Parrainage du Donut Bot par l’Université de Waterloo

Plusieurs raisons peuvent amener à juger certains donuts de qualité médiocre ou peu satisfaisants. Parfois, c’est dû à la fermeture des cafés publics, au manque de personnel, ou à des stocks limités tard le soir. De nombreux clients dans les espaces publics — aéroports, hôpitaux, universités et lieux similaires — peuvent aussi avoir envie de donuts personnalisés de qualité à différents moments de la journée.

Pour résoudre ce problème, une équipe d’étudiants en ingénierie de l’Université de Waterloo a uni ses efforts pour créer le DonutBot. L’objectif du DonutBot est de décorer, sur place, des donuts personnalisés de haute qualité à l’aide d’un bras robotisé doté d’actionneurs et d’un système de commande automatisé, en collaboration avec Progressive Automations. Ce processus de personnalisation s’effectue en quelques minutes après la création d’une commande via une interface utilisateur iPad.

Quels actionneurs ont été utilisés ?

Pour ce projet, les étudiants ont utilisé deux actionneurs différents pour réaliser le mécanisme. Leurs choix d’actionneurs, ainsi que les raisons de ces choix, sont détaillés ci-dessous.

PA-18 Vérin linéaire à rail

Le DonutBot devait parcourir une longue distance horizontale pour déplacer un bras robotisé d’une station à l’autre. Pour cette raison, le PA-18-60-150 Vérin linéaire à rail a été sélectionné, car il offre l’option de longueur de Course la plus longue parmi tous les actionneurs proposés. Un autre avantage du PA-18 est qu’il conserve les mêmes dimensions, rentré ou déployé, ce qui rend le DonutBot plus économe en espace par rapport à un actionneur standard qui s’allongerait physiquement lors des cycles de fonctionnement.

PA-18

PA-07 Micro‑vérin linéaire

Pour saisir, tremper et déposer un donut, un mouvement vertical était nécessaire pour monter et descendre. Comme les donuts ne sont pas lourds, un actionneur de plus petite taille avec une force nominale inférieure convenait. Le PA-07-4-5 Micro‑vérin linéaire a été choisi pour la translation verticale du bras robotisé, car il répondait à toutes les exigences. Ce modèle présentait aussi l’avantage supplémentaire de réduire le poids et l’encombrement globaux du DonutBot, puisqu’il s’agit du plus petit actionneur proposé offrant malgré tout une Course de 4 pouces.

PA-07

Comment le DonutBot a été construit : étape par étape

Étapes de conception préliminaires

À l’automne 2019, l’équipe d’ingénierie a commencé à concevoir les composants mécaniques, électriques et logiciels du DonutBot. Divers plans et schémas CAO ont permis à l’équipe d’achever la fabrication pendant la pause des fêtes. Des composants électriques ont également été sourcés et rassemblés pour réaliser les premiers tests du DonutBot. Par ailleurs, le cœur de l’application iOS pour l’interface iPad a été implémenté.

L’équipe a poursuivi son travail au début de la nouvelle année en montant des pinces commandées par servo à l’extrémité du micro‑vérin linéaire PA-07-4-5. Le modèle PA-07 a été utilisé pour le mouvement vertical (axe Z) afin de lever et d’abaisser les pinces tenant le donut en cours de personnalisation. Pour déplacer le bras robotisé horizontalement (axe X) d’une station à l’autre, l’actionneur PA-07, avec les pinces, a été monté sur le vérin linéaire à rail PA-18-60-150.

Câblage et programmation

Des interrupteurs de fin de course externes ont été positionnés sur leurs stations correspondantes et fixés par vis. Les deux actionneurs, les pinces commandées par servo et les interrupteurs de fin de course externes ont ensuite été raccordés à la carte Arduino. Un programme Arduino basique a alors été créé afin de tester les composants électriques — le programme recevrait des commandes via la liaison série pour ouvrir et fermer la pince et déplacer le bras robotisé d’une station à l’autre.

Une carte Arduino a été programmée pour interfacer avec les deux actionneurs, tandis qu’une seconde carte Arduino a été programmée pour interfacer avec le servo et les interrupteurs de fin de course. Un filtre anti‑rebond a également été ajouté au code pour lire les valeurs bruitées des interrupteurs de fin de course, afin que tous les composants électriques fonctionnent pendant que les deux programmes Arduino recevaient des commandes via la liaison série.

