Hay varias razones por las que algunos donuts pueden considerarse de baja calidad o insatisfactorios. A veces, es el resultado de que las cafeterías públicas están cerradas, tienen poco personal o están escasamente surtidas durante las altas horas de la noche. Muchos clientes en espacios públicos, incluidos aeropuertos, hospitales, universidades y otros lugares similares, también pueden desear donas personalizadas de calidad en diferentes momentos del día.
Para resolver este problema, un equipo de estudiantes de ingeniería de la Universidad de Waterloo trabajó en conjunto para crear el DonutBot. El objetivo de DonutBot es decorar donuts personalizados de alta calidad en el acto utilizando un brazo robótico con actuadores y un sistema de controles automatizados en colaboración con Progressive Automations . Este proceso de personalización se lograría a los pocos minutos de crear un pedido a través de una interfaz de usuario de iPad.
¿Qué actuadores se utilizaron?
Para este proyecto, los estudiantes utilizaron dos actuadores diferentes para lograr el mecanismo. Las elecciones de actuadores que hicieron y los motivos de estas elecciones se describen a continuación.
Actuador lineal de pista PA-18
El DonutBot tendría que recorrer una gran distancia horizontal para mover un brazo robótico de una estación a la siguiente. Debido a esto, se seleccionó el actuador lineal de oruga PA-18-60-150, ya que tiene la opción de longitud de carrera más larga de todos los actuadores disponibles. Otro beneficio del PA-18 es que mantiene las mismas dimensiones retraídas o extendidas, lo que permite que el DonutBot ahorre más espacio en comparación con un actuador estándar que se extendería físicamente a una longitud mayor al andar en bicicleta.
PA-18
PA-07 Microactuador lineal
Para recoger, sumergir y dejar un donut, se requería un movimiento vertical para moverse hacia arriba y hacia abajo. Debido a que los donuts no son pesados, sería aceptable un actuador de menor tamaño con menor índice de fuerza. Se eligió el microactuador lineal PA-07-4-5 para la traslación vertical del brazo robótico porque cumplía con todos los requisitos. Este modelo también tuvo el beneficio adicional de disminuir el peso total y el volumen del DonutBot, ya que es el actuador más pequeño ofrecido que todavía tiene 4 pulgadas de longitud de carrera.
PA-07
Cómo se construyó el DonutBot: paso a paso
Etapas de diseño preliminar.
En el otoño de 2019, el equipo de ingeniería inició el proceso de diseño de los componentes mecánicos, eléctricos y de software del DonutBot. Varios dibujos y esquemas CAD permitieron al equipo completar la fabricación durante las vacaciones. Además, se obtuvieron y reunieron componentes eléctricos para completar las pruebas preliminares del DonutBot. Además, se implementó el núcleo de la aplicación iOS para la interfaz del iPad.
El equipo continuó su trabajo a principios del nuevo año montando garras servocontroladas en el extremo del microactuador lineal PA-07-4-5. El modelo PA-07 se utilizó para movimiento vertical (eje Z) para subir y bajar las garras que sujetaban el donut que se estaba personalizando. Para mover el brazo robótico horizontalmente (eje X) de una estación a otra, se montó el actuador PA-07 junto con las garras en el actuador lineal de oruga PA-18-60-150.
Cableado y programación
Los finales de carrera externos se colocaron en sus estaciones correspondientes y se atornillaron en su lugar. Luego, los dos actuadores, las garras servocontroladas y los interruptores de límite externos se conectaron a la placa Arduino. Luego se creó un programa Arduino básico para poder probar los componentes eléctricos; el programa recibiría comandos vía serie para abrir y cerrar la garra y mover el brazo robótico de una estación a otra.
Se programó una placa Arduino para interactuar con los dos actuadores, mientras que se programó una segunda placa Arduino para interactuar con el servo y los interruptores de límite. También se agregó un antirrebote al código para leer los valores de los interruptores de límite ruidosos para que todos los componentes eléctricos funcionaran mientras los dos programas Arduino recibían comandos a través de serie.
