空中搬运小车在无人餐厅送餐系统中的应用

  本文探讨了空中搬运小车在客户终端控制下，通过搭载GPS定位传感器，与悬挂于房梁下方的轨道布局和独特设计的菜品盛放容器配合，打造新型的基于空中搬运小车的无人餐厅智能服务系统，实现顾客自助点餐、空中小车送餐、回收餐具、运营控制等功能，实现餐厅运营管理的自动化、智能化。

  一、引言

  随着技术水平的不断提高，机器人产业正从制造业向服务业延伸，大大小小的机器人企业也如雨后春笋般涌现。随着应用场景的多元化，服务机器人向医疗、物流、餐饮、客服等多个行业持续渗透。我国服务机器人行业起步较晚，但受益于信息技术和人工智能的迅猛发展以及国家层面的政策利好，我国服务机器人行业将迎来巨大的机遇和发展空间。

  就目前来看，“无人化”业态模式已经逐渐在各行各业扩展开来，餐饮行业也迎来了新一轮的机遇和挑战。“无人餐厅”的提出是将服务机器人运用到餐饮行业中，希望通过点餐、收银等各环节的数字化改造，最大程度地降低对人工的依赖，同时提供一套标准化服务，把服务水平的不确定性降到最低。从传统餐厅到无人餐厅，是时代发展和科技进步带来的消费模式的转型升级，未来可能会逐步发展为餐饮行业的主流经营模式。2019年12月突然爆发的新型冠状病毒肺炎疫情对餐饮业带来了巨大的冲击，全国范围餐饮企业整体闭店，整个餐饮业损失巨大。此次疫情也给餐饮业的发展带来思考，无人餐厅不再只是满足人们猎奇心理的新时代智能产品，也应该是人们对公共卫生安全的诉求。全程无接触式的智能化服务模式极大地降低了感染风险，在保证生活需求的同时可以保障公共卫生安全。

  无人餐厅这一概念最早源于欧美国家。全球第一家无人餐厅Eatsa于2015年在旧金山开业，其提倡前端“无人化”，即由顾客自行点单、结账、取餐。荷兰的连锁餐厅BirdCall也是利用自助点餐机来提高前厅服务，这种前厅零服务员，后厨人员做菜备餐的模式是开发最早的无人餐厅模式。另一种无人餐厅的模式，比如美国的Spyce餐厅，就是采用机器人做菜，将机器人放置在一个开放式厨房内，顾客还可以获得观看机器人炒菜的体验。消费模式的转型升级和科学技术的飞速发展也使得无人餐厅引起国内学者的广泛关注。但大多对无人餐厅的研究是基于在地面行走的自动导引服务机器人，这对作业空间的大小、平整度、规范化要求都很高，在日益增长的土地成本压力下，这种无人餐厅的设计形式极具挑战性，且单个服务机器人的投入成本较高，为提高效率所需设置服务机器人的数量也是一大难题。因此，本文提出基于空中搬运小车的无人餐厅设计，将小车的运行轨道铺设于房梁下方，避免了现有的地面行驶智能送餐小车在用餐高峰出现的拥挤现象。设计单元盛放餐盘的容器，让智能空中搬运小车承担服务员送餐和回收餐盘的功能，最终实现顾客自助点餐、空中小车送餐、回收餐具等系统化的无人餐厅。

  二、空中小车无人餐厅系统的构成

  1.智能搬运小车

  智能空中搬运小车如图1，主要包括了小车运行机构和起升机构，接货、卸货、与指定餐桌对接，实现了点到点的精准搬运。通过超声波传感器进行距离数据的采集，然后通过单片机的内部资源进行数据处理，由最终的数据输出控制外围电路驱动电机模块来实现小车的运动。硬件电路分为电源模块(直流电源为整个系统供电)、超声波传感器模块(实时测量与目标之间的距离)、电机驱动模块(驱动直流电机实现小车的前进与避障)、智能语音模块(与顾客完成一些必要的语言互动)等。

