Automatický dávkovač piluliek: 10 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Sme prví študenti magisterského štúdia elektromechanického inžinierstva na bruselskej strojárskej fakulte (v skratke „Bruface“). Ide o iniciatívu dvoch univerzít nachádzajúcich sa v centre Bruselu: Université Libre de Bruxelles (ULB) a Vrije Universiteit Brussel (VÚB).

V rámci programu sme museli vytvoriť skutočný funkčný mechatronický systém pre kurz Mechatronika.

V teoretických kurzoch sme sa naučili, ako by mali byť rôzne komponenty kombinované do skutočných aplikácií. Potom sme dostali úvod o základoch mikrokontroléra Arduino a o tom, ako ovládať mechatronický systém. Cieľom kurzu bolo vedieť navrhnúť, vyrobiť a naprogramovať mechatronický systém.

To všetko by sa malo vykonať v skupine. Naša skupina bola medzinárodným tímom, ktorý sa skladá z dvoch čínskych študentov, dvoch belgických študentov a jedného kamerunského študenta.

V prvom rade sa chceme poďakovať za podporu Albertovi De Beirovi a profesorovi Bramovi Vanderborghtovi.

Ako skupina sme sa rozhodli riešiť spoločensky relevantný problém. Keďže starnutie populácie sa stáva globálnym problémom, pracovné zaťaženie opatrovateliek a sestier je príliš veľké. Ako ľudia starnú, často musia užívať viac liekov a vitamínov. S automatickým dávkovačom piluliek sa môžu starí ľudia s roztržitosťou vyrovnať s touto úlohou nezávisle o niečo dlhšie. Ošetrovatelia a sestry tak môžu mať viac času stráveného na závislejších pacientoch.

Tiež by to bolo veľmi užitočné pre každého, kto je občas trochu zábudlivý a nepamätá si, že by si mohol vziať svoje tabletky.

Mechatronický systém by teda mal dodať riešenie, ktoré používateľovi pripomenie, aby si vzal svoje pilulky, a tiež tabletky vydá. Tiež dávame prednosť tomu, aby bol automatický dávkovač piluliek užívateľsky príjemný, aby ho mohol používať každý: bez ohľadu na vek!

Krok 1: Materiály

Puzdro:

• Mdf: Hrúbka 4 mm pre vnútorné puzdro
• Mdf: hrúbka vonkajšieho obalu 3 a 6 mm

zhromaždenie

• Skrutky a matice (M2 a M3)
• Malé guľkové ložisko

Mikrokontrolér:

Arduino UNO [odkaz na objednávku]

Elektronické súčiastky

• Prázdna doska s plošnými spojmi [odkaz na objednávku]
• Malý servomotor 9g [odkaz na objednávku]
• Malý jednosmerný motor 5 V [odkaz na objednávku]
• Tranzistor: BC 237 (bipolárny tranzistor NPN) [Odkaz na objednávku]
• Dióda 1N4001 (špičkové inverzné napätie 50V) [odkaz na objednávku]
• Pasívny bzučiak: piezoelektrický prevodník
• LCD1602

• Rezistory:

  • 1 x 270 ohmov
  • 1 x 330 ohmov
  • 1 x 470 ohmov
  • 5 x 10 kOhm
• Infračervený žiarič
• Infračervený detektor

Krok 2: Vnútorné puzdro

Vnútorné puzdro je možné považovať za škatuľu, ktorá obsahuje všetku vnútornú mechaniku a elektroniku. Skladá sa z 5 dosiek 4 mm MDF, ktoré sú laserom vyrezané do správnych tvarov. K dispozícii je tiež voliteľný šiesty tanier, ktorý je možné pridať. Tento voliteľný šiesty kus má štvorcový tvar a môže byť použitý ako veko. 5 tanierov (dno a štyri strany) je navrhnutých v tvare logickej hry, aby do seba dokonale zapadali. Ich zostavu je možné spevniť pomocou skrutiek. Lietadlá už majú otvory, kde by sa mali zmestiť ostatné časti alebo kde by mali byť umiestnené skrutky.

Krok 3: Vnútorný mechanizmus

VÝDEJNÝ MECHANIZMUS

Mechanizmus

Náš mechanizmus dávkovania piluliek je nasledujúci: používateľ vloží pilulky do úložného priestoru v hornej časti škatule. Keď je spodná doska tejto priehradky naklonená, pilulky sa automaticky posunú nadol do prvej trubice, kde sa naskladajú. Pod touto trubicou je valec s malým otvorom, do ktorého perfektne zapadá iba jedna pilulka. Tento malý otvor je umiestnený priamo pod trubicou, takže pilulky sa nad ňou skladajú, zatiaľ čo prvá pilulka leží v otvore valca. Keď je potrebné užiť pilulku, valec (s pilulkou) sa otáča o 120 stupňov, takže pilulka vo valci spadne do druhého valca. V tomto druhom valci je umiestnený snímač, ktorý zisťuje, či z valca skutočne vypadla pilulka. Toto slúži ako systém spätnej väzby. Táto trubica má jednu stranu, ktorá vyčnieva vyššie ako druhá. Je to spôsobené tým, že táto strana bráni tomu, aby pilulka padla cez druhú tubu, a tým pomáha zaručiť, že pilulka spadne do skúmavky a bude detekovaná senzorom. Pod touto trubicou je umiestnená malá šmýkačka tak, aby sa kvapkajúca pilulka posúvala cez otvor v prednej časti vnútornej škatule.

Celý tento mechanizmus potrebuje niekoľko častí:

• Laserom rezané diely

  1. Spodná šikmá doska úložného priestoru.
  2. Bočné šikmé platne úložného priestoru

• 3D tlačené diely

  1. Horná trubica
  2. Valec
  3. Os
  4. Spodná trubica (pozri spodnú trubicu a priehradku na snímač)
  5. Snímka

• Ostatné diely

  Valivé ložisko

Všetky súbory našich dielov, ktoré sú potrebné na rezanie laserom alebo 3D tlač, nájdete nižšie.

Rôzne diely a ich montáž

SKLADOVACIE PRIESTORY

Úložný priestor sa skladá z troch dosiek, ktoré sú rezané laserom. Tieto dosky je možné zostavovať a spájať medzi sebou a vnútorným boxom, pretože v nich vynikajú niektoré otvory a malé kúsky. To preto, aby do seba všetky zapadli ako puzzle! Otvory a vyčnievajúce kusy sú už pridané do súborov CAD, ktoré je možné použiť laserom.

HORNÁ RÚRA

Horná trubica je spojená iba s jednou stranou vnútorného boxu. Je prepojený pomocou platne, ktorá je k nemu pripevnená (je zