Vývoj motorizovaného zasúvateľného joysticku: 10 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:58

Tento motorizovaný zasúvateľný joystick je lacné riešenie pre užívateľov invalidných vozíkov, ktorí majú problémy s používaním ručných výkyvných držiakov joysticku. Ide o iteráciu dizajnu predchádzajúceho projektu zaťahovacieho joysticku.

Projekt sa skladá z dvoch častí: mechanickej časti (konštrukcia držiaka, montáž atď.) A elektrickej časti (obvody, kód Arduino atď.).

Motorizovaný výsuvný modul joysticku môže vyrobiť a replikovať ktokoľvek podľa nižšie uvedených pokynov. Nie sú potrebné žiadne predchádzajúce znalosti o obvodoch alebo Arduino alebo Solidworks. V tomto projekte je zapojených veľmi málo spájkovania a návod na spájkovanie nájdete tu. Bude potrebný prístup k základným operáciám vŕtania/obrábania. Podrobné vysvetlenia konštrukcie sú uvedené v mechanickej a elektrickej časti.

Krok 1: Obsah

1. Obsah

2. Vlastnosti a funkčnosť

   • Motorizovaný mechanizmus zasúvania a vysúvania
   • Režim ľavá/pravá ruka
   • Modularita
   • Nastaviteľná rýchlosť otáčania
3. Príprava

   • Softvér

     Arduino

   • Hardvér

     • Súhrn všetkých potrebných súčiastok a nástrojov
     • Arduino Nano (Rev 3.0)
     • Čip ovládača motora: L293D
     • Výsuvné odpory
     • Tlačidlá a prepínače
     • Výber motora

   • Napájanie z elektrických invalidných vozíkov

     Použitie portu USB

4. Mechanická časť

   • Výroba
   • Nástavec koncového spínača
   • Montáž/demontáž
   • Výmena motora
   • Skriňa elektroniky

5. Elektrická časť

   • Obvody

     • Schémy
     • Rozloženie na doske
   • Arduino kód

6. Pokyny krok za krokom

   Stiahnite si súbor s pokynmi vo formáte PDF

7. Riešenie problémov
8. Video dokumentácia
9. Referencie

Krok 2: Vlastnosti a funkčnosť

Motorizovaný mechanizmus zasúvania a vysúvania

Tento motorizovaný zasúvateľný držiak joysticku umožní používateľom invalidných vozíkov automaticky zasunúť alebo vysunúť joystick. Používatelia majú podľa svojich preferencií možnosť buď stlačiť dve tlačidlá (jedno na zasunutie a jedno na vysunutie) alebo jedno tlačidlo (jedno tlačidlo na zasunutie aj vysunutie). Umiestnenie tlačidiel je flexibilné a môže sa meniť tak, aby vyhovovalo rôznym požiadavkám používateľov. Tlačidlá sú k obvodu pripevnené prostredníctvom univerzálnych tlačidlových konektorov, takže tlačidlá použité v tejto ukážke je možné nahradiť akýmkoľvek univerzálnym tlačidlom.

Režim ľavá/pravá ruka

Tento produkt je vhodný pre ľavákov aj pravákov. Technik inštalujúci motorizovaný systém na invalidný vozík klienta môže ľahko zmeniť režim prepnutím prepínača v skrinke elektroniky. V kóde nie je potrebné vykonávať žiadne zmeny.

Modularita

Výrobok je bezpečný pre prípad poruchy. Ak dôjde k zlyhaniu automatizovaného mechanizmu alebo ak sa opravuje systém, nebude to mať vplyv na mechanizmus ručného výkyvu. Podrobný popis jednoduchého postupu montáže a demontáže je zahrnutý ďalej v pokynoch.

Nastaviteľná rýchlosť otáčania

Rýchlosť otáčania automatizovaného mechanizmu je možné nastaviť úpravou kódu Arduino (pokyny sú uvedené v ďalších častiach). Z bezpečnostného hľadiska by rýchlosť otáčania nemala byť príliš vysoká, pretože systém nemôže cítiť, čo by mu mohlo prekážať, čo by mohlo spôsobiť ľahké zranenie.

Krok 3: Príprava

Softvér

V tomto projekte sa používa Arduino, takže budete musieť mať vo svojom počítači nainštalované Arduino IDE. Odkaz na stiahnutie aplikácie nájdete tu. Kód Arduino použitý pre tento produkt je dostupný v neskoršej časti.

Hardvér

Súhrn všetkých potrebných súčiastok a nástrojov

Nasledujúca tabuľka obsahuje všetky diely a nástroje potrebné pre tento projekt.

