Vývoj motorizovaného zatahovacího joysticku: 10 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Tento motorizovaný zatahovací joystick je levné řešení pro uživatele invalidních vozíků, kteří mají potíže s používáním ručních výkyvných držáků joysticku. Jedná se o iteraci designu předchozího projektu zatahovacího joysticku.

Projekt se skládá ze dvou částí: mechanické části (konstrukce držáku, montáž atd.) A elektrické části (obvody, kód Arduino atd.).

Motorizovaný výsuvný modul joysticku může vyrobit a replikovat kdokoli podle zde uvedených pokynů. Nejsou potřeba žádné předchozí znalosti o obvodech nebo Arduino nebo Solidworks. Do tohoto projektu je zapojeno velmi málo pájení a návod k pájení najdete zde. Bude nutný přístup k základním operacím vrtání/obrábění. Podrobná vysvětlení návrhu jsou uvedena v mechanické části a elektrické části.

Krok 1: Obsah

1. Obsah

2. Vlastnosti a funkčnost

   • Motorizovaný mechanismus zatahování a vysouvání
   • Režim vlevo/vpravo
   • Modularita
   • Nastavitelná rychlost otáčení
3. Příprava

   • Software

     Arduino

   • Hardware

     • Souhrn všech potřebných dílů a nástrojů
     • Arduino Nano (Rev 3.0)
     • Čip ovladače motoru: L293D
     • Stahovací rezistory
     • Tlačítka a přepínače
     • Výběr motoru

   • Napájení z elektrických invalidních vozíků

     Pomocí USB portu

4. Mechanická část

   • Výrobní
   • Nástavec koncového spínače
   • Montáž/Demontáž
   • Výměna motoru
   • Pouzdro elektroniky

5. Elektrická část

   • Obvody

     • Schémata
     • Rozložení na prkénku
   • Arduino kód

6. Pokyny krok za krokem

   Stáhněte si soubor s pokyny v PDF

7. Odstraňování problémů
8. Video dokumentace
9. Reference

Krok 2: Vlastnosti a funkčnost

Motorizovaný mechanismus zatahování a vysouvání

Tento motorizovaný výsuvný držák joysticku umožní uživatelům invalidních vozíků automaticky zatáhnout nebo vysunout joystick. Uživatelé mají možnost buď stisknout dvě tlačítka (jedno pro zasunutí a jedno pro vysunutí) nebo jedno tlačítko (jedno tlačítko pro zasunutí i vysunutí) podle svých preferencí. Umístění tlačítek je flexibilní a může se měnit tak, aby vyhovovalo různým požadavkům uživatelů. Tlačítka jsou připojena k obvodu prostřednictvím univerzálních konektorů pro tlačítka, takže tlačítka použitá v této ukázce lze nahradit jakýmkoli univerzálním tlačítkem.

Režim vlevo/vpravo

Tento produkt je vhodný pro leváky i praváky. Technik instalující motorizovaný systém na elektrický invalidní vozík klienta může snadno změnit režim přepnutím přepínače v krabici elektroniky. V kódu není nutné provádět žádné úpravy.

Modularita

Výrobek je bezpečný proti selhání. Pokud je automatický mechanismus výchozí nebo pokud se systém opravuje, nebude mechanismus ručního odklápění ovlivněn. Podrobný popis jednoduché montáže a demontáže je uveden dále v pokynech.

Nastavitelná rychlost otáčení

Rychlost otáčení automatizovaného mechanismu lze upravit úpravou kódu Arduino (pokyny jsou uvedeny v dalších částech). Z bezpečnostních důvodů by rychlost otáčení neměla být příliš vysoká, protože systém nedokáže vycítit, co by mohlo stát v cestě, což by mohlo způsobit menší zranění.

Krok 3: Příprava

Software

V tomto projektu se používá Arduino, takže budete muset mít na počítači nainstalované Arduino IDE. Odkaz na stažení aplikace je zde. Kód Arduino použitý pro tento produkt je k dispozici v pozdější části.

Hardware

Shrnutí všech potřebných dílů a nástrojů

Následující tabulka obsahuje všechny součásti a nástroje potřebné pro tento projekt.

