Automatický dávkovač pilulek: 10 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Jsme první studenti magisterského oboru Elektromechanické inženýrství na bruselské fakultě strojírenství (ve zkratce „Bruface“). Jedná se o iniciativu dvou univerzit sídlících v centru Bruselu: Université Libre de Bruxelles (ULB) a Vrije Universiteit Brussel (VUB).

V rámci programu jsme museli vytvořit skutečný fungující mechatronický systém pro kurz Mechatronika.

V teoretických kurzech jsme se dozvěděli, jak by měly být různé komponenty kombinovány do reálných aplikací. Poté jsme dostali úvod o základech mikrokontroléru Arduino a o ovládání mechatronického systému. Cílem kurzu bylo umět navrhnout, vyrobit a naprogramovat mechatronický systém.

To vše by mělo být provedeno ve skupině. Naše skupina byla mezinárodní tým, který se skládá ze dvou čínských studentů, dvou belgických studentů a jednoho kamerunského studenta.

Nejprve chceme vyjádřit poděkování za podporu Albertovi De Beirovi a profesorovi Bramu Vanderborghtovi.

Jako skupina jsme se rozhodli řešit sociální relevantní problém. Jak se stárnutí populace stává globálním problémem, pracovní zátěž pečovatelů a sester je příliš velká. Jak lidé stárnou, často musí užívat více léků a vitamínů. S automatickým dávkovačem pilulek je pro nepřítomné starší lidi možné, aby se s tímto úkolem vypořádali nezávisle o něco déle. Ošetřovatelé a sestry tak mohou mít více času na více závislých pacientů.

Také by to bylo velmi užitečné pro všechny, kteří jsou občas trochu zapomnětliví a nepamatují si, že by měli vzít své pilulky.

Mechatronický systém by tedy měl dodat řešení, které uživateli připomene, aby si vzal své pilulky, a také pilulky vydá. Také dáváme přednost tomu, aby automatický dávkovač pilulek byl uživatelsky přívětivý, aby ho mohl používat každý: bez ohledu na věk!

Krok 1: Materiály

Kryt:

• Mdf: tloušťka vnitřního pouzdra 4 mm
• Mdf: tloušťka 3 a 6 mm pro vnější pouzdro

Shromáždění

• Šrouby a matice (M2 a M3)
• Malé kuličkové ložisko

Mikrokontrolér:

Arduino UNO [odkaz na objednávku]

Elektronické součástky

• Prázdná deska s plošnými spoji [odkaz na objednávku]
• Malý servomotor 9g [odkaz na objednávku]
• Malý stejnosměrný motor 5V [Objednat odkaz]
• Tranzistor: BC 237 (NPN bipolární tranzistor) [Objednat odkaz]
• Dioda 1N4001 (špičkové inverzní napětí 50V) [odkaz na objednávku]
• Pasivní bzučák: piezoelektrický převodník
• LCD1602

• Rezistory:

  • 1 x 270 ohmů
  • 1 x 330 ohmů
  • 1 x 470 ohmů
  • 5 x 10 k ohmů
• Infračervený vysílač
• Infračervený detektor

Krok 2: Vnitřní pouzdro

Na vnitřní pouzdro lze pohlížet jako na krabici, která obsahuje veškerou vnitřní mechaniku a elektroniku. Skládá se z 5 desek 4 mm MDF, které jsou laserem řezány do správných tvarů. K dispozici je také volitelný šestý talíř, který lze přidat. Tento volitelný šestý kus má čtvercový tvar a lze jej použít jako víko. Pět talířů (dno a čtyři strany) je navrženo ve tvaru skládačky, takže do sebe dokonale zapadají. Jejich montáž lze vyztužit pomocí šroubů. Letadla již mají otvory, kam by se měly vejít ostatní části nebo kam by měly být umístěny šrouby.

Krok 3: Vnitřní mechanismus

VÝDEJNÍ MECHANISMUS

Mechanismus

Náš mechanismus dávkování pilulek je následující: uživatel vloží pilulky do úložného prostoru v horní části krabice. Když je spodní deska této přihrádky šikmá, pilulky automaticky sklouznou dolů do první trubice, kde se naskládají. Pod touto trubicí je válec s malým otvorem, do kterého dokonale zapadá pouze jedna pilulka. Tento malý otvor je umístěn přímo pod trubkou, takže se pilulky skládají nad ní, zatímco první pilulka leží v otvoru válce. Když je třeba užít pilulku, válec (s pilulkou dovnitř) se otočí o 120 stupňů, takže pilulka ve válci spadne dolů do druhého válce. V tomto druhém válci je umístěn senzor, který detekuje, zda z válce skutečně spadla pilulka. Slouží jako systém zpětné vazby. Tato trubice má jednu stranu, která vyčnívá výše než druhá. Důvodem je, že tato strana zabraňuje tomu, aby pilulka spadla přes druhou trubičku, a pomáhá tak zaručit, že pilulka spadne do tuby a bude detekována senzorem. Pod touto trubkou je umístěna malá skluzavka tak, aby se kapka pilulky sklouzla skrz otvor v přední části vnitřní krabice.

