Obstaja več razlogov, zakaj se lahko nekateri krofi zdijo nekakovostni ali nezadovoljivi. Včasih je to posledica zaprtih javnih kavarn, pomanjkanja osebja ali slabe založenosti v poznih urah. Mnogi obiskovalci v javnih prostorih, vključno z letališči, bolnišnicami, univerzami in podobnimi lokacijami, si lahko kakovostne, po meri prilagojene krofe zaželijo ob različnih urah dneva.
Da bi rešili ta izziv, je ekipa študentov inženirstva z University of Waterloo združila moči in ustvarila DonutBot. Cilj DonutBota je sproti okraševati visokokakovostne, prilagojene krofe z robotsko roko z aktuatorji in avtomatiziranim krmilnim sistemom v sodelovanju s Progressive Automations. Ta postopek prilagajanja bi se izvedel v nekaj minutah po oddaji naročila prek uporabniškega vmesnika na iPadu.
Kateri aktuatorji so bili uporabljeni?
Za ta projekt so študenti uporabili dva različna aktuatorja, s katerima so dosegli delovanje mehanizma. Njihove izbire aktuatorjev in razlogi zanje so opisani spodaj.
PA-18 tirni linearni aktuator
DonutBot mora premagati dolgo vodoravno razdaljo, da premakne robotsko roko z ene postaje na drugo. Zaradi tega je bil izbran PA-18-60-150 tirni linearni aktuator, saj med vsemi ponujenimi aktuatorji nudi najdaljšo možnost dolžine hoda. Dodatna prednost modela PA-18 je, da ostaja enakih mer v uvlečenem ali iztegnjenem položaju, kar DonutBotu omogoča večjo prostorsko učinkovitost v primerjavi s standardnim aktuatorjem, ki se med delovanjem fizično podaljša.
PA-18
PA-07 mikro linearni aktuator
Za pobiranje, pomakanje in odlaganje krofa je bilo potrebno navpično gibanje gor in dol. Ker krofi niso težki, je bil sprejemljiv manjši aktuator z nižjo nazivno silo. PA-07-4-5 Micro Linear Actuator je bil izbran za navpično translacijo robotske roke, saj je izpolnil vse zahteve. Ta model je imel dodatno prednost zmanjšanja skupne mase in prostornosti DonutBota, saj je najmanjši ponujeni aktuator, ki še vedno nudi hod 4 in.
PA-07
Kako je bil DonutBot zgrajen: korak za korakom
Začetne faze načrtovanja
Jeseni 2019 se je inženirska ekipa lotila načrtovanja mehanskih, električnih in programskih komponent DonutBota. Različne risbe in sheme CAD so ekipi omogočile, da je proizvodnjo zaključila med prazničnim premorom. Prav tako so bili pridobljeni in zbrani elektronski elementi za izvedbo preliminarnega testiranja DonutBota. Poleg tega je bilo implementirano jedro aplikacije iOS za vmesnik na iPadu.
Ekipa je na začetku novega leta nadaljevala delo z namestitvijo servo-krmiljenih krempljev na konec mikro linearnega aktuatorja PA-07-4-5. Model PA-07 je bil uporabljen za navpično gibanje (os Z) za dviganje in spuščanje krempljev, ki so držali krof, ki se je prilagajal. Za vodoravno premikanje robotske roke (os X) z ene postaje na drugo so aktuator PA-07 skupaj s kremplji namestili na tirni linearni aktuator PA-18-60-150.
Ožičenje in programiranje
Zunanja končna stikala so bila postavljena na ustrezne postaje in privita na mesto. Oba aktuatorja, servo-krmiljeni kremplji in zunanja končna stikala so bili nato ožičeni na ploščo Arduino. Za preizkus električnih komponent je bil ustvarjen osnovni program Arduino – program je sprejemal ukaze prek serijskega vmesnika za odpiranje in zapiranje kremplja ter premikanje robotske roke z ene postaje na drugo.
Ena plošča Arduino je bila programirana za vmesnik z obema aktuatorjema, druga plošča Arduino pa za vmesnik s servom in končnimi stikali. V kodo je bil dodan tudi filter za odpravo odbojev, da je bilo mogoče prebrati 'hrupne' vrednosti končnih stikal, tako da so vse električne komponente delovale, medtem ko sta programa Arduino prejemala ukaze prek serijskega vmesnika.
Zaključek projekta
Da bi krof obrnili na pravo stran, se je ekipa odločila, da bo DonutBot krofe spuščal tik nad rob trakca iz pleksi stekla, tako da se krof ob padcu ravno toliko dotakne roba pleksi trakca, da se obrne za 180°. Pod robom je bil krožnik, na katerega je padel pokončno obrnjen krof.