Arduino Nano (Rev 3.0)

V tomto produktu je použito Arduino Nano (Rev 3.0). Tuto desku však můžete nahradit jinými deskami Arduino obsahujícími PWM piny. V tomto projektu jsou vyžadovány PWM piny, protože k ovládání čipu ovladače motoru (L293D) použijeme Arduino (obrázek) a čip musí být řízen vstupy PWM. PWM piny Arduino Nano (Rev 3.0) zahrnují: D3 pin (Pin 6), D5 pin (Pin 8), D6 pin (Pin 9), D9 pin (Pin 12), D10 pin (Pin 13), D11 pin (Kolík 14). Pokud vás zajímá více podrobností o Arduino Nano, jeho rozložení pinů a schématech lze odkazovat zde.

Čip ovladače motoru: L293D

L293D je výkonný čip ovladače stejnosměrného motoru, který umožňuje otáčení stejnosměrného motoru ve směru hodinových ručiček i proti směru hodinových ručiček.

Kolíky, které jsou použity v tomto projektu, zahrnují: Enable1, 2 pin (Pin 1), Input 1 (Pin 2), Output 1 (Pin 3), GND (Pin 4), Output 2 (Pin 6), Input 2 (Pin 7), Vcc 1 (kolík 8), Vcc 2 (kolík 16).

• Enable1, 2 pin (Pin 1): control the speed of the motor
• Vstup 1 (kolík 2): ovládání směru motoru
• Výstup 1 (pin 3): připojení k motoru, na polaritě nezáleží
• GND (Pin 4): připojení k zemi
• Výstup 2 (kolík 6): připojení k motoru, na polaritě nezáleží
• Vstup 2 (pin 7): ovládání směru motoru
• Vcc 1 (Pin 8): napájení vnitřního obvodu čipu, připojení na 5 V.
• Vcc 2 (Pin 16): napájení stejnosměrného motoru, mění se podle požadavku motoru. Motor použitý pro tento projekt může být napájen 5 V.

Pokud vás zajímají další podrobnosti o L293D, jeho datový list je přístupný zde a zde.

Stahovací rezistory

Každé tlačítko/spínač je spárováno se stahovacím odporem. Pull-down rezistory jsou zde, aby vám pomohly zajistit, že Arduino bude z pinu číst konstantní hodnotu. Pokud nespárujete naše tlačítka/přepínač s odporem, hodnota, kterou Arduino načte z odpovídajícího pinu, by se pohybovala mezi 0 a 1. V tomto případě nebudou tlačítka/přepínač fungovat podle očekávání. Protože používáme stahovací rezistory, budou rezistory zapojeny mezi odpovídající digitální pin a zem, takže tlačítka/přepínač budou zapojeny mezi napájecí pin (+5 V) a digitální pin na Arduino Nano. Po stisknutí tlačítka načte Arduino 1 z odpovídajícího pinu. V tomto projektu jsou použity tři odpory 270 Ω.

Tlačítka/Přepínač

V tomto projektu implementujeme 3,5mm jack konektor (y) na prkénko pro snadnou výměnu tlačítka. Dvoupólový přepínač (pro přepnutí levého/pravého režimu) je připojen přímo na prkénko, protože většina uživatelů invalidních vozíků nemusí s vypínačem komunikovat a spínač je určen pro osobu, která pomáhá celý mechanismus instalovat.

Výběr motoru

Od společnosti The Boston Home Inc. jsme získali několik ručně zatahovatelných držáků stojanů z různých elektrických invalidních vozíků. Testovalo se a vypočítávalo množství síly a točivého momentu potřebné k zatažení všech těchto vzorků. Po kontrole specifikací motoru byl pro montáž na joystickový stojan, který byl ukázán výše, vybrán stejnosměrný motor s převodovkou, který byl ukázán dříve, jako ukázka pokynů, protože tento držák na joystickový stojan vyžadoval největší točivý moment ze všech 4 vzorků, které jsme měli. Budete chtít vyzkoušet množství síly a točivého momentu potřebného pro rameno joysticku + hmotnost samotné sestavy joysticku, abyste se ujistili, že se vejde do specifikace.

Napájení z elektrických invalidních vozíků

Většina elektrických invalidních vozíků je vybavena napájecím zdrojem 24 V. Tento automatizovaný výsuvný joystick vyžaduje vstup 5 V. Protože je výrobek navržen tak, aby přijímal energii z napájecího zdroje pro invalidní vozík, není nutné žádné externí napájení.

Pomocí USB portu

Online převodník bucků DC-DC 24V na 5V (ke snížení napětí se používá převodník buck.) Modul s USB portem lze objednat online (ten, který jsme použili, byl objednán zde). Připojte vstup převodníku buck k napájecímu zdroji 24 V (napájecí port k napájecímu portu a zemnící port k zemnímu portu) a desku Arduino Nano pak můžete připojit k modulu převodníku buck přes USB port.

