هناك عدة أسباب قد تجعل بعض الدونات تُعدّ منخفضة الجودة أو غير مرضية. أحياناً يكون السبب إغلاق المقاهي العامة، أو نقص العاملين فيها، أو قلّة المخزون خلال ساعات الليل المتأخرة. كما أن العديد من العملاء في الأماكن العامة، بما في ذلك المطارات والمستشفيات والجامعات وغيرها من المواقع المشابهة، قد يرغبون في دونات عالية الجودة ومخصصة في أوقات مختلفة من اليوم.
لحل هذه المشكلة، تعاون فريق من طلاب الهندسة في جامعة واترلو لصناعة DonutBot. هدف DonutBot هو تزيين دونات عالية الجودة ومخصّصة فورياً باستخدام ذراع روبوتي مزوّد بمشغلات ونظام تحكّم مؤتمت بالتعاون مع Progressive Automations. تُنجَز عملية التخصيص هذه خلال بضع دقائق من إنشاء الطلب عبر واجهة مستخدم على iPad.
ما المشغلات التي تم استخدامها؟
لهذا المشروع، استخدم الطلاب مشغلين مختلفين لتنفيذ الآلية. فيما يلي اختياراتهم من المشغلات وأسباب هذه الاختيارات.
PA-18 Track Linear Actuator
كان على DonutBot قطع مسافة أفقية طويلة لنقل الذراع الروبوتية من محطة إلى أخرى. لهذا السبب، تم اختيار PA-18-60-150 مشغل خطي بمسار لأنه يملك أطول خيار لطول الشوط بين جميع المشغلات المتاحة. ومن مزايا PA-18 أيضاً أنه يحافظ على الأبعاد نفسها في وضعي الانكماش والتمدد، ما يجعل DonutBot أكثر كفاءة في استغلال المساحة مقارنةً بمشغل قياسي يتمدد فعلياً إلى طول أكبر عند التشغيل الدوري.
PA-18
PA-07 Micro Linear Actuator
لالتقاط الدونات وغمسها ثم إسقاطها، كانت هناك حاجة إلى حركة عمودية للأعلى والأسفل. وبما أن الدونات ليست ثقيلة، فسيكون مشغل أصغر حجماً وبتصنيف قوة أقل مناسباً. تم اختيار PA-07-4-5 مشغل خطي ميكروي للانتقال العمودي للذراع الروبوتية لأنه لبّى جميع المتطلبات. كما أن لهذا الطراز ميزة إضافية تتمثّل في تقليل وزن DonutBot وحجمه الإجمالي، لأنه أصغر مشغل نقدّمه وما زال يمتلك 4 inches من طول الشوط.
PA-07
كيف تم بناء DonutBot: خطوة بخطوة
مراحل التصميم الأولية
في خريف 2019، بدأ فريق الهندسة عملية تصميم المكونات الميكانيكية والكهربائية والبرمجية لـ DonutBot. أتاحت رسومات ومخططات CAD المتنوعة للفريق إتمام التصنيع خلال عطلة الأعياد. كما تم توريد وتجميع المكوّنات الكهربائية لإكمال الاختبارات المبدئية لـ DonutBot. بالإضافة إلى ذلك، تم تنفيذ نواة تطبيق iOS لواجهة iPad.
واصل الفريق عمله في بداية العام الجديد بتثبيت مخالب متحكَّم بها عبر سيرفو على طرف مشغل PA-07-4-5 الميكروي الخطي. استُخدم طراز PA-07 للحركة العمودية (محور Z) لرفع وخفض المخالب التي تُمسك بالدونات الجاري تخصيصها. ولتحريك الذراع الروبوتية أفقياً (محور X) من محطة إلى أخرى، تم تثبيت مشغل PA-07 مع المخالب على مشغل المسار PA-18-60-150.
التوصيلات والبرمجة
وُضعت مفاتيح حدّية خارجية في محطاتها المقابلة وثُبّتت في أماكنها. ثم تم توصيل المشغلين والمخالب المتحكَّم بها عبر السيرفو والمفاتيح الحدّية الخارجية بلوحة Arduino. بعد ذلك، أُنشئ برنامج Arduino أساسي لاختبار المكوّنات الكهربائية — بحيث يتلقى البرنامج أوامر عبر المنفذ التسلسلي لفتح وإغلاق المخلب ونقل الذراع الروبوتية من محطة إلى أخرى.
تمت برمجة لوحة Arduino للتعامل مع المشغلين، بينما تمت برمجة لوحة Arduino ثانية للتعامل مع السيرفو والمفاتيح الحدّية. كما أُضيفت خوارزمية إزالة الاهتزازات (de-bouncer) إلى الشفرة لقراءة قيم المفاتيح الحدّية المليئة بالضوضاء، حتى تعمل جميع المكونات الكهربائية أثناء تلقي برنامجي Arduino الأوامر عبر التسلسل.
إتمام المشروع
لإعادة تدوير الدونات بحيث تصبح بالوضعية الصحيحة للأعلى، قرر الفريق أن يقوم DonutBot بإسقاط الدونات مباشرة فوق حافة شريط من البليكسي غلاس، بحيث عندما تسقط الدونات تلامس الحافة بالقدر الكافي لتدورها بمقدار 180°. أسفل الحافة، سيكون هناك طبق تسقط عليه الدونات بالوضعية الصحيحة.
