一种实现潮汕工夫茶艺过程的智能沏茶机设计

邱伟彬 曾志豪 李裕武 黎维健 刘宇星 卿艳梅

关键词：茶艺;沏茶机;智能;自动化

0引言

潮汕家庭无论贫富，都爱好喝茶，庞大的茶叶消费群体，形成了一个巨大的茶叶消费市和独特的潮汕工夫茶文化。工夫茶的冲泡过程复杂，其步骤大致分为烫杯热罐、高冲低洒、关公巡城、韩信点兵。泡茶过程中的每一个步骤都极有讲究，如“烫杯热罐”和“高冲低洒”是为了充分散发茶叶的香味，“关公巡城”和“韩信点兵”是为了使茶汁平等均匀。

但是随着社会节奏的加快，工夫茶并不能适应所有茶叶消费群体的需求，其考究的饮茶方式对时间和空间上均有较高的要求。为此，研制一种智能沏茶机，在具备自动沏茶功能的同时仍保持着传统工夫茶文化技艺，显得尤为必要。

国内外对自动泡茶装置已经做了大量研究。太原理工大学研制出一种智能控制全自动沏茶机，实现了整个沏茶过程的工业化。2011年，雀巢公司推出了一款类似咖啡机的自动泡茶机。该机器具备自动冲泡功能，并能根据茶叶的种类来调节水温及时间。上述研究都注重于实现冲泡过程的自动化，但是忽略了冲泡过程中的茶艺文化实现及茶具的清洗步骤。本文将针对国内外现有的自动泡茶装置的不足进行改进，并结合传统工夫茶艺文化知识，设计出一种实现潮汕传统工夫茶艺的智能沏茶机。

1机械结构设计及工作过程

1.1整体方案

该智能沏茶机主要由5大部分组成，分别是出茶叶机构、茶壶控制系统、淋灌机构、茶盘机构及底盘。在这些机构的集成作用下，该机器可以实现加茶、冲茶、淋罐、泡茶、洗茶、烫杯、沏茶、洗杯、洗壶、清茶渣的动作，各个步骤联动，全自动完成饮茶的准备工作及饮茶后的工作，其整体结构如图1所示。

沏茶机的简易工作流程如下。

（1）茶壶处于出茶叶机构下方，出茶叶机构接受相关命令后，根据用户设定好的茶叶种类和茶叶量，开始出茶叶，实现“纳茶”茶艺;茶壶接收茶叶后移至淋灌机构下，淋灌机构开始工作，加热水泡茶，实现“高冲低洒”和“淋壶”茶艺;接着茶壶来到茶盘上方，茶壶盖合上并开始倒茶。同时，茶盘转动，使茶杯均匀得茶，完成“关公巡城”与“韩信点兵”茶艺;倒完之后茶杯翻转，倒掉洗茶水完成洗茶工作。

（2）茶壶盖打开，重复以上納茶之后的步骤，完成第二遍冲茶、第三遍冲茶直至冲茶结束。

（3）待结束冲茶时，茶盘旁的喷嘴出冷水清洗茶杯。同时茶壶回到出茶叶机构下方，导管往水壶中加冷水，茶壶旋转以清理茶渣。

1.2出茶叶机构设计

出茶叶机构整体构成如图2所示，其功能是可实现定量供给2种不同的茶叶以及检测茶叶剩余量。

定量供给不同种类茶叶的功能由螺杆机构实现。该机构由单向离合器和复位弹簧、螺旋杆、外壳及传动齿轮构成。螺旋传动主要就是利用旋转运动变换为直线运动。利用螺旋杆转动带动槽内茶叶向前传递，上方的储茶器不断地补充茶叶，保证连续出茶并通过控制螺杆转动圈数来实现定量供给效果。单向离合器与复位弹簧联合作用，保证只有一个方向可带动螺杆（另一个方向空转），结合电机正反转，便可分别控制左右螺旋杆的转动，实现供给不同种类的茶叶。而检测茶叶剩余量的功能由压力传感器实现。

