智能咖啡机器人的结构设计

DOI：10.15913/ki.kjycx.2024.07.016
智能咖啡机器人的结构设计
范雨婷1，余卓航2，徐羽粲2，刘晓阳1，张元祥1
（1.衢州学院机械工程学院，浙江衢州324000；2.衢州学院教师教育学院，浙江衢州324000）
摘要：随着人们对咖啡需求的不断增加，市场上出现了大量的智能咖啡机。

为了迎合人们对智能咖啡机的需求，基于冲泡咖啡的制作原理，应用四自由度仿生机械臂及蓝牙远程控制系统，设计了一款高智能、高精度和高效率的智能咖啡机器人。

这款咖啡机可用于自动研磨咖啡豆、定量输送咖啡粉、萃取咖啡液，同时具备自动倒咖啡和自动清洗功能，并满足了用户远程控制的要求。

首先根据设计要求，在咖啡粉输送上选用了定量螺旋给料装置；其次根据工作需要，对电机进行了分析预选；最后着重针对机械臂进行了详细描述，尤其对四自由度机械臂进行了运动学分析。

本咖啡机通过舵机驱动关节型机械臂实现咖啡工艺，在解放人类双手的同时，保留了传统工艺的生动性。

关键词：咖啡冲泡；咖啡机器人；四自由度机械臂；自动化
中图分类号：TP242；TP393.09 文献标志码：A 文章编号：2095-6835（2024）07-0064-04
随着社会经济的迅速发展，人们对生活品质的要求日益提高，喝咖啡成为中青年人尤其喜爱的休闲项目。

在许多专业人士及机构的研究中指出，喝咖啡可以摄取膳食纤维并有益于心脏健康，与一些疾病的风险降低之间存在相关性，包括帕金森病、癌症、糖尿病、肝脏疾病及其他慢性疾病等[1-2]。

其中，现磨咖啡因其醇香浓郁备受大众喜爱，然而冲泡工艺复杂，大部分人没有时间进行手工冲泡。

目前，市面上最常见的老式咖啡机大部分功能需要手工操作。

市面上现有的智能咖啡机虽然具有冲泡、研磨咖啡等多种功能，但操作原理简单，自动化程度较低，无法完成一整套完整的咖啡工艺要求，且交互性较差[3-4]。

基于用户的全面需求，本文设计了一款可实现自动研磨、送料、咖啡液萃取和自动洗杯等功能，通过四自由度关节型机械臂来还原手冲咖啡工序的智能咖啡机器人，并搭载蓝牙模块实现了远程操控，大大提升了生动性和交互性。

1 智能咖啡机器人的结构设计
1.1 工作流程
本产品主要由磨料送料一体装置、滤杯、握壶机械臂、送水机械臂、持杯机械臂及抽水泵组成，部分装置如图1所示。

设备使用时，用户通过APP蓝牙连接，根据需求制备咖啡；萃取时，水阀开启，送水机械臂送水，同时握壶机械臂夹持咖啡壶在滤杯下方接收萃取所得的咖啡液；系统根据该咖啡的粉水比及萃取工艺，定时定量送入热水；注水管夹装载输水软管，水源可由外置净化水箱提供，外置水箱配合水阀可进行水温与输水量的控制；萃取完成，握壶机械臂配合持杯机械臂将萃取完成的咖啡倒入咖啡杯中，送至用户；用户取走咖啡后，由送水机械臂配合其余臂完成杯具及咖啡壶的清洁。

本机具体工作流程如图2所示。

图1 智能咖啡机器人模型设计
1.2 磨料送料一体化装置设计
智能咖啡机器人的磨料送料一体化装置可以实现磨料及运输咖啡粉的功能。

储料仓加入咖啡豆并启动装置后，研磨器将咖啡豆快速研磨成咖啡粉，并采用定量螺旋给料装置将咖啡粉输送至滤杯中。

磨料送料一体化装置详细设计如图3所示，入料装置上半部分为储料仓，咖啡豆加入后落入研磨仓进行研磨。

ABS材质储料仓具有良好的密封性，可在一定期限内暂存，以保证咖啡豆的质量。

送水机械臂
滤杯
磨料送料装置
咖啡壶
送水机械臂握杯机械臂及咖啡杯
图1智能咖啡机器人模型设计
··64
图2 智能咖啡机器人工作流程图
图3 智能磨料送料装置三维模型
咖啡粉的输送设计采用定量螺旋给料的设计。