Finalizando el proyecto
Para rotar el donut con el lado derecho hacia arriba, el equipo decidió que el DonutBot debía dejar caer los donuts justo encima del borde de una tira de plexiglás para que, cuando el donut cayera, hiciera contacto con el borde de la tira de plexiglás lo suficiente para hacer que gire 180°. Debajo del borde habría un plato sobre el que caería el donut vertical.
El componente final a implementar fue el programa ROS, que se ejecuta en Raspberry Pi. Al completar un pedido en el iPad, el pedido de donas se transmitiría de forma inalámbrica a la Raspberry Pi. A partir de aquí, la Raspberry Pi estaría a cargo de controlar el proceso de decoración de donas interactuando con las placas Arduino para garantizar que las donas estén decoradas correctamente.
Se utilizaron cuatro estaciones para las últimas pruebas. Se seleccionó la estación de glaseado de vainilla, la estación de glaseado de chocolate, la estación de chispas de arcoíris y la estación de migajas de Oreo. Tras algunas rondas de pruebas, el DonutBot se ajustó para decorar con éxito un donut de forma autónoma al recibir un pedido de donut desde la interfaz del iPad.
El DonutBot completo:
Problemas: cómo surgieron y cómo se superaron
Como ocurre con todo proyecto, hay momentos de prueba, error y resolución. El equipo de DonutBot no fue diferente; Experimentaron (y resolvieron) los siguientes problemas con éxito.
Succión por vacío frente a garra servocontrolada
Durante las primeras etapas del diseño, un problema importante que se encontró fue el uso de una fuerza de succión al vacío para recoger las donas. La fuerza de vacío que se necesitaba para recoger las donas también era lo suficientemente fuerte como para aspirar el glaseado y las chispas dentro del tubo de vacío.
Para solucionar este problema, el equipo decidió cambiar la aspiradora por una garra servocontrolada que sería capaz de sostener donas sin recoger ningún aderezo. Como ya no se utilizaba vacío, la entrada de energía requerida por el sistema se redujo significativamente y, por lo tanto, ya no se requería la aprobación de la CSA.
Problemas con el brazo robótico
Se descubrió que mover el brazo a una estación a su izquierda funcionó como se esperaba. Sin embargo, mover el brazo a una estación a su derecha no funcionó correctamente. El brazo robótico continuaría moviéndose hacia la derecha, hasta el lugar de entrega, incluso después de llegar a su estación de destino. Esto se debió a que Arduino no detectó el interruptor de límite activado. Después de realizar una depuración de software y hardware, se descubrió que los valores del interruptor de límite no solo dependerían de si estaban presionados, sino que también dependerían de la dirección de movimiento del actuador X.
Dado que todos los componentes eléctricos estaban conectados al mismo Arduino, la corriente consumida por el actuador X era demasiado grande para manejarla en una placa Arduino. En consecuencia, esto provocaría que los valores del interruptor de límite se alteren con respecto a sus estados reales, dependiendo de la dirección del movimiento. La solución fue utilizar dos placas Arduino: una para interactuar con los dos actuadores y otra para interactuar con el servo y los interruptores de límite externos. Después de implementar este cambio y agregar un antirrebote al código para leer los valores de los interruptores de límite ruidosos, todos los componentes eléctricos funcionaron como se esperaba.
Conclusión
En conclusión, el DonutBot del equipo de ingeniería de la Universidad de Waterloo se completó con la capacidad de recibir pedidos a través de una interfaz de iPad para personalizar donuts instantáneos de alta calidad utilizando un brazo robótico y un sistema de controles automatizados. El equipo presentó el DonutBot en el Simposio de Diseño Capstone de Ingeniería Mecatrónica. Aparte de agregar una carcasa alrededor del robot (esto puede haber impedido que los espectadores pudieran ver claramente el funcionamiento del DonutBot durante el Simposio), se cumplieron todos los objetivos del equipo. Enhorabuena a todos los implicados: ¡estamos encantados de patrocinar un producto tan innovador!