كان المكوّن الأخير المطلوب تطبيقه هو برنامج ROS الذي يعمل على Raspberry Pi. عند إكمال الطلب على iPad، يُرسَل طلب الدونات لاسلكياً إلى Raspberry Pi. ومن هنا يتولى Raspberry Pi التحكم في عملية تزيين الدونات عبر التواصل مع لوحات Arduino لضمان تزيين الدونات بالشكل الصحيح.
اُستخدِمت أربع محطات لآخر الاختبارات. تم اختيار محطة تغطية الفانيلا، ومحطة تغطية الشوكولاتة، ومحطة رشّات قوس قزح، ومحطة فتات أوريو. وبعد بضع جولات من الاختبار، جرى ضبط DonutBot بدقة ليتولى تزيين الدونات تلقائياً بنجاح بمجرد استلام طلب الدونات من واجهة iPad.
DonutBot المكتمل:
المشكلات: كيف ظهرت وكيف تم تجاوزها
كما هو الحال في كل مشروع، هناك لحظات من التجربة والخطأ ثم الحل. لم يكن فريق DonutBot استثناءً؛ فقد واجه — وحلّ — المشكلات التالية بنجاح.
شفط الفراغ مقابل المخلب المتحكّم به عبر السيرفو
خلال المراحل المبكرة من التصميم، ظهرت مشكلة كبيرة عند استخدام قوة شفط فراغية لالتقاط الدونات. كانت قوة الشفط اللازمة لالتقاط الدونات قوية بما يكفي أيضاً لشفط طبقة التغطية والرشّات إلى أنبوب الفراغ.
لمعالجة هذه المشكلة، قرر الفريق استبدال الفراغ بمخلب متحكَّم به عبر سيرفو قادر على الإمساك بالدونات دون التقاط أي طبقات تزيين. وبما أنه لم تعد هناك حاجة لاستخدام الفراغ، انخفضت القدرة الكهربائية المطلوبة للنظام بشكل كبير، وبالتالي لم تعد هناك حاجة لاعتماد CSA.
مشكلات الذراع الروبوتية
تبيّن أن تحريك الذراع إلى محطة على اليسار يعمل كما هو متوقع. ولكن تحريك الذراع إلى محطة على اليمين لم يعمل بشكل صحيح؛ إذ كانت الذراع الروبوتية تواصل الحركة يميناً حتى موقع الإسقاط، حتى بعد وصولها إلى محطة الوجهة. كان ذلك بسبب عدم اكتشاف Arduino لتفعيل المفتاح الحدّي. وبعد إجراء تصحيح أخطاء برمجياً وعتادياً، تبيّن أن قيم المفاتيح الحدّية لا تعتمد فقط على ما إذا كانت مضغوطة، بل تعتمد أيضاً على اتجاه حركة مشغل محور X.
وبما أن جميع المكونات الكهربائية كانت موصولة باللوحة نفسها من Arduino، فإن التيار الذي يسحبه مشغل محور X كان كبيراً جداً بحيث لا يمكن التعامل معه على لوحة Arduino واحدة. ونتيجةً لذلك، كانت قيم المفاتيح الحدّية تنحرف عن حالتها الحقيقية بحسب اتجاه الحركة. تمثّلت الحلول في استخدام لوحتي Arduino — واحدة للتعامل مع المشغلين، وأخرى للتعامل مع السيرفو والمفاتيح الحدّية الخارجية. وبعد تطبيق هذا التغيير وإضافة خوارزمية إزالة الاهتزازات إلى الشفرة لقراءة قيم المفاتيح الحدّية المليئة بالضوضاء، عملت جميع المكونات الكهربائية كما هو متوقع.
إن مشغل PA-MC1 الميكروي (ترقية PA-07) هو الطراز الحالي الذي نقدّمه مع مجموعة من الفوائد الإضافية. للاطّلاع على المقارنة، تفحّص الجداول أدناه وارتقِ بثقة!
|
|
PA-MC1 |
PA-07 |
|
طول من ثقب إلى ثقب |
2.76" |
3.25" |
|
خيارات الحمولة الديناميكية |
8، 11، 17، 39 lbs |
5 lbs |
|
أعلى حمولة |
39 lbs |
5 lbs |
|
أعلى سرعة |
1.18"/sec |
0.55"/sec |
|
خيارات طول الشوط |
0.5" إلى 8" |
0.5" إلى 12" |
الخلاصة
ختاماً، أُنجز DonutBot الذي طوره فريق هندسة جامعة واترلو مع القدرة على استقبال الطلبات عبر واجهة iPad لتخصيص دونات عالية الجودة فورياً باستخدام ذراع روبوتية ونظام تحكّم مؤتمت. وقد عُرض DonutBot من قِبل الفريق في ندوة مشروع التخرج لهندسة الميكاترونكس. وباستثناء إضافة غلاف حول الروبوت (ممّا قد يكون حال دون رؤية الحضور لآلية عمل DonutBot بوضوح أثناء الندوة)، تحققت جميع أهداف الفريق. أحسنتم جميعاً — يسعدنا أن نرعى منتجاً مبتكراً كهذا!