On useita syitä, miksi jotkut donitsit saatetaan kokea heikkolaatuisiksi tai epätyydyttäviksi. Joskus syynä on se, että julkiset kahvilat ovat kiinni, aliresursoituja tai huonosti varusteltuja myöhään illalla. Monilla julkisten tilojen asiakkailla – kuten lentokentillä, sairaaloissa, yliopistoissa ja muissa vastaavissa paikoissa – voi myös olla tarve laadukkaille, räätälöidyille donitseille eri aikoina päivästä.
Ratkaistakseen tämän ongelman Waterlooin yliopiston tekniikan opiskelijoista koostuva tiimi kehitti yhdessä DonutBotin. DonutBotin tavoitteena on koristella laadukkaita, yksilöllisiä donitseja paikan päällä käyttäen robottivartta, jossa on toimilaitteet ja automatisoitu ohjausjärjestelmä yhteistyössä Progressive Automationsin kanssa. Tämä räätälöinti tapahtuu muutamassa minuutissa tilauksen tekemisestä iPad-käyttöliittymän kautta.
Mitä toimilaitteita käytettiin?
Tätä projektia varten opiskelijat käyttivät kahta eri toimilaitetta mekanismin toteuttamiseksi. Heidän valintansa – ja perustelut niille – on kuvattu alla.
PA-18 Track Linear Actuator
DonutBotin on kuljettava pitkä vaakasuora matka siirtääkseen robottivarren asemalta toiselle. Siksi valittiin PA-18-60-150 Track Linear Actuator, koska sillä on kaikista valikoimamme toimilaitteista pisin Iskun pituus -vaihtoehto. PA-18:n toinen etu on, että sen mitat pysyvät samoina sekä sisäänvedettynä että ulosajettuna, mikä tekee DonutBotista tilatehokkaamman verrattuna vakiotoimilaitteeseen, joka pitenisi fyysisesti sykliessä.
PA-18
PA-07 Micro Linear Actuator
Donitsin nostamiseen, dippaamiseen ja pudottamiseen tarvitaan pystysuuntaista liikettä ylös ja alas. Koska donitsit eivät ole raskaita, pienempi toimilaite, jonka voimaluokitus on alhaisempi, riittää. PA-07-4-5 Micro Linear Actuator valittiin robottivarren pystysuuntaiseen liikkeeseen, koska se täytti kaikki vaatimukset. Tällä mallilla oli myös etuna DonutBotin kokonaispainon ja -koon pienentäminen, sillä se on pienin tarjolla oleva toimilaite, jolla on silti 4 in tuumaa Iskun pituutta.
PA-07
Kuinka DonutBot rakennettiin: vaihe vaiheelta
Alustavat suunnitteluvaiheet
Syksyllä 2019 tiimi aloitti DonutBotin mekaanisten, sähköisten ja ohjelmistokomponenttien suunnittelun. Erilaiset CAD-piirrokset ja -kaaviot mahdollistivat valmistuksen suorittamisen joulutauon aikana. Myös sähkökomponentit hankittiin ja koottiin DonutBotin alustavia testejä varten. Lisäksi iPad-käyttöliittymän iOS-sovelluksen ydin toteutettiin.
Tiimi jatkoi työtään uuden vuoden alussa kiinnittämällä servolla ohjatut pihdit PA-07-4-5 Micro Linear Actuator -toimilaitteen päähän. PA-07-mallia käytettiin pystysuuntaiseen liikkeeseen (Z-akseli) nostamaan ja laskemaan pihtejä, jotka pitivät parhaillaan räätälöitävää donitsia. Robottivarren siirtämiseksi vaakasuunnassa (X-akseli) asemalta toiselle PA-07-toimilaite ja pihdit asennettiin PA-18-60-150 Track Linear Actuator -toimilaitteeseen.
Johdotus ja ohjelmointi
Ulkoiset rajakytkimet sijoitettiin vastaaville asemilleen ja ruuvattiin paikoilleen. Kaksi toimilaitetta, servolla ohjatut pihdit ja ulkoiset rajakytkimet johdotettiin sitten Arduino-korttiin. Perus Arduino-ohjelma luotiin sähköisten komponenttien testaamiseksi – ohjelma vastaanotti komentoja sarjaportin kautta avatakseen ja sulkeakseen pihdit sekä liikuttaakseen robottivarren asemalta toiselle.
Yksi Arduino-ohjain ohjelmoitiin liittämään kahteen toimilaitteeseen, kun taas toinen Arduino-ohjain ohjelmoitiin liittämään servoon ja rajakytkimiin. Koodiin lisättiin myös purskeenpoistaja (debouncer) rajakytkimien häiriöisten arvojen lukemiseksi, jotta kaikki sähköiset komponentit toimivat, kun kaksi Arduino-ohjelmaa vastaanotti komentoja sarjaportin kautta.