  智能空中搬运小车在系统中主要承担了搬运菜品和回收餐盘的作用。小车搭载的各种传感器设备帮助小车可以在搬运过程中更高效流畅，实时测距，语音互动。

  2.轨道系统

  轨道系统的布局吊挂在餐厅房梁为主(如图2)，不与地面设施发生接触，节省地面空间，同时轨道具有转弯、转轨的功能，布局灵活，可根据餐厅的具体土建进行布局。轨道系统由弯道和直道组合布局，配合道岔系统可以将轨道延伸至不同位置的餐桌，可以满足多台小车同时运行、联合运行。

  轨道系统在整个餐厅布局空间的上方，没有占用地面空间，不会发生现有的地面行走的传菜小车与餐厅走动的人员发生互相让路状况而造成的时间损失。同时可以节省地面空间，相比下来可以摆放更多餐桌。轨道系统的布局也更加灵活，弯道直道的相互配合，如果可以配合升降系统的话还可以把小车的位置延伸到不同楼层的不同餐桌位置。

  3.道岔系统

  道岔在两条轨道的衔接处，实现小车从一条轨道快速转移到另一条轨道上的功能(如图3)。

  道岔系统的使用会使整个小车运行系统更加灵活多变，一般会出现于铁路系统中，为实现小车的快速转轨、变轨通常需要很多的道岔装置，为保证小车的安全行驶，道岔装置的精度要求通常比较高，同时还需要精确定位装置的配合，保证换轨过程中的安全性。

  道岔系统分为平行道岔和旋转道岔。根据不同的工况采用相应的道岔形式，让小车运行到不同的区域，同时道岔系统还带有穿销机构和精确定位装置，让小车运行更加安全可靠。穿销保护机构是通过旋转推筒推送销钉的方法，完成工件主体与上盖的实体连接装配。而精确定位系统则是在换轨和转轨的过程中保证轨道对接的精准度，保证运输过程中的安全性。

  4.计算机调度系统

  程控调度系统有排班调度功能，合理安排小车的传菜顺序避免发生用车冲突以及资源浪费。随时查看行驶轨迹、行驶速度、行驶公里数、行驶时长等功能，方便对小车状态的统计观测，同时也对小车的各个部件进行监控，保障小车运行过程中的安全性，使每一辆小车都高效率地运行。

  另外，通过程控调度系统的数据库可以查看小车运行时间、次数和设备状态。查看小车的运行次数可以了解餐厅每天的营业状况，及时对餐厅的经营方式进行调整。整个程控调度系统通过内部的演算程序控制其他部分的运行，包括顾客餐桌的定位、小车走形路线的规划、道岔系统的运转，都是需要程控调度系统的控制。

  三、方案设计

  1.功能区域划分

  系统的整个布局区域分为六个区，包括吧台、用餐区、后厨、清洁区、储藏间和其他使用场所。智能小车系统主要在用餐区、后厨和清洁区运行。

  用餐区主要分布了三种类型的桌子，有适合2~3人坐的放一个容器单位的小桌，适合4~8人坐的放两个容器单位的中号桌，还有适合大型聚会的放4个容器单位的大桌。后厨的区域主要包括明档区、备餐间、主操作间。清洁区主要负责回收的容器和餐盘的清洗消毒，然后放置到与明档相连的输送机上。输送机分为两层，上层输送容器内放置餐盘的有凹槽的板子，下层输送容器的四周有挡板，当厨师在板子上放置好餐盘时启动升降装置，容器四周升起并托起放有餐盘的板子，小车夹抱起整个容器送往指定地点。

  2.送餐功能模块的设计

  (1)物料单元

  根据餐厅的整体需求设计了用于盛放餐盘的传菜容器(如图4)，容器可拆分为底板和围板两部分。

  盛放餐盘的容器长80厘米，宽60厘米，高45厘米，由底板和围板两个部分组成。底板上有三个大的凹槽，三个小的凹槽分别用于放置不同大小餐盘。围板下方有折回的边角用于兜住底板，而底板上有大小不同的凹槽用于放置不同大小的餐盘并且在小车运送的过程中起到固定作用。围板采用保温环保材料，保证菜品在运输到餐桌时保持食用的最佳温度。

  (2)货位

  整个基于空中智能小车的无人餐厅系统共有三种类型的餐桌组合，分别是1~3人的小号餐桌，4~6人的中号餐桌，6人以上的大号餐桌。其中小号餐桌可放1个物料单元，中号餐桌可放2个物料单元，大号餐桌可放4个物料单元。

