡，吻合廚師廚師該料理翻炒動作的進行。
本發明另提供一種廚房裝置，其包含：一如前述之機械手臂、一鍋具、一加熱裝置、一備料裝置以及一操作裝置。
該鍋具設置於該機械手臂之該第三搖桿第二端。
該加熱裝置偵測該鍋具溫度，並提供一加熱溫度。
該備料裝置具有複數備料空間裝載食料。
該操作裝置係接收一料理指令時，控制該備料裝置開啟對應 之備料空間，置放食料於該鍋具內，且控制該料理用機械手臂進行一料理翻炒動作，並控制該加熱裝置提供該加熱溫度。
上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明。因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (7)

  1. 一種機械手臂，用以執行一料理翻炒動作，其包含：一固定機座，設置一第一馬達及一第二馬達，其中，該第一馬達與該第二馬達相距一第一長度(a5)；一第一搖桿，具有一第二長度(a1)，其中，該第一搖桿之第一端(A)連接該第一馬達，該第一馬達帶動該第一搖桿進行一第一角運動(θmotor1=θbac+θcae)；一第一浮桿，具有一第三長度(a2)，其中，該第一浮桿之第一端銷接該第一搖桿之第二端；一第二浮桿，具有一第四長度(Lcm)，其中，該第二浮桿之第一端(C)銷接該第一浮桿之第二端，該第二浮桿之第二端設置一第三馬達；一第二搖桿，具有一第五長度(a4)，其中，該第二搖桿之第一端(E)連接該第二馬達，由該第二馬達帶動該第二搖桿進行一第二角運動(θmotor2=θdem+θmme)，該第二搖桿之第二端(D)銷接於該第二浮桿且銷接點距離該第二浮桿之第一端相距一第六長度(a3)處；以及一第三搖桿，具有一第七長度(Lmp)，其中該第三搖桿之第一端(M)連接一第三馬達，由該第三馬達帶動該第三搖桿進行一第三角運動；其中，第一角運動(θmotor1=θbac+θcae)以及該第二角運動(θmotor2=θdem+θmme)係選自由該第一長度(a5)、該第二長度(a1)、該第三長度(a2)、該第四長度(Lcm)、該第五長度(a4)以及該第六長度(a3)組合之方程式集合。
  2. 如同請求項2之機械手臂，該方程式集合係包含下列所示之拘束方程式。 θ motor2=θ me +θ dem D x =E x +a 1 cosθ motor2 D y =E y +a 1 sin θ motor2 C x =D x +a 3 cosθ dm C y =D y +a 3 sin θ dm θ motor1=θ cae +θ bac
  3. 如同請求項1之機械手臂，該第一角運動的範圍為0至120度。
  4. 如同請求項1之機械手臂，該第二角運動的範圍為80至120度。
  5. 如同請求項1之機械手臂，該第三角運動的範圍為90至120度。
  6. 如同請求項1之機械手臂，更包含：一控制裝置，係具有：一速度調整模組，控制該第一角運動、該第二角運動以及該第三角運動完成該料理翻炒動作所需之時間； 一進退衝程速度比例調整模組，控制該第一角運動與該第二角運動提供該第三馬達進行一水平方向動作所需之時間；一上升時間點調整模組，控制該第一角運動與該第二角運動提供該第三馬達進行一垂直方向動作所需之時間；一關節馬達角度範圍調整模組，控制該第三角運動所需之時間；以及一初始鍋面角度偏移調整模組，控制該第三角運動所需之初始角度。
  7. 一種自動化廚房，其包含：一如申請範圍第1至6項所述之機械手臂；一鍋具，設置於該機械手臂之該第三搖桿第二端；一加熱裝置，偵測該鍋具溫度，並提供一加熱溫度；一備料裝置，具有複數備料空間裝載食料；以及一操作裝置，係接收一料理指令時，控制該備料裝置開啟對應之該備料空間，置放食料於該鍋具內，且控制該料理用機械手臂進行一料理翻炒動作，並控制該加熱裝置提供該加熱溫度。
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