Projektin viimeistely
Jotta donitsi saataisiin kääntymään oikein päin, tiimi päätti, että DonutBot tiputtaa donitsit juuri pleksilasusuikaleen reunan yläpuolelle. Näin donitsin pudotessa se osuu kevyesti pleksin reunaan ja kääntyy 180°. Reunan alla on lautanen, jolle oikein päin kääntynyt donitsi putoaa.
Viimeinen toteutettava komponentti oli ROS-ohjelma, joka ajettiin Raspberry Pi:llä. Kun tilaus oli tehty iPadilla, donitsitilaus lähetettiin langattomasti Raspberry Pi:lle. Tästä eteenpäin Raspberry Pi vastasi donitsien koristeluprosessin ohjauksesta kommunikoimalla Arduino-korttien kanssa ja varmistamalla, että donitsit koristellaan oikein.
Viimeisissä testeissä käytettiin neljää asemaa. Vaniljakuorruteasema, suklaakuorruteasema, nonparellit (rainbow sprinkles) -asema ja Oreo-muruille tarkoitettu asema valittiin. Muutaman koesuorituksen jälkeen DonutBot hienosäädettiin onnistuneesti koristtelemaan donitsi autonomisesti saatuaan tilauksen iPad-käyttöliittymästä.
Valmis DonutBot:
Haasteet: miten ne syntyivät ja ratkaistiin
Kuten jokaisessa projektissa, matkan varrelle mahtui kokeiluja, virheitä ja ratkaisuja. DonutBot-tiimi ei ollut poikkeus; he kohtasivat – ja ratkaisivat – alla kuvatut haasteet onnistuneesti.
Alipaineimu vs. servolla ohjattu pihdi
Varhaisissa suunnitteluvaiheissa huomattiin merkittävä ongelma: donitsien poimiminen alipaineimulla. Donitsien nostamiseen vaadittu imun voimakkuus oli niin suuri, että se imi myös kuorrutetta ja strösseleitä imuletkuun.
Ongelman ratkaisemiseksi tiimi päätti vaihtaa alipaineen servolla ohjattuun pihdiin, joka pystyi pitämään donitsin ilman, että päällysteet tarttuvat mukaan. Koska alipainetta ei enää käytetty, järjestelmän tarvitsema syöttöteho pieneni huomattavasti, eikä CSA-hyväksyntää enää vaadittu.
Robottivarren ongelmat
Havaittiin, että varren siirtäminen vasemmalla olevalle asemalle toimi odotetusti. Sen sijaan varren vieminen oikeanpuoleiselle asemalle ei toiminut oikein. Robottivarsi jatkoi liikkumista oikealle aina pudotuspaikalle asti, vaikka se oli jo saavuttanut tavoiteasemansa. Syynä oli, ettei Arduino havainnut laukaistua rajakytkintä. Ohjelmisto- ja laitteistovianetsinnän jälkeen selvisi, että rajakytkimen lukemat eivät riippuneet vain siitä, oliko kytkin painettu, vaan myös X-toimilaitteen liikesuunnasta.
Koska kaikki sähkökomponentit oli kytketty samaan Arduinoon, X-toimilaitteen Virta oli liian suuri yhden Arduino-kortin käsiteltäväksi. Tämän seurauksena rajakytkimen arvot vääristyivät todellisista tiloistaan liikesuunnasta riippuen. Ratkaisuna käytettiin kahta Arduinoa – toista kahden toimilaitteen liittämiseen ja toista servon ja ulkoisten rajakytkinten liittämiseen. Kun tämä muutos tehtiin ja koodiin lisättiin purskeenpoistaja häiriöisten rajakytkinarvojen lukemista varten, kaikki sähköiset komponentit toimivat odotetusti.
Uusi ja parannettu PA-MC1 mikrotoimilaite (PA-07:n päivitys) on nykyinen mallimme, joka tarjoaa useita lisähyötyjä. Vertailua varten katso alla olevat taulukot ja päivitä luottavaisin mielin!
|
|
PA-MC1 |
PA-07 |
|
Reikäväli |
2.76" |
3.25" |
|
Dynaamisen Kuormituksen vaihtoehdot |
8, 11, 17, 39 lbs |
5 lbs |
|
Suurin Kuormitus |
39 lbs |
5 lbs |
|
Suurin Nopeus |
1.18"/sec |
0.55"/sec |
|
Iskun pituuden vaihtoehdot |
0.5" to 8" |
0.5" to 12" |
Yhteenveto
Yhteenvetona: Waterlooin yliopiston tekniikan opiskelijoiden DonutBot saatiin valmiiksi siten, että tilauksia voidaan ottaa iPad-käyttöliittymän kautta ja räätälöidä laadukkaita donitseja heti robottivarren ja automaattisen ohjausjärjestelmän avulla. Tiimi esitteli DonutBotin Mechatronics Engineering -linjan Capstone Design Symposiumissa. Lukuun ottamatta suojakotelon lisäämistä robotin ympärille (tämä saattoi heikentää yleisön näkyvyyttä laitteen toimintaan symposiumissa), kaikki tiimin tavoitteet saavutettiin. Hienoa työtä kaikilta – olemme iloisia voidessamme sponsoroida näin innovatiivista tuotetta!