奶茶调配售货机器人系统研发

张守明，范剑伟，丁成康

（安徽工业大学机械工程学院，安徽 马鞍山 243000）

目前，中国奶茶行业基本都以实体店的形式经营，面向消费者现场制作、出售奶茶饮品，消费者可以随时随地享用，不受时间地点的限制，更能够满足现在人们快节奏的生活习惯，这也是奶茶行业近几年持续火爆的原因之一，迅速增长的市场规模和发展潜力也引起了投资者的广泛关注。奶茶行业多以加盟零售方式进行，人工制作奶茶效率低，卫生安全难以防范，且难以做到每杯奶茶中的奶和茶的配比量相同。除此之外，在售卖高峰期时人工制作容易出错，不能满足顾客对奶茶质量的需求。

另外一方面，随着中国社会经济的快速发展，人们的生活节奏加快，繁杂而又重复的工作越来越难以吸引求职者。由此，服务机器人应运而生，并且其市场价值也呈现出爆发式增长的趋势，可以预料不久后，这些机器人都将越来越广泛地服务于人们的日常生活[1-2]。

目前世界各国的服务机器人市场化程度仍处于起步阶段，有调查数据显示，当前有至少48 个国家在发展机器人，其中25 个国家开始在服务型机器人领域进行研究。在北美、欧洲和日本，共计40 余款服务型机器人进入实验和半商业化应用[3]。虽然目前对服务机器人的研究和应用越来越广泛，但在如奶茶这种现调现售的休闲饮品方面鲜有案例。

针对上述问题，提出将服务机器人与现调现配的奶茶饮品相结合，设计研发了一套奶茶调配售货机器人系统，该系统能够实现对顾客点单信息的查询及解析，并依据订单信息控制该机器各个模块运动，完成对奶茶制作、取餐等整个流程的控制。

1.1 研究技术路线

奶茶调配售货机器人系统是一种无人化的奶茶饮品调配售货机器，与普通的奶茶店相同，其首先应该具备制作不同口味、不同温度奶茶的能力。其次，由于该机器在运营方面不是依靠人工劳动力，顾客可以根据自己的选择自主下单、付款，所以该机器要能够实现人机交互，要能够反馈缺料、缺水等情况，提示店员及时补料；
另外，要能够提供更便捷、更迅速的服务，减少顾客等待时间，而且必须保持密闭的卫生环境和恒定的温度。其研究技术路线如图1 所示。

图1 研究技术线路图

1.2 实现方案

该系统制作奶茶的流程为：落杯器落杯同时机械臂取料杯、取冰、加糖、倒料、加奶、加茶、封口，最后打开取货窗口等待顾客取走奶茶。为实现上述功能，设计了相应的硬件和软件。整个系统的组成如图2所示。

图2 系统组成

机械结构设计由机身整体框架和外部钣金的设计、传送带部件的设计、取杯模块的设计、落杯模块的设计、封口模块的设计、机器臂驱动电机的选择6 个部分组成。以下简要论述机身整体框架的设计、传送带部件的设计[4-5]和落杯模块的设计。

2.1 机身整体框架的设计

机身的设计主要考虑到要简单，并且要易于制造、安装。要实现的功能如下：①有足够的空间安放制冰机、果糖机、开水机、封口机、机械臂、茶桶、封口机、冰台及传送带组件等；
②便于传感器、电磁阀等布线，并便于维护；
③内部要有足够的空间安装空调，便于降温；
④整个设备必须密封，防止蚊虫进入。系统整体外观效果如图3 所示。

图3 系统整体外观效果

2.2 传送带部件的设计

传送带部件的作用是利用传送带把奶茶料杯传送到指定位置，即传送带最前端。在传送带的最前端安装了漫反射光电开关传感器，当传感器检测到奶茶料杯时传送带停止转动。为了增加容量，将传送带部件设计为2 层，每层各并排安装10 个传送带，每个传送带可以放置4～5 个奶茶料杯；
为了方便补料，在每层传送带底部托板的两侧各安装了1 个滑轨，使其便于从传送带部件的背部推进拉出；
为了节省补料时间、减少工作人员的劳动，在传送带部件的侧面安装了1 个补料按钮，工作人员补料后按下补料按钮，则会启动补料程序，把奶茶料杯传送至指定位置。传送带部件的外观效果如图4 所示。

