Patrocínio do Donut Bot pela Universidade de Waterloo

Há várias razões pelas quais alguns donuts podem ser considerados de baixa qualidade ou insatisfatórios. Às vezes, isso é resultado de cafeterias públicas estarem fechadas, com pouca equipe ou pouco abastecidas durante a madrugada. Muitos clientes em espaços públicos, incluindo aeroportos, hospitais, universidades e outros locais semelhantes, também podem desejar donuts personalizados de qualidade em diferentes momentos do dia.

Para resolver esse problema, uma equipe de estudantes de engenharia da University of Waterloo trabalhou em conjunto para criar o DonutBot. O objetivo do DonutBot é decorar, na hora, donuts personalizados de alta qualidade utilizando um braço robótico com atuadores e um sistema de controles automatizados, em colaboração com Progressive Automations. Esse processo de personalização seria concluído em poucos minutos após a criação de um pedido por meio de uma interface de usuário no iPad.

Quais Atuadores Foram Utilizados?

Para este projeto, os estudantes utilizaram dois atuadores diferentes para viabilizar o mecanismo. As escolhas de atuadores que fizeram, e os motivos dessas escolhas, estão descritos abaixo.

Atuador linear de trilho PA-18

O DonutBot teria que percorrer uma longa distância horizontal para mover um braço robótico de uma estação para a seguinte. Por isso, foi selecionado o PA-18-60-150 Atuador linear de trilho, pois ele possui a opção de comprimento de Recorrido mais longa entre todos os atuadores oferecidos. Outro benefício do PA-18 é que ele mantém as mesmas dimensões, retraído ou estendido, permitindo que o DonutBot seja mais eficiente em espaço em comparação com um atuador padrão, que se estenderia fisicamente a um comprimento maior durante os ciclos.

PA-18

Microatuador linear PA-07

Para pegar, mergulhar e soltar um donut, era necessário movimento vertical para subir e descer. Como donuts não são pesados, um atuador menor, com menor classificação de força, seria aceitável. O Microatuador linear PA-07-4-5 foi escolhido para a translação vertical do braço robótico, pois atendeu a todos os requisitos. Este modelo também teve o benefício adicional de reduzir o peso e o volume totais do DonutBot, pois é o menor atuador oferecido que ainda possui 4 polegadas de comprimento de Recorrido.

PA-07

Como o DonutBot Foi Construído: Passo a Passo

Etapas preliminares de projeto

No outono de 2019, a equipe de engenharia iniciou o processo de projeto dos componentes mecânicos, elétricos e de software do DonutBot. Vários desenhos e esquemas CAD permitiram que a equipe concluísse a fabricação durante as férias. Além disso, componentes elétricos foram obtidos e reunidos para concluir os testes preliminares do DonutBot. Ademais, o núcleo do aplicativo iOS para a interface do iPad foi implementado.

A equipe continuou seu trabalho no início do novo ano, montando garras controladas por servo na extremidade do Microatuador linear PA-07-4-5. O modelo PA-07 foi usado para movimento vertical (eixo Z) para levantar e abaixar as garras que seguravam o donut que estava sendo personalizado. Para mover o braço robótico horizontalmente (eixo X) de estação em estação, o atuador PA-07, juntamente com as garras, foi montado no Atuador linear de trilho PA-18-60-150.

Cabeamento e programação

Interruptores de fim de curso externos foram posicionados em suas estações correspondentes e aparafusados no lugar. Em seguida, os dois atuadores, as garras controladas por servo e os interruptores de fim de curso externos foram conectados à placa Arduino. Depois, foi criado um programa básico para Arduino a fim de testar os componentes elétricos — o programa receberia comandos via serial para abrir e fechar a garra e mover o braço robótico de uma estação para outra.

Uma placa Arduino foi programada para interagir com os dois atuadores, enquanto uma segunda placa Arduino foi programada para interagir com o servo e os fins de curso. Também foi adicionado um anti-repique ao código para ler valores ruidosos dos fins de curso, de modo que todos os componentes elétricos funcionassem enquanto os dois programas Arduino recebiam comandos via serial.