  (3)餐桌设计

  餐桌设计主要包含压力传感器、超声波发送器、升降系统(如图5)。

  餐桌是一个100厘米×100厘米的方桌，高85厘米。压力传感器主要是当盛菜容器放到餐桌之后触发升降系统，升降系统用于容器围板的升降。超声波传感器发送器发送的特定频段的超声波与小车的超声波接收器绑定，确定小车和餐桌之间的距离。

  3.系统工艺流程设计

  系统总的工艺流程图如图6，可概括为3个分流程。

  (1)顾客点餐

  当顾客进入餐厅时根据用餐人数选定相应大小的餐桌，然后打开手机的蓝牙和GPS功能，扫描餐桌上的二维码进行点菜，点菜结束之后，厨师会接收到顾客的订单信息，确认订单信息之后会直接反馈给顾客。在确认订单信息之后，顾客所在餐桌的位置会通过GPS和蓝牙的信息交互传送给调度系统。调度系统将该位置信息与订单编号相匹配，当厨师完成该订单的菜品调度小车来传菜的时候，找出与该订单相匹配的餐桌位置，并为其规划最佳的走行路线。

  (2)小车送餐

  当厨师把做好的菜放入盛菜底板后，升降系统升起四周围板，同时调度系统调取距离厨房最近的空闲小车来完成传菜。小车接到指令后安装在小车上的超声波接收器与该餐桌的超声波发送器通过相同的频率绑定在一起，方便顾客查看传菜小车的实时距离。单片机系统为小车运行规划合理的路线并向小车发送行走指令，小车在行驶的过程中红外感应避障系统对行驶过程中的障碍物进行检测，主动避让。

  当小车到达餐桌上方的时候，智能语音系统提醒顾客菜品到达并与顾客互动确定是否将正确的菜品送达，确认无误后智能语音系统提醒顾客注意盛菜容器即将下落当心碰撞。小车将盛菜容器放下之后，压力传感器发送信号餐桌的升降系统带着盛菜容器四周的围板落下，底板在四根支撑柱的作用下留在桌面，顾客开始用餐。

  (3)餐具回收

  顾客用餐结束之后在待付款界面进行付款，付款确认完成之后系统接收到指令调取距离最近的小车，同时升降系统接收到指令，上升盛菜容器四周的围板兜住底板，小车来到之后夹抱起整个容器，按照系统指令送达清洁区。

  送达清洁区的餐具以及盛菜容器分别清洗干净之后，餐具被分类放入消毒柜消毒，处理完成放入专门放置餐具的容器从输送机上层输送到厨师备用。容器经过消毒之后，底板和围板分开，容器围板从下层输送机输送到厨房备用，底板从上层输送机送到厨房备用。到下一次使用时，围板所在位置的升降系统收到系统指令，升起围板，兜住底板进行下一轮的传菜。

  四、结束语

  整个系统通过引入物流搬运系统中的空中搬运小车完成餐厅的传菜、餐具的回收，很大程度减少了餐厅的人工成本。系统通过对小车搬运的物料单元的设计达到了在小车送餐到达餐桌的时候无需服务员帮忙把菜从小车移到餐桌的目的，同时在用餐结束之后也无需服务员清理桌面的餐盘，这样就节约了餐厅很大一部分的人工劳动成本。系统的核心就是用于搬运菜品的运输系统。它搭载有不同类型的传感器，实现无人搬运、无障碍搬运、定点运输、实施测距和语音互动等多种功能。系统的可行性也是非常的高，小车上搭载的各种传感器包括空中搬运小车都是市场上比较成熟的设备，需要的是我们对他它进行个性化定制，使其更符合餐厅的工作环境，对它的控制、调度以及风险控制有更加精确的掌握。

  本文研究的基于空中搬运小车的无人餐厅，运行时不占用地面空间，在解决用餐高峰时路面拥堵问题的同时充分利用了空间资源，空中智能小车的运用还可以解决餐盘回收问题，实现了顾客自助点餐、机器人送餐、回收餐具的智能化无人餐厅，对引导未来无人餐厅的发展方向有重要的现实意义。

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