Sponzorstvo Donut Bot na Univerzite Waterloo

Existuje viacero dôvodov, prečo môžu byť niektoré šišky považované za nekvalitné alebo neuspokojivé. Niekedy je to dôsledok toho, že verejné kaviarne sú zatvorené, trpia nedostatkom personálu alebo sú v neskorých hodinách slabo zásobené. Mnohí zákazníci na verejných miestach, vrátane letísk, nemocníc, univerzít a ďalších podobných lokalít, môžu tiež v rôznych časoch počas dňa túžiť po kvalitných, na mieru prispôsobených šiškách.

Aby sa tento problém vyriešil, tím študentov inžinierstva z University of Waterloo spolupracoval na vytvorení DonutBotu. Cieľom DonutBotu je zdobiť kvalitné, prispôsobené šišky priamo na mieste pomocou robotického ramena s aktuátormi a automatizovaným riadiacim systémom v spolupráci so spoločnosťou Progressive Automations. Tento proces prispôsobenia by sa realizoval v priebehu niekoľkých minút od vytvorenia objednávky cez používateľské rozhranie na iPade.

Aké aktuátory sa použili?

Na tento projekt študenti použili dva rôzne aktuátory, aby zabezpečili mechanizmus. Ich výber aktuátorov a dôvody týchto volieb sú uvedené nižšie.

PA-18 koľajnicový lineárny aktuátor

DonutBot potreboval prekonávať dlhú horizontálnu vzdialenosť, aby presunul robotické rameno zo stanice na stanicu. Z tohto dôvodu bol zvolený PA-18-60-150 Track Linear Actuator, keďže ponúka najdlhší variant zdvihu zo všetkých dostupných aktuátorov. Ďalšou výhodou PA-18 je, že si zachováva rovnaké rozmery v zasunutej aj vysunutej polohe, čo umožňuje DonutBotu úspornejšie využívať priestor v porovnaní so štandardným aktuátorom, ktorý by sa počas chodu fyzicky vysunul na väčšiu dĺžku.

PA-18

PA-07 mikro lineárny aktuátor

Na zdvihnutie, namočenie a odloženie šišky bol potrebný vertikálny pohyb nahor a nadol. Keďže šišky nie sú ťažké, postačoval menší aktuátor s nižšou silou. PA-07-4-5 Micro Linear Actuator bol zvolený na vertikálny posuv robotického ramena, pretože splnil všetky požiadavky. Tento model mal navyše výhodu v znížení celkovej hmotnosti a objemu DonutBotu, keďže ide o najmenší ponúkaný aktuátor, ktorý stále má 4 in palcov zdvihu.

PA-07

Ako bol DonutBot postavený: krok za krokom

Prípravné fázy návrhu

Na jeseň 2019 začal inžiniersky tím návrh mechanických, elektrických a softvérových komponentov DonutBotu. Rôzne CAD výkresy a schémy umožnili tímu dokončiť výrobu počas sviatočnej prestávky. Zároveň boli obstarané a zhromaždené elektrické komponenty na dokončenie predbežného testovania DonutBotu. Okrem toho bola implementovaná kostra iOS aplikácie pre rozhranie na iPade.

Tím pokračoval na začiatku nového roka namontovaním servo-riadených čeľustí na koniec PA-07-4-5 Micro Linear Actuator. Model PA-07 sa použil na vertikálny pohyb (os Z) na zdvíhanie a spúšťanie čeľustí držiacich šišku, ktorá sa prispôsobovala. Na presun robotického ramena horizontálne (os X) zo stanice na stanicu bol aktuátor PA-07 spolu s čeľusťami namontovaný na koľajnicový lineárny aktuátor PA-18-60-150.

Kabeláž a programovanie

Externé koncové spínače boli umiestnené na príslušných staniciach a priskrutkované. Dva aktuátory, servo-riadené čeľuste a externé koncové spínače boli následne zapojené do dosky Arduino. Bol vytvorený základný program pre Arduino, aby bolo možné testovať elektrické komponenty – program prijímal príkazy cez sériové rozhranie na otváranie a zatváranie čeľuste a na presun robotického ramena z jednej stanice na druhú.

Jedna doska Arduino bola naprogramovaná na komunikáciu s dvoma aktuátormi, zatiaľ čo druhá doska Arduino bola naprogramovaná na komunikáciu so servom a koncovými spínačmi. Do kódu bol tiež pridaný odprellovací filter (debouncer) na čítanie zašumených hodnôt koncových spínačov, aby všetky elektrické komponenty fungovali počas prijímania príkazov cez sériové rozhranie v oboch programoch Arduino.