Krok 4: Mechanická část

Všechna měření a rozměry byly provedeny s odkazem na konkrétní rameno joysticku, které jsme pro tento projekt použili. Ty se mohou lišit v závislosti na paži a všimneme si důležitých oblastí variability.

Výrobní

K opětovnému vytvoření mechanické části je třeba vyrobit tři další díly (viz obrázky). Vnější rameno ramene joysticku také vyžaduje úpravu pro připevnění mechanických součástí k držáku joysticku.

1. Horní držák
2. Středové složení
3. Blok točivého momentu spojky
4. Vnější rameno

Pomocí hliníkové pažby ve tvaru písmene L (horní a dolní držáky), hliníkové čtvercové tyče (blok spojky krouticího momentu) a stávajícího ramene joysticku (vnější rameno) postupujte podle výkresů dílů a/nebo souborů 3D STL.

Upevnění koncového spínače Dráty by měly být před připojením připájeny na koncový spínač. Polohování koncového spínače je flexibilní, pokud je spínač sepnutý, když je rameno zataženo, a rozepnutý, když je joystick v normální poloze. Podrobnosti viz krok montáže 8 a soubory „vnější_arm“propojené výše.

Způsob montáže

Viz obrázky pro každý krok.

1. Připojte motor k držáku motoru vyrovnáním otvorů a zašroubováním 6 plochých šroubů M-3 (ne všech 6 bude zapotřebí k udržení motoru na místě, ale zašroubujte jich co nejvíce pro maximální bezpečnost; zajistěte použití šroubů správnou délku podle tloušťky držáku, aby nedošlo k poškození motoru).
2. Vyrovnejte spojovací kus pod vnější tyč a zašroubujte na místo pomocí plochého šroubu ½” #8-32. Aby bylo možné spojovací kus připojit k rameni, bude možná nutné vyvrtat a poklepat do ramene otvor 8-32. *V tomto případě se rameno otočí proti směru hodinových ručiček, takže vnější tyč (z pohledu uživatele elektrického invalidního vozíku) je vlevo. U pravorukých uživatelů to bude obrácené.
3. Upevněte horní držák na výsuvné rameno pomocí šroubu M-6 (volně).
4. Přesuňte zatahovací rameno do vysunuté polohy.
5. Namontujte podsestavu držáku motoru a motoru na výsuvné rameno zasunutím hřídele motoru do odpovídajícího otvoru na spojkovém kusu. Část držáku by měla zapadnout mezi rameno a horní držák a zarovnat otvory.
6. Pomocí šroubu ¼-20 a pojistné matice upevněte dva držáky k sobě. Poté utáhněte šroub M6 na horním držáku.
7. Zajistěte, aby byl držák ve vysunuté poloze, zajistěte motor ke spojce pomocí nastavovacího šroubu 10-32.
8. Zašroubujte koncový spínač pomocí 2 šroubů č. 2–56 (ujistěte se, že bude koncový spínač sepnutý v poloze zcela ven - v našem případě jej ramenní šroub přitlačí).

*Poznámka k připevnění stavěcích šroubů: stavěcí šrouby musí být v kontaktu s plochou stranou D-hřídele. Chcete -li upravit směr hřídele, připojte motor k napájení, dokud nebude plochá strana v požadované poloze. Alternativně můžete nastavit obvod, jak je uvedeno v 4.1 Obvody elektrických částí níže, a změnit časování v řádku 52 kódu, jak je uvedeno v 4.2 Arduino Code pro elektrickou část, dokud nebude v požadované poloze. Po montáži jej nezapomeňte změnit zpět!

Demontáž

Dodržujte postup montáže v opačném směru. Níže se podívejte, jestli vám motor shoří a potřebuje vyměnit.

Výměna motoru

1. Demontujte stavěcí šroub, který drží hřídel na spojkovém kusu.
2. Odšroubujte upevňovací prvek konzoly lock-20 a pojistnou matici.
3. Vytáhněte podsestavu držáku motoru a motoru a vyšroubujte motor pro výměnu.
4. Pomocí šroubů připevněte nový motor k držáku.
5. Vložte nový hřídel motoru do otvoru v spojkovém kusu a zasuňte držák na místo (v případě potřeby povolte horní šroub M6).
6. Zašroubováním šroubu ¼-20 a pojistné matice držáky znovu upevněte (v případě potřeby utáhněte horní šroub M6).
7. Nakonec zajistěte hřídel ke spojce stavěcím šroubem.