Arduino Nano (Rev 3.0)

V tomto produkte je použité Arduino Nano (Rev 3.0). Túto dosku však môžete nahradiť inými doskami Arduino obsahujúcimi piny PWM. V tomto projekte sú vyžadované piny PWM, pretože na ovládanie čipu ovládača motora (L293D) použijeme Arduino (obrázok) a čip je potrebné ovládať vstupmi PWM. PWM piny Arduino Nano (Rev 3.0) zahŕňajú: D3 pin (Pin 6), D5 pin (Pin 8), D6 pin (Pin 9), D9 pin (Pin 12), D10 pin (Pin 13), D11 pin (Kolík 14). Ak vás zaujímajú ďalšie podrobnosti o Arduino Nano, jeho rozložení pinov a schémach je možné referovať tu.

Čip ovládača motora: L293D

L293D je výkonný čip ovládača jednosmerného motora, ktorý umožňuje otáčanie jednosmerného motora v smere hodinových ručičiek aj proti smeru hodinových ručičiek.

Kolíky, ktoré sa používajú v tomto projekte, zahŕňajú: 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): ovládanie otáčok motora
• Vstup 1 (kolík 2): ovládanie smeru motora
• Výstup 1 (kolík 3): pripojte k motoru, na polarite nezáleží
• GND (kolík 4): pripojte k zemi
• Výstup 2 (kolík 6): pripojte k motoru, na polarite nezáleží
• Vstup 2 (kolík 7): ovládanie smeru motora
• Vcc 1 (pin 8): napájajte vnútorný obvod čipu, pripojte na 5 V.
• Vcc 2 (kolík 16): napájanie jednosmerného motora, líši sa podľa požiadaviek motora. Motor použitý na tento projekt môže byť napájaný 5 V.

Ak vás zaujímajú ďalšie podrobnosti o L293D, jeho technický list je dostupný tu a tu.

Výsuvné odpory

Každé tlačidlo/spínač je spárované s výsuvným odporom. Pull-down rezistory sú tu, aby vám zaistili, že Arduino bude z pinu čítať konštantnú hodnotu. Ak nespárujete naše tlačidlá/prepínače s odporom, hodnota, ktorú Arduino načíta z príslušného kolíka, by sa pohybovala medzi 0 a 1. V tomto prípade tlačidlá/prepínač nebudú fungovať podľa očakávania. Pretože používame sťahovacie odpory, rezistory budú zapojené medzi zodpovedajúci digitálny kolík a uzemnenie, takže tlačidlá/prepínač budú zapojené medzi napájací kolík (+5 V) a digitálny kolík na Arduino Nano. Po stlačení tlačidla Arduino načíta 1 z príslušného pinu. V tomto projekte sú použité tri odpory 270 Ω.

Tlačidlá/prepínač

V tomto projekte implementujeme 3,5 mm jack konektor (y) na doske pre jednoduchú výmenu tlačidiel. Dvojpólový prepínač (na prepnutie režimu ľavá/pravá ruka) je zapojený priamo na doske, pretože väčšina používateľov invalidných vozíkov nemusí s vypínačom komunikovať a spínač je určený pre osobu, ktorá pomáha nainštalovať celý mechanizmus.

Výber motora

Od spoločnosti The Boston Home Inc. sme získali niekoľko ručne zasúvateľných držiakov stojanov z rôznych elektrických invalidných vozíkov. Testovalo sa a vypočítalo množstvo sily a krútiaceho momentu potrebného na stiahnutie všetkých týchto vzoriek. Po skontrolovaní špecifikácií motora bol pre montáž na stojan joysticku, ktorý bol predtým ukázaný, vybratý motor s prevodovkou na jednosmerný prúd, ktorý bol ukázaný vyššie ako ukážka pokynov, pretože tento držiak na joystick vyžadoval najväčší krútiaci moment spomedzi 4 vzoriek, ktoré sme mali. Budete chcieť vyskúšať množstvo sily a krútiaceho momentu potrebného pre vaše rameno joysticku + hmotnosť samotnej zostavy joysticku, aby ste sa uistili, že sa zmestí do špecifikácie.

Napájanie z elektrických invalidných vozíkov

Väčšina invalidných vozíkov s elektrickým pohonom je vybavená napájaním 24 V. Tento automatizovaný zaťahovací joystick vyžaduje vstup 5 V. Pretože je výrobok navrhnutý tak, aby napájal napájanie z invalidného vozíka, nie je potrebné žiadne externé napájanie.

Použitie portu USB

Online prevodník buck prevodníka DC-DC 24 V na 5 V (prevodník napätia slúži na zníženie napätia.) Modul s USB portom je možné objednať online (ten, ktorý sme použili, bol objednaný tu). Pripojte vstup prevodníka Buck k napájaciemu zdroju 24 V (napájací port k napájaciemu portu a uzemňovací port k uzemňovaciemu portu) a dosku Arduino Nano potom môžete pripojiť k modulu prevodníka buck prostredníctvom portu USB.