Finalizando o projeto

Para girar o donut para o lado correto para cima, a equipe decidiu que o DonutBot deveria deixar os donuts caírem logo acima da borda de uma tira de plexiglass para que, ao cair, o donut fizesse contato com a borda da tira apenas o suficiente para girar 180°. Abaixo da borda haveria um prato no qual o donut cairia na posição vertical.

O componente final a ser implementado foi o programa ROS, executando no Raspberry Pi. Após a conclusão de um pedido no iPad, o pedido de donuts seria transmitido sem fio para o Raspberry Pi. A partir daí, o Raspberry Pi ficaria encarregado de controlar o processo de decoração, interagindo com as placas Arduino para garantir que os donuts fossem decorados corretamente.

Quatro estações foram usadas para os últimos testes. Foram selecionadas a estação de cobertura de baunilha, a estação de cobertura de chocolate, a estação de granulados coloridos e a estação de farelos de Oreo. Após algumas rodadas de testes, o DonutBot foi ajustado para decorar com sucesso um donut de forma autônoma ao receber um pedido pela interface do iPad.

O DonutBot completo:

Problemas: como surgiram e como foram superados

Como em todo projeto, há momentos de tentativa, erro e resolução ao longo do caminho. A equipe do DonutBot não foi diferente; eles enfrentaram — e resolveram — os problemas abaixo com sucesso.

Sucção a vácuo vs garra controlada por servo

Durante as primeiras etapas do projeto, um problema significativo encontrado foi o uso de força de sucção a vácuo para pegar os donuts. A força de vácuo necessária para levantar os donuts também era forte o suficiente para aspirar a cobertura e os granulados para dentro da tubulação de vácuo.

Para resolver esse problema, a equipe decidiu substituir o vácuo por uma garra controlada por servo, capaz de segurar os donuts sem recolher nenhuma cobertura. Como o vácuo não estava mais sendo utilizado, a entrada de potência exigida pelo sistema foi significativamente reduzida e, assim, a aprovação da CSA não era mais necessária.

Problemas com o braço robótico

Verificou-se que mover o braço para uma estação à sua esquerda funcionava como esperado. Porém, mover o braço para uma estação à sua direita não funcionava corretamente. O braço robótico continuava se movendo para a direita, até o local de soltura, mesmo após chegar à estação de destino. Isso ocorreu porque o Arduino não detectou o interruptor de fim de curso acionado. Depois de realizar uma depuração de software e hardware, constatou-se que os valores do interruptor de fim de curso não dependeriam apenas de estarem pressionados ou não, mas também da direção de movimento do atuador X.

Como todos os componentes elétricos estavam conectados ao mesmo Arduino, a corrente consumida pelo atuador X era grande demais para ser suportada por uma única placa Arduino. Consequentemente, isso alterava os valores dos interruptores de fim de curso em relação aos seus estados reais, dependendo da direção do movimento. A solução foi usar duas placas Arduino — uma para interagir com os dois atuadores e outra para interagir com o servo e os interruptores de fim de curso externos. Depois de implementar essa mudança e adicionar um anti-repique ao código para ler valores ruidosos dos interruptores de fim de curso, todos os componentes elétricos passaram a funcionar como esperado.

O novo e aprimorado micro atuador PA-MC1 (atualização do PA-07) é o modelo atual que oferecemos, com uma variedade de benefícios adicionais. Para comparação, confira as tabelas abaixo e faça o upgrade com confiança!

Conclusão

Em conclusão, o DonutBot da equipe de engenharia da University of Waterloo foi concluído com a capacidade de receber pedidos via interface do iPad para personalizar, instantaneamente, donuts de alta qualidade usando um braço robótico e um sistema de controles automatizados. O DonutBot foi apresentado pela equipe no Simpósio de Projeto Capstone de Engenharia de Mecatrônica. À parte a adição de uma carcaça ao redor do robô (isso pode ter impedido que os visitantes vissem claramente o funcionamento do DonutBot durante o simpósio), todos os objetivos da equipe foram alcançados. Parabéns a todos os envolvidos — temos o prazer de patrocinar um produto tão inovador!