Sponsoring DonutBot door de Universiteit van Waterloo

Er zijn verschillende redenen waarom sommige donuts als van lage kwaliteit of onbevredigend kunnen worden beschouwd. Soms komt dat doordat openbare koffiezaken gesloten zijn, onderbemand zijn of ’s avonds laat maar beperkt bevoorraad. Veel klanten in openbare ruimtes, waaronder luchthavens, ziekenhuizen, universiteiten en vergelijkbare locaties, hebben bovendien op uiteenlopende momenten van de dag trek in kwalitatieve, op maat gemaakte donuts.

Om dit probleem op te lossen, heeft een team van ingenieursstudenten van de Universiteit van Waterloo samengewerkt om de DonutBot te bouwen. Het doel van de DonutBot is om ter plekke hoogwaardige, gepersonaliseerde donuts te decoreren met behulp van een robotarm met actuatoren en een geautomatiseerd besturingssysteem, in samenwerking met Progressive Automations. Dit personalisatieproces wordt binnen enkele minuten afgerond nadat een bestelling is geplaatst via een iPad-gebruikersinterface.

Welke actuatoren zijn gebruikt?

Voor dit project gebruikten de studenten twee verschillende actuatoren om het mechanisme te realiseren. Hun keuzes en de redenen daarvoor staan hieronder uiteengezet.

PA-18 Track Linear Actuator

De DonutBot moest een lange horizontale afstand afleggen om een robotarm van het ene station naar het volgende te verplaatsen. Daarom is de PA-18-60-150 Track Linear Actuator geselecteerd, omdat deze de langste slaglengte-optie heeft van alle gevoerde actuatoren. Een ander voordeel van de PA-18 is dat de afmetingen hetzelfde blijven, zowel ingetrokken als uitgeschoven, waardoor de DonutBot ruimte-efficiënter is dan een standaard actuator die tijdens bedrijf fysiek tot een grotere lengte zou uitschuiven.

PA-18

PA-07 Micro Linear Actuator

Om een donut op te pakken, te dippen en af te zetten, was verticale beweging nodig om op en neer te gaan. Omdat donuts niet zwaar zijn, volstaat een kleinere actuator met een lagere krachtrating. De PA-07-4-5 Micro Linear Actuator werd gekozen voor de verticale verplaatsing van de robotarm, omdat deze aan alle eisen voldeed. Dit model had ook het extra voordeel dat het het totale gewicht en volume van de DonutBot verlaagt, aangezien het de kleinste aangeboden actuator is die nog steeds een slaglengte van 4 in heeft.

PA-07

Hoe de DonutBot is gebouwd: stap voor stap

Voorlopige ontwerpfasen

In de herfst van 2019 begon het engineeringteam met het ontwerpen van de mechanische, elektrische en softwarecomponenten van de DonutBot. Diverse CAD-tekeningen en schema’s stelden het team in staat de fabricage tijdens de vakantieperiode af te ronden. Ook werden elektrische componenten ingekocht en verzameld om de voorlopige tests van de DonutBot uit te voeren. Daarnaast werd de kern van de iOS-applicatie voor de iPad-interface geïmplementeerd.

Het team zette het werk aan het begin van het nieuwe jaar voort door servo-gestuurde klauwen te monteren aan het uiteinde van de PA-07-4-5 Micro Linear Actuator. Het PA-07-model werd gebruikt voor verticale beweging (Z-as) om de klauwen die de donut vasthielden – die op dat moment werd gepersonaliseerd – te heffen en te laten zakken. Om de robotarm horizontaal (X-as) van station naar station te verplaatsen, werden de PA-07-actuator en de klauwen gemonteerd op de PA-18-60-150 Track Linear Actuator.

Bedrading en programmering

Externe eindschakelaars werden op de juiste stations geplaatst en vastgeschroefd. De twee actuatoren, de servo-gestuurde klauwen en de externe eindschakelaars werden vervolgens bedraad naar de Arduino. Daarna werd een eenvoudig Arduino-programma gemaakt om de elektrische componenten te kunnen testen—het programma nam seriële opdrachten aan om de klauw te openen en te sluiten en om de robotarm van het ene station naar het andere te bewegen.

Een Arduino-bord werd geprogrammeerd om te interfacen met de twee actuatoren, terwijl een tweede Arduino-bord werd geprogrammeerd om te interfacen met de servo en de eindschakelaars. Er werd ook een debounce-filter aan de code toegevoegd om ruisachtige waarden van de eindschakelaars te kunnen lezen, zodat alle elektrische componenten functioneerden terwijl de twee Arduino-programma’s seriële opdrachten ontvingen.

