一种双臂茶艺机器人及其控制方法
本发明涉及机器人控制，尤其涉及一种双臂茶艺机器人及其控制方法。
背景技术：
1、传统茶艺是我国传统茶文化的代表之一，不仅能够体现社交礼仪和民俗风情，也是一种文化传承方式。但传统茶艺制作流程繁琐，对温度、时间控制要求高。在如今快速发展的社会以及快节奏的生活中，大多数人失去了品茶的时间。因此设计一种自动茶艺机既可以在忙碌的快节奏生活中满足人们对茶艺的追求。
2、目前，多数家居产品的设计制造商将自动茶艺机设计为智能家居中的饮水类产品终端，设计的茶艺机多为带有泡茶功能的饮水机，其设计目标多以方便快捷为主，冲泡过程缺少传统茶艺流程的设计，降低了品茶过程中该有的韵味和特殊体验。例如猎户星空所研究设计的“豹大白”仿生双臂茶饮冲泡机器人，该机器人左右臂各拥有六个自由度，能够实现复杂可靠的双臂动作，但是该机器人所实现的是经典的冲泡动作，主要用于茶饮和冷热饮的冲泡，并不能完成完整的传统茶艺流程。浙江大学在2019年开发了一款名为“谷雨春”茶道机器人，该机器人的机械结构基于传统的工业六轴机器臂，使用openmv模块识别杯具以及周围环境，能够按照传统的茶艺流程自动完成茶艺动作，但其泡茶流程由一个独立的机械臂完成，需要不断的切换杯具，操作过程繁琐，且不利于泡茶温度和时间的控制。国外关于自动茶艺机器人的研究和设计相比于国内较少，且由于生活习惯和文化的差异，国外的自动茶艺机的设计并不是以国内的茶艺流程为设计出发点。
3、因此，目前国内外几乎没有针对完成传统茶艺流程的机器人，国内少数茶艺机器人可以实现传统茶艺流程，但实现过程较复杂，不利于泡茶过程中的温度和时间控制，造成与传统茶艺的口味差异。
技术实现思路
1、本发明提供一种双臂茶艺机器人及其控制方法，以解决现有的传统茶艺机器人实现过程复杂，不利于泡茶过程中的温度和时间控制问题。
2、本发明通过下述技术方案实现：
3、本发明的第一方面，提供了一种双臂茶艺机器人，包括：
4、底部平台，用于放置茶具和水壶；
5、主机械臂，用于执行包括茶艺流程中的洗茶、泡茶、出汤和分汤任务，以及控制盖碗、茶杯的姿态；
6、辅助机械臂，用于执行包括茶艺流程中的注水、温杯和洁具任务；茶艺流程中的奉茶任务由主机械臂和辅助机械臂协同执行；
7、温控模块，用于实时控制所述水壶中水的温度；
8、交互模块，用于接收用户的泡茶指令、茶艺参数修改指令，以及反馈执行结果；
9、茶艺流程确定模块，用于根据所述泡茶指令确定茶艺参数，并根据所述茶艺参数确定茶艺流程，所述茶艺参数包括泡茶温度、洗茶温度、洗茶时间和泡茶时间；
10、机械臂运动轨迹规划模块，用于根据所述茶艺流程规划所述主机械臂和所述辅助机械臂各自的运动轨迹；
11、控制模块，用于根据所述运动轨迹控制所述主机械臂和所述辅助机械臂执行相应的茶艺流程。
12、本发明采用双臂茶艺机器人，通过主机械臂和辅助机械臂的协同分工完成传统茶艺流程中的各个任务，由主机械臂完成洗茶、泡茶、多次出汤、分汤等较为复杂的任务，辅助机械臂完成注水、温杯、洁具等任务，共同完成奉茶任务，仿照茶艺师的左右手动作，使得茶艺机器人展示更贴近传统茶艺的制茶流程，严格茶艺流程中的温度和时间控制，制作更贴近传统茶汤的口感。此外，结合机械臂运动轨迹规划模块和温控模块精准控制每个流程任务的执行时间和茶汤温度，保证茶艺流程有序进行，茶艺机器人可接受用户对泡茶参数进行个性化修改，丰富传统茶艺口感并兼顾个性化需求。
