Esistono diverse ragioni per cui alcune ciambelle possono essere considerate di bassa qualità o insoddisfacenti. A volte, ciò è dovuto al fatto che le caffetterie pubbliche sono chiuse, con personale insufficiente o con scorte limitate nelle ore serali. Molti clienti in luoghi pubblici come aeroporti, ospedali, università e simili possono inoltre desiderare ciambelle personalizzate di qualità in diversi momenti della giornata.
Per risolvere questo problema, un team di studenti di ingegneria dell'Università di Waterloo ha lavorato insieme per realizzare il DonutBot. L'obiettivo del DonutBot è decorare ciambelle personalizzate di alta qualità sul posto utilizzando un braccio robotico con attuatori e un sistema di controllo automatizzato in collaborazione con Progressive AutomationsQuesto processo di personalizzazione si completerebbe in pochi minuti dalla creazione dell'ordine tramite un'interfaccia utente su iPad.
Quali attuatori sono stati utilizzati?
Per questo progetto, gli studenti hanno utilizzato due diversi attuatori per realizzare il meccanismo. Le scelte degli attuatori effettuate e le relative motivazioni sono descritte di seguito.
Attuatore lineare per binario PA-18
Il DonutBot avrebbe una lunga distanza orizzontale da percorrere per spostare un braccio robotico da una stazione all'altra. Per questo motivo, il PA-18-60-150 Attuatore lineare di binario È stato scelto perché offre la corsa più lunga tra tutti gli attuatori disponibili. Un altro vantaggio del PA-18 è che mantiene le stesse dimensioni sia in posizione retratta che estesa, consentendo al DonutBot di ottimizzare lo spazio rispetto a un attuatore standard che si estenderebbe fisicamente durante il ciclo.
PA-18
Attuatore microlineare PA-07
Per sollevare, immergere e depositare una ciambella, era necessario un movimento verticale per spostarsi su e giù. Poiché le ciambelle non sono pesanti, un attuatore di dimensioni più piccole con una forza nominale inferiore sarebbe accettabile. Attuatore microlineare PA-07-4-5 È stato scelto per la traslazione verticale del braccio robotico in quanto soddisfaceva tutti i requisiti. Questo modello presentava anche l'ulteriore vantaggio di ridurre il peso e l'ingombro complessivi del DonutBot, essendo l'attuatore più piccolo disponibile che mantenga comunque una corsa di 4 pollici.
PA-07
Come è stato creato DonutBot: passo dopo passo
Fasi di progettazione preliminare
Nell'autunno del 2019, il team di ingegneri ha avviato la progettazione dei componenti meccanici, elettrici e software del DonutBot. Diversi disegni CAD e schemi hanno permesso al team di completare la produzione durante le vacanze. Inoltre, sono stati reperiti e assemblati i componenti elettrici necessari per completare i test preliminari del DonutBot. Infine, è stato implementato il nucleo dell'applicazione iOS per l'interfaccia iPad.
Il team ha proseguito il lavoro all'inizio del nuovo anno montando delle pinze servoassistite all'estremità dell'attuatore lineare micro PA-07-4-5. Il modello PA-07 è stato utilizzato per il movimento verticale (asse Z) per sollevare e abbassare le pinze che reggevano la ciambella in fase di personalizzazione. Per spostare il braccio robotico orizzontalmente (asse X) da una stazione all'altra, l'attuatore PA-07, insieme alle pinze, è stato montato sull'attuatore lineare a binario PA-18-60-150.
Cablaggio e programmazione
Gli interruttori di finecorsa esterni sono stati posizionati nelle rispettive stazioni e fissati con delle viti. I due attuatori, le pinze servoassistite e gli interruttori di finecorsa esterni sono stati quindi collegati alla scheda Arduino. È stato poi creato un semplice programma Arduino per poter testare i componenti elettrici: il programma riceveva comandi tramite seriale per aprire e chiudere la pinza e per spostare il braccio robotico da una stazione all'altra.
Una scheda Arduino è stata programmata per interfacciarsi con i due attuatori, mentre una seconda scheda Arduino è stata programmata per interfacciarsi con il servo e i finecorsa. È stato inoltre aggiunto un debouncer al codice per leggere i valori rumorosi dei finecorsa, in modo che tutti i componenti elettrici funzionassero correttamente mentre i due programmi Arduino ricevevano comandi tramite seriale.
Finalizzazione del progetto
Per raddrizzare la ciambella, il team ha deciso che il DonutBot avrebbe dovuto lasciar cadere le ciambelle appena sopra il bordo di una striscia di plexiglass, in modo che, cadendo, la ciambella entrasse in contatto con il bordo della striscia di plexiglass quel tanto che bastava per ruotarla di 180°. Sotto il bordo ci sarebbe stata una piastra sulla quale la ciambella, una volta raddrizzata, sarebbe caduta.
