Sponsorizzazione di Donut Bot dell'Università di Waterloo

Ci sono diversi motivi per cui alcuni donut possono essere considerati di bassa qualità o insoddisfacenti. A volte è dovuto al fatto che i bar pubblici sono chiusi, sotto organico o poco riforniti nelle ore tarde. Molti clienti in spazi pubblici come aeroporti, ospedali, università e luoghi simili possono anche desiderare donut personalizzati di qualità in diversi momenti della giornata.

Per risolvere questo problema, un team di studenti di ingegneria dell’Università di Waterloo ha collaborato per realizzare il DonutBot. L’obiettivo del DonutBot è decorare sul posto donut di alta qualità e personalizzati utilizzando un braccio robotico con attuatori e un sistema di controllo automatico, in collaborazione con Progressive Automations. Questo processo di personalizzazione viene completato in pochi minuti dall’invio dell’ordine tramite un’interfaccia utente su iPad.

Quali Attuatori sono stati utilizzati?

Per questo progetto, gli studenti hanno utilizzato due attuatori diversi per realizzare il meccanismo. Le loro scelte e le relative motivazioni sono descritte di seguito.

PA-18 Track Linear Actuator

Il DonutBot avrebbe dovuto percorrere una lunga distanza orizzontale per spostare un braccio robotico da una stazione all’altra. Per questo motivo è stato selezionato il PA-18-60-150 Track Linear Actuator, poiché offre l’opzione di Corsa più lunga tra tutti gli attuatori disponibili. Un altro vantaggio del PA-18 è che mantiene le stesse dimensioni sia in retrazione sia in estensione, permettendo al DonutBot di essere più efficiente in termini di spazio rispetto a un attuatore standard che si estenderebbe fisicamente a una lunghezza maggiore durante il funzionamento.

PA-18

PA-07 Micro Linear Actuator

Per afferrare, immergere e rilasciare un donut era necessaria una movimentazione verticale per salire e scendere. Poiché i donut non sono pesanti, un attuatore più piccolo con una forza inferiore sarebbe stato adeguato. Il PA-07-4-5 Micro Linear Actuator è stato scelto per la traslazione verticale del braccio robotico perché soddisfaceva tutti i requisiti. Questo modello aveva anche il vantaggio aggiuntivo di ridurre il peso e l’ingombro complessivi del DonutBot, essendo l’attuatore più piccolo della gamma che offre comunque 4 in pollici di Corsa.

PA-07

Come è stato costruito il DonutBot: passo dopo passo

Fasi di progettazione preliminare

Nell’autunno del 2019, il team di ingegneria ha iniziato a progettare le componenti meccaniche, elettriche e software del DonutBot. Varie tavole e schemi CAD hanno permesso al team di completare la fabbricazione durante la pausa festiva. Inoltre, sono stati reperiti e raccolti i componenti elettrici per completare i test preliminari del DonutBot. È stato anche implementato il nucleo dell’app iOS per l’interfaccia iPad.

Il team ha proseguito il lavoro all’inizio del nuovo anno montando pinze comandate da servo all’estremità del PA-07-4-5 Micro Linear Actuator. Il modello PA-07 è stato utilizzato per il movimento verticale (asse Z) per alzare e abbassare le pinze che tenevano il donut 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 sul PA-18-60-150 Track Linear Actuator.

Cablaggio e programmazione

Finecorsa esterni sono stati posizionati nelle rispettive stazioni e fissati. I due attuatori, le pinze servo-controllate e i Finecorsa esterni sono stati quindi collegati alla scheda Arduino. È stato poi creato un semplice programma Arduino per testare i componenti elettrici: il programma avrebbe ricevuto comandi via seriale per aprire e chiudere la pinza e 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 aggiunto anche un filtro antirimbalzo al codice per leggere i valori rumorosi dei Finecorsa, così che tutti i componenti elettrici funzionassero mentre i due programmi Arduino ricevevano comandi via seriale.