Zadnja komponenta, ki so jo implementirali, je bil program ROS, ki teče na Raspberry Pi. Po zaključku naročila na iPadu bi bilo naročilo krofa brezžično poslano na Raspberry Pi. Od tu naprej bi Raspberry Pi prevzel nadzor nad postopkom dekoriranja krofov z vmesnikom do plošč Arduino, da bi zagotovil pravilno dekoracijo krofov.
Za zadnje preizkuse so bile uporabljene štiri postaje. Izbrane so bile postaja za vanilijevo glazuro, postaja za čokoladno glazuro, postaja za mavrične mrvice in postaja za zdrobljene piškote Oreo. Po nekaj krogih testiranja je bil DonutBot natančno nastavljen tako, da je po prejemu naročila prek vmesnika iPad samostojno uspešno okrasil krof.
Dokončani DonutBot:
Težave: kako so nastale in kako so jih rešili
Tako kot pri vsakem projektu so se tudi tukaj pojavljali trenutki poskusov, napak in rešitev. Ekipa DonutBota ni bila izjema; spodaj navedene težave so uspešno odpravili.
Vakuumsko sesanje proti servo-krmiljenemu kremplju
V zgodnjih fazah načrtovanja se je pojavil pomemben problem: uporaba vakuumske sesalne sile za pobiranje krofov. Vakuumska sila, potrebna za dvig krofov, je bila dovolj močna, da je v vakuumsko cevje posrkala tudi glazuro in mrvice.
Da bi to odpravili, se je ekipa odločila vakuum zamenjati s servo-krmiljenim krempljem, ki je sposoben držati krofe, ne da bi pobiral prelive. Ker vakuuma niso več uporabljali, se je zahtevana vhodna moč sistema občutno zmanjšala in tako odobritev CSA ni bila več potrebna.
Težave z robotsko roko
Ugotovljeno je bilo, da je premikanje roke na postajo na levi delovalo po pričakovanjih. Premik roke na postajo na desni pa ni deloval pravilno. Robotska roka se je še naprej premikala v desno, vse do odlagalne točke, tudi po tem, ko je dosegla ciljno postajo. To je bilo posledica tega, da Arduino ni zaznal sproženega končnega stikala. Po odpravljanju napak v programski in strojni opremi se je izkazalo, da vrednosti končnih stikal niso odvisne le od tega, ali so pritisnjena, temveč tudi od smeri gibanja X-aktuatorja.
Ker so bile vse električne komponente povezane na isti Arduino, je bil tok, ki ga je vlekel X-aktuator, prevelik, da bi ga lahko obdelala ena plošča Arduino. Posledično so se vrednosti končnih stikal spreminjale glede na smer gibanja. Rešitev je bila uporaba dveh plošč Arduino – ene za vmesnik z obema aktuatorjema in druge za vmesnik s servom ter zunanjimi končnimi stikali. Po uvedbi te spremembe in dodajanju filtra za odpravo odbojev v kodo za branje 'hrupnih' vrednosti končnih stikal so vse električne komponente delovale po pričakovanjih.
Novi in izboljšani PA-MC1 mikro aktuator (nadgradnja PA-07) je aktualni model, ki ga ponujamo, z vrsto dodatnih prednosti. Za primerjavo si oglejte spodnje tabele in nadgradite samozavestno!
|
|
PA-MC1 |
PA-07 |
|
Dolžina od luknje do luknje |
2.76" |
3.25" |
|
Možnosti dinamične obremenitve |
8, 11, 17, 39 lbs |
5 lbs |
|
Največja obremenitev |
39 lbs |
5 lbs |
|
Najvišja hitrost |
1.18"/s |
0.55"/s |
|
Možnosti hoda |
0.5" do 8" |
0.5" do 12" |
Zaključek
Za konec: DonutBot inženirske ekipe z University of Waterloo je bil dokončan z zmožnostjo sprejemanja naročil prek vmesnika iPad za takojšnje prilagajanje visokokakovostnih krofov z robotsko roko in avtomatiziranim krmilnim sistemom. DonutBot je ekipa predstavila na zaključnem oblikovalskem simpoziju mehatronike (Capstone Design Symposium). Razen dodatka ohišja okoli robota (to je lahko gledalcem med simpozijem preprečilo jasen pogled na delovanje DonutBota) so bili vsi cilji ekipe doseženi. Bravo vsem vpletenim – veseli smo, da lahko sponzoriramo tako inovativen projekt!