为满足不同人群饮茶习惯的需求，对出茶叶量设计淡、适宜、浓3个档次。考虑到通过理论计算一定容积内的茶叶质量涉及到容重、茶叶老嫩、条索紧实程度等多种数据的测量，不仅测量难度较大并且误差较大，故采用直接测量法得到相关数据。让螺杆转动1圈，得到茶叶样本（以茶叶铁观音为准），称重得到数据mt。重复本实验步骤，得到多组数据，取平均值，计算得到平均m=3.2g。查询资料得，工夫茶冲泡中，每200mL水冲泡6g茶叶为宜。每次注水体积为160mL，则适宜茶叶用量x可由下列计算得到：由此整理浓度等级数据情况如表1所示。

1.3茶壶控制系统设计

茶壶控制系统结构如图3所示，其功能是控制移动茶壶到相应位置点，并实现茶壶盖开合、茶壶的倾倒倒茶及翻转清理茶渣等动作。

该装置通过蜗轮蜗杆传动来控制茶壶水平方向上的移动。蜗轮蜗杆传动具有精度高、传动稳定易于控制等特点，还能实现大传动比。为此，本方案中采用蜗轮蜗杆传动可有效降低传动误差，精确控制茶壶位置。另外，使用舵机分别控制茶壶盖的开合、茶壶的倾斜、茶壶的翻转。

1.4淋灌机构设计

淋灌机构整体结构如图4所示，其功能是实现传统工夫茶艺中的“高冲低洒”及“淋壶”茶艺。

“高冲低洒”茶艺功能由图中的丝杆传动实现，变流器连接在丝杆上，可由电机驱动变流器的上下运动。丝杆上下端都设有行程开关，以确保控制的精确性。

“淋壶”茶艺功能由变流器实现，其结构原理如图5所示。在高位时，水流经收束口直下，进入茶壶。在低位时，弹性挡片适应机架接触面发生位移，挡住直下出口，水流开始分散到其余均匀分布的小口，实现淋灌壶身。

1.5茶盘机构设计

茶盘机构整体结构如图6所示，其功能是旋转茶盘实现茶艺“关公巡城”以及翻转茶杯。

其中，茶盘的旋转由电机直接驱动。茶杯翻转机构原理如图7所示。因弹簧作用，挡轴始终与机架接触。挡轴尾部实质上是一个凸轮，凸轮与机架进行高副接触，获得预期的直线运动，在茶套翻转时，挡住茶杯，防止掉落。电机驱动一个茶杯翻转，其他茶杯由锥齿轮传动系统发生同步同向翻转。

1.6底盘设计

底盘结构如图8所示。清洗槽用于收集洗茶壶的废水废渣，滤网过滤茶渣，防止堵塞导管。从机器外侧可直接抽出滤网，清理茶渣，清洗槽的废水都通过导管汇集到四通接口处，集中排出到废水桶中。显示屏及按钮方便人工输入相关指令信息。喷嘴用于冲茶结束时，对茶杯进行清洗。挡板可以防止冲茶过程中水的外溅。中间位置设有漏水孔，以防水残留在底盘上，废水同样经导管排到废水桶。管线收集盒用于汇聚导管导线等，避免缠绕杂乱。

2电气控制系统设计

在电气控制方面，在实现机器全部功能的前提下，需尽量做到简洁高效，并符合常人的操作习惯，遵循可行性、合理性、相容性的原则，以下将从各个方面详细介绍。

2.1控制模块

控制该沏茶机的核心部件如图9所示。茶机上的按钮和手机端的蓝牙通过串口通信与主控芯片进行通信;蓝牙无线传输通过RF（2.4 GHz）载波进行功耗低，传输速度快，可同时连接多个系统。当装置通电，主控芯片即完成对装置电机和串口的初始化，当主控芯片接收到蓝牙或按键的“开始”信号即开始自动泡茶，在此期间用户可以“重复冲茶”、“清洗茶具”、“停止”等按钮进行人机交互，实现相应操作。

