Patrocinio Donut Bot de la Universidad de Waterloo

Hay varias razones por las que algunas donas pueden considerarse de baja calidad o insatisfactorias. A veces se debe a que las cafeterías públicas están cerradas, tienen poco personal o cuentan con poco stock durante la noche. Muchos clientes en espacios públicos, incluidos aeropuertos, hospitales, universidades y otros lugares similares, también pueden antojarse de donas personalizadas y de calidad a distintas horas 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 del DonutBot es decorar, en el acto, donas personalizadas de alta calidad utilizando un brazo robótico con actuadores y un sistema de control automatizado en colaboración con Progressive Automations. Este proceso de personalización se realizaría en pocos minutos tras crear un pedido mediante una interfaz de usuario en iPad.

¿Qué actuadores se utilizaron?

Para este proyecto, los estudiantes usaron dos actuadores diferentes para implementar el mecanismo. A continuación se describen las opciones de actuadores que eligieron y los motivos de esas elecciones.

Actuador lineal de riel PA-18

El DonutBot debía recorrer una larga distancia horizontal para mover un brazo robótico de una estación a la siguiente. Por ello, se seleccionó el PA-18-60-150 actuador lineal de riel, ya que ofrece la opción de mayor longitud de carrera de todos los actuadores disponibles. Otra ventaja del PA-18 es que mantiene las mismas dimensiones en posición retraída o extendida, lo que hace que el DonutBot sea más eficiente en cuanto a espacio en comparación con un actuador estándar que se alarga físicamente al ciclar.

PA-18

Micro actuador lineal PA-07

Para recoger, sumergir y dejar una dona, se requería un movimiento vertical de subida y bajada. Como las donas no son pesadas, era aceptable un actuador más pequeño con una clasificación de fuerza inferior. Se eligió el micro actuador lineal PA-07-4-5 para la traslación vertical del brazo robótico, ya que cumplía todos los requisitos. Este modelo también tenía el beneficio adicional de reducir el peso y el volumen generales del DonutBot, dado que es el actuador más pequeño que se ofrece y aun así cuenta con 4 pulgadas de carrera.

PA-07

Cómo se construyó el DonutBot: paso a paso

Etapas de diseño preliminares

En el otoño de 2019, el equipo de ingeniería comenzó el proceso de diseñar los componentes mecánicos, eléctricos y de software del DonutBot. Diversos planos y esquemas CAD permitieron al equipo completar la fabricación durante las vacaciones. Además, se adquirieron y reunieron los componentes eléctricos para completar las pruebas preliminares del DonutBot. Asimismo, se implementó el núcleo de la aplicación iOS para la interfaz de iPad.

El equipo continuó su trabajo a principios del nuevo año montando garras controladas por servomotor en el extremo del micro actuador lineal PA-07-4-5. El modelo PA-07 se utilizó para el movimiento vertical (eje Z) para subir y bajar las garras que sostenían la dona que se estaba personalizando. Para mover el brazo robótico horizontalmente (eje X) de estación en estación, el actuador PA-07 junto con las garras se montaron en el actuador lineal de riel PA-18-60-150.

Cableado y programación

Se colocaron interruptores de fin de carrera externos en sus estaciones correspondientes y se atornillaron en su lugar. Los dos actuadores, las garras controladas por servomotor y los interruptores de fin de carrera externos se cablearon a la placa Arduino. Luego se creó un programa básico de Arduino para poder probar los componentes eléctricos: el programa recibía comandos por puerto serie para abrir y cerrar la garra y mover el brazo robótico de una estación a otra.

Se programó una placa Arduino para interconectarse con los dos actuadores, mientras que una segunda placa Arduino se programó para interconectarse con el servomotor y los interruptores de fin de carrera. También se añadió al código un antirrebote para leer valores ruidosos de los interruptores de fin de carrera, de modo que todos los componentes eléctricos funcionaran correctamente cuando los dos programas de Arduino recibían comandos por serie.

