Det er flere grunner til at noen smultringer kan anses som lavkvalitets eller utilfredsstillende. Noen ganger er det et resultat av at offentlige kaffebarer er stengt, underbemannet eller sparsomt utstyrt i sene arbeidstimer. Mange kunder på offentlige steder, inkludert flyplasser, sykehus, universiteter og andre lignende steder, kan også ønske seg tilpassede smultringer av høy kvalitet på forskjellige tider av døgnet.
For å løse dette problemet har et team av ingeniørstudenter fra University of Waterloo jobbet sammen for å lage DonutBot. Målet med DonutBot er å dekorere tilpassede donuts av høy kvalitet på stedet ved hjelp av en robotarm med aktuatorer og et automatisert kontrollsystem i samarbeid med Progressive automatiseringerDenne tilpasningsprosessen vil bli fullført innen få minutter etter at en bestilling er opprettet via et iPad-brukergrensesnitt.
Hvilke aktuatorer ble brukt?
I dette prosjektet brukte studentene to forskjellige aktuatorer for å utføre mekanismen. Valgene av aktuatorer de tok, og årsakene til disse valgene, er beskrevet nedenfor.
PA-18 spor lineær aktuator
DonutBot-en ville ha en lang horisontal distanse å tilbakelegge for å flytte en robotarm fra en stasjon til den neste. På grunn av dette, PA-18-60-150 Spor lineær aktuator ble valgt fordi den har det lengste slaglengdealternativet av alle aktuatorene som finnes. En annen fordel med PA-18 er at den beholder de samme dimensjonene selv om den er trukket inn eller ut, noe som gjør at DonutBot er mer plasseffektiv sammenlignet med en standard aktuator som fysisk ville blitt utvidet til en lengre lengde når man sykler.
PA-18
PA-07 Mikro lineær aktuator
For å plukke opp, dyppe og slippe av en smultring, var det nødvendig med vertikal bevegelse for å bevege seg opp og ned. Fordi smultringer ikke er tunge, ville en mindre aktuator med lavere kraftvurdering være akseptabel. PA-07-4-5 Mikro lineær aktuator ble valgt for vertikal forflytning av robotarmen, da den oppfylte alle kravene. Denne modellen hadde også den ekstra fordelen at den reduserte DonutBots totale vekt og størrelse, siden det er den minste aktuatoren som tilbys, men som fortsatt har 4 tommer slaglengde.
PA-07
Hvordan DonutBot ble bygget: Steg for steg
Foreløpige designfaser
Høsten 2019 startet ingeniørteamet prosessen med å designe DonutBots mekaniske, elektriske og programvarekomponenter. Ulike CAD-tegninger og skjemaer gjorde det mulig for teamet å fullføre produksjonen i løpet av ferien. Elektriske komponenter ble også funnet og samlet inn for å fullføre den innledende testingen av DonutBot. Videre ble kjernen i iOS-applikasjonen for iPad-grensesnittet implementert.
Teamet fortsatte arbeidet sitt i begynnelsen av det nye året ved å montere servostyrte klør på enden av PA-07-4-5 mikrolineær aktuator. PA-07-modellen ble brukt til vertikal bevegelse (Z-aksen) for å heve og senke klørne som holdt smultringen som ble tilpasset. For å bevege robotarmen horisontalt (X-aksen) fra stasjon til stasjon, ble PA-07-aktuatoren sammen med klørne montert på PA-18-60-150 sporlineær aktuator.
Kabling og programmering
Eksterne grensebrytere ble plassert på sine tilhørende stasjoner og skrudd på plass. De to aktuatorene, servostyrte klør og eksterne grensebrytere ble deretter koblet til Arduino-kortet. Et grunnleggende Arduino-program ble deretter laget for å kunne teste de elektriske komponentene – programmet ville ta imot kommandoer via seriekobling for å åpne og lukke kloen og for å flytte robotarmen fra en stasjon til en annen.
Et Arduino-kort ble programmert til å koble til de to aktuatorene, mens et andre Arduino-kort ble programmert til å koble til servoen og grensebryterne. En debouncer til koden ble også lagt til for å lese støyende grensebryterverdier, slik at alle elektriske komponenter fungerte mens de to Arduino-programmene mottok kommandoer via seriell tilkobling.
Ferdigstillelse av prosjektet
For å snurre smultringen med riktig side opp, bestemte teamet seg for at DonutBot skulle slippe smultringer rett over kanten av en pleksiglassstripe, slik at smultringen, når den faller ned, treffer kanten av pleksiglassstripen akkurat nok til at den snurrer seg 180°. Under kanten skulle det være en tallerken som den oppreiste smultringen faller ned på.
