Sponsoring: DonutBot – University of Waterloo

Istnieje kilka powodów, dla których niektóre donuty mogą zostać uznane za niskiej jakości lub niezadowalające. Czasem wynika to z faktu, że kawiarnie są zamknięte, mają za mało personelu lub są słabo zaopatrzone w późnych godzinach. Wielu klientów w przestrzeniach publicznych, w tym na lotniskach, w szpitalach, na uczelniach i w podobnych miejscach, może też mieć ochotę na wysokiej jakości, personalizowane donuty o różnych porach dnia.

Aby rozwiązać ten problem, zespół studentów inżynierii z University of Waterloo wspólnie stworzył DonutBota. Celem DonutBota jest dekorowanie na miejscu wysokiej jakości, personalizowanych donutów przy użyciu ramienia robotycznego z siłownikami oraz zautomatyzowanego systemu sterowania, we współpracy z Progressive Automations. Proces personalizacji odbywa się w ciągu kilku minut od złożenia zamówienia poprzez interfejs użytkownika na iPadzie.

Jakich siłowników użyto?

W tym projekcie studenci użyli dwóch różnych siłowników do realizacji mechanizmu. Poniżej przedstawiono wybrane modele oraz powody tego wyboru.

PA-18 – siłownik liniowy typu Track

DonutBot musi pokonywać duży dystans poziomy, aby przenosić ramię robotyczne ze stacji na stację. Z tego powodu wybrano PA-18-60-150 siłownik liniowy typu Track, ponieważ oferuje najdłuższy skok spośród wszystkich siłowników dostępnych w ofercie. Kolejną zaletą PA-18 jest to, że zachowuje te same wymiary w położeniu wsuniętym i wysuniętym, co sprawia, że DonutBot jest bardziej oszczędny pod względem miejsca w porównaniu ze standardowym siłownikiem, który podczas pracy fizycznie wydłuża swoją długość.

PA-18

PA-07 – mikro siłownik liniowy

Aby podnosić, zanurzać i odkładać pączek, wymagany był ruch pionowy w górę i w dół. Ponieważ pączki nie są ciężkie, akceptowalny był mniejszy siłownik o niższym obciążeniu. PA-07-4-5 Micro Linear Actuator wybrano do pionowego przemieszczania (oś Z) ramienia robotycznego, ponieważ spełnił wszystkie wymagania. Model ten miał dodatkową zaletę w postaci zmniejszenia całkowitej masy i gabarytów DonutBota, ponieważ jest to najmniejszy oferowany siłownik, który wciąż zapewnia 4 cale skoku.

PA-07

Jak zbudowano DonutBota: krok po kroku

Etapy wstępnego projektu

Jesienią 2019 r. zespół inżynierów rozpoczął projektowanie mechanicznych, elektrycznych i programistycznych komponentów DonutBota. Różne rysunki CAD i schematy pozwoliły zespołowi zrealizować wytwarzanie w przerwie świątecznej. Zebrano także podzespoły elektryczne potrzebne do wstępnych testów DonutBota. Ponadto zaimplementowano rdzeń aplikacji iOS do interfejsu na iPadzie.

Zespół kontynuował prace na początku nowego roku, montując chwytaki sterowane serwomechanizmem na końcu mikro siłownika liniowego PA-07-4-5. Model PA-07 wykorzystano do ruchu pionowego (oś Z), aby podnosić i opuszczać chwytaki trzymające pączek podczas personalizacji. Aby przemieszczać ramię robotyczne poziomo (oś X) między stacjami, siłownik PA-07 wraz z chwytakami zamocowano do siłownika liniowego typu Track PA-18-60-150.

Okablowanie i programowanie

Zewnętrzne wyłączniki krańcowe rozmieszczono przy odpowiednich stacjach i przykręcono na miejscu. Następnie dwa siłowniki, chwytaki sterowane serwem oraz zewnętrzne wyłączniki krańcowe podłączono do płytki Arduino. Utworzono też podstawowy program dla Arduino, aby przetestować komponenty elektryczne — program odbierał polecenia przez port szeregowy, by otwierać i zamykać chwytak oraz przesuwać ramię robotyczne ze stacji na stację.

Jedną płytkę Arduino zaprogramowano do komunikacji z dwoma siłownikami, a drugą — do współpracy z serwem i wyłącznikami krańcowymi. Do kodu dodano także „debouncer”, aby odczytywać zaszumione sygnały z wyłączników krańcowych, tak by wszystkie komponenty elektryczne działały prawidłowo, gdy oba programy Arduino otrzymywały polecenia przez port szeregowy.