Finalisation du projet

Pour retourner le donut à l’endroit, l’équipe a décidé que le DonutBot devait lâcher les donuts juste au‑dessus du bord d’une bande de plexiglas, de sorte qu’en tombant, le donut touche légèrement le bord de la bande et pivote de 180°. Sous ce bord se trouverait une assiette sur laquelle le donut, désormais à l’endroit, viendrait tomber.

Le dernier composant à implémenter était le programme ROS, exécuté sur le Raspberry Pi. Une fois une commande passée sur l’iPad, la commande de donuts était transmise sans fil au Raspberry Pi. À partir de là, le Raspberry Pi pilotait le processus de décoration des donuts en interfaçant avec les cartes Arduino pour s’assurer que les donuts étaient correctement décorés.

Quatre stations ont été utilisées pour les derniers essais : la station glaçage vanille, la station glaçage chocolat, la station vermicelles arc‑en‑ciel et la station miettes d’Oreo. Après quelques séries de tests, le DonutBot a été affiné pour décorer un donut de manière autonome avec succès dès réception d’une commande via l’interface iPad.

Le DonutBot terminé :

Problèmes : comment ils sont apparus et ont été surmontés

Comme pour tout projet, il y a eu des phases d’essais, d’erreurs et de résolution. L’équipe du DonutBot n’a pas fait exception ; elle a rencontré — et résolu — les problèmes ci‑dessous avec succès.

Aspiration sous vide vs pince à servocommande

Aux premières étapes de la conception, un problème majeur est apparu : l’utilisation d’une force d’aspiration sous vide pour saisir les donuts. La force d’aspiration nécessaire pour soulever les donuts était également suffisante pour aspirer le glaçage et les vermicelles dans la tuyauterie du système à vide.

Pour résoudre ce problème, l’équipe a décidé de remplacer l’aspiration par une pince à servocommande capable de maintenir les donuts sans emporter de garnitures. Comme l’aspiration sous vide n’était plus utilisée, la puissance d’entrée requise par le système a été considérablement réduite et, par conséquent, l’homologation CSA n’était plus nécessaire.

Problèmes du bras robotisé

Il a été constaté que le déplacement du bras vers une station située à gauche fonctionnait comme prévu. En revanche, le déplacement du bras vers une station située à droite ne fonctionnait pas correctement. Le bras robotisé continuait à se déplacer vers la droite, jusqu’au point de dépose, même après avoir atteint sa station cible. Cela était dû au fait que l’Arduino ne détectait pas l’interrupteur de fin de course déclenché. Après un débogage logiciel et matériel, on a découvert que les valeurs des interrupteurs de fin de course dépendaient non seulement du fait qu’ils étaient actionnés, mais aussi du sens de mouvement de l’actionneur de l’axe X.

Comme tous les composants électriques étaient câblés sur le même Arduino, le Courant absorbé par l’actionneur de l’axe X était trop important pour être géré par une seule carte Arduino. En conséquence, cela modifiait les valeurs des interrupteurs de fin de course par rapport à leurs états réels, selon le sens de déplacement. La solution a consisté à utiliser deux cartes Arduino — l’une pour interfacer avec les deux actionneurs et l’autre pour interfacer avec le servo et les interrupteurs de fin de course externes. Après la mise en œuvre de ce changement et l’ajout d’un filtre anti‑rebond au code pour lire des valeurs d’interrupteur de fin de course bruitées, tous les composants électriques ont fonctionné comme prévu.

Le nouveau micro‑actionneur PA‑MC1 (mise à niveau du PA‑07) est le modèle actuel que nous proposons, avec une variété d’avantages supplémentaires. Pour comparer, consultez les tableaux ci‑dessous et effectuez votre mise à niveau en toute confiance !

Conclusion

En conclusion, le DonutBot de l’équipe d’ingénierie de l’Université de Waterloo a été finalisé avec la capacité de prendre des commandes via une interface iPad afin de personnaliser instantanément des donuts de haute qualité à l’aide d’un bras robotisé et d’un système de commande automatisé. Le DonutBot a été présenté par l’équipe au Capstone Design Symposium du département de génie mécatronique. Hormis l’ajout d’un boîtier autour du robot (ce qui a peut‑être empêché les spectateurs de bien voir le fonctionnement du DonutBot pendant le symposium), tous les objectifs de l’équipe ont été atteints. Bravo à tous les participants — nous sommes ravis de parrainer un produit aussi innovant !