Finalizzazione del progetto

Per riportare il donut con il lato corretto verso l’alto, il team ha deciso che il DonutBot dovesse lasciare cadere i donut appena sopra il bordo di una striscia di plexiglass, in modo che, cadendo, toccassero il bordo della striscia quanto basta per farli ruotare di 180°. Sotto il bordo sarebbe stato posizionato un piatto su cui sarebbe caduto il donut raddrizzato.

L’ultimo componente da implementare è stato il programma ROS in esecuzione su Raspberry Pi. Al completamento di un ordine sull’iPad, l’ordine dei donut sarebbe stato trasmesso in modalità wireless al Raspberry Pi. Da lì, il Raspberry Pi avrebbe gestito il processo di decorazione interfacciandosi con le schede Arduino per assicurare che i donut venissero decorati correttamente.

Per gli ultimi test sono state utilizzate quattro stazioni: glassa alla vaniglia, glassa al cioccolato, codette arcobaleno e briciole Oreo. Dopo alcuni cicli di prova, il DonutBot è stato messo a punto per decorare con successo un donut in modo autonomo, non appena riceveva un ordine dall’interfaccia iPad.

Il DonutBot completo:

Problemi: come sono nati e come sono stati superati

Come in ogni progetto, ci sono momenti di prova, errore e soluzione. Il team del DonutBot non ha fatto eccezione; ha affrontato – e risolto – con successo i problemi descritti di seguito.

Aspirazione a vuoto vs pinza servo-controllata

Nelle prime fasi di progettazione si è presentato un problema significativo: utilizzare una forza di aspirazione per sollevare i donut. La forza di vuoto necessaria per sollevare i donut era sufficientemente forte da aspirare anche la glassa e le codette all’interno della tubazione del vuoto.

Per affrontare il problema, il team ha deciso di sostituire il vuoto con una pinza servo-controllata, capace di tenere i donut senza raccogliere alcuna guarnizione. Non essendo più utilizzato il vuoto, l’assorbimento di potenza richiesto dal sistema è diminuito in modo significativo e, di conseguenza, non era più necessaria l’omologazione CSA.

Problemi con il braccio robotico

È emerso 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 alla posizione di rilascio, anche dopo aver raggiunto la stazione di destinazione. Ciò era dovuto al fatto che l’Arduino non rilevava il Finecorsa attivato. Dopo attività di debug software e hardware, si è scoperto che i valori dei Finecorsa non dipendevano solo dal fatto che fossero premuti, ma anche dalla direzione di moto dell’attuatore dell’asse X.

Poiché tutti i componenti elettrici erano collegati allo stesso Arduino, la Corrente assorbita dall’attuatore dell’asse X era troppo elevata per essere gestita da una sola scheda Arduino. Di conseguenza, i valori dei Finecorsa venivano alterati rispetto ai loro stati reali, a seconda della direzione di movimento. La soluzione è stata utilizzare due schede Arduino: una per interfacciarsi con i due attuatori e un’altra per interfacciarsi con il servo e i Finecorsa esterni. Dopo aver implementato questa modifica e aggiunto un filtro antirimbalzo al codice per leggere i valori rumorosi dei Finecorsa, tutti i componenti elettrici hanno funzionato come previsto.

Il nuovo e migliorato micro attuatore PA-MC1 (aggiornamento del PA-07) è il modello attuale che offriamo con una varietà di vantaggi aggiuntivi. Per un confronto, consulta le tabelle qui sotto e aggiorna con fiducia!

Conclusione

In conclusione, il DonutBot del team di ingegneria dell’Università di Waterloo è stato completato con la capacità di ricevere ordini tramite un’interfaccia iPad per personalizzare all’istante donut di alta qualità utilizzando un braccio robotico e un sistema di controllo automatico. Il DonutBot è stato presentato dal team al Capstone Design Symposium di Ingegneria Meccatronica. A parte l’aggiunta di una carenatura attorno al robot (che potrebbe aver impedito agli spettatori di vedere chiaramente il funzionamento del DonutBot durante il Symposium), tutti gli obiettivi del team sono stati raggiunti. Complimenti a tutti i coinvolti – siamo lieti di sponsorizzare un prodotto così innovativo!