Der er flere grunde til, at nogle donuts kan anses for at være af lav kvalitet eller utilfredsstillende. Nogle gange skyldes det, at offentlige caféer er lukkede, underbemandede eller sparsomme i de sene timer. Mange kunder på offentlige steder, herunder lufthavne, hospitaler, universiteter og andre lignende steder, kan også have et ønske om kvalitetsdonuts, der er specialfremstillet på forskellige tidspunkter af dagen.
For at løse dette problem har et team af ingeniørstuderende fra University of Waterloo arbejdet sammen om at lave DonutBot. Formålet med DonutBot er at dekorere specialfremstillede donuts af høj kvalitet på stedet ved hjælp af en robotarm med aktuatorer og et automatiseret styresystem i samarbejde med Progressive automatiseringerDenne tilpasningsproces vil blive gennemført inden for få minutter efter oprettelse af en ordre via en iPad-brugergrænseflade.
Hvilke aktuatorer blev brugt?
Til dette projekt brugte eleverne to forskellige aktuatorer til at udføre mekanismen. De valg af aktuatorer, de traf, og årsagerne til disse valg, er beskrevet nedenfor.
PA-18 skinne lineær aktuator
DonutBotten ville have en lang vandret afstand at tilbagelægge for at flytte en robotarm fra én station til den næste. På grund af dette, PA-18-60-150 Spor lineær aktuator blev valgt, da den har den længste slaglængde ud af alle de aktuatorer, der findes. En anden fordel ved PA-18 er, at den bevarer de samme dimensioner, uanset om den er trukket ind eller ud, hvilket gør DonutBot mere pladseffektiv sammenlignet med en standardaktuator, der fysisk ville kunne forlænges til en længere længde, når man cykler.
PA-18
PA-07 Mikro lineær aktuator
For at kunne løfte, dyppe og slippe en donut, krævedes der en lodret bevægelse for at bevæge den op og ned. Da donuts ikke er tunge, ville en mindre aktuator med lavere kraftklassificering være acceptabel. PA-07-4-5 Mikro lineær aktuator blev valgt til den vertikale forskydning af robotarmen, da den opfyldte alle kravene. Denne model havde også den yderligere fordel, at den reducerede DonutBots samlede vægt og størrelse, da det er den mindste aktuator, der tilbydes, men stadig har en slaglængde på 10 cm.
PA-07
Sådan blev DonutBotten bygget: Trin for trin
Indledende designfaser
I efteråret 2019 startede ingeniørteamet processen med at designe DonutBots mekaniske, elektriske og softwarekomponenter. Forskellige CAD-tegninger og skemaer gjorde det muligt for teamet at færdiggøre produktionen i løbet af ferien. Derudover var der blevet indkøbt og samlet elektriske komponenter for at fuldføre den indledende test af DonutBot. Derudover blev kernen i iOS-applikationen til iPad-grænsefladen implementeret.
Holdet fortsatte deres arbejde i begyndelsen af det nye år ved at montere servostyrede kløer på enden af PA-07-4-5 Micro Linear Actuator. PA-07-modellen blev brugt til lodret bevægelse (Z-akse) for at hæve og sænke kløerne, der holdt donuten, som blev tilpasset. For at bevæge robotarmen vandret (X-akse) fra station til station blev PA-07-aktuatoren sammen med kløerne monteret på PA-18-60-150 Track Linear Actuator.
Ledningsføring og programmering
Eksterne grænseafbrydere blev placeret på deres tilsvarende stationer og skruet på plads. De to aktuatorer, servostyrede kløer og eksterne grænseafbrydere blev derefter forbundet til Arduino-kortet. Et grundlæggende Arduino-program blev derefter oprettet for at kunne teste de elektriske komponenter – programmet ville modtage kommandoer via seriel forbindelse for at åbne og lukke kloen og for at flytte robotarmen fra en station til en anden.
Et Arduino-kort blev programmeret til at interagere med de to aktuatorer, mens et andet Arduino-kort blev programmeret til at interagere med servoen og grænsekontakterne. En de-bouncer til koden blev også tilføjet for at aflæse støjende grænsekontaktværdier, så alle elektriske komponenter fungerede, mens de to Arduino-programmer modtog kommandoer via seriel forbindelse.
Færdiggørelse af projektet
For at kunne dreje donuten med den rigtige side opad, besluttede holdet, at DonutBotten skulle lade donuts falde lige over kanten af en plexiglasstrimmel, så at en donut, når den falder ned, lige akkurat rører kanten af plexiglasstrimlen nok til at få den til at dreje 180°. Under kanten ville der være en tallerken, som den opretstående donut falder ned på.