Het project afronden

Om de donut rechtop te draaien, besloot het team dat de DonutBot donuts direct boven de rand van een plexiglasstrook moest laten vallen, zodat de donut bij het vallen net genoeg contact maakt met de rand van de plexiglasstrook om 180° te draaien. Onder de rand zou een bord staan waarop de rechtop gevallen donut terechtkomt.

De laatste te implementeren component was het ROS-programma, draaiend op de Raspberry Pi. Na het afronden van een bestelling op de iPad werd de donutbestelling draadloos naar de Raspberry Pi verzonden. Vanaf daar beheerde de Raspberry Pi het proces van het decoreren van de donuts door te interfacen met de Arduino-borden, zodat de donuts correct worden gedecoreerd.

Voor de laatste tests werden vier stations gebruikt: het station voor vanilleglazuur, het station voor chocoladeglazuur, het station voor discodip en het station voor Oreo-kruimels. Na enkele testrondes werd de DonutBot fijn afgesteld om volledig autonoom met succes een donut te decoreren na ontvangst van een donutbestelling via de iPad-interface.

De voltooide DonutBot:

Problemen: hoe ze ontstonden en zijn opgelost

Zoals bij elk project zijn er momenten van proberen, fouten maken en oplossen. Het DonutBot-team was daarop geen uitzondering; zij ondervonden – en losten – de onderstaande problemen succesvol op.

Vacuümzuiging vs. servo-gestuurde klauw

In de vroege ontwerpfase dook een groot probleem op: het gebruik van vacuümzuigkracht om de donuts op te pakken. De vacuümkracht die nodig was om donuts op te pakken, was ook sterk genoeg om glazuur en sprinkles de vacuümslang in te zuigen.

Om dit probleem aan te pakken, besloot het team het vacuüm te vervangen door een servo-gestuurde klauw die donuts kan vasthouden zonder toppings mee te nemen. Omdat er geen vacuüm meer werd gebruikt, daalde het benodigde ingangsvermogen van het systeem aanzienlijk en was CSA-goedkeuring niet langer vereist.

Problemen met de robotarm

Het bleek dat het verplaatsen van de arm naar een station aan de linkerkant werkte zoals verwacht. Het verplaatsen van de arm naar een station aan de rechterkant werkte echter niet goed. De robotarm bleef naar rechts bewegen, helemaal tot de afzetlocatie, zelfs nadat het doelstation was bereikt. Dit kwam doordat de Arduino de geactiveerde eindschakelaar niet detecteerde. Na software- en hardwaredebugging bleek dat de waarden van de eindschakelaar niet alleen afhankelijk waren van het indrukken ervan, maar ook van de bewegingsrichting van de X-actuator.

Aangezien alle elektrische componenten op dezelfde Arduino waren aangesloten, was de stroom die door de X-actuator werd getrokken te groot om op één Arduino-bord te verwerken. Daardoor werden de waarden van de eindschakelaar, afhankelijk van de bewegingsrichting, van hun werkelijke toestand afgebracht. De oplossing was om twee Arduino-borden te gebruiken—één om te interfacen met de twee actuatoren en een tweede om te interfacen met de servo en de externe eindschakelaars. Na deze wijziging en het toevoegen van een debounce-filter in de code om ruisachtige waarden van de eindschakelaars te lezen, functioneerden alle elektrische componenten zoals verwacht.

De nieuwe en verbeterde PA-MC1 microactuator (PA-07-upgrade) is het huidige model dat we aanbieden, met diverse extra voordelen. Voor een vergelijking: bekijk de tabellen hieronder en upgrade met vertrouwen!

Conclusie

Concluderend: de DonutBot van het engineeringteam van de Universiteit van Waterloo is voltooid met de mogelijkheid om bestellingen via een iPad-interface aan te nemen en direct hoogwaardige donuts te personaliseren met behulp van een robotarm en een geautomatiseerd besturingssysteem. De DonutBot werd door het team gepresenteerd op het Capstone Design Symposium van Mechatronics Engineering. Afgezien van de toevoeging van een behuizing rond de robot (dit kan hebben voorkomen dat toeschouwers de werking van de DonutBot tijdens het symposium duidelijk konden zien), zijn alle doelstellingen van het team behaald. Goed gedaan iedereen – we zijn verheugd zo’n innovatief product te sponsoren!