Finalizacja projektu

Aby obrócić pączek właściwą stroną do góry, zespół zdecydował, że DonutBot będzie upuszczał pączki tuż nad krawędzią paska z pleksi, tak aby spadając, pączek muskał krawędź na tyle, by obrócić się o 180°. Pod krawędzią umieszczono talerz, na który spadał już obrócony pączek.

Ostatnim elementem wdrożonym w projekcie był program ROS działający na Raspberry Pi. Po złożeniu zamówienia na iPadzie, było ono bezprzewodowo przesyłane do Raspberry Pi. Stamtąd Raspberry Pi sterował procesem dekorowania pączków, komunikując się z płytkami Arduino, aby zapewnić prawidłową dekorację.

Do ostatnich testów wykorzystano cztery stacje: stację lukru waniliowego, stację lukru czekoladowego, stację kolorowej posypki oraz stację kruszonego Oreo. Po kilku turach testów DonutBot został dopracowany tak, by po otrzymaniu zamówienia z interfejsu na iPadzie samodzielnie udekorować pączek.

Gotowy DonutBot:

Problemy: jak powstały i jak je rozwiązano

Jak w każdym projekcie, pojawiają się chwile prób, błędów i rozwiązań. Zespół DonutBota nie był wyjątkiem — z powodzeniem poradził sobie z poniższymi problemami.

Przyssawka próżniowa vs. chwytak sterowany serwomechanizmem

We wcześniejszych etapach projektowania istotnym problemem okazało się użycie siły ssącej próżni do podnoszenia pączków. Siła próżni potrzebna do podniesienia pączka była na tyle duża, że zasysała także lukier i posypkę do przewodów próżniowych.

Aby rozwiązać ten problem, zespół zdecydował się zastąpić próżnię chwytakiem sterowanym serwomechanizmem, który był w stanie utrzymać pączki bez podnoszenia polewy. Ponieważ próżnia nie była już używana, zapotrzebowanie systemu na moc znacząco spadło, a tym samym przestała być wymagana aprobata CSA.

Problemy z ramieniem robota

Okazało się, że przesuwanie ramienia do stacji po lewej stronie działa zgodnie z oczekiwaniami. Jednak ruch do stacji po prawej stronie nie działał poprawnie. Ramię robotyczne nadal przesuwało się w prawo, aż do miejsca odkładania, nawet po osiągnięciu docelowej stacji. Było to spowodowane tym, że Arduino nie wykrywało wyzwolonego wyłącznika krańcowego. Po przeprowadzeniu debugowania programowego i sprzętowego okazało się, że wartości wyłączników krańcowych zależały nie tylko od tego, czy były wciśnięte, ale także od kierunku ruchu siłownika osi X.

Ponieważ wszystkie komponenty elektryczne były podłączone do tej samej płytki Arduino, prąd pobierany przez siłownik osi X był zbyt duży, by jedna płytka mogła go bezpiecznie obsłużyć. W konsekwencji powodowało to zniekształcanie rzeczywistych stanów wyłączników krańcowych w zależności od kierunku ruchu. Rozwiązaniem było użycie dwóch płytek Arduino — jednej do komunikacji z dwoma siłownikami, a drugiej do współpracy z serwem i zewnętrznymi wyłącznikami krańcowymi. Po wprowadzeniu tej zmiany i dodaniu do kodu „debouncera” do odczytu zaszumionych sygnałów z wyłączników krańcowych, wszystkie komponenty elektryczne zaczęły działać zgodnie z oczekiwaniami.

Nowy i ulepszony mikro siłownik PA-MC1 (następca PA-07) to obecnie oferowany model z szeregiem dodatkowych korzyści. Aby porównać, zobacz tabele poniżej i aktualizuj z pełnym przekonaniem!

Podsumowanie

Podsumowując, DonutBot stworzony przez zespół inżynierski z University of Waterloo został ukończony z możliwością przyjmowania zamówień przez interfejs na iPadzie, aby przy użyciu ramienia robotycznego i zautomatyzowanego systemu sterowania przygotowywać błyskawicznie wysokiej jakości, personalizowane donuty. DonutBot został zaprezentowany przez zespół podczas Capstone Design Symposium kierunku Mechatronics Engineering. Poza dodaniem obudowy wokół robota (co podczas sympozjum mogło utrudniać widzom dokładne przyjrzenie się działaniu DonutBota), wszystkie cele zespołu zostały spełnione. Świetna robota wszystkich zaangażowanych — z radością sponsorujemy tak innowacyjny projekt!