13、在第一方面的一种实施方式中，所述底部平台包括位于所述底部平台中心的茶具放置台，用于放置多个茶杯；位于所述茶具放置台下方的底部平台上设有储水装置，用于贮存倒出的汤水。
14、在第一方面的一种实施方式中，所述温控模块包括加热棒和温度传感器，设置在所述水壶内；所述加热棒与驱动电压连接，通过内置的电热合金丝通电发热。
15、在第一方面的一种实施方式中，还包括注水抽水模块，所述注水抽水模块包括水泵和水管；所述辅助机械臂通过操作所述注水抽水模块完成洁具、温杯任务中需要执行的注水和倒水动作。
16、本发明的第二方面，提供了一种用于第一方面任一项实施方式所述的双臂茶艺机器人的控制方法，包括以下步骤：
17、根据泡茶指令确定茶艺参数，根据所述茶艺参数确定茶艺流程，所述茶艺流程包括任务执行顺序和任务执行时间；
18、根据所述茶艺流程规划所述主机械臂和所述辅助机械臂各自的运动轨迹；
19、根据所述运动轨迹和所述任务执行时间控制所述主机械臂和所述辅助机械臂执行相应的任务，直到完成所述茶艺流程。
20、在第二方面的一种实施方式中，所述根据所述茶艺流程规划所述主机械臂和所述辅助机械臂各自的运动轨迹，包括：
21、确定所述主机械臂和辅助机械臂各自需要执行的所述茶艺流程中的任务；
22、将各任务根据主机械臂和辅助机械臂能够完成的动作分解为至少一个子动作，确定各子动作的初始位置和目标位置，并根据所述任务执行时间分配每个子动作的执行时间；
23、根据各子动作的初始位置、目标位置和执行时间确定所述主机械臂和所述辅助机械臂完成对应子动作的运动轨迹。
24、在第二方面的一种实施方式中，所述根据各子动作的初始位置、目标位置和执行时间确定所述主机械臂和所述辅助机械臂完成对应子动作的运动轨迹，包括：
25、根据各子动作的执行时间设置采样时间和插补步数，根据初始位置和目标位置采用直线插补法或圆弧插法补得到一系列离散轨迹点；
26、通过五次多项式插值法建立相邻的离散轨迹点之间的关节空间轨迹模型；
27、求解各关节空间轨迹模型，得到最终的运动轨迹。
28、在第二方面的一种实施方式中，所述圆弧插补法包括以下步骤：
29、在笛卡尔空间o-xyz中确定已知的不共线三点p1(x1,y1,z1)、p2(x2,y2,z2)和p3(x3,y3,z3)，以p1为新的坐标原点，令向量的方向为u轴，将三点确定的空间平面m的法向量作为w轴，并根据向量乘法确定v轴，构建坐标系p1-uvw；
30、将已知的不共线三点转换到坐标系p1-uvw中计算圆心坐标p0(x0,y0,z0)和半径大小r，以圆心p0为新的坐标原点，平面m的法向量方向作为w′轴，以为u′轴，并根据向量乘法确定v′轴，建立坐标系p0-u′v′w′；
31、使用等角度插补方法进行圆弧插补，设圆弧圆心角为θ，插补步数为n，得到各插补点在p0-u′v′w′坐标系下的位置，根据坐标系p0-u′v′w′相对于坐标系o-xyz的变换矩阵，得到各插补点在o-xyz坐标系下的位置。
32、在第二方面的一种实施方式中，在所述主机械臂和所述辅助机械臂完成一次茶艺流程之后，所述方法还包括，判断是否接收到续杯指令，若是，则控制所述主机械臂和所述辅助机械臂重复执行所述茶艺流程，若否，则结束。
33、在第二方面的一种实施方式中，在根据所述茶艺参数确定茶艺流程之前，所述方法还包括，判断所述茶艺参数是否被修改，若被修改，则根据修改后的茶艺参数确定茶艺流程。
34、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
