多功能中式菜肴自动烹饪机器人研究

摘要

随着计算机科学、控制论、机构学和信息科学的交叉与发展，服务机器人技术的研究与应用日益深入。多功能中式菜肴自动烹饪机器人作为一种与饮食科学交叉的服务机器人，代替人类从事繁复的烹饪劳动，对其研究将有助于解决类似服务机器人设计的共性基础理论问题，且具有重要的学术与应用价值。目前，针对中式菜肴自动烹饪机器人的研究还不成熟，可靠的方案和各种自动烹饪手段还仅停留在初级阶段。
　　 本论文来源于国家863计划先进制造技术领域服务机器人重点项目：用于助老助残的中式菜肴烹饪机器人(2006AA040205)、多机器人餐厅烹饪机器人系统（2007AA041601，2007AA041602）和深圳市重大项目(301200821757):盗火者自动供餐装备生产项目的资助，主要研究内容包括如下几个方面：
　　 首先，研究了中式菜肴的自动烹饪技术，对现有烹饪动作和烹饪工艺进行了数字化、标准化和参数化，将机器人、计算机、数据库等技术应用于传统中式烹饪，在烹饪工艺标准化、菜肴原料标准化、灶上动作标准化、火候控制数据标准化、烹饪过程自动化等方面提出了原理性的创新办法。
　　 其次，研究了中式烹饪的特点及工作流程，分析了不同中式菜肴烹饪方法的共同特征，并进行运动学和动力学分类，进而描述最能体现中式烹饪过程的基本动作原理。研究的技术路线为：进行中式烹饪灶上动作研究、分析并描述典型烹饪工艺动作、分解单一动作为系列组合动作、确定烹饪工艺对应的机械工艺动作；然后，采用模块化的设计理论，将机构系统分为锅具、工具、送料、出料、灶具等运动机构模块，并将锅具运动机构与工具运动机构作为烹饪机器人的核心部分，实现了晃锅、翻锅（小翻、大翻）、划散等中式烹饪工艺的核心动作；将烹饪机器人的控制系统分为运动控制模块、示教自学习模块、上位机火候控制与状态监控模块，实现了自动烹饪机器人的分布式协调控制。
　　 在标准化烹饪工艺流程及菜肴科学配伍方法研究的基础上，提出了烹饪机器人的示教学习算法，通过记录名厨大师的烹饪工艺操作和经验，实现了菜肴工艺的数字化开发和工艺再现。该示教系统可通过机器视觉实时记录厨师的烹饪过程并采集烹饪经验参数，针对烹饪机器人锅具、工具运动的特点进行动作最优化分析，得出了最接近厨师动作的烹饪机器人灶上动作，尤其是最有代表性的大翻和晃锅烹饪动作，同时还进行了锅具的动力学和运动学仿真，实现了多种自动烹饪菜看的开发。
　　 最后，研究了火力系统总成和喷嘴燃气混合过程，进行了引射管气体运动建模，对引射管内气体混合过程进行了仿真，得出了控制燃气和补充空气压强来完成燃气热负荷无级调控的方法。并且，通过火力视觉模块来检测典型对象的烹饪状态，实现了基于机器视觉的烹饪机器人自动火候控制。论文所得到的结果包括四个方面：(1)对中式烹饪动作进行标准化定义，得到了不同烹饪动作机械实现的方法；(2)得到了基于机器视觉的双目立体视觉获取当前锅具位姿的齐次坐标方程的方法，包括：锅具像平面提取方法、锅具形心计算方法。(3)得到了锅具运动和烹饪物料轨迹最优化控制方法；(4)得到了“火”和“候”的控制方法，包括：基于机器视觉的典型对象提取算法、引射管气体运动建模及其实现控制方法、基于机器视觉的火候闭环控制方法。本论文的创新性体现在以下几个方面：
　　 1)提出了一种多功能中式菜肴自动烹饪机器人；在深入分析中式烹饪工艺特点的基础上，通过对中式烹饪灶上动作的分析与机器语言的定性与定量描述，解决了中式烹饪机械动作的标准化问题；
　　 2)建立了基于机器视觉的双目立体视觉的锅具位姿的齐次坐标方程，通过示教学习算法解决了厨师工艺操作的自动机械再现问题；
　　 3)建立了特定锅具动作的动力学和运动学模型，提出了锅具运动的最优化实现方法；
　　 4)建立了引射管的气体运动模型，得出了自动烹饪“火候”的精确闭环控制方法，解决了中式烹饪的火候、动作与时间的协调控制问题。
　　 总之，在本论文研究成果上完成了世界上第一台中式菜肴自动烹饪机器人，该机器人已于2008年底完成了工业化生产，并于2009年初开始小批量销售，产生了良好的经济效益。该机器人的研制成功对其它类型的服务机器人的开发有很强的理论借鉴意义。