Υπάρχουν διάφοροι λόγοι για τους οποίους μερικά ντόνατς μπορεί να κριθούν χαμηλής ποιότητας ή μη ικανοποιητικά. Μερικές φορές, αυτό οφείλεται στο ότι τα δημόσια καφέ είναι κλειστά, υποστελεχωμένα ή ανεπαρκώς εφοδιασμένα τις βραδινές ώρες. Πολλοί πελάτες σε δημόσιους χώρους, όπως αεροδρόμια, νοσοκομεία, πανεπιστήμια και παρόμοιους χώρους, μπορεί επίσης να επιθυμούν ποιοτικά, προσωποποιημένα ντόνατς σε διαφορετικές ώρες της ημέρας.
Για να λυθεί αυτό το ζήτημα, μια ομάδα φοιτητών μηχανικών από το University of Waterloo συνεργάστηκε για να δημιουργήσει το DonutBot. Ο στόχος του DonutBot είναι να διακοσμεί επί τόπου, υψηλής ποιότητας, προσωποποιημένα ντόνατς, χρησιμοποιώντας έναν ρομποτικό βραχίονα με ενεργοποιητές και ένα αυτοματοποιημένο σύστημα ελέγχου, σε συνεργασία με την Progressive Automations. Η διαδικασία προσαρμογής ολοκληρώνεται μέσα σε λίγα λεπτά από τη δημιουργία της παραγγελίας μέσω μιας διεπαφής χρήστη σε iPad.
Ποιοι ενεργοποιητές χρησιμοποιήθηκαν;
Για αυτό το έργο, οι φοιτητές χρησιμοποίησαν δύο διαφορετικούς ενεργοποιητές για να υλοποιήσουν τον μηχανισμό. Οι επιλογές ενεργοποιητών που έκαναν, και οι λόγοι πίσω από αυτές, παρουσιάζονται παρακάτω.
PA-18 Track Linear Actuator
Το DonutBot έπρεπε να διανύει μεγάλη οριζόντια απόσταση για να μετακινεί έναν ρομποτικό βραχίονα από έναν σταθμό στον επόμενο. Γι’ αυτό επιλέχθηκε ο PA-18-60-150 γραμμικός ενεργοποιητής τύπου ράγας (Track), καθώς διαθέτει την μεγαλύτερη επιλογή μήκους Διαδρομής από όλους τους διαθέσιμους ενεργοποιητές. Ένα ακόμη πλεονέκτημα του PA-18 είναι ότι οι διαστάσεις του παραμένουν ίδιες είτε σε συστολή είτε σε έκταση, επιτρέποντας στο DonutBot να είναι πιο αποδοτικό σε χώρο σε σύγκριση με έναν τυπικό ενεργοποιητή που θα επιμηκυνόταν φυσικά κατά τη λειτουργία (cycling).
PA-18
PA-07 Micro Linear Actuator
Για να πιάσει, να βουτήξει και να αφήσει ένα ντόνατ, απαιτούνταν κατακόρυφη κίνηση προς τα πάνω και κάτω. Επειδή τα ντόνατς δεν είναι βαριά, ένας μικρότερος ενεργοποιητής με χαμηλότερη ονομαστική δύναμη ήταν αποδεκτός. Ο μικρο-γραμμικός ενεργοποιητής PA-07-4-5 επιλέχθηκε για την κατακόρυφη μετατόπιση του ρομποτικού βραχίονα, καθώς κάλυπτε όλες τις απαιτήσεις. Αυτό το μοντέλο είχε και το πρόσθετο όφελος της μείωσης του συνολικού βάρους και όγκου του DonutBot, καθώς είναι ο μικρότερος προσφερόμενος ενεργοποιητής που διατηρεί 4 inches Διαδρομής.
PA-07
Πώς κατασκευάστηκε το DonutBot: Βήμα προς βήμα
Προκαταρκτικά στάδια σχεδίασης
Το φθινόπωρο του 2019, η ομάδα μηχανικών ξεκίνησε τη διαδικασία σχεδίασης των μηχανικών, ηλεκτρικών και λογισμικών στοιχείων του DonutBot. Διάφορα σχέδια και διαγράμματα CAD επέτρεψαν στην ομάδα να ολοκληρώσει την κατασκευή κατά τις διακοπές. Επίσης, προμηθεύτηκαν και συγκεντρώθηκαν τα ηλεκτρικά εξαρτήματα για την ολοκλήρωση των αρχικών δοκιμών του DonutBot. Επιπλέον, υλοποιήθηκε ο πυρήνας της εφαρμογής iOS για τη διεπαφή του iPad.