35、1、仿照传统茶艺流程和操作，分配主机械臂和辅助机械臂各自需完成的任务和协同任务，使得茶艺机器人展示更贴近传统茶艺的制茶流程，严格茶艺流程中的温度和时间控制，制作更贴近传统茶汤的口感。
36、2、采用双臂机器人分工协同完成传统茶艺流程，不仅便于仿照传统茶艺严格茶艺流程中的温度和时间控制，在获得传统茶艺口感的同时，提供了饮茶过程中的观赏性。
37、3、通过注水抽水模块简化了茶艺流程中的注水和倒水操作，减轻了机械臂的负载。
38、4、提供用户对茶艺参数直接进行修改的途径，丰富茶汤口感，满足更多个性化需求。
39、5、提供了应用于双臂茶艺机器人的运动轨迹控制方法，将茶艺流程中各任务时间考虑进运动规划中，进行准确的泡茶时间控制，保证最终的出汤口感。
技术特征：
1.一种双臂茶艺机器人，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的双臂茶艺机器人，其特征在于，所述底部平台包括位于所述底部平台中心的茶具放置台，用于放置多个茶杯；位于所述茶具放置台下方的底部平台上设有储水装置，用于贮存倒出的汤水。
3.根据权利要求1所述的双臂茶艺机器人，其特征在于，所述温控模块包括加热棒和温度传感器，设置在所述水壶内；所述加热棒与驱动电压连接，通过内置的电热合金丝通电发热。
4.根据权利要求1所述的双臂茶艺机器人，其特征在于，还包括注水抽水模块，所述注水抽水模块包括水泵和水管；所述辅助机械臂通过操作所述注水抽水模块完成洁具、温杯任务中需要执行的注水和倒水动作。
5.一种用于权利要求1-4中任一项所述的双臂茶艺机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的茶艺机器人的控制方法，其特征在于，所述根据所述茶艺流程规划所述主机械臂和所述辅助机械臂各自的运动轨迹，包括：
7.根据权利要求6所述的茶艺机器人的控制方法，其特征在于，所述根据各子动作的初始位置、目标位置和执行时间确定所述主机械臂和所述辅助机械臂完成对应子动作的运动轨迹，包括：
8.根据权利要求7所述的茶艺机器人的控制方法，其特征在于，所述圆弧插补法包括以下步骤：
9.根据权利要求5所述的茶艺机器人的控制方法，其特征在于，在所述主机械臂和所述辅助机械臂完成一次茶艺流程之后，所述方法还包括，判断是否接收到续杯指令，若是，则控制所述主机械臂和所述辅助机械臂重复执行所述茶艺流程，若否，则结束。
10.根据权利要求5所述的茶艺机器人的控制方法，其特征在于，在根据所述茶艺参数确定茶艺流程之前，所述方法还包括，判断所述茶艺参数是否被修改，若被修改，则根据修改后的茶艺参数确定茶艺流程。
技术总结
本发明公开了提供了一种双臂茶艺机器人，涉及机器人控制技术领域。本发明仿照茶艺师的左右手动作分配双臂茶艺机器人的主机械臂和辅助机械臂的协同分工完成传统茶艺流程中的各个任务，由主机械臂完成洗茶、泡茶、多次出汤、分汤等较为复杂的任务，辅助机械臂完成注水、温杯、洁具等任务，共同完成奉茶任务，使得茶艺机器人展示更贴近传统茶艺的制茶流程，严格茶艺流程中的温度和时间控制，制作更贴近传统茶汤的口感。结合机械臂运动轨迹规划模块和温控模块精准控制每个流程任务的执行时间和茶汤温度，保证了茶艺流程有序进行。
技术研发人员：王潇冉,府奕君,刘雨桐,屈明杰,刘艺,冉湖,魏博
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23