Det finns flera anledningar till varför vissa munkar kan anses vara av låg kvalitet eller otillfredsställande. Ibland beror det på att offentliga kaféer är stängda, underbemannade eller glest utbudet under sena timmar. Många kunder på offentliga platser, inklusive flygplatser, sjukhus, universitet och andra liknande platser, kan också längta efter specialanpassade munkar av hög kvalitet vid olika tider under dagen.
För att lösa detta problem har ett team ingenjörsstudenter från University of Waterloo arbetat tillsammans för att tillverka DonutBot. Målet med DonutBot är att dekorera högkvalitativa, anpassade munkar på plats med hjälp av en robotarm med ställdon och ett automatiserat styrsystem i samarbete med Progressiva automatiseringarDenna anpassningsprocess skulle slutföras inom några minuter efter att en beställning skapats via ett iPad-användargränssnitt.
Vilka ställdon användes?
För detta projekt använde studenterna två olika ställdon för att åstadkomma mekanismen. De val av ställdon de gjorde, och skälen till dessa val, beskrivs nedan.
PA-18 spårlinjär ställdon
DonutBot skulle behöva tillryggalägga en lång horisontell sträcka för att flytta en robotarm från en station till nästa. På grund av detta, PA-18-60-150 Spårlinjär ställdon valdes eftersom den har det längsta slaglängdsalternativet av alla ställdon som finns. En annan fördel med PA-18 är att den behåller samma dimensioner infälld eller utfälld, vilket gör att DonutBot blir mer utrymmeseffektiv jämfört med ett standardställdon som fysiskt skulle kunna förlängas till en längre längd vid cykling.
PA-18
PA-07 Mikrolinjärt ställdon
För att plocka upp, doppa och släppa av en munk krävdes en vertikal rörelse för att röra sig upp och ner. Eftersom munkar inte är tunga skulle ett mindre ställdon med lägre kraftklassning vara acceptabelt. PA-07-4-5 Mikrolinjär aktuator valdes för den vertikala förflyttningen av robotarmen eftersom den uppfyllde alla krav. Denna modell hade också den ytterligare fördelen att den minskade DonutBots totala vikt och volym eftersom det är det minsta ställdonet som erbjuds men ändå har en slaglängd på 4 varv.
PA-07
Hur DonutBot byggdes: Steg för steg
Preliminära designfaser
Hösten 2019 påbörjade ingenjörsteamet processen med att designa DonutBots mekaniska, elektriska och mjukvarukomponenter. Olika CAD-ritningar och scheman gjorde det möjligt för teamet att slutföra tillverkningen under semesteruppehållet. Elektriska komponenter hade också anskaffats och samlats in för att slutföra den preliminära testningen av DonutBot. Dessutom implementerades kärnan i iOS-applikationen för iPad-gränssnittet.
Teamet fortsatte sitt arbete i början av det nya året genom att montera servostyrda klor på änden av PA-07-4-5 mikrolinjära ställdonet. PA-07-modellen användes för vertikal rörelse (Z-axel) för att höja och sänka klorna som håller munken som höll på att anpassas. För att flytta robotarmen horisontellt (X-axel) från station till station monterades PA-07-ställdonet tillsammans med klorna på PA-18-60-150 spårlinjära ställdonet.
Kabeldragning och programmering
Externa gränsbrytare placerades vid motsvarande stationer och skruvades fast. De två ställdonen, servostyrda klorna och de externa gränsbrytarna kopplades sedan till Arduino-kortet. Ett grundläggande Arduino-program skapades sedan för att kunna testa de elektriska komponenterna – programmet skulle ta emot kommandon via seriell koppling för att öppna och stänga klon och för att flytta robotarmen från en station till en annan.
Ett Arduino-kort programmerades för att kommunicera med de två ställdonen medan ett andra Arduino-kort programmerades för att kommunicera med servot och gränslägesbrytarna. En de-bouncer till koden lades också till för att läsa brusiga gränslägesbrytarvärden så att alla elektriska komponenter fungerade medan de två Arduino-programmen tog emot kommandon via seriell kommunikation.
Slutföra projektet
För att rotera munken med rätt sida upp bestämde teamet att DonutBot skulle släppa munkar precis ovanför kanten på en plexiglasremsa så att munken, när den faller ner, kommer i kontakt med kanten på plexiglasremsan precis tillräckligt för att få den att vrida sig 180°. Under kanten skulle det finnas en tallrik som den upprättstående munken faller ner på.