Celý tento mechanismus potřebuje několik částí:

• Laserem řezané díly

  1. Spodní šikmá deska úložného prostoru.
  2. Boční šikmé desky úložného prostoru

• 3D tištěné díly

  1. Horní trubka
  2. Válec
  3. Osa
  4. Spodní trubice (viz spodní trubice a přihrádka senzoru)
  5. Snímek

• Ostatní díly

  Valivé ložisko

Všechny soubory našich dílů, které jsou potřebné k řezání laserem nebo 3D tisku, naleznete níže.

Různé díly a jejich montáž

DESKY SKLADOVÁNÍ

Úložný prostor se skládá ze tří desek, které jsou řezány laserem. Tyto desky lze sestavit a spojit navzájem a s vnitřní krabicí, protože mají několik otvorů a malých kusů. To proto, aby do sebe všichni zapadli jako puzzle! Otvory a odstávající kusy jsou již přidány do souborů CAD, které lze použít laserem.

HORNÍ TRUBKA

Horní trubka je připojena pouze k jedné straně vnitřního boxu. Je spojen pomocí desky, která je k němu připevněna (je součástí výkresu CAD pro 3D tisk).

LOŽISKO VÁLCE A ROLE

Válec je spojen se 2 stranami krabice. Na jedné straně je připojen k servomotoru, který indukuje rotační pohyb, když musí pilulka upustit. Na druhé straně to

SPODNÍ SPODNÍ TRUBKA A SENZOR

Snímání je důležitou činností, pokud jde o výdej pilulek. Musíme být schopni získat potvrzení, že pacient ve vhodnou dobu užil přidělenou pilulku. K získání této funkce je důležité zvážit různé kroky návrhu.

Výběr správných detekčních komponent:

Od chvíle, kdy byl projekt validován, jsme museli hledat a vhodnou součást, která potvrdí průchod pilulky z krabice. Vědět, že senzory mohou být pro tuto akci užitečné, hlavní výzvou bylo znát typ, který bude kompatibilní s designem. První komponentou, kterou jsme našli, byl fotointeruptor skládající se z IR vysílače a IR fototranzistorové diody. 25/64 “slot PCB HS 810 fotointeruptor byl řešením kvůli jeho kompatibilitě, díky čemuž jsme se vyhnuli možnému problému konfigurace úhlu. Rozhodli jsme se to kvůli geometrii nepoužívat, bude obtížné začlenit do trysky. Z nějakého souvisejícího projektu jsme viděli, že je možné použít jako senzor IR vysílač s IR detektorem s menším počtem dalších komponent. Tyto IR komponenty lze nalézt v různých tvarech.

3D tisk trysky na pilulky, která otvory v senzoru

Aby bylo možné vytřídit hlavní komponentu, která bude použita jako senzor, bylo načase zkontrolovat, jak budou na trysce umístěny. Tryska má vnitřní průměr 10 mm pro volný průchod pilulky z rotujícího válce. V datovém listu snímacích prvků jsme si uvědomili, že zavedení otvorů kolem povrchu trysky odpovídající rozměru součásti bude další výhodou. Měly by být tyto otvory umístěny v jakémkoli bodě podél povrchu? ne, protože pro dosažení maximální detekce je třeba vyhodnotit úhlovost. Vytiskli jsme prototyp na základě výše uvedených specifikací a zkontrolovali jsme detekovatelnost.

Vyhodnocení možného úhlu paprsku a detekčního úhlu

Z datového listu součástí snímače jsou paprsek a detekční úhel 20 stupňů, což znamená, že jak vyzařující světlo, tak detektor mají široké rozpětí 20 stupňů. Přestože se jedná o specifikace výrobců, je stále důležité testovat a potvrzovat. Toho bylo dosaženo prostým pohráváním se součástkami, které zavedly stejnosměrný zdroj vedle LED. Dospěl k závěru, že je umístí naproti sobě.

Shromáždění

3D design trubice má desku spojenou se 4 otvory. Tyto otvory se používají k připojení trubice k vnitřnímu pouzdru pomocí šroubů.

Krok 4: Vnitřní mechanismus elektroniky

Dávkovací mechanismus:

Dávkovací mechanismus je dosažen použitím malého servomotoru pro otáčení velkého válce.

Hnací kolík servomotoru „Reely Micro-servo 9g“je připojen přímo k mikrokontroléru. Mikrokontrolér Arduino Uno lze snadno použít k ovládání servomotoru. Důvodem je existence vestavěné knihovny pro servomotorické akce. Například příkazem 'write' lze dosáhnout požadovaných úhlů 0 ° a 120 °. (To se provádí v kódu projektu pomocí 'servo.write (0)' a 'servo.write (120)').

Vibrátor:

Malý bezkartáčový stejnosměrný motor s nevyvážením

Této nevyváženosti je dosaženo kusem plastu, který spojuje osu motoru malým šroubem a maticí.

Motor je poháněn malým tranzistorem, což se děje proto, že digitální pin nemůže dodávat vyšší proudy než 40,0 mA. Poskytnutím proudu z Vin pinu mikrokontroléru Arduino Uno lze dosáhnout proudů až 200,0 mA. To stačí k napájení malého stejnosměrného motoru.

