Plusieurs raisons peuvent expliquer pourquoi certains donuts peuvent être jugés de mauvaise qualité ou insatisfaisants. Parfois, cela est dû à la fermeture des cafés publics, au manque de personnel ou à un approvisionnement insuffisant aux heures tardives. De nombreux clients dans les espaces publics, comme les aéroports, les hôpitaux, les universités et autres lieux similaires, peuvent également avoir envie de donuts personnalisés de qualité à différents moments de la journée.
Pour résoudre ce problème, une équipe d'étudiants en ingénierie de l'Université de Waterloo a collaboré à la création du DonutBot. L'objectif du DonutBot est de décorer des beignets personnalisés de haute qualité sur place grâce à un bras robotisé équipé d'actionneurs et d'un système de contrôle automatisé, en collaboration avec Automatisations progressives . Ce processus de personnalisation s'effectuerait 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 leurs raisons sont décrits ci-dessous.
Actionneur linéaire à chenilles PA-18
Le DonutBot devait parcourir une longue distance horizontale pour déplacer un bras robotisé d'une station à l'autre. C'est pourquoi l' actionneur linéaire à chenilles PA-18-60-150 a été choisi, car il offre la course la plus longue parmi tous les actionneurs proposés. Autre avantage du PA-18 : ses dimensions restent identiques, qu'il soit rétracté ou déployé, ce qui permet au DonutBot de gagner en espace par rapport à un actionneur standard qui se déploierait physiquement sur une plus grande longueur lors des cycles.
PA-18
Actionneur linéaire micro PA-07
Pour saisir, immerger et déposer un donut, un mouvement vertical était nécessaire pour le monter et le descendre. Les donuts n'étant pas lourds, un actionneur plus petit et doté d'une force nominale plus faible serait acceptable. Actionneur linéaire micro PA-07-4-5 Le modèle a été choisi pour la translation verticale du bras robotisé, car il répondait à toutes les exigences. Ce modèle présentait également l'avantage de réduire le poids et l'encombrement du DonutBot, puisqu'il s'agit du plus petit actionneur proposé, tout en conservant une course de 10 cm.
PA-07
Comment le DonutBot a été construit : étape par étape
Étapes de conception préliminaire
À l'automne 2019, l'équipe d'ingénierie a entamé la conception des composants mécaniques, électriques et logiciels du DonutBot. Divers dessins et schémas CAO ont permis à l'équipe de terminer la fabrication pendant les vacances. De plus, les composants électriques ont été achetés et rassemblés pour réaliser les tests préliminaires du DonutBot. Enfin, le cœur de l'application iOS pour l'interface iPad a été implémenté.
L'équipe a poursuivi ses travaux au début de la nouvelle année en installant des griffes servocommandées 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 griffes 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 ses griffes ont été montés sur l'actionneur linéaire à chenilles PA-18-60-150.
Câblage et programmation
Les interrupteurs de fin de course externes ont été positionnés à leurs emplacements respectifs et vissés. Les deux actionneurs, les griffes servocommandées et les interrupteurs de fin de course externes ont ensuite été câblés à la carte Arduino. Un programme Arduino de base a ensuite été créé afin de tester les composants électriques : le programme recevrait des commandes série pour ouvrir et fermer la griffe et déplacer le bras robotisé d'un emplacement à l'autre.
Une carte Arduino a été programmée pour interagir avec les deux actionneurs, tandis qu'une seconde carte Arduino a été programmée pour interagir avec le servomoteur et les fins de course. Un anti-rebond a également été ajouté au code pour lire les valeurs des fins de course parasites, afin que tous les composants électriques fonctionnent lorsque les deux programmes Arduino reçoivent des commandes en série.
Finalisation du projet
Pour faire pivoter le donut à l'endroit, l'équipe a décidé que le DonutBot devait déposer les donuts juste au-dessus du bord d'une bande de plexiglas. Ainsi, en tombant, le donut entre en contact avec le bord de la bande de plexiglas juste assez pour le faire pivoter de 180°. Sous le bord se trouverait une plaque sur laquelle le donut tomberait.
Le dernier composant à implémenter était le programme ROS, exécuté sur le Raspberry Pi. Une fois la commande passée sur l'iPad, elle était transmise sans fil au Raspberry Pi. De là, le Raspberry Pi se chargeait de contrôler le processus de décoration des donuts en interagissant avec les cartes Arduino pour garantir leur décoration correcte.
Quatre stations ont été utilisées pour les derniers tests. Les stations de glaçage à la vanille, de glaçage au chocolat, de vermicelles arc-en-ciel et de crumbles Oreo ont été sélectionnées. Après quelques séries de tests, le DonutBot a été perfectionné pour décorer un donut de manière autonome dès réception d'une commande de donuts via l'interface iPad.
Le DonutBot terminé :
Problèmes : comment ils sont apparus et ont été surmontés
Comme tout projet, il y a des moments d'essais, d'erreurs et de résolution. L'équipe DonutBot n'a pas fait exception ; elle a rencontré et résolu avec succès les problèmes ci-dessous.
Aspiration sous vide vs griffe servocommandée
Lors des premières étapes de conception, un problème majeur a été rencontré : l'aspiration des beignets par le vide. Cette aspiration était également suffisante pour aspirer le glaçage et les vermicelles dans le tube à vide.
Pour résoudre ce problème, l'équipe a décidé de remplacer l'aspirateur par une pince servocommandée capable de maintenir les beignets sans en extraire la garniture. L'absence d'aspirateur a considérablement réduit la puissance requise par le système, rendant ainsi l'homologation CSA superflue.
Problèmes de bras robotisés
Il a été constaté que le déplacement du bras vers une station à gauche fonctionnait comme prévu. En revanche, le déplacement vers une station à droite ne fonctionnait pas correctement. Le bras robotique continuait de se déplacer vers la droite, jusqu'au point de dépose, même après avoir atteint sa station de destination. Ce problème était dû à l'absence de détection par l'Arduino de l'interrupteur de fin de course déclenché. Après un débogage logiciel et matériel, il a été constaté que les valeurs des interrupteurs 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 câblés sur le même Arduino, le courant consommé par l'actionneur X était trop important pour être géré par une seule carte Arduino. Par conséquent, les valeurs réelles des fins de course étaient modifiées selon le sens du mouvement. La solution a consisté à utiliser deux cartes Arduino : une pour l'interface avec les deux actionneurs, et une autre pour l'interface avec le servomoteur et les fins de course externes. Après avoir implémenté ce changement et ajouté un anti-rebond au code pour lire les valeurs parasites des fins de course, tous les composants électriques fonctionnaient correctement.
Conclusion
En conclusion, le DonutBot, conçu par l'équipe d'ingénierie de l'Université de Waterloo, permettait de prendre des commandes via une interface iPad pour personnaliser instantanément des beignets de haute qualité grâce à un bras robotisé et un système de contrôle automatisé. Le DonutBot a été présenté par l'équipe lors du Symposium de conception de pointe en génie mécatronique. Hormis l'ajout d'un boîtier autour du robot (ce qui a pu empêcher les spectateurs de voir clairement le fonctionnement du DonutBot 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 !