在工业上，定量螺旋给料机以其结构简单紧凑、工作可靠、工作环境密闭等特点，受到中国粉洗精制盐生产行业的重视，并正在广泛应用于粮食、建材、化工、冶金等其他行业中。

它是传统给料机如圆盘给料机、惯性振动给料机、转轮给料机的一种补充，特别适合于流动性较差的粉状和颗粒状物料的输送[5-6]。

螺杆装置首先空转将磨料舱落下的咖啡粉均匀填充至螺旋槽内，而后通过控制螺杆电机的运行时间来精准控制咖啡粉的输送量，通过计算，旋转一周约输送0.6 g咖啡粉。

冲泡时所需的咖啡粉量可通过手机APP调控。

1.3 机械臂设计
1.3.1 握壶机械臂
握壶机械臂将咖啡壶置于滤杯下方接收萃取液。

握壶机械臂由5个舵机控制，可以实现移动、开合咖啡盖、倾倒咖啡等动作。

握壶机械臂需要控制咖啡壶在XOY平面内任意移动，设计有2个空间自由度，并由3个舵机来控制；控制咖啡壶绕X轴做旋转倾倒动作，需要1个空间自由度，选用1个舵机对其进行控制；控制咖啡壶盖其绕Y轴做旋转开合动作，需要1个空间自由度，同样选用1个舵机对其进行控制，具体结构如图4
所示。

图4 握壶机械臂结构示意图
1.3.2 送水机械臂
萃取时，送水机械臂置于滤杯上方定时定量送入热水，并在使用完毕后进行杯具的自清洁。

送水机械臂由5个舵机控制。

送水机械臂需控制出水口在XOY、XOZ平面内移动，因此需要4个空间自由度。

与握壶机械臂相类似，送水机械臂在XOY平面的移动范围相对较大，为保证位置精准性，选用3个舵机来控制这2个自由度，另外2个舵机控制XOZ平面的2个空间自由度，具体结构如图5
所示。

图5 送水机械臂结构示意图
在工业生产中也已经出现基于视觉控制的机械臂控制技术，可以实现机器人对目标物体的检测、定位与
图1智能咖啡机器人模型设计
储料仓研磨器
送料装置
3智能磨料送料装置三维模型
·
·65
自主抓取的功能[7-8]。

基于此，智能咖啡机器人在送水机械臂上设计有视觉识别模块（如图6所示），使用摄像机对水口、滤杯及咖啡壶三者进行图像采集，通过像素标定法来确定三者的相对位置是否在安全范围内，保证了工艺动作完成的精准性和安全性，提高了工作
效率。

图6 智能视觉识别模块
1.3.3 持杯机械臂
持杯机械臂由3个舵机控制，可以完成送咖啡杯、正反向洗杯的动作。

持杯机械臂需要控制咖啡杯绕Z 轴和Y轴转动，这里需要2个空间自由度，同时还需控制咖啡杯挡板绕X轴的转动，需要1个空间自由度，共计3个空间自由度，选用3个舵机来控制，具体结构如图7
所示。

图7 持杯机械臂结构示意图
2 四自由度机械臂的详细设计
握壶机械臂和送水机械臂是本机的核心部件，决定了本机的综合性能。

本设计利用四自由度机械臂工作原理，设计了一套适用于咖啡冲泡工艺的四自由度机械臂控制系统。

四自由度机械臂系统改善了原有作业机器运转时抖动和失步问题，仅利用4个自由方向运动就能使系统处于良好状态[9]。

其设计结构简单，在工业生产中应用广泛，且功能完善，能满足大多数的运动要求，具有承载能力强、稳定性好、结构紧凑、机构简单等优点[10]。

2.1 机械臂D-H齐次坐标的建立
为了验证2个核心机械臂的工作性能、工作轨迹、运行速度及判断机械臂运动是否产生干涉、运动副间隙是否会对运动产生影响等问题，需要对其进行运动学分析。

在机器人运动学中，常常采用D-H齐次坐标法来表达各个空间连杆机构的位置关系，以完成对机械臂的运动轨迹描述，而后利用MATLAB/Simulink仿真分析空间运动，如图8所示。

D-H坐标系法就是在每个
关节上都单独建立坐标系，再通过齐次变换矩阵的方法，利用左乘或右乘的计算依次求得空间姿态关系[11]。

以握壶机械臂为例，建立的D-H关节坐标系如图8所示，具体步骤为：①确定基座坐标系、原点O
及第一个
关节的轴线方向Z
；②根据关节顺序依次确定Z
i
的轴
线方向；③确定Z
i
与Z
i+1
的公垂线；④确定各关节X
i
轴
线方向；⑤确定Y
i
轴线方向。