Když je napájení motoru náhle zastaveno, získáte špičkový proud díky vlastní indukčnosti motoru. Přes připojení motoru je tedy umístěna dioda, aby se zabránilo zpětným tokům proudu, který může poškodit mikrokontrolér.

senzorový systém:

Pomocí infračervené emitorové diody (LTE-4208) a infračervené detekční diody (LTR-320 8) připojené k mikrokontroléru Arduino Uno k potvrzení průchodu pilulky. Jakmile pilulka spadne, za krátkou dobu zastíní světlo infračervené emitorové diody. Pomocí analogpininu arduina bychom získali tyto informace.

pro detekci:

analogRead (A0)

Krok 5: Vnější případ

• Velikost: 200 x 110 x 210 mm

• Materiál: dřevovláknitá deska střední hustoty

  Tloušťka plechu: 3 mm 6 mm

• Způsob zpracování: řezání laserem

Pro vnější pouzdro jsme použili různé druhy tlouštěk kvůli chybám laserového řezání. Vybíráme 3 mm a 6 mm, abychom zajistili těsné spojení všech listů.

Pokud jde o velikost, s ohledem na prostor pro vnitřní pouzdro a elektronická zařízení, šířka a výška vnějšího pouzdra je větší než vnitřní. Délka je mnohem delší, aby byl prostor pro elektronická zařízení. Navíc, abychom zajistili, že pilulky snadno vypadnou z krabice, ponechali jsme vnitřní a vnější pouzdro velmi blízko.

Krok 6: Vnější elektronika

U externí elektroniky jsme museli nechat našeho robota komunikovat s lidmi. Abychom toho dosáhli, vybrali jsme jako komponenty LCD, bzučák, LED a 5 tlačítek. Tato část dávkovače pilulek funguje jako budík. Pokud není správný čas na užívání pilulek, na displeji LCD se zobrazí pouze čas a datum. Když si pacient musí vzít pilulku, LED se rozsvítí, bzučák přehraje hudbu a na displeji LCD se zobrazí „Přeji vám zdraví a štěstí“. Můžeme také použít spodní část obrazovky ke změně času nebo data.

Povolit LCD

Použili jsme LCD-1602 k připojení přímo k mikrokontroléru a pro povolení LCD jsme použili funkci: LiquidCrystal lcd.

Bzučák

Vybrali jsme pasivní bzučák, který dokáže přehrávat zvuky různých frekvencí.

Aby mohl bzučák hrát písně „City of the Sky“a „Happy Acura“, definovali jsme čtyři pole. Dva z nich jsou pojmenovány „tune“, kde jsou uloženy informace o notách těchto dvou skladeb. Další dvě pole byla pojmenována „Duration“. Tato pole ukládají rytmus.

Poté vytvoříme smyčku, která přehrává hudbu, což můžete vidět ve zdrojovém kódu.

Načasování

Napsali jsme řadu funkcí pro sekundu, minutu, hodinu, datum, měsíc, týden a rok.

K výpočtu času jsme použili funkci: millis ().

Pomocí tří tlačítek „vybrat“, „plus“a „mínus“lze čas změnit.

Jak všichni víme, pokud chceme ovládat nějakou komponentu, musíme použít piny arduina.

Piny, které jsme použili, byly následující:

LCD: Pin 8, 13, 9, 4, 5, 6, 7

Bruzzer: Pin 10

Servomotor: Pin 11

Motor pro vibrace: Pin12

Senzor: A0

Button1 (s): A1

Tlačítko 2 (plus): A2

Tlačítko 3 (minus): A3

Tlačítko 4 (vezměte si prášky): A4

LED: A5

Krok 7: Celková montáž

Nakonec získáme celkovou sestavu jako na obrázku výše. Na některých místech jsme použili lepidlo, abychom se ujistili, že je dostatečně těsné. Na některých místech uvnitř stroje jsme také použili pásku a šrouby, aby byl dostatečně pevný. Soubor. STEP našich výkresů CAD najdete v dolní části tohoto kroku.

Krok 8: Nahrání kódu

Krok 9: Epilog

Stroj je schopen varovat uživatele, aby si vzal lék, a doručí správné množství pilulek. Po diskusi s kvalifikovaným a zkušeným lékárníkem však existuje několik poznámek. Prvním problémem je kontaminace pilulek, které jsou po dlouhou dobu vystaveny vzduchu v nádobě, čímž se sníží kvalita a účinnost. Pilulky by normálně měly být obsaženy v dobře uzavřené hliníkové tabletě. Také když uživatel vydá během určité doby pilulku A a poté potřebuje vydat pilulku B, je poměrně složité vyčistit stroj, aby se zajistilo, že nejsou žádné částice pilulky A kontaminující pilulku B.

Tato pozorování poskytují kritický pohled na řešení, které tento stroj přináší. K odstranění těchto nedostatků je tedy zapotřebí dalšího výzkumu…

Krok 10: Reference

[1]

[2] Wei-Chih Wang. Optické detektory. Katedra energetického strojírenství, národní univerzita Tsing Hua.