2.2程序设计总思路

沏茶机控制总程序如图10所示。该总程序有m1茶壶横向转动子程序、m2出茶电机子程序、m3壶盖翻转子程序、m4茶壶垂直翻转子程序、m5茶壶横向翻转子程序、m6丝杆電机子程序、m7抽水电机子程序、m8茶盘电机子程序、m9茶杯翻转电机子程序。程序分为纳茶函数、注水函数、冲泡函数、清理函数、检测茶叶量函数几大模块。

2.3茶壶横向转动子程序

编码器电机能机械位置同步跟踪，各个函数以ml电机编码器S1＼S2＼S3＼S4返回值作为主人口参数，自增值Flag为次人口参数，如图11所示。

2.4纳茶函数设计

该函数实现茶叶进入茶壶动作。主控芯片输入脉冲数，电机m5转动，茶壶翻转180°;按钮选择m2出茶子程序电机转动，螺杆出茶，定时器2s后结束，如图12所示。

2.5注水函数设计

该函数实现茶壶淋壶和注水动作。丝杆上下固定有11和12限位开关，被触发时实现m6电机反转;电机m6、m7转动，P1注水口注水同时向上移动，上方限位开关12被触发2次即停止，如图13所示。

2.6冲泡函数设计

该函数实现茶水从茶壶注入茶杯。电机m3转动至内部压力传感器触发而停止，带动盖子合上;电机m4转动，带动茶壶倾斜俯角60°，使茶水倒入茶杯中，与此同时，电机m8转动，使茶盘转动，确保每个茶杯中倒人茶水;定时器5s后，电机m4翻转，茶壶回到水平状态，电机m8停止，茶盘停转，如图14所示。

2.7清理函数设计

该函数实现茶杯茶壶清理。电机m3反转60°，打开壶盖;电机m5转动，带动茶壶横向翻转180°，茶渣掉落。电机m7、m8转动，选择P2注水口注水，定时器3s后停止，电机m9转动，翻转茶杯，转动180°后，电机反转，茶杯复位，如图15所示。

2.8检测茶叶量函数设计

该函数实现茶库中茶叶量过少自动通知用户添加茶叶。重力传感器返回值，少于设定阈值，添加茶叶指示灯亮起，如图16所示。

2.9重要电机控制简述

M1编码器电机作为其他函数人口，要确保其准确控制，实现装置的正常运行。对此，经行PID算法的闭环控制，公式表达为：

由此可以实现对编码器电机的闭环控制，如图17所示。

3关键机构分析

针对茶壶倾倒机构，关键部位在于L型钣金悬臂梁的受力情况，以及翻转扭矩是否足够。以下将使用Inventor运动仿真及应力分析插件进行分析。

3.1茶壶L型钣金的应力分析

悬臂梁末端受力为机构总重力，测得该力FI=14N。将前端做固定约束，选择材料为镀锌钢，网格划分后计算得到以下结果。如图18、表2所示。表2结果表明，悬臂梁末端发生的最大位移为0.26mm，在允许的范围内。

3.2茶壶翻转倾倒的仿真运动分析

茶壶倾倒过程中（受力情况如图18（a）所示），初始力F，=14N，由于倾倒过程中水的重量减少，末位置的力减少为F2=11N。拟定该力呈线性变化，添加后计算得到茶壶翻转力矩结果，如图19所示。

由图可知，最大力矩Wo=1481.37N·mm，其中齿轮传动系统减速比为1：1.4。故作用在舵机上的力矩W为：

4结束语

本文设计的一种实现潮汕传统工夫茶茶艺过程的智能沏茶机，结构简洁、功能多样，实现了清洗茶具、装茶叶、洗茶叶、泡茶、倒茶等功能的自动化，其动作过程模拟了潮汕传统工夫茶艺的人工过程。在控制方面，能及时反馈茶叶剩余量，且拥有远程控制等智能化设计。相比较于其他简单冲泡的茶具，本设计具有良好的市场前景。