图8 握壶机械臂D-H关节坐标系
齐次变换矩阵通式T
i
表示为：
T
i
=Rot
z，θ
Trans
z，d
Trans
x，a
Rot
x，a
=
é
ë
ê
ê
ê
ê
êù
û
ú
ú
ú
ú
ú
c
θ
-s
θ
00
s
θ
c
θ
00
0010
0001
é
ë
ê
ê
ê
ê
ù
û
ú
ú
ú
ú
1000
0100
001d
i
0001
é
ë
ê
ê
ê
ê
ù
û
ú
ú
ú
ú
100a
i
0100
0010
0001
×é
ë
ê
ê
ê
ê
êù
û
ú
ú
ú
ú
ú
1000
0c
α
-s
α
0s
α
c
α
0001
=
é
ë
ê
ê
ê
ê
êù
û
ú
ú
ú
ú
ú
c
θ
-s
θ
c
α
s
θ
s
α
a
i
c
θ
s
θ
c
θ
c
α
-c
θ
s
α
a
i
s
θ
0s
α
c
α
d
i
0001
（1）
式中：Trans（x）为转换函数，实现基础坐标系与工具坐标系之间的转换；Rot（x）为回旋转速函数，绕X、Y、Z轴
旋转θ角；c
θ
为cosθ
i
的缩写；s
θ
为sinθ
i
的缩写，其中θ
i
为两连杆之间的夹角，即从X
i
坐标系到X
i+1
坐标系的夹
角；c
α
为cosα
i
的缩写；s
α
为sinα
i
的缩写，其中α
i
为连杆
扭曲角度，即Z
i
和Z
i+1
两轴轴心线的夹角；a
i
为连杆长
度，即从i轴关节到i+1轴关节的公法线长度；d
i
为相邻两杆三轴线所组成的2条公法线之间的距离。

2.2 机械臂正运动学方程
本装置机械臂均采用面接触低副开环连杆机构，基于四自由度机械臂分析理论和齐次变换矩阵理论，建立了四自由度机械臂运动学方程[12]。

提壶机械臂各关节D-H参数如表1所示，送水机械臂各关节D-H参数如表2所示。

表1 提壶机械臂各关节D-H参数
相邻
坐标系
0-1
连杆长度
a
i
/mm
连杆扭曲
角度α
i
/（°）
90
连杆距离d
i
/
mm
10
连杆间
角度θ
i
/（°）
θ
1
··66
表1（续）
表2 送水机械臂各关节D-H 参数相邻坐标系0-11-22-33-4
连杆长度
a i /mm
01001000
连杆扭曲角度αi /（°）90180900
连杆距离d i /mm 011010050
连杆间角度θi /（°）
θ1θ2θ3θ4
将机械臂各关节D-H 参数代入式（1）后，可计算得4个空间自由度的齐次变换矩阵：T 01=éëêêêêùûúúú
úc 10s 10s 10-c 1
0010d 10001 （2）T 12=éëêêêêùûúúú
úc 2-s 20a 2c 2s 2c 2-c 1a 2c 2001000
01 （3）T 23=éëê
êêêùûúúúú
c 30s 30s 30-c 3001000001 （4）T 34=éëêêêêùû
úúúú
c 4-s 400s 4c 400001
d 40001 （5）再由上述4个矩阵，用式（6）来表述两机械臂的空间姿态：
T 04=T 01T 12T 23T 34=
éë
êêêêêê
êùû
úúúúúú
úc 1c 23c 4+s 1s 4-c 1c 23s 4+s 1c 4c 1s 23d 4c 1s 23+a 2c 1c 2s 1c 23c 4－c 1s 4-s 1c 23s 4－c 1c 4s 1s 23d 4s 1s 23+a 2s 1c 2s 23c 4-s 23s 4-c 23-d 4c 23+a 2s 2+d 10001
（6）式（6）中，唯一不能确定的参数就是θi ，所以改变θi
的值就可以改变机械臂的位置和姿态，从而使机械臂运动到预定位置。

3 结束语
本文全面阐述了智能咖啡机器人的机构设计，智能咖啡机器人主要由磨料送料一体装置、握壶机械臂、送水机械臂及持杯机械臂组成。

本文主要对磨料送料一体化机构及3种机械臂进行了详细分析，着重对2个四自由度机械臂进行了运动学分析。

本设计基于手冲
咖啡的制作原理，设计了一款集自动研磨、定量输送、远程控制、机械臂操作等功能为一体的高智能、高精度和高效率的智能咖啡机器人，解决了普通咖啡机自动化程度低、交互性差等问题，满足了咖啡用户的全面需求。

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作者简介：范雨婷（2002—），女，在读本科，研究方向为机械电子工程。

余卓航（2003—），男，在读本科，研究方向为小学教育。

徐羽粲（2003—），女，在读本科，研究方向为小学教育。

刘晓阳（2002—），男，在读本科，研究方向为机械设计制造及其自动化。

通信作者：张元祥（1982—），男，博士，教授，研究方向为机械设计。

（编辑：王雨茜）
相邻
坐标系1-22-33-4
连杆长度a i /mm 1001000
连杆扭曲角度αi /（°）00
90连杆距离d i /mm 0100
20
连杆间角度θi /（°）
θ2θ3θ4
·
·67。