Η ομάδα συνέχισε την εργασία της στις αρχές του νέου έτους, τοποθετώντας δαγκάνες ελεγχόμενες με σερβοκινητήρα στο άκρο του μικρο-γραμμικού ενεργοποιητή PA-07-4-5. Το μοντέλο PA-07 χρησιμοποιήθηκε για την κατακόρυφη κίνηση (άξονας Z) ώστε να ανυψώνει και να κατεβάζει τις δαγκάνες που κρατούσαν το ντόνατ προς διακόσμηση. Για την οριζόντια μετακίνηση (άξονας X) του ρομποτικού βραχίονα από σταθμό σε σταθμό, ο ενεργοποιητής PA-07 μαζί με τις δαγκάνες τοποθετήθηκαν πάνω στον γραμμικό ενεργοποιητή ράγας PA-18-60-150.
Καλωδίωση και προγραμματισμός
Εξωτερικοί τερματικοί διακόπτες τοποθετήθηκαν στις αντίστοιχες θέσεις τους και βιδώθηκαν στη θέση τους. Οι δύο ενεργοποιητές, οι δαγκάνες με σερβοκινητήρα και οι εξωτερικοί τερματικοί διακόπτες καλωδιώθηκαν στη συνέχεια στην πλακέτα Arduino. Δημιουργήθηκε ένα βασικό πρόγραμμα Arduino για να είναι δυνατός ο έλεγχος των ηλεκτρικών εξαρτημάτων — το πρόγραμμα θα λάμβανε εντολές μέσω σειριακής επικοινωνίας για να ανοίγει/κλείνει τη δαγκάνα και να μετακινεί τον ρομποτικό βραχίονα από έναν σταθμό σε άλλον.
Μία πλακέτα Arduino προγραμματίστηκε για να επικοινωνεί με τους δύο ενεργοποιητές, ενώ μια δεύτερη πλακέτα Arduino προγραμματίστηκε για να επικοινωνεί με το σερβοκινητήρα και τους τερματικούς διακόπτες. Προστέθηκε επίσης ένας αποθορυβοποιητής (debouncer) στον κώδικα για την ανάγνωση «θορυβωδών» τιμών από τους τερματικούς διακόπτες, έτσι ώστε όλα τα ηλεκτρικά εξαρτήματα να λειτουργούν καθώς τα δύο προγράμματα Arduino λάμβαναν εντολές μέσω σειριακού.
Ολοκλήρωση του έργου
Για να περιστραφεί το ντόνατ με τη σωστή πλευρά προς τα πάνω, η ομάδα αποφάσισε το DonutBot να αφήνει τα ντόνατς ακριβώς πάνω από την άκρη μιας λωρίδας plexiglass, ώστε, καθώς ένα ντόνατ πέφτει, να έρχεται ελαφρά σε επαφή με την άκρη και να περιστρέφεται κατά 180°. Κάτω από την άκρη θα υπήρχε ένα πιάτο πάνω στο οποίο θα έπεφτε το όρθιο ντόνατ.
Το τελικό στοιχείο που υλοποιήθηκε ήταν το πρόγραμμα ROS, το οποίο εκτελείται σε Raspberry Pi. Με την ολοκλήρωση μιας παραγγελίας στο iPad, η παραγγελία ντόνατ αποστέλλεται ασύρματα στο Raspberry Pi. Από εκεί, το Raspberry Pi αναλαμβάνει τον έλεγχο της διαδικασίας διακόσμησης των ντόνατ, επικοινωνώντας με τις πλακέτες Arduino, ώστε να διασφαλίζεται η σωστή διακόσμηση.
Χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις σταθμοί για τις τελευταίες δοκιμές. Επιλέχθηκαν ο σταθμός επικάλυψης βανίλιας, ο σταθμός επικάλυψης σοκολάτας, ο σταθμός πολύχρωμων τρούφων και ο σταθμός τριμμένου Oreo. Μετά από μερικούς γύρους δοκιμών, το DonutBot ρυθμίστηκε έτσι ώστε να διακοσμεί αυτόνομα ένα ντόνατ με επιτυχία μόλις λάβει παραγγελία από τη διεπαφή του iPad.
Το ολοκληρωμένο DonutBot:
Ζητήματα: Πώς προέκυψαν και πώς ξεπεράστηκαν
Όπως σε κάθε έργο, υπάρχουν στιγμές δοκιμής, λάθους και λύσης. Η ομάδα του DonutBot δεν αποτέλεσε εξαίρεση· αντιμετώπισε —και έλυσε— με επιτυχία τα παρακάτω ζητήματα.
Αναρρόφηση κενού vs δαγκάνα με έλεγχο σερβοκινητήρα
Στα πρώιμα στάδια της σχεδίασης, εντοπίστηκε ένα σημαντικό πρόβλημα: η χρήση αναρρόφησης κενού για την ανύψωση των ντόνατς. Η δύναμη του κενού που απαιτούνταν για την ανύψωση των ντόνατς ήταν αρκετά ισχυρή ώστε να ρουφά και την επικάλυψη και τις τρούφες μέσα στον σωλήνα κενού.
