一款厨房助手机器人的方案设计

金鹏 黄江 吴文新 杨宇艇

摘要：本文采用STM32系列单片机作为智能厨房机器人的核心，采用步进电机以及舵机来控制机器人的各种转动，单片机将接收到的指令整理成为电信号传递给步进电机，用以控制舵机转动，使其达到想要转动的度数，达到控制机器人的作用。

关键词：STM32;步进电机;温度传感

1设计背景

随着科学技术的进步，机器人生产代替传统的人工生产已经成为不可避免的趋势，目前市场上已经出现了各式各样的机器人产品，机器人功能越来越细化。在生活节奏加快的今天，烹饪是现代生活一件时间成本很高的事情，因此，研究一款智能的厨房助手是非常有必要，智能厨房助手可以有效的帮助人们节省在厨房做饭的时间，提高了劳动效率。在烹饪领域的智能机器人是目前研究的热点之一，市面上现有的关于烹饪工具是对厨房工具进行智能化改进，或使某一工具具备更多的功能，是对某方面烹饪技巧的细分，使之更容易被操作者掌握。本设计智能厨房机器人将移动技术和烹饪技术有机的融合起来，实现了厨房内半自动或全自动化烹饪，是一款性能较为全面的智能厨房机器人。

2功能模块设计

中餐烹饪的菜肴的样式非常丰富，为使厨房智能机器人烹饪好一道菜肴。我们通过采访很多名经验丰富的大厨，总结他们多年的经验，作为设计方案的前期准备工作，机器人模仿厨师烹饪食材关键是掌握烹饪时的实时温度与所需要放置调料的浓度，并且根據反馈的温度适当的调节火力的大小。因此将厨房助手机器人按功能划分为四个模块，分别是食材预处理模块、火力调节模块、材料添加模块以及搅拌模块。

2.1食材预处理模块

该模块负责烹饪前的准备工作，主要是识别不同种类的食材，并且根据食材的种类和数量与预设菜谱中进行对比，筛选出适合烹饪的菜品，消费者可以对菜品的种类、口味和烹饪的火候等进行选择。消费者选择完成后开始对菜品进行处理，并且将信息同步到其他几个模块。具体说明如下：

1）烹饪前都要对食材进行处理，包括称量重量，清洗食材，切割食材，然后根据消费者的口味，配置所需要的调味品。

2）操作者选择好自己想要烹饪的菜品后反馈给STM32主控，然后进行清洗工作，之后根据所选择的菜品进行相应切割方式，然后将切好的食材加入到食材放置盘中备用。

3）根据预先设定的程序将食材在最合适的火候加入锅中。

2.2火力调节模块

中餐烹饪中，“火候”是控制菜肴出品质量的关键。火候可以分为“火”和“候”，“火”是指烹饪中的温度控制，“候”是指对烹饪时长的控制。这是中餐烹饪的重点也是难点，为使食材能在最合适的温度下烹饪，我们将“火候”分开进行处理。火力调节模块负责调节烹饪的实时温度，通过温度传感器实时的检测，与烹饪过程中所需要的温度进行比较，进而调节燃气灶的进气量来调节火力的大小，从而保证了温度的精准控制。具体说明如下：

1）通过控制燃气灶的进气量来控制火焰的大小，从而达到控制温度的高低;通过对每种菜肴烹饪过程的统计分析，总结出不同的温度下最适合的烹饪时长。

2）“火”的调节通过设置温度传感器来监测锅具中食材的温度，通过温度传感器反馈的温度对燃气的进气量进行调整。

3）“候”的调节我们通过对厨师的烹饪过程的的数据记录，然后进行数据分析，然后通过特殊的算法计算出不同的温度所应该烹饪的时长。

2.3材料添加模块

该模块主要负责在最合适的时间内加入食材和调味品。同样添加食材和调味品的时机也是据温度传感器反馈的温度来调整，具体说明如下：

1）材料添加可以分为食材添加和调味品添加。

2）食材添加是将食材预处理后盛到食材放置盘中的食材在合适的时间添加到锅具中进行烹饪。

3）调味品添加是有准确的次序和时间的，我们同样是根据对多组数据的处理和分析，然后通过特殊的算法进行计算，并将数据记录到菜谱库中，在烹饪的过程调用菜单库的数据，然后通过用步进电机和舵机联合控制的机械臂进行调味品的抓取和放置。

2.4搅拌模块

烹饪过程中需要使食材均匀受热。我们采取颠锅和厨具翻炒使食材达到均匀受热的目的。颠锅是通过锅具带动食材翻滚使得食材均匀受热;搅拌就是通过机械臂带动锅铲使食材翻面。具体说明如下：