Den siste komponenten som skulle implementeres var ROS-programmet, som kjører på Raspberry Pi. Etter at en bestilling på iPaden var fullført, ville smultringbestillingen bli overført trådløst til Raspberry Pi. Herfra ville Raspberry Pi ha ansvaret for å kontrollere smultringdekorasjonsprosessen ved å koble seg til Arduino-kortene for å sikre at smultringene ble dekorert riktig.
Fire stasjoner ble brukt til de siste testene. Vaniljeglasurstasjonen, sjokoladeglasurstasjonen, regnbue-strøsselstasjonen og Oreo-smuldrestasjonen ble valgt. Etter noen runder med testing ble DonutBot finjustert til å dekorere en smultring automatisk når den mottok en smultringbestilling fra iPad-grensesnittet.
Den ferdige DonutBoten:
Problemer: Hvordan de oppsto og ble overvunnet
Som med alle prosjekter, er det øyeblikk med prøving, feiling og løsning gjennom hele prosessen. DonutBot-teamet var intet unntak; de erfarte – og løste – problemene nedenfor med suksess.
Vakuumsuging vs. servostyrt klo
I de tidligere stadiene av designprosessen oppsto det et betydelig problem med bruk av vakuumsugekraft for å plukke opp smultringene. Vakuumkraften som var nødvendig for å plukke opp smultringene var også sterk nok til å suge inn glasur og strøssel inn i vakuumslangen.
For å løse dette problemet bestemte teamet seg for å bytte ut støvsugeren med en servostyrt klo som ville være i stand til å holde smultringer uten å plukke opp noe fyll. Siden en støvsuger ikke lenger ble brukt, ble strømforbruket som systemet krevde betydelig redusert, og dermed var ikke CSA-godkjenning lenger nødvendig.
Problemer med robotarmen
Det ble funnet at det å flytte armen til en stasjon på venstre side fungerte som forventet. Å flytte armen til en stasjon på høyre side fungerte imidlertid ikke ordentlig. Robotarmen fortsatte å bevege seg til høyre, helt til avleveringsstedet, selv etter å ha nådd destinasjonsstasjonen. Dette skyldtes at Arduinoen ikke oppdaget den utløste grensebryteren. Etter å ha utført en programvare- og maskinvarefeilsøking, ble det funnet at grensebryterverdiene ikke bare ville avhenge av om de ble trykket inn, men også av bevegelsesretningen til X-aktuatoren.
Siden alle elektriske komponenter var koblet til den samme Arduinoen, var strømmen som ble trukket av X-aktuatoren for stor til å håndtere på ett Arduino-kort. Følgelig ville dette føre til at grensebryterverdiene ble endret fra sine sanne tilstander, avhengig av bevegelsesretningen. Løsningen var å bruke to Arduino-kort – ett til å koble til de to aktuatorene og et annet til å koble til servoen og de eksterne grensebryterne. Etter å ha implementert denne endringen og lagt til en debouncer i koden for å lese støyende grensebryterverdier, fungerte alle elektriske komponenter som forventet.
Det nye og forbedrede PA-MC1 mikroaktuator (PA-07-oppgradering) er den nåværende modellen vi tilbyr med en rekke tilleggsfordeler. For en sammenligning, sjekk ut tabellene nedenfor og oppgrader med trygghet!
|
|
PA-MC1 |
PA-07 |
|
Hull-til-hull-lengde |
2,76 tommer |
3,25 tommer |
|
Dynamiske lastealternativer |
8, 11, 17, 39 pund |
5 lb |
|
Høyeste belastning |
39 lb |
5 lb |
|
Raskeste hastighet |
1.18"/sec |
0.55"/sec |
|
Strekalternativer |
0,5 tommer til 8 tommer |
0,5 tommer til 12 tommer |
Konklusjon
Avslutningsvis ble DonutBot fra ingeniørteamet ved University of Waterloo ferdigstilt med muligheten til å ta imot bestillinger via et iPad-grensesnitt for å tilpasse umiddelbare donuts av høy kvalitet ved hjelp av en robotarm og et automatisert kontrollsystem. DonutBot ble vist frem av teamet på Mechatronics Engineerings Capstone Design Symposium. Bortsett fra at det ble lagt til et deksel rundt roboten (dette kan ha forhindret seerne fra å se DonutBots funksjoner tydelig under symposiet), ble alle teamets mål oppfylt. Bra jobbet til alle involverte – vi er glade for å sponse et så innovativt produkt!