Krok 4: Mechanická časť

Všetky merania a rozmery boli vykonané s odkazom na konkrétne rameno joysticku, ktoré sme použili pre tento projekt. Tieto sa môžu líšiť v závislosti od ramena a všimneme si dôležité oblasti variability.

Výroba

Na opätovné vytvorenie mechanickej časti je potrebné vyrobiť ďalšie tri diely (pozri obrázky). Vonkajšie rameno ramena joysticku vyžaduje tiež úpravu na pripevnenie mechanických komponentov k držiaku joysticku.

1. Horná konzola
2. Stredové zloženie
3. Blok krútiaceho momentu spojky
4. Vonkajšie rameno

Pri použití hliníkových uhlových pažieb v tvare písmena L (horná a dolná konzola), hliníkových štvorcových tyčí (blok spojky krútiaceho momentu) a existujúceho ramena joysticku (vonkajšie rameno) postupujte podľa výkresov dielov a/alebo súborov 3D STL.

Upevnenie koncového spínača Drôty by mali byť pred pripevnením spájkované na koncový spínač. Polohovanie koncového spínača je flexibilné, pokiaľ je spínač zatvorený, keď je rameno zatiahnuté, a otvorený, keď je joystick v normálnej polohe. Podrobnosti nájdete v kroku 8 montáže a vyššie prepojených súboroch „external_arm“.

Spôsob montáže

Pozrite si obrázky pre každý krok.

1. Pripojte motor k držiaku motora zarovnaním otvorov a zaskrutkovaním 6 plochých skrutiek M-3 (nie všetkých 6 bude potrebných na udržanie motora na svojom mieste, ale pre maximálnu bezpečnosť ich zaskrutkujte čo najviac; zaistite skrutky správnu dĺžku podľa hrúbky konzoly, aby sa zabránilo poškodeniu motora).
2. Zarovnajte kus spojky pod vonkajšiu lištu a zaskrutkujte na miesto pomocou plochej skrutky ½” #8-32. Na pripojenie spojovacej časti k ramenu bude možno potrebné vyvŕtať a poklepať do ramena otvor 8-32. *V tomto prípade sa rameno vyklopí proti smeru hodinových ručičiek, takže vonkajšia tyč (z pohľadu používateľa elektrického invalidného vozíka) je vľavo. U pravákov to bude naopak.
3. Upevnite horný držiak na výsuvné rameno pomocou skrutky M-6 (voľne).
4. Vytiahnite zaťahovacie rameno do predĺženej polohy.
5. Namontujte podzostavu držiaka motora a motora na výsuvné rameno zasunutím hriadeľa motora do zodpovedajúceho otvoru na spojke. Časť držiaka by mala zapadnúť medzi rameno a horný držiak a zarovnať otvory.
6. Pomocou skrutky ¼-20 a poistnej matice upevnite dva držiaky k sebe. Potom utiahnite skrutku M6 na hornom držiaku.
7. Zaistite, aby bol držiak v predĺženej polohe, zaistite motor k spojke pomocou nastavovacej skrutky 10-32/s.
8. Zaskrutkujte koncový spínač pomocou 2 skrutiek č. 2 - 56 (uistite sa, že bude koncový spínač zatvorený v úplne vonkajšej polohe - v našom prípade ho ramenná skrutka zatlačí).

*Poznámka k upevňovaniu nastavovacích skrutiek: nastavovacie skrutky musia byť v styku s plochou stranou D-hriadeľa. Aby ste mohli nastaviť smer hriadeľa, pripojte motor k zdroju napájania, kým nebude plochá strana v požadovanej polohe. Alternatívne nastavte obvod podľa popisu v časti 4.1 Obvody elektrických častí nižšie a zmeňte časovanie v riadku 52 kódu, ako je uvedené v časti 4.2 Elektrický diel Arduino kód, kým nie je v požadovanej polohe. Po montáži ho nezabudnite vymeniť!

Demontáž

Pri montáži postupujte v opačnom smere. Nižšie nájdete informácie o tom, či vám motor horí a je potrebné ho vymeniť.

Výmena motora

1. Odskrutkujte nastavovaciu skrutku, ktorá drží hriadeľ k spojkovému kusu.
2. Odskrutkujte upevňovací prvok konzoly lock-20 a poistnú maticu.
3. Vytiahnite podzostavu držiaka motora a motora a odskrutkujte motor na výmenu.
4. Pomocou skrutiek pripevnite nový motor k držiaku.
5. Zasuňte nový hriadeľ motora do otvoru v spojke a zasuňte drážku na miesto (v prípade potreby uvoľnite hornú skrutku M6).
6. Zaskrutkujte skrutku ¼-20 a poistnú maticu, aby ste konzoly opäť upevnili (v prípade potreby dotiahnite hornú skrutku M6).
7. Nakoniec zaistite hriadeľ spojkou pomocou nastavovacej skrutky.