1）中餐的烹饪手法固然多种，但我们只采用颠锅和翻炒这两种方式，因为这两种方式在烹饪过程中使食材均有受热效率最高，且适应绝大部分的菜品。

2）对于颠锅我们同样是采用收集多名厨师的多次颠锅时锅体运动的轨迹，通过对数据的分析，找出几条最适合锅体运动的轨迹，并将其记录到搅拌模块中，针对不同的菜品选择不同的颠锅运动轨迹。

3）通过舵机控制机械臂控制铲子实现对食材的翻炒，为能更好的控制菜肴的品质，翻炒的机械臂与添加调料的机械臂相互独立，这样不仅能提高菜肴的品质，也能是得因事件冲突而造成程序运行出错的几率大大下降。

3 硬件设计

系统根据方案设计可分为主控模块、电机模块、温度传感模块三大部分。微处理器是整个设计的核心，本系统使用STM32F767为主控芯片，STM32系列处理器是基于ARM 7架构的32位、支持实时仿真和跟踪的微控制器，可以实现温度的实时检测。采用6级流水线，性能高达5CoreMark/MHz，在200 MHz工作频率下测试数据高达1000CoreMarks，远超此前性能最高的STM32F4（Cortex M4内核）系列，DSP性能超过STM32F4的两倍。自带了LCD控制器和摄像头接口（DCMI），并且集成了硬件JPEG编译解码器，可以秒解JPEG图片，可以提高界面加载速度。STM32F767为主控芯片板自带RGB LCD接口（LCD），可以连接各种ALIENTEK的RGB LCD屏模块，并且支持触摸屏（电阻/电容屏都可以）。为了节省IO口，采用的是RGB565格式，虽然降低了颜色深度，但节省了IO，且RGB565格式，程序上更通用一些。通过STM32控制摄像头检测食材的形状、大小、颜色等特征，然后与内置数据库中的数据进行识别，确定食材的种类。然后将食材的种类和重量记录下来并对比菜单库中的食材量进行比对，将最合适的菜品显示在液晶屏上供操作者选择。DCMI是STM32芯片自带的一个数字摄像头接口，该接口是一个同步并行接口，能够接收外部8位、10位、12位或 14位 CMOS 摄像头模块发出的高速数据流（可达 54 MB/s）。DCMI接收到的数据，存储在DCMI_DR寄存器（32位）里面，我们接ATK-OV2640采用8位数据宽度，所以每4个像素时钟，才会捕获完32位数据，第一个字节存放在LSB位置，第四个字节存放在MSB位置。

驱动步进电机运用A4988，A4988是一款完整的微步电机驱动器，内置装换器，操作简便。可以用于以全步、半步、四分之一步、八分之一和十六分之一步模式操作的双极步进电机，输出驱动能力高达35V和2A电流。在步进操作期间，A4988中的斩波控制器自动选择当前衰减模式，慢速火混合。在混合衰减模式中，设备最初设置为固定关闭时间的一部分的快速衰减，然后设置为关闭时间的剩余部分的缓慢衰减。混合衰减电流控制可降低可听到的电机噪声，提高步进精度并降低功耗。

传感器方面我们采用的是非接触式红外温度传感器，相比与接触式温度传感器，非接触式的传感器能远离高温环境，在长期运行过程中大大提高可靠性。且非接触式红外温度传感器具有高精度、高灵敏度、高信噪比、反应时间低、低成本的优点，符合我们的需要。

4 总结

本文所设计的厨房助手机器人采用模块化设计将烹饪复杂过程分解成几个较为简单的模块，并且通过实时监测温度的设计将烹饪的过程更加细致的划分，并且提高了容错率，使得烹饪更加容易控制和实现。为能满足大多数人口味，我们内置数据收集分析，不断的根据每个人的喜好进行智能学习，不断改进烹饪的时间和口味，进而满足每个家庭的餐饮习惯，使其更容易被广大消费者所接受。

基金项目：

广西高校大学生创新创业训练计划项目—厨房助手智能机器人（201813638041）

參考文献：

[1]李辉，郭文成，陈浩.基于STM32F107的搬运机器人电机控制系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2012，12（4）：36-38.

[2]黄智伟，王兵，朱卫华.STM32F 32位ARM微控制器应用设计与实践[M].北京航空航天大学出版社，2012.

[3]王登贵，杨中平，胡真明，et al.基于PLC的四相步进电机控制方法及实现[J].微计算机信息，2006，22（34）：36-37.

作者简介：

金鹏（1997-），男，汉族，电子科学与技术专业在校本科生;

通讯作者：黄江（1981-）.男，壮族，广西柳州人，硕士研究生，讲师，研究方向：智能机器人;

吴文新（1998-）男，汉族，电子科学与技术专业在校本科生;

杨宇艇（1997-）女，汉族，电子科学与技术专业在校本科生。

（作者单位：广西大学行健文理学院）