Bazı donutların neden düşük kaliteli veya tatmin edici olmadığına dair birkaç neden vardır. Bazen bunun nedeni, kamuya açık kafelerin geç saatlerde kapalı olması, az personelle çalışması veya az stok bulundurmasıdır. Havalimanları, hastaneler, üniversiteler ve benzeri diğer konumlar dâhil olmak üzere kamusal alanlardaki birçok müşteri, günün farklı saatlerinde kaliteli, kişiye özel donutlar isteyebilir.
Bu sorunu çözmek için Waterloo Üniversitesi’nden bir grup mühendislik öğrencisi DonutBot’u geliştirmek üzere bir araya geldi. DonutBot’un amacı, Progressive Automations ile iş birliği içinde aktüatörlere ve otomatik bir kontrol sistemine sahip robot kol kullanarak, anında yüksek kaliteli, kişiye özel donutları süslemektir. Bu özelleştirme süreci, bir iPad kullanıcı arayüzü üzerinden sipariş oluşturulduktan sonraki birkaç dakika içinde tamamlanacaktır.
Hangi Aktüatörler Kullanıldı?
Bu projede öğrenciler, mekanizmayı gerçekleştirmek için iki farklı aktüatör kullandı. Yaptıkları aktüatör seçimleri ve bu seçimlerin nedenleri aşağıda özetlenmiştir.
PA-18 Ray Tipi Lineer Aktüatör
DonutBot’un, robot kolu bir istasyondan diğerine taşımak için uzun bir yatay mesafe kat etmesi gerekiyordu. Bu nedenle, taşınan tüm aktüatörler arasında en uzun Vuruş mesafesi seçeneğine sahip olduğu için PA-18-60-150 Ray Tipi Lineer Aktüatör seçildi. PA-18’in bir diğer avantajı, geri çekilmiş veya uzatılmış durumda boyutlarının aynı kalmasıdır; bu da, çevrim sırasında fiziksel olarak daha uzun bir uzunluğa uzayan standart bir aktüatöre kıyasla DonutBot’u daha az yer kaplar hâle getirir.
PA-18
PA-07 Mikro Lineer Aktüatör
Bir donutı almak, daldırmak ve bırakmak için yukarı-aşağı hareket edecek dikey bir harekete ihtiyaç vardı. Donutlar ağır olmadığından, daha düşük kuvvet değerine sahip küçük boyutlu bir aktüatör yeterli olurdu. PA-07-4-5 Mikro Lineer Aktüatör, tüm gereksinimleri karşıladığı için robot kolun dikey hareketi için seçildi. Bu model, sunulan en küçük aktüatör olmasına rağmen hâlâ 4 inç Vuruş mesafesine sahip olduğundan, DonutBot’un toplam ağırlığını ve hacmini azaltma gibi ek bir avantaja da sahipti.
PA-07
DonutBot Nasıl Yapıldı: Adım Adım
Ön Tasarım Aşamaları
2019 Sonbaharında mühendislik ekibi, DonutBot’un mekanik, elektrik ve yazılım bileşenlerini tasarlama sürecine başladı. Çeşitli CAD çizimleri ve şemalar, ekibin üretimi tatil arası sırasında tamamlamasına olanak tanıdı. Ayrıca, DonutBot’un ön testlerini tamamlamak için elektrik bileşenleri tedarik edilip toplandı. Bunun yanında, iPad arayüzü için iOS uygulamasının çekirdeği de uygulandı.
Ekip, yeni yılın başında çalışmalarına PA-07-4-5 Mikro Lineer Aktüatörün ucuna servo kontrollü pençeler monte ederek devam etti. PA-07 modeli, özelleştirilen donutı tutan pençeleri kaldırıp indirmek için dikey hareket (Z ekseni) amacıyla kullanıldı. Robot kolu yatayda (X ekseni) istasyondan istasyona taşımak için, pençelerle birlikte PA-07 aktüatörü PA-18-60-150 Ray Tipi Lineer Aktüatöre monte edildi.
Kablolama ve Programlama
Harici limit anahtarları ilgili istasyonlarına yerleştirilip sabitlendi. İki aktüatör, servo kontrollü pençeler ve harici limit anahtarları daha sonra Arduino kartına bağlandı. Elektrik bileşenlerini test edebilmek için temel bir Arduino programı oluşturuldu – program, pençeyi açıp kapatmak ve robot kolu bir istasyondan diğerine taşımak için seri üzerinden komutlar alacaktı.
Bir Arduino kartı iki aktüatörle arayüz kuracak şekilde programlanırken, ikinci bir Arduino kartı da servo ve limit anahtarlarıyla arayüz kuracak şekilde programlandı. Kodu, gürültülü limit anahtarı değerlerini okuyabilmek için bir “debounce” filtresiyle de zenginleştirdik; böylece iki Arduino programı seri üzerinden komut alırken tüm elektrik bileşenleri düzgün şekilde çalıştı.
Projenin Tamamlanması
Donutu doğru tarafı yukarı bakacak şekilde çevirmek için ekip, DonutBot’un donutları bir pleksiglas şeridin kenarının hemen üzerine bırakmasına karar verdi; böylece donut aşağı düşerken pleksiglas şeridin kenarıyla tam gereken kadar temas ederek 180° dönmesi sağlanıyordu. Kenarın altında, dik duran donutun üzerine düşeceği bir tabak bulunuyordu.
Uygulanacak son bileşen, Raspberry Pi üzerinde çalışan ROS programıydı. iPad’de bir sipariş tamamlandığında, donut siparişi kablosuz olarak Raspberry Pi’a iletilecekti. Buradan Raspberry Pi, donutların doğru şekilde süslendiğinden emin olmak için Arduino kartlarıyla arayüz kurarak donut süsleme sürecini kontrol etmekten sorumlu olacaktı.
Son testler için dört istasyon kullanıldı. Vanilya kreması istasyonu, çikolata kreması istasyonu, renkli şekerleme istasyonu ve Oreo kırıntıları istasyonu seçildi. Birkaç deneme turundan sonra, DonutBot iPad arayüzünden donut siparişi aldıktan sonra bir donutı otonom şekilde başarıyla süsleyecek biçimde ince ayarlandı.
Tamamlanan DonutBot:
Problemler: Nasıl Ortaya Çıktılar ve Aşıldılar
Her projede olduğu gibi süreç boyunca denemeler, hatalar ve çözümler vardır. DonutBot ekibi de farklı değildi; aşağıdaki sorunları yaşadı ve başarıyla çözdü.
Vakum Emişi vs. Servo Kontrollü Pençe
Erken tasarım aşamalarında karşılaşılan önemli sorunlardan biri, donutları almak için vakum emiş kuvveti kullanılmasıydı. Donutları almak için gereken vakum kuvveti, aynı zamanda krema ve şekerlemeleri de vakum borusuna çekebilecek kadar güçlüydü.
Bu sorunu çözmek için ekip, herhangi bir kaplamayı çekmeden donutları tutabilecek servo kontrollü bir pençeye geçmeye karar verdi. Artık vakum kullanılmadığından, sistemin ihtiyaç duyduğu güç girişi önemli ölçüde azaldı ve böylece CSA onayı da gerekmiyordu.
Robot Kol Sorunları
Kolun sol taraftaki bir istasyona taşınmasının beklendiği gibi çalıştığı görüldü. Ancak, kolun sağ taraftaki bir istasyona taşınması doğru çalışmıyordu. Robot kol, hedef istasyona ulaştıktan sonra bile sağa doğru hareketine devam ediyor ve bırakma konumuna kadar gidiyordu. Bunun nedeni, Arduino’nun tetiklenen limit anahtarını algılamamasıydı. Yazılım ve donanım hata ayıklaması yapıldıktan sonra, limit anahtarı değerlerinin yalnızca basılı olup olmamalarına değil, aynı zamanda X aktüatörünün hareket yönüne de bağlı olduğu anlaşıldı.
Tüm elektrik bileşenleri aynı Arduino’ya bağlı olduğundan, X aktüatörünün çektiği Akım tek bir Arduino kartında kaldırılmayacak kadar büyüktü. Sonuç olarak, bu durum hareket yönüne bağlı olarak limit anahtarı değerlerinin gerçek durumlarından sapmasına neden oluyordu. Çözüm; iki Arduino kartı kullanmaktı – biri iki aktüatörle, diğeri ise servo ve harici limit anahtarlarıyla arayüz kurmak üzere. Bu değişiklik uygulandıktan ve gürültülü limit anahtarı değerlerini okumak için koda bir debounce filtresi eklendikten sonra tüm elektrik bileşenleri beklendiği gibi çalıştı.
Yeni ve geliştirilmiş PA-MC1 mikro aktüatör (PA-07 yükseltmesi), çeşitli ek avantajlarla sunduğumuz güncel modeldir. Karşılaştırma için aşağıdaki tablolara göz atın ve güvenle yükseltin!
|
| PA-MC1 | PA-07 |
| Delikten Deliğe Uzunluk | 2,76 inç | 3,25 inç |
| Dinamik Yük Seçenekleri | 8, 11, 17, 39 lb | 5 lb |
| Maksimum Yük | 39 lb | 5 lb |
| En Yüksek Hız | 1,18 inçç/s | 0,55 inçç/s |
| Vuruş Mesafesi Seçenekleri | 0,5 inç to 8 inç | 0,5 inç to 12 inç |
Sonuç
Sonuç olarak, Waterloo Üniversitesi mühendislik ekibinin DonutBot’u; iPad arayüzü üzerinden sipariş alıp robot kol ve otomatik kontrol sistemi kullanarak anında yüksek kaliteli donutları kişiselleştirebilme yeteneğiyle tamamlandı. DonutBot, ekibin Mekatronik Mühendisliği Capstone Design Symposium etkinliğinde sergilendi. Robotun etrafına bir muhafaza eklenmesi haricinde (bu, sempozyum sırasında izleyicilerin DonutBot’un çalışma prensibini net görmesini zorlaştırmış olabilir), ekibin tüm hedeflerine ulaşıldı. Emeği geçen herkese tebrikler – böylesine yenilikçi bir ürüne sponsor olmaktan mutluluk duyuyoruz!