Den sidste komponent, der skulle implementeres, var ROS-programmet, der kørte på Raspberry Pi. Når en ordre var gennemført på iPad'en, ville donutbestillingen blive sendt trådløst til Raspberry Pi'en. Herfra ville Raspberry Pi'en være ansvarlig for at styre donutdekorationsprocessen ved at interagere med Arduino-kortene for at sikre, at donutsene blev dekoreret korrekt.
Fire stationer blev brugt til de sidste par tests. Vaniljeglasurstationen, chokoladeglasurstationen, regnbuekrymmelstationen og Oreo-crumblestationen blev udvalgt. Ud fra et par testrunder blev DonutBot finjusteret til automatisk at dekorere en donut, når den modtog en donutbestilling fra iPad-grænsefladen.
Den færdige DonutBot:
Problemer: Hvordan de opstod og blev overvundet
Som med ethvert projekt er der øjeblikke med forsøg, fejl og løsninger. DonutBot-teamet var ingen undtagelse; de oplevede – og løste – nedenstående problemer med succes.
Vakuumsugning vs. servostyret klo
I de tidligere faser af designprocessen opstod der et væsentligt problem med brugen af vakuumsugekraft til at samle donuts op. Den vakuumkraft, der var nødvendig for at samle donuts op, var også stærk nok til at suge frosting og krymmel ind i vakuumslangen.
For at løse dette problem besluttede teamet at udskifte støvsugeren med en servostyret klo, der ville være i stand til at holde donuts uden at samle toppings op. Da en støvsuger ikke længere blev brugt, blev systemets strømforbrug betydeligt reduceret, og derfor var CSA-godkendelse ikke længere påkrævet.
Problemer med robotarmen
Det viste sig, at det fungerede som forventet at flytte armen til en station til venstre for den. Det fungerede dog ikke korrekt at flytte armen til en station til højre for den. Robotarmen fortsatte med at bevæge sig til højre, hele vejen til afleveringsstedet, selv efter at have nået sin destinationsstation. Dette skyldtes, at Arduinoen ikke registrerede den udløste grænsekontakt. Efter at have udført en software- og hardwarefejlfinding blev det konstateret, at grænsekontaktens værdier ikke kun afhang af, om de blev trykket ned, men også af X-aktuatorens bevægelsesretning.
Da alle elektriske komponenter var tilsluttet den samme Arduino, var strømmen, der blev trukket af X-aktuatoren, for stor til at håndtere på ét Arduino-kort. Følgelig ville dette medføre, at grænseafbrydernes værdier blev ændret fra deres sande tilstande, afhængigt af bevægelsesretningen. Løsningen var at bruge to Arduino-kort - et til at forbinde med de to aktuatorer og et andet til at forbinde med servoen og de eksterne grænseafbrydere. Efter at have implementeret denne ændring og tilføjet en de-bouncer til koden for at aflæse støjende grænseafbryderværdier, fungerede alle elektriske komponenter som forventet.
Det nye og forbedrede PA-MC1 mikroaktuator (PA-07 opgradering) er den nuværende model, vi tilbyder, med en række ekstra fordele. For en sammenligning kan du se tabellerne nedenfor og opgradere med ro i sindet!
|
|
PA-MC1 |
PA-07 |
|
Hul-til-hul længde |
2,76 inch |
3,25 inch |
|
Dynamiske indlæsningsmuligheder |
8, 11, 17, 39 pund |
5 lb |
|
Højeste belastning |
39 lb |
5 lb |
|
Hurtigste hastighed |
1.18"/sec |
0.55"/sec |
|
Stregmuligheder |
0,5 tommer til 8 tommer |
0,5 tommer til 12 tommer |
Konklusion
Afslutningsvis blev DonutBot fra University of Waterloos ingeniørteam færdiggjort med muligheden for at tage imod ordrer via en iPad-grænseflade for at tilpasse øjeblikkelige donuts af høj kvalitet ved hjælp af en robotarm og et automatiseret styresystem. DonutBot blev fremvist af teamet på Mechatronics Engineerings Capstone Design Symposium. Udover tilføjelsen af et kabinet omkring robotten (dette kan have forhindret seerne i tydeligt at se DonutBots funktioner under symposiet), blev alle teamets mål opfyldt. Godt gået til alle involverede – vi er glade for at sponsorere et så innovativt produkt!