Den sista komponenten som skulle implementeras var ROS-programmet, som kördes på Raspberry Pi. När en beställning på iPaden var klar skickades munkbeställningen trådlöst till Raspberry Pi. Härifrån skulle Raspberry Pi ansvara för att styra munkdekorationsprocessen genom att samverka med Arduino-korten för att säkerställa att munkarna dekorerades korrekt.
Fyra stationer användes för de sista testerna. Vaniljglasyrstationen, chokladglasyrstationen, regnbågsströsselstationen och Oreo-smulorstationen valdes ut. Efter några testomgångar finjusterades DonutBot för att framgångsrikt dekorera en munk autonomt när den tog emot en munkbeställning från iPad-gränssnittet.
Den färdiga DonutBot:
Problem: Hur de uppstod och övervanns
Som med alla projekt finns det tillfällen av trial, error och lösningar. DonutBot-teamet var inget undantag; de erfarna – och löste – nedanstående problem framgångsrikt.
Vakuumsug kontra servostyrd klo
Under de tidigare designfaserna uppstod ett betydande problem med att använda en vakuumsugkraft för att plocka upp munkarna. Vakuumkraften som behövdes för att plocka upp munkarna var också tillräckligt stark för att suga in frosting och strössel i vakuumslangen.
För att åtgärda problemet bestämde sig teamet för att byta ut dammsugaren mot en servostyrd klo som skulle kunna hålla munkar utan att plocka upp några toppings. Eftersom en dammsugar inte längre användes minskade systemets effektbehov avsevärt och därmed krävdes inte längre CSA-godkännande.
Problem med robotarmen
Det visade sig att det fungerade som förväntat att flytta armen till en station till vänster om den. Att flytta armen till en station till höger fungerade dock inte korrekt. Robotarmen fortsatte att röra sig åt höger, hela vägen till avlämningsplatsen, även efter att ha nått sin destinationsstation. Detta berodde på att Arduino inte detekterade den utlösta gränslägesbrytaren. Efter att ha utfört en program- och hårdvarufelsökning fann man att gränslägesbrytarvärdena inte bara berodde på om de trycktes in, utan också på X-aktuatorns rörelseriktning.
Eftersom alla elektriska komponenter var kopplade till samma Arduino, var strömmen som X-ställdonet drog för stor för att hantera på ett Arduino-kort. Följaktligen skulle detta leda till att gränslägesbrytarnas värden ändrades från sina verkliga tillstånd, beroende på rörelseriktningen. Lösningen var att använda två Arduino-kort – ett för att kommunicera med de två ställdonen och ett annat för att kommunicera med servot och de externa gränslägesbrytarna. Efter att ha implementerat denna ändring och lagt till en debouncer i koden för att läsa brusiga gränslägesbrytarvärden, fungerade alla elektriska komponenter som förväntat.
Det nya och förbättrade PA-MC1 mikroställdon (PA-07-uppgradering) är den nuvarande modellen vi erbjuder med en mängd olika fördelar. För en jämförelse, kolla in tabellerna nedan och uppgradera tryggt!
|
|
PA-MC1 |
PA-07 |
|
Hål-till-hål-längd |
2,76 tum |
3,25 tum |
|
Dynamiska laddningsalternativ |
8, 11, 17, 39 pund |
5 lb |
|
Högsta belastning |
39 lb |
5 lb |
|
Snabbaste hastighet |
1.18"/sec |
0.55"/sec |
|
Strokealternativ |
0,5 varv till 8 varv |
0,5 varv till 12 varv |
Slutsats
Sammanfattningsvis kompletterades DonutBot från University of Waterloos ingenjörsteam med möjligheten att ta beställningar via ett iPad-gränssnitt för att anpassa snabba munkar av hög kvalitet med hjälp av en robotarm och ett automatiserat styrsystem. DonutBot visades upp av teamet på Mechatronics Engineerings Capstone Design Symposium. Förutom tillägget av ett hölje runt roboten (detta kan ha hindrat tittarna från att tydligt se hur DonutBot fungerar under symposiet) uppfylldes alla teamets mål. Bra jobbat alla inblandade – vi är glada att sponsra en så innovativ produkt!