图4 传送带部件的外观效果

2.3 落杯模块的设计

落杯模块的主要作用是将单个奶茶杯落进封口机开合气缸的扩展部分，以供后续系统的灌装、封口、出杯等[6-7]。落杯模块主要由双孔落杯器、奶茶杯、落杯器升降气缸及气缸钣金罩组成，双孔落杯器有2 个作用：①存储奶茶杯。每孔可存储50 个奶茶杯，2 个储杯孔只有1 个位于工作位置，即落杯口，当该储杯孔中没有奶茶杯后，另一个储杯孔才会被弹簧推至落杯口。②通过控制齿轮的旋转从而控制单个奶茶杯落下。落杯器固定在L 形钣金上，L 形钣金的另一端通过螺栓安装固定在落杯器升降气缸上，落杯器升降气缸的作用是避免其在最低位置时与水龙头的工作位置产生干涉，而落杯器升降气缸固定在升降气缸钣金罩上。落杯模块装配图如图5 所示。

图5 落杯模块装配图

在奶茶调配售货机器人控制系统中，上位机采用占美8 代GK5000 无风扇工控机，通过交换机、USB转485 模块、USB 转TTL 模块等与机器人、落杯器、Ⅰ/O 模块、制冰机等实现数据交换。系统总体包含机器手、供料及补料、制冰、出茶及供水、落杯、出糖、封口、取杯、人机交互、上位机10 个模块，彼此间是并列运行的关系[8-9]，如图6 所示。其中机械臂的控制系统采用的是纳博特NRC 系列EtherCAT 工业机器人控制系统，优秀的硬件平台和算法能力，完全能够满足六轴同步运动和插补计算。人机交互模块采用的是自主点餐机，能够满足顾客自主选择下单并付款，速度快、省时间。

机械手模块是该系统中最重要的组成部分之一，直接影响整个系统的可靠性和稳定性。机械手由末端执行器、机械臂、驱动器、控制器构成。其主要作用是准确夹取奶茶料杯，然后根据指令夹着料杯依次送至指定位置完成取冰、取糖、倒料、弃杯、回初始位置等步骤。机械手本体是该系统的轴心部件，起到机器换人的作用。结合本文研究方案设计，采用六轴机械人作为本系统完成奶茶饮品调配的关键部件。

出茶及供水模块由茶桶、牛奶桶、开水机、水桶、抽水泵、自吸泵、高压开关、液体电磁阀等组成，其中出茶模块是对奶茶原浆进行定量灌装的部分，当控制系统发出相应指令后，对应的抽水泵、高压开关、液体电磁阀开始工作，将指定量的奶茶原浆输送至奶茶杯中；
供水模块对茶桶、开水机进行供水，由自吸泵和高压开关组成，当开水机缺水时，高压开关打开同时自吸泵开始工作，直到开水机自动关闭进水口，则高压开关关闭，同时自吸泵停止工作。

人机交互模块是消费者选取奶茶饮品下单、支付并取走小票的部分，点餐软件界面简单、形象直观，每个奶茶饮品都配有相应的图片和价格，选取甜度和温度的界面也有相应的说明。消费者首先选择奶茶饮品，然后选择甜度、温度，确认后付款，最后取走小票，等待奶茶饮品调配制作完成。该点餐系统能够归纳分析销售数据，使经营者掌握不同饮品的售卖情况，再根据售卖情况调整奶茶原料的投放量及研制不同口味的奶茶饮品，吸引消费者前来体验。

为了使软件设计程序的结构清晰，便于理解、调试程序，本文控制系统软件部分采用Labview 主/从模式的设计方式，将任务从整体到局部功能进行分析，然后把不同功能的各个工作流程分成单个模块分别进行编程，然后再通过主程序调用，使程序的逻辑性更清晰，便于编写和调试程序。

本文程序设计主要由水龙头控制、落杯器控制、制冰控制、果糖机控制、机器人通信、传送控制、云订单查询、流程控制、封口机控制及Ⅰ/O 控制组成。通过对这10 个部分进行分析，对整个控制系统的软件部分进行模块化、简单化，最终实现对整个系统的有效控制[10]。

本文提出了一套奶茶调配售货机器人系统的设计技术路线，并给出了该系统的总体实现方案；
设计了该系统的本体结构；

采用自动多线程编程语言Labview，设计了上位机控制系统；
然后根据设计方案制造了样机。通过该样机试验，认为按设计方案制造的系统样机工作性能良好，实现了代替人工制作奶茶的效果，具有广阔的市场价值。

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