Για την αντιμετώπιση του θέματος, η ομάδα αποφάσισε να αντικαταστήσει το κενό με μια δαγκάνα ελεγχόμενη με σερβοκινητήρα, ικανή να συγκρατεί ντόνατς χωρίς να «παίρνει» επικαλύψεις. Καθώς δεν χρησιμοποιούνταν πλέον κενό, η απαιτούμενη ισχύς του συστήματος μειώθηκε σημαντικά και έτσι δεν απαιτούνταν πλέον έγκριση CSA.
Ζητήματα ρομποτικού βραχίονα
Διαπιστώθηκε ότι η μετακίνηση του βραχίονα σε σταθμό στα αριστερά λειτουργούσε όπως αναμενόταν. Ωστόσο, η μετακίνηση του βραχίονα σε σταθμό στα δεξιά δεν λειτουργούσε σωστά. Ο ρομποτικός βραχίονας συνέχιζε να κινείται προς τα δεξιά, μέχρι τη θέση απόθεσης, ακόμη και αφού είχε φτάσει στον επιθυμητό σταθμό. Αυτό οφειλόταν στο ότι το Arduino δεν ανίχνευε τον ενεργοποιημένο τερματικό διακόπτη. Μετά από αποσφαλμάτωση λογισμικού και υλικού, διαπιστώθηκε ότι οι τιμές του τερματικού διακόπτη δεν εξαρτώνταν μόνο από το αν ήταν πατημένος, αλλά και από την κατεύθυνση κίνησης του ενεργοποιητή Χ.
Επειδή όλα τα ηλεκτρικά εξαρτήματα ήταν συνδεδεμένα στο ίδιο Arduino, το ρεύμα που απορροφούσε ο ενεργοποιητής Χ ήταν υπερβολικά μεγάλο για να χειριστείται από μία πλακέτα Arduino. Κατά συνέπεια, αυτό αλλοίωνε τις τιμές του τερματικού διακόπτη από τις πραγματικές τους καταστάσεις, ανάλογα με την κατεύθυνση κίνησης. Η λύση ήταν η χρήση δύο πλακετών Arduino — μίας για την επικοινωνία με τους δύο ενεργοποιητές και μίας δεύτερης για την επικοινωνία με το σερβοκινητήρα και τους εξωτερικούς τερματικούς διακόπτες. Μετά την υλοποίηση αυτής της αλλαγής και την προσθήκη αποθορυβοποιητή στον κώδικα για την ανάγνωση «θορυβωδών» τιμών, όλα τα ηλεκτρικά εξαρτήματα λειτούργησαν όπως αναμενόταν.
Ο νέος και βελτιωμένος PA-MC1 μικρο-ενεργοποιητής (αναβάθμιση του PA-07) είναι το τρέχον μοντέλο που προσφέρουμε με ποικίλα πρόσθετα οφέλη. Για σύγκριση, δείτε τους παρακάτω πίνακες και αναβαθμίστε με σιγουριά!
|
|
PA-MC1 |
PA-07 |
|
Μήκος από οπή σε οπή |
2.76" |
3.25" |
|
Επιλογές δυναμικού φορτίου |
8, 11, 17, 39 lbs |
5 lbs |
|
Μέγιστο φορτίο |
39 lbs |
5 lbs |
|
Υψηλότερη Ταχύτητα |
1.18"/sec |
0.55"/sec |
|
Επιλογές Διαδρομής |
0.5" to 8" |
0.5" to 12" |
Συμπέρασμα
Συνοψίζοντας, το DonutBot της ομάδας μηχανικών του Πανεπιστημίου του Waterloo ολοκληρώθηκε με τη δυνατότητα να δέχεται παραγγελίες μέσω διεπαφής iPad για να προσωποποιεί άμεσα, υψηλής ποιότητας ντόνατς, χρησιμοποιώντας έναν ρομποτικό βραχίονα και ένα αυτοματοποιημένο σύστημα ελέγχου. Το DonutBot παρουσιάστηκε από την ομάδα στο Capstone Design Symposium της Μηχατρονικής. Πέρα από την προσθήκη περιβλήματος γύρω από το ρομπότ (κάτι που μπορεί να εμπόδισε τους θεατές να δουν καθαρά τη λειτουργία του DonutBot κατά τη διάρκεια του Συμποσίου), όλοι οι στόχοι της ομάδας επιτεύχθηκαν. Συγχαρητήρια σε όλους τους εμπλεκόμενους – είμαστε ενθουσιασμένοι που χορηγούμε ένα τόσο καινοτόμο προϊόν!