Sponsoring Donut Bot der Universität Waterloo

Es gibt mehrere Gründe, warum einige Donuts als von geringer Qualität oder unbefriedigend angesehen werden können. Manchmal liegt es daran, dass öffentliche Cafés geschlossen, unterbesetzt oder während der späten Stunden spärlich bestückt sind. Viele Kunden in öffentlichen Räumen, einschließlich Flughäfen, Krankenhäusern, Universitäten und anderen ähnlichen Orten, könnten auch zu verschiedenen Zeiten des Tages nach qualitativ hochwertigen, individuell gestalteten Donuts verlangen.

Um dieses Problem zu lösen, hat ein Team von Ingenieurstudenten der Universität Waterloo zusammengearbeitet, um den DonutBot zu entwickeln. Das Ziel des DonutBot ist es, hochwertige, individuell gestaltete Donuts vor Ort mit einem Roboterarm, der mit Aktuatoren und einem automatisierten Steuerungssystem in Zusammenarbeit mit Progressive Automations ausgestattet ist, zu dekorieren. Dieser Anpassungsprozess würde innerhalb weniger Minuten nach der Erstellung einer Bestellung über eine iPad-Benutzeroberfläche durchgeführt werden.

Welche Aktuatoren wurden verwendet?

Für dieses Projekt verwendeten die Studenten zwei verschiedene Aktuatoren, um den Mechanismus zu realisieren. Die von ihnen getroffenen Aktuatorentscheidungen und die Gründe für diese Entscheidungen sind nachfolgend aufgeführt.

PA-18 Track Linear Actuator

Der DonutBot müsste eine große horizontale Distanz zurücklegen, um einen Roboterarm von einer Station zur nächsten zu bewegen. Aus diesem Grund wurde der PA-18-60-150 Track Linear Actuator ausgewählt, da er die längste Hublänge aller verfügbaren Aktuatoren hat. Ein weiterer Vorteil des PA-18 ist, dass er in den zurückgezogenen oder ausgefahrenen Dimensionen gleich bleibt, was es dem DonutBot ermöglicht, platzsparender zu sein im Vergleich zu einem Standardaktuator, der sich physisch auf eine längere Länge ausdehnen würde, wenn er in Betrieb ist.

PA-18

PA-07 Micro Linear Actuator

Um einen Donut aufzuheben, einzutauchen und abzulegen, war eine vertikale Bewegung erforderlich, um nach oben und unten zu bewegen. Da Donuts nicht schwer sind, wäre ein kleinerer Aktuator mit niedrigerer Kraftbewertung akzeptabel. Der PA-07-4-5 Micro Linear Actuator wurde für die vertikale Translation des Roboterarms gewählt, da er alle Anforderungen erfüllte. Dieses Modell hatte auch den zusätzlichen Vorteil, das Gesamtgewicht und das Volumen des DonutBot zu verringern, da es der kleinste angebotene Aktuator ist, der immer noch eine Hublänge von 4 Zoll hat.

PA-07

Wie der DonutBot gebaut wurde: Schritt für Schritt

Vorläufige Entwurfsphasen

Im Herbst 2019 begann das Ingenieurteam mit dem Entwurfsprozess der mechanischen, elektrischen und Softwarekomponenten des DonutBot. Verschiedene CAD-Zeichnungen und -Schemata ermöglichten es dem Team, die Fertigung während der Ferienpause abzuschließen. Außerdem wurden elektrische Komponenten beschafft und gesammelt, um die vorläufigen Tests des DonutBot abzuschließen. Darüber hinaus wurde der Kern der iOS-Anwendung für die iPad-Oberfläche implementiert.

Das Team setzte seine Arbeit zu Beginn des neuen Jahres fort, indem es servo-gesteuerte Klauen am Ende des PA-07-4-5 Micro Linear Actuator montierte. Das PA-07-Modell wurde für die vertikale Bewegung (Z-Achse) verwendet, um die Klauen, die den Donut hielten, der gerade angepasst wurde, anzuheben und abzusenken. Um den Roboterarm horizontal (X-Achse) von Station zu Station zu bewegen, wurden der PA-07-Aktuator zusammen mit den Klauen am PA-18-60-150 Track Linear Actuator montiert.

Verdrahtung und Programmierung

Externe Endschalter wurden an ihren entsprechenden Stationen positioniert und festgeschraubt. Die beiden Aktuatoren, servo-gesteuerten Klauen und externen Endschalter wurden dann mit der Arduino-Platine verdrahtet. Ein einfaches Arduino-Programm wurde erstellt, um die elektrischen Komponenten testen zu können – das Programm würde Befehle über die serielle Schnittstelle entgegennehmen, um die Klaue zu öffnen und zu schließen und den Roboterarm von einer Station zur anderen zu bewegen.

Eine Arduino-Platine wurde programmiert, um mit den beiden Aktuatoren zu interagieren, während eine zweite Arduino-Platine programmiert wurde, um mit dem Servo und den Endschaltern zu interagieren. Ein Entprellfilter wurde ebenfalls zum Code hinzugefügt, um die Werte der lauten Endschalter zu lesen, sodass alle elektrischen Komponenten funktionierten, während die beiden Arduino-Programme Befehle über die serielle Schnittstelle erhielten.