Pouzdro elektroniky

1. Umístěte obvod prkénka sestavený v elektrické části do skříně elektroniky, jak je znázorněno na obrázku.
2. Pomocí mlýna a/nebo vrtačky vytvořte sloty a otvory pro konektory (USB port Arduino, konektor pro tlačítka a přepínač).
3. Příklad viz obrázek výše. Pozice slotů a otvorů budou záviset na vašich součástech a obvodu.

Krok 5: Elektrická část

Obvody

Schémata

Schéma obvodu je znázorněno na obrázku 1 v této části a je také k dispozici na Githubu. Napájení 5V bude dodáváno z elektrického invalidního vozíku na desku Arduino Nano. Deska Arduino Nano je kódována tak, že bude řídit chování spínače a pohyb stejnosměrného motoru. V případě zájmu je návrh a zapojení obvodu vysvětleno v části Hardware (hypertextový odkaz na část hardwaru).

Rozložení na prkénku

Obrázek zapojení vodičů od Fritzinga nebo obvodu je znázorněn na obrázku 2 v této části a obrázek finálního nepájivého pole je na obrázku 3.

Arduino kód

Kód použitý pro tento produkt je zobrazen na boku a můžete si jej stáhnout zde.

Chcete -li nahrát kód do arduina, stáhněte si Arduino IDE do počítače. Použijte stažený kód „Rhonda_v4_onebutton.ino“.

Každý řádek kódu má v souboru kódu své vysvětlení řádek po řádku.

Nahrajte kód do Arduina pomocí (rozhraní je zobrazeno zde):

1. Připojte Arduino k počítači pomocí USB konektoru

2. Na kartě Nástroje v rozhraní Arduino:

   • Nastavte desku na „Arduino Nano“
   • Nastavte port na port USB
3. Stiskněte tlačítko Odeslat (→)
4. Počkejte, až se na rozhraní zobrazí „nahrávání dokončeno“.

Aktuální rychlost je nastavena na maximum 255 v řádku 25 "analogWrite (motorPin, 255)" pro otáčení motoru a minimální 0 v řádku 36 "analogWrite (motorPin, 0)" pro zastavení motoru. Rozsah otáček lze nastavit mezi 0 až 255, jak je vhodné pro otáčky motoru.

Aktuální doba otáčení je načasována pro konkrétní držák stojanu, který jsme vybrali, ale můžete jednoduše upravit kód (řádek 52), abyste změnili čas otáčení a přizpůsobili se konkrétnímu ramenu joysticku, které máte. Čas je v Arduinu v mikrosekundách. Pokud například chceme, aby doba otáčení byla 5 sekund, měli byste v Arduinu nastavit čas na „5000“.

Krok 6: Stažení pokynů krok za krokem

Krok 7: Odstraňování problémů (aktualizováno 12/12/17)

1. Motor není zatahovací rameno.

   • Ujistěte se, že je přepínač v požadovaném směru
   • Zkontrolujte, zda jsou utažené stavěcí šrouby
   • Zkontrolujte, zda nedošlo k mechanickému zaseknutí
   • Zkontrolujte spojení mezi motorem a obvodem
   • Zkontrolujte připojení obvodu (testovací obvod pouze s motorem, nepřipojený k sestavě)
   • Podpořte joystick určitou silou: pokud se rameno nyní zatáhne s podporou, váš motor není dostatečně silný! Zkontrolujte, zda je použité tlačítko funkční

2. Paže se pohybuje příliš daleko nebo příliš daleko.

   Změňte načasování v kódu Arduino, jak je uvedeno v Arduino Code Read Me

Krok 8: Video dokumentace

Krok 9: Reference

1. Naučte se a vytvořte si vlastní levný ovladač motoru L293D (Kompletní průvodce pro L293D) https://just4electronics.wordpress.com/2015/08/28/learn-make-your-own-cheap-l293d-motor-drivera- kompletní průvodce pro l293d/

Krok 10: AKTUALIZACE 14/14/18

• Opracované nové ramenní tyče z oceli (ve srovnání s původním hliníkem) s větší výškou, aby se zabránilo zatížení průhybu paprsku
• Přepnuto na motor s vyšším točivým momentem (1497 oz-in)
• Aktualizován kód, který nebyl kompilován
• Testováno revidované zařízení na klientově invalidním vozíku