Skriňa elektroniky

1. Zapojte obvodový panel zostavený v elektrickej časti do skrinky skrine elektroniky, ako je znázornené na obrázku.
2. Pomocou mlyna a/alebo vŕtačky vytvorte otvory a otvory pre konektory (port USB Arduino, konektor pre tlačidlá a prepínač).
3. Príklad nájdete na obrázku vyššie. Pozície štrbín a otvorov budú závisieť od vašich komponentov a obvodu.

Krok 5: Elektrická časť

Obvody

Schémy

Schéma obvodu je znázornená na obrázku 1 v tejto časti a je tiež k dispozícii na Github. Z elektrického invalidného vozíka bude na dosku Arduino Nano dodávané 5V napájanie. Doska Arduino Nano je kódovaná tak, že bude ovládať správanie prepínača a pohyb jednosmerného motora. V prípade záujmu je návrh a zapojenie obvodu vysvetlené v časti Hardvér (hypertextový odkaz na časť hardvéru).

Rozloženie na doske

Obrázok zapojenia nepájivého poľa od spoločnosti Fritzing alebo obvodu je zobrazený na obrázku 2 v tejto časti a obrázok konečného nepájivého poľa je na obrázku 3.

Arduino kód

Kód použitý pre tento produkt je zobrazený na boku a môžete si ho stiahnuť tu.

Ak chcete nahrať kód do arduina, stiahnite si Arduino IDE do počítača. Použite kód „Rhonda_v4_onebutton.ino“, ktorý ste stiahli.

Každý riadok kódu má v súbore kódu svoje vysvetlenie riadok po riadku.

Nahrajte kód do Arduina do (rozhranie je zobrazené tu):

1. Pripojte Arduino k počítaču pomocou konektora USB

2. Na karte Nástroje v rozhraní Arduino:

   • Nastavte dosku na „Arduino Nano“
   • Nastavte port na port USB
3. Stlačte tlačidlo nahrávania (→)
4. Počkajte, kým sa v rozhraní zobrazí hlásenie „nahrávanie bolo dokončené“.

Aktuálna rýchlosť je nastavená na maximálne 255 v riadku 25 "analogWrite (motorPin, 255)" na otáčanie motora a minimálna 0 v riadku 36 "analogWrite (motorPin, 0)" na zastavenie motora. Rozsah otáčok je možné nastaviť medzi 0 až 255 podľa toho, ako to vyhovuje otáčkam motora.

Aktuálny čas otáčania je načasovaný pre konkrétny držiak stojana na joystick, ktorý sme vybrali, ale môžete jednoducho upraviť kód (riadok 52) tak, aby sa zmenil čas otáčania a prispôsobiť sa konkrétnemu ramenu joysticku, ktoré máte. Čas je v Arduine v mikrosekundách. Ak napríklad chceme, aby čas otáčania bol 5 sekúnd, mali by ste v Arduine nastaviť čas „5 000“.

Krok 6: Stiahnutie podrobných pokynov

Krok 7: Riešenie problémov (aktualizované 12/12/17)

1. Motor nie je zasúvacie rameno.

   • Uistite sa, že je spínač nastavený do požadovaného smeru
   • Skontrolujte, či sú utiahnuté nastavovacie skrutky
   • Skontrolujte, či nedošlo k mechanickému zaseknutiu
   • Skontrolujte spojenia medzi motorom a obvodom
   • Skontrolujte zapojenie obvodu (testovací obvod iba s motorom, nepripojený k zostave)
   • Podporujte joystick určitou silou: ak sa rameno teraz zatiahne s podporou, váš motor nie je dostatočne silný! Skontrolujte, či je tlačidlo, ktoré ste použili, funkčné

2. Rameno sa pohybuje príliš ďaleko alebo nie dostatočne ďaleko.

   Zmeňte načasovanie v kóde Arduino podľa popisu v kóde Arduino Read Me

Krok 8: Videodokumentácia

Krok 9: Referencie

1. Naučte sa a vyrobte si vlastný lacný ovládač motora L293D (kompletný sprievodca pre model L293D) https://just4electronics.wordpress.com/2015/08/28/learn-make-your-own-cheap-l293d-motor-drivera- kompletný sprievodca pre l293d/

Krok 10: AKTUALIZÁCIA 14/5/18

• Nové opracované tyče ramena vyrobené z ocele (v porovnaní s pôvodným hliníkom) s väčšou výškou, aby sa zabránilo zaťaženiu priehybu lúča
• Prepnutý na motor s vyšším krútiacim momentom (1497 oz-in)
• Bol aktualizovaný kód, ktorý sa nespracováva
• Testované zrevidované zariadenie na invalidnom vozíku klienta