Abschluss des Projekts

Um den Donut mit der rechten Seite nach oben zu drehen, entschied das Team, dass der DonutBot die Donuts direkt über die Kante eines Plexiglasstreifens ablegen sollte, sodass, wenn ein Donut herunterfällt, er gerade genug mit der Kante des Plexiglasstreifens in Kontakt kommt, um ihn um 180° zu drehen. Unter der Kante würde ein Teller sein, auf den der aufrechte Donut fällt.

Die letzte Komponente, die implementiert werden sollte, war das ROS-Programm, das auf dem Raspberry Pi läuft. Nach Abschluss einer Bestellung auf dem iPad würde die Donutbestellung drahtlos an den Raspberry Pi übertragen. Von hier aus wäre der Raspberry Pi dafür verantwortlich, den Prozess der Donut-Dekoration zu steuern, indem er mit den Arduino-Platinen interagiert, um sicherzustellen, dass die Donuts korrekt dekoriert werden.

Für die letzten Tests wurden vier Stationen verwendet. Die Station für Vanilleglasur, die Station für Schokoladenglasur, die Station für Regenbogenstreusel und die Station für Oreo-Brösel wurden ausgewählt. Nach einigen Testdurchläufen wurde der DonutBot so optimiert, dass er einen Donut autonom erfolgreich dekorieren konnte, nachdem er eine Donutbestellung über die iPad-Oberfläche erhalten hatte.

Der fertige DonutBot:

Probleme: Wie sie entstanden und überwunden wurden

Wie bei jedem Projekt gibt es Momente des Versuchs, des Fehlers und der Lösung. Das DonutBot-Team war da keine Ausnahme; sie haben die folgenden Probleme erfolgreich erlebt – und gelöst.

Vakuumsauger vs. servo-gesteuerte Klaue

In den frühen Entwurfsphasen wurde ein erhebliches Problem festgestellt: die Verwendung einer Vakuumsaugkraft, um die Donuts aufzuheben. Die Vakuumkraft, die benötigt wurde, um die Donuts aufzuheben, war auch stark genug, um das Frosting und die Streusel in das Vakuumrohr zu saugen.

Um dieses Problem zu lösen, entschied sich das Team, den Vakuum zu einer servo-gesteuerten Klaue zu wechseln, die in der Lage wäre, Donuts zu halten, ohne irgendwelche Beläge aufzunehmen. Da kein Vakuum mehr verwendet wurde, wurde der Energiebedarf des Systems erheblich reduziert, und somit war keine CSA-Zulassung mehr erforderlich.

Probleme mit dem Roboterarm

Es wurde festgestellt, dass das Bewegen des Arms zu einer Station auf der linken Seite wie erwartet funktionierte. Das Bewegen des Arms zu einer Station auf der rechten Seite funktionierte jedoch nicht richtig. Der Roboterarm würde weiterhin nach rechts bewegen, bis zur Ablageposition, selbst nachdem er seine Zielstation erreicht hatte. Dies lag daran, dass Arduino den aktivierten Endschalter nicht erkannte. Nach einer Software- und Hardware-Debugging wurde festgestellt, dass die Werte des Endschalters nicht nur davon abhängen würden, ob sie gedrückt wurden, sondern auch von der Bewegungsrichtung des X-Aktuators.

Da alle elektrischen Komponenten an dasselbe Arduino angeschlossen waren, war der Strom, der vom X-Aktuator gezogen wurde, zu groß, um ihn auf einer Arduino-Platine zu verarbeiten. Folglich würde dies dazu führen, dass die Werte des Endschalters von ihren tatsächlichen Zuständen abweichen, abhängig von der Bewegungsrichtung. Die Lösung bestand darin, zwei Arduino-Platinen zu verwenden – eine zur Interaktion mit den beiden Aktuatoren und eine andere zur Interaktion mit dem Servo und den externen Endschaltern. Nach der Implementierung dieser Änderung und dem Hinzufügen eines Entprellfilters zum Code, um die Werte der lauten Endschalter zu lesen, funktionierten alle elektrischen Komponenten wie erwartet.

Der neue und verbesserte PA-MC1 Mikroaktuator (PA-07 Upgrade) ist das aktuelle Modell, das wir mit einer Vielzahl zusätzlicher Vorteile anbieten. Für einen Vergleich, schauen Sie sich die Tabellen unten an und upgraden Sie mit Vertrauen!

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der DonutBot des Ingenieurteams der Universität Waterloo mit der Fähigkeit abgeschlossen wurde, Bestellungen über eine iPad-Oberfläche entgegenzunehmen, um sofort hochwertige Donuts mit einem Roboterarm und einem automatisierten Steuerungssystem zu personalisieren. Der DonutBot wurde vom Team beim Capstone Design Symposium der Mechatronik-Ingenieure präsentiert. Abgesehen von der Hinzufügung eines Gehäuses um den Roboter (dies könnte verhindert haben, dass die Zuschauer die Funktionsweise des DonutBot während des Symposiums klar sehen konnten), wurden alle Ziele des Teams erreicht. Gut gemacht an alle Beteiligten – wir freuen uns, ein so innovatives Produkt zu sponsern!