Finalización del proyecto

Para girar la dona y dejarla boca arriba, el equipo decidió que el DonutBot dejara caer las donas justo por encima del borde de una tira de plexiglás, de modo que, al caer, hicieran contacto con el borde lo suficiente como para girar 180°. Debajo del borde habría una bandeja sobre la que caería la dona ya en posición vertical.

El componente final a implementar fue el programa ROS, ejecutándose en la Raspberry Pi. Al completar un pedido en el iPad, el pedido de donas se transmitía de forma inalámbrica a la Raspberry Pi. A partir de ahí, la Raspberry Pi se encargaba de controlar el proceso de decoración de donas, interconectándose con las placas Arduino para asegurar que las donas se decoraran correctamente.

Se utilizaron cuatro estaciones para las últimas pruebas. Se seleccionaron la estación de glaseado de vainilla, la estación de glaseado de chocolate, la estación de chispas de colores y la estación de trozos de Oreo. Tras varias rondas de pruebas, se afinó el DonutBot para decorar con éxito una dona de manera autónoma al recibir un pedido desde la interfaz del iPad.

El DonutBot terminado:

Problemas: cómo surgieron y cómo se resolvieron

Como en todo proyecto, hubo momentos de prueba, error y resolución. El equipo de DonutBot no fue diferente; experimentó —y resolvió— con éxito los siguientes problemas.

Succión por vacío vs. garra controlada por servomotor

Durante las primeras etapas del diseño, se encontró un problema importante al usar una fuerza de succión por vacío para recoger las donas. La fuerza de vacío necesaria para levantar las donas también era lo suficientemente fuerte como para aspirar glaseado y chispas dentro de la tubería de vacío.

Para solucionar este problema, el equipo decidió reemplazar el vacío por una garra controlada por servomotor que fuera capaz de sostener las donas sin recoger ningún topping. Como ya no se utilizaba un vacío, la potencia de entrada 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 funcionaba como se esperaba. Sin embargo, mover el brazo a una estación a su derecha no funcionaba correctamente. El brazo robótico seguía moviéndose hacia la derecha, hasta el punto de entrega, incluso después de alcanzar la estación de destino. Esto se debía a que el Arduino no detectaba el interruptor de fin de carrera activado. Tras realizar una depuración de software y hardware, se encontró que los valores de los interruptores de fin de carrera no solo dependían de si estaban presionados, sino también de la dirección de movimiento del actuador del eje X.

Como todos los componentes eléctricos estaban cableados al mismo Arduino, la corriente que consumía el actuador del eje X era demasiado grande para manejarla en una sola placa Arduino. En consecuencia, esto hacía que los valores de los interruptores de fin de carrera se alteraran respecto a sus estados reales según la dirección de movimiento. La solución fue usar dos placas Arduino: una para interconectarse con los dos actuadores y otra para interconectarse con el servomotor y los interruptores de fin de carrera externos. Tras implementar este cambio y añadir un antirrebote al código para leer valores ruidosos de los interruptores de fin de carrera, todos los componentes eléctricos funcionaron como se esperaba.

El nuevo y mejorado micro actuador PA-MC1 (actualización del PA-07) es el modelo actual que ofrecemos con una variedad de beneficios adicionales. Para comparar, consulta las tablas de abajo y actualiza con confianza.

Conclusión

En conclusión, el DonutBot del equipo de ingeniería de la Universidad de Waterloo se completó con la capacidad de tomar pedidos mediante una interfaz de iPad para personalizar al instante donas de alta calidad utilizando un brazo robótico y un sistema de control automatizado. El equipo presentó el DonutBot en el Capstone Design Symposium de Ingeniería Mecatrónica. Aparte de la adición de una carcasa alrededor del robot (esto puede haber impedido que los asistentes pudieran ver con claridad el funcionamiento del DonutBot durante el simposio), se cumplieron todos los objetivos del equipo. ¡Bien hecho a todos los involucrados: nos encanta patrocinar un producto tan innovador!