咖啡拉花机＊

霍梦真，王章陶

（北京航空航天大学，北京 100083）

咖啡拉花机＊

霍梦真，王章陶

（北京航空航天大学，北京 100083）

咖啡作为世界三大饮品之一，被世人称为最美味的植物饮料，留香在齿，让舌头的触味达到极点。但是由于咖啡拉花细致优雅，难度很高，一直以来，国内外众多公司企业都致力研究开发一款能拉花的机器。因此，设计了一款咖啡拉花机，可通过伺服控制、图像处理、蓝牙通信等原理实现人机互动功能，即用户在手机Android APP中上传一张图片，经处理后点击发送给咖啡拉花机，机器接收信号后便在咖啡奶泡上绘制出用户所选择的图案，短短十几秒钟就可以DIY一杯属于自己的独一无二的拉花咖啡，开启一天的美好时光。

咖啡；拉花机；自动控制；人机互动

经调查，近年来咖啡消费群体逐渐成长壮大，咖啡饮品既实用又能烘托出优雅淡然的生活情调，无论是休闲场所，还是正式会谈，都不失为一种彰显品位的饮品。对于关注生活质量的现代人而言，更是日常生活工作中不可或缺的提神利器。目前，只有国外少数公司开发了咖啡拉花机，比如美国的“Onlatte”公司就设计出了类似办公用的桌面打印机技术的“Coffee Printer”，通过与电脑链接后可以用它打印出文字和非常精致的图案；以色列初创公司Steam CC推出了一款名为“波纹制造者（Ripple Maker）的咖啡拉花机，这台机器结合3D打印及喷墨技术，用户通过配套的 iOS/Android APP从Ripples在线图书馆选择自己想要的各种拉花形状，然而，机器价格高达999美元，仅适用于一些向客户提供咖啡的商业公司，且还要定期收取专利费用，很难打开我国的市场。受到目前咖啡拉花机成果的启发，我们决定研发出一台能够改变打印材料需要为可食用油墨或咖啡萃取物等特殊材料、拉花缺乏立体感等问题，且能够实现同样拉花功能的咖啡拉花机。我们改进后的产品使用的原料是纯正咖啡，原料廉价易得，立体效果好，同时，还能够克服当前产品体积大、费用高等缺陷，使其既能满足咖啡馆等场合的需要，又能推广到家庭或个人使用。

1 基本框架

1.1 硬件架构

硬件主要采用atmel公司的16位单片机进行伺服控制，对于普通的伺服控制，该类单片机性能足够，且廉价易得。单片机使用串口接收电脑指令，解算后转化为x，y，z轴和步进电机蠕动泵的控制脉冲信号输出，以此实现伺服控制。

1.2 软件架构

软件主要采用自主开发图像处理软件以及伺服程序，电脑端图像处理软件负责图像处理，并且使用轨迹提取算法获得图像中的线条的轨迹信息，并转化为单字节编码储存。为了与现有的G-code兼容，通过代码转换程序把轨迹代码转换成标准G代码，方便后期的批量生产。

2 核心技术

2.1 图像提取

通过二值化、边缘提取、形态学膨胀、去噪点等处理方法进行图像提取。

2.2 轨迹提取

轨迹提取代码使用自适应曲率寻迹算法。针对用户图像杂乱噪点较多的情况，设计了细化处理和去噪算法。

对原始图像进行二值化处理：进行细化处理，细化处理会自动填充线条中的微小空隙，使其更加平滑；边缘提取得到线条的信息；轨迹提取算法，如图1所示。

图1 轨迹提取

轨迹提取算法属于循迹类算法，当找到第一个轨迹上的点之后算法将搜索其周边一定范围内的点，然后迭代执行搜索下去；遇到分支时，通过计算分支的方向角和前一次的方向角来判断分支方向，进而选择最大轮廓进行搜索；在遇到断点时，算法会自动扩大搜索范围。这样的好处在于，对于曲率较小的轨迹可以使用较大的搜索范围，以减少取样点个数，对于曲率较大的部分能够自动增加采样点来进行跟踪，实现了自适应曲率轨迹提取。

路径模拟程序能够读取轨迹信息编码，然后将其复现出来，用户之间可以方便地交流这些轨迹文件。

2.3 伺服控制

步进电机实现方面，选用工业使用的标准42步进电机，使用单片机系统控制步进电动机。

2.4 物料控制

为了实现精确地控制打印线条的粗细，我们使用了步进电机蠕动泵。它具有很高的响应频率和精密程度，使得我们打印控制更加方便、可靠。

2.5 人机互动（Android APP）

手机APP可实现打开图库选择照片、拍照、画图、自定义提取图片轮廓的阈值、内置基本拉花图案、蓝牙连接拉花机器、1910社区交流、拉花图案共享、一键拍照分享、意见反馈等功能。

2.5.1 图像获取

用户通过拍照或图库提取图片，进行选择。

2.5.2 图像处理

用户对图像进行截取，然后通过一键处理将图像二值化；通过轮廓提取算法得出照片中物体的轮廓，并显示到屏幕上；预处理；轮廓分段处理，即通过遍历查找轮廓起点判断下一个点的位置，依次进行轮廓点的寻找，并将点的位置信息转化为针头的移动指令，通过蓝牙发送到拉花机。

2.5.3 画图模块

用户可通过画板画出轮廓，通过上述处理后，同样发到拉花机进行打印。

3 前景方向

目前，美国的“Onlatte”公司设计出的类似办公用的桌面打印机技术的“Coffee Printer”和以色列初创公司Steam CC推出的名为“波纹制造者（Ripple Maker）的咖啡拉花机都是以3D打印技术和喷墨技术为核心，是将已有的技术融合在一起，并没有较大的创新，且为了适应这种技术必须要特制拉花材料——咖啡萃取物。国内申请专利的咖啡拉花机使用的是喷墨打印技术，拉花的耗材也不是咖啡而是可食用油墨。这两款产品因为使用的拉花材质并非是传统的咖啡拉花材料，制作出来的咖啡口感并不好，且由于专利等限制，产品体积大、价格高。

在技术方面，本文的设计摒弃了目前所采用的喷墨打印技术，结合十字滑台定位技术，通过类似于咖啡拉花针的结构在奶泡上勾勒出拉花图案。与喷墨技术不同，我们的设计打印出来的图案更加贴近于人工拉花，更具有拉花的美感，而非机械复制将粉末喷洒在奶泡上；我们选用的拉花原料为纯正咖啡，而非咖啡萃取物或其他可食用色素，不仅在口感、口味上更舒服，且消除了食品安全隐患；本产品也采用手机APP来实现与机器的对接，但增添了图片处理提取过程，即机器提取图片轮廓进行勾勒，缩短了制作一杯咖啡拉花所需要的时间，效率更高，实用性更好。

总体而言，本款咖啡机的设计既能满足咖啡馆等场合的需要，又能推广到家庭或个人使用，在当今市场上有更大的需求量，也具有更大的实际价值。

［1］王宗培.步进电动机的发展及建议［J］.微电机，2004（04）.

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［3］张家生.电机原理与拖动基础［M］.北京：北京邮电大学出版社，2006.

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［6］陈清.打印机技术研究和未来应用趋势初探［J］.电子世界，2013（16）.

F272

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.21.101

2095－6835（2017）21－0101－02

国家大学生自主创新项目基金支持

〔编辑：张思楠〕