Finalizácia projektu

Aby sa šiška otočila správnou stranou nahor, tím rozhodol, že DonutBot bude šišky púšťať tesne nad hranu pásika z plexiskla tak, aby sa pri páde dotkli hrany práve natoľko, že sa otočia o 180°. Pod hranou sa nachádzal tanier, na ktorý dopadla už vzpriamená šiška.

Poslednou implementovanou komponentou bol program ROS bežiaci na Raspberry Pi. Po dokončení objednávky na iPade bola objednávka šišky bezdrôtovo odoslaná do Raspberry Pi. Odtiaľ mal Raspberry Pi na starosti riadenie procesu zdobenia šišiek komunikáciou s doskami Arduino, aby bolo zaistené správne zdobenie.

Na posledné testy sa použili štyri stanice. Bola zvolená stanica s vanilkovou polevou, stanica s čokoládovou polevou, stanica s dúhovou posýpkou a stanica s Oreo drobenkou. Po niekoľkých testovacích kolách bol DonutBot doladený tak, aby po prijatí objednávky cez rozhranie na iPade dokázal autonómne úspešne ozdobiť šišku.

Dokončený DonutBot:

Problémy: ako vznikli a ako sa podarilo ich prekonať

Ako pri každom projekte, aj tu sa objavili momenty pokusov, chýb a riešení. Tím DonutBotu nebol výnimkou; úspešne sa popasoval s nasledujúcimi problémami.

Vákuové nasávanie vs. servo-riadená čeľusť

V skorších fázach návrhu sa objavil významný problém: použitie vákuovej saciej sily na zdvíhanie šišiek. Vákuová sila potrebná na zdvihnutie šišiek bola zároveň dosť silná na nasatie polevy a posýpky do vákuovej hadice.

Na riešenie tohto problému sa tím rozhodol nahradiť vákuum servo-riadenou čeľusťou, ktorá dokázala šišky uchopiť bez naberania polevy. Keďže sa už vákuum nepoužívalo, požadovaný príkon systému sa výrazne znížil, a preto už nebolo potrebné schválenie CSA.

Problémy s robotickým ramenom

Ukázalo sa, že presun ramena na stanicu naľavo fungoval podľa očakávania. Presun ramena na stanicu napravo však nefungoval správne. Robotické rameno pokračovalo v pohybe doprava až na miesto odloženia, aj po dosiahnutí cieľovej stanice. Bolo to spôsobené tým, že Arduino nezistilo aktivovaný koncový spínač. Po softvérovom a hardvérovom ladení sa zistilo, že hodnoty koncového spínača nezáviseli len od toho, či bol stlačený, ale záviseli aj od smeru pohybu X-aktuátora.

Keďže všetky elektrické komponenty boli zapojené do rovnakého Arduina, prúd odoberaný X-aktuátorom bol príliš veľký na zvládnutie jednou doskou Arduino. V dôsledku toho sa hodnoty koncových spínačov skresľovali oproti ich skutočným stavom v závislosti od smeru pohybu. Riešením bolo použiť dve dosky Arduino—jednu na komunikáciu s dvoma aktuátormi a druhú na komunikáciu so servom a externými koncovými spínačmi. Po zavedení tejto zmeny a pridaní odprellovacieho filtra (debouncer) do kódu na čítanie zašumených hodnôt koncových spínačov všetky elektrické komponenty fungovali podľa očakávania.

Nový a vylepšený PA-MC1 mikroaktuátor (upgrade PA-07) je aktuálny model, ktorý ponúkame, s množstvom pridaných výhod. Pre porovnanie si pozrite tabuľky nižšie a upgradujte s istotou!

Záver

Na záver, DonutBot tímu inžinierov z University of Waterloo bol dokončený s možnosťou prijímať objednávky cez rozhranie na iPade a okamžite prispôsobiť kvalitné šišky pomocou robotického ramena a automatizovaného riadiaceho systému. DonutBot bol predstavený tímom na Capstone Design Symposium odboru mechatroniky. Okrem doplnenia krytu okolo robota (to mohlo počas sympózia zabrániť divákom jasne vidieť fungovanie DonutBotu) boli splnené všetky ciele tímu. Výborná práca všetkých zúčastnených – s radosťou sponzorujeme takýto inovatívny produkt!