L'ultimo componente da implementare era il programma ROS, in esecuzione sul Raspberry Pi. Una volta completato un ordine sull'iPad, l'ordine delle ciambelle veniva trasmesso in modalità wireless al Raspberry Pi. Da qui, il Raspberry Pi si occupava di controllare il processo di decorazione delle ciambelle interfacciandosi con le schede Arduino per garantire che le ciambelle fossero decorate correttamente.
Per le prove finali sono state utilizzate quattro postazioni: la postazione per la glassa alla vaniglia, quella per la glassa al cioccolato, quella per le codette colorate e quella per le briciole di Oreo. Dopo diverse sessioni di test, DonutBot è stato messo a punto per decorare autonomamente una ciambella dopo aver ricevuto un ordine tramite l'interfaccia iPad.
Il DonutBot completato:
Problemi: come sono sorti e come sono stati superati
Come in ogni progetto, ci sono momenti di tentativi, errori e soluzioni. Il team di DonutBot non ha fatto eccezione: ha affrontato e risolto con successo i problemi elencati di seguito.
Aspirazione sottovuoto contro pinza servoassistita
Durante le prime fasi di progettazione, un problema significativo riscontrato è stato quello di utilizzare la forza di aspirazione del vuoto per raccogliere le ciambelle. La forza di aspirazione necessaria per raccogliere le ciambelle era anche sufficientemente forte da aspirare la glassa e le codette di zucchero nel tubo di aspirazione.
Per risolvere questo problema, il team ha deciso di sostituire l'aspirapolvere con una pinza servoassistita in grado di afferrare le ciambelle senza raccogliere le guarnizioni. Poiché non veniva più utilizzato l'aspirapolvere, il consumo energetico del sistema si è ridotto significativamente e, di conseguenza, non è stata più necessaria l'approvazione CSA.
Problemi del braccio robotico
Si è constatato che lo spostamento del braccio verso una stazione alla sua sinistra funzionava come previsto. Tuttavia, lo spostamento del braccio verso una stazione alla sua destra non funzionava correttamente. Il braccio robotico continuava a muoversi verso destra, fino al punto di consegna, anche dopo aver raggiunto la stazione di destinazione. Ciò era dovuto al fatto che Arduino non rilevava l'attivazione del finecorsa. Dopo aver eseguito un debug software e hardware, si è scoperto che i valori dei finecorsa non dipendevano solo dal fatto che fossero premuti o meno, ma anche dalla direzione di movimento dell'attuatore X.
Poiché tutti i componenti elettrici erano collegati allo stesso Arduino, la corrente assorbita dall'attuatore sull'asse X era troppo elevata per essere gestita da una singola scheda Arduino. Di conseguenza, i valori dei finecorsa risultavano alterati rispetto ai valori reali, a seconda della direzione del movimento. La soluzione è stata quella di utilizzare due schede Arduino: una per interfacciarsi con i due attuatori e l'altra per interfacciarsi con il servo e i finecorsa esterni. Dopo aver implementato questa modifica e aggiunto un circuito di debounce al codice per leggere i valori rumorosi dei finecorsa, tutti i componenti elettrici hanno funzionato come previsto.
Il nuovo e migliorato Microattuatore PA-MC1 (Aggiornamento PA-07) è il modello attualmente disponibile, con una serie di vantaggi aggiuntivi. Per un confronto, consulta le tabelle sottostanti ed effettua l'aggiornamento in tutta sicurezza!
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PA-MC1 |
PA-07 |
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Lunghezza da foro a foro |
2,76 pollici |
3,25 pollici |
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Opzioni di carico dinamiche |
8, 11, 17, 39 libbre |
5 lb |
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Carico massimo |
39 lb |
5 lb |
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Velocità massima |
1,18 pollici/s |
0,55 pollici/s |
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Opzioni di ictus |
da 0,5 pollici a 8 pollici |
Da 0,5 pollici a 12 pollici |
Conclusione
In conclusione, il DonutBot, sviluppato dal team di ingegneri dell'Università di Waterloo, è stato completato ed è in grado di accettare ordini tramite un'interfaccia iPad per personalizzare ciambelle istantanee di alta qualità, utilizzando un braccio robotico e un sistema di controllo automatizzato. Il DonutBot è stato presentato dal team al Capstone Design Symposium di Ingegneria Meccatronica. A parte l'aggiunta di un involucro attorno al robot (che potrebbe aver impedito ai visitatori di vedere chiaramente il funzionamento del DonutBot durante il simposio), tutti gli obiettivi del team sono stati raggiunti. Complimenti a tutti i partecipanti: siamo lieti di sponsorizzare un prodotto così innovativo!