Plusieurs raisons peuvent expliquer pourquoi certains beignets sont jugés de mauvaise qualité ou insatisfaisants. Il arrive que les cafés soient fermés, en sous-effectif ou mal approvisionnés tard le soir. Dans les lieux publics comme les aéroports, les hôpitaux, les universités et autres endroits similaires, de nombreux clients peuvent également avoir envie de beignets personnalisés de qualité à différents moments de la journée.
Pour résoudre ce problème, une équipe d'étudiants en génie de l'Université de Waterloo a collaboré à la création du DonutBot. L'objectif du DonutBot est de décorer sur place des beignets personnalisés de haute qualité grâce à un bras robotisé doté d'actionneurs et d'un système de contrôle automatisé, en collaboration avec Automatisation progressive. Ce processus de personnalisation serait réalisé en quelques minutes après la création d'une commande via une interface utilisateur iPad.
Quels actionneurs ont été utilisés ?
Pour ce projet, les élèves ont utilisé deux actionneurs différents pour réaliser le mécanisme. Leurs choix d'actionneurs et les raisons de ces choix sont présentés ci-dessous.
Actionneur linéaire de chenille PA-18
Le DonutBot doit parcourir une longue distance horizontale pour déplacer son bras robotisé d'une station à l'autre. C'est pourquoi l' actionneur linéaire PA-18-60-150 a été choisi : il offre la plus grande course parmi tous les actionneurs disponibles. Autre avantage : ses dimensions restent inchangées, qu'il soit rétracté ou déployé. Le DonutBot gagne ainsi en espace par rapport à un actionneur standard qui s'allongerait lors des cycles de déplacement.
PA-18
Actionneur linéaire micro PA-07
Pour ramasser, tremper et déposer un beignet, un mouvement vertical était nécessaire pour monter et descendre. Comme les beignets ne sont pas lourds, un actionneur plus petit avec une force nominale inférieure serait acceptable. Actionneur linéaire micro PA-07-4-5 Ce modèle a été choisi pour la translation verticale du bras robotique car il répondait à toutes les exigences. De plus, il présentait l'avantage supplémentaire de réduire le poids et l'encombrement du DonutBot, puisqu'il s'agit du plus petit actionneur proposé avec une course de 4 po.
PA-07
Comment le DonutBot a été construit : étape par étape
Étapes de conception préliminaires
À l'automne 2019, l'équipe d'ingénierie a entamé la conception des composants mécaniques, électriques et logiciels du DonutBot. Grâce à divers dessins et schémas CAO, elle a pu finaliser la fabrication pendant les vacances. Les composants électriques nécessaires aux tests préliminaires du DonutBot ont également été sélectionnés et rassemblés. Enfin, le cœur de l'application iOS pour iPad a été implémenté.
L'équipe a poursuivi ses travaux en ce début d'année en fixant des pinces servo-commandées à l'extrémité du micro-actionneur linéaire PA-07-4-5. Le modèle PA-07 a été utilisé pour le mouvement vertical (axe Z) afin de lever et d'abaisser les pinces maintenant le donut en cours de personnalisation. Pour déplacer le bras robotisé horizontalement (axe X) d'une station à l'autre, l'actionneur PA-07 et les pinces ont été montés sur l'actionneur linéaire à chenilles PA-18-60-150.
Câblage et programmation
Des interrupteurs de fin de course externes ont été positionnés à leurs emplacements respectifs et fixés par vis. Les deux actionneurs, les pinces servo-commandées et les interrupteurs de fin de course externes ont ensuite été connectés à la carte Arduino. Un programme Arduino basique a alors été créé afin de tester les composants électriques ; ce programme reçoit des commandes via le port série pour ouvrir et fermer la pince et déplacer le bras robotique d'une station à l'autre.
Une carte Arduino a été programmée pour gérer les deux actionneurs, tandis qu'une seconde carte Arduino a été programmée pour gérer le servomoteur et les interrupteurs de fin de course. Un circuit anti-rebond a également été ajouté au code pour contrôler les valeurs des interrupteurs de fin de course, même en cas de fluctuations, afin de garantir le bon fonctionnement de tous les composants électriques lors de la réception des commandes par liaison série entre les deux cartes Arduino.
Finalisation du projet
Pour remettre le beignet à l'endroit, l'équipe a décidé que le DonutBot devait déposer les beignets juste au-dessus du bord d'une bande de plexiglas. Ainsi, lorsqu'un beignet tombe, il entre en contact avec le bord de la bande juste assez pour effectuer une rotation de 180°. Sous le bord se trouve une plaque sur laquelle le beignet, une fois redressé, tombe.
La dernière étape consistait à implémenter le programme ROS, exécuté sur le Raspberry Pi. Une fois la commande de donuts passée sur l'iPad, elle était transmise sans fil au Raspberry Pi. Ce dernier prenait alors en charge le processus de décoration des donuts en interagissant avec les cartes Arduino afin de garantir une décoration réussie.
Quatre stations ont été utilisées pour les derniers tests : glaçage vanille, glaçage chocolat, vermicelles multicolores et miettes d’Oreo. Après plusieurs séries d’essais, le DonutBot a été optimisé pour décorer un donut de manière autonome dès réception d’une commande via l’interface iPad.
Le DonutBot terminé :
Problèmes : comment ils sont apparus et comment ils ont été résolus
Comme pour tout projet, il y a eu des tâtonnements, des erreurs et des solutions tout au long du processus. L'équipe DonutBot n'a pas fait exception ; elle a rencontré – et résolu avec succès – les problèmes suivants.
Aspiration par le vide contre griffe servo-commandée
Lors des premières étapes de la conception, un problème majeur s'est posé : l'utilisation d'une force d'aspiration sous vide pour saisir les beignets. Cette force était en effet suffisamment puissante pour aspirer le glaçage et les décorations dans le tube d'aspiration.
Pour remédier à ce problème, l'équipe a décidé de remplacer le système d'aspiration par une pince servo-commandée capable de maintenir les beignets sans ramasser les garnitures. L'utilisation d'un système d'aspiration ayant été supprimée, la consommation d'énergie a été considérablement réduite, rendant ainsi l'homologation CSA superflue.
Problèmes liés aux bras robotiques
Il a été constaté que le déplacement du bras vers une station située à sa gauche fonctionnait comme prévu. En revanche, le déplacement vers une station située à sa droite ne fonctionnait pas correctement. Le bras robotisé continuait son mouvement vers la droite, jusqu'au point de dépôt, même après avoir atteint sa destination. Ce problème était dû à l'absence de détection du déclenchement du capteur de fin de course par l'Arduino. Après un débogage logiciel et matériel, il a été constaté que les valeurs des capteurs de fin de course dépendaient non seulement de leur activation, mais aussi du sens de déplacement de l'actionneur X.
Comme tous les composants électriques étaient connectés à la même carte Arduino, le courant consommé par l'actionneur X était trop important pour être géré par une seule carte. Par conséquent, les valeurs des interrupteurs de fin de course étaient faussées par rapport à leur état réel, selon le sens du mouvement. La solution a consisté à utiliser deux cartes Arduino : une pour l'interface avec les deux actionneurs et l'autre pour l'interface avec le servomoteur et les interrupteurs de fin de course externes. Après cette modification et l'ajout d'un circuit anti-rebond au code pour gérer les variations des valeurs des interrupteurs de fin de course, tous les composants électriques fonctionnaient correctement.
Le nouveau microactionneur PA-MC1 amélioré (mise à niveau PA-07) est le modèle que nous proposons actuellement et offre de nombreux avantages supplémentaires. Pour une comparaison, consultez les tableaux ci-dessous et effectuez la mise à niveau en toute confiance !
PA-MC1 | PA-07 | |
Longueur entre les trous | 2,76 po | 3,25 po |
Options de chargement dynamique | 8, 11, 17, 39 lb | 5 lb |
Charge maximale | 39 lb | 5 lb |
Vitesse maximale | 1,18 po/s | 0,55 po/s |
Options d'AVC | 0,5 po à 8 po | 0,5 po à 12 po |
Conclusion
En conclusion, le DonutBot, conçu par l'équipe d'ingénierie de l'Université de Waterloo, est désormais opérationnel. Il permet de prendre des commandes via une interface iPad pour personnaliser des beignets instantanés de haute qualité grâce à un bras robotisé et un système de contrôle automatisé. L'équipe a présenté le DonutBot lors du symposium de fin d'études en génie mécatronique. Hormis l'ajout d'un boîtier autour du robot (qui a peut-être empêché les visiteurs d'observer clairement son fonctionnement pendant le symposium), tous les objectifs de l'équipe ont été atteints. Bravo à tous les participants ! Nous sommes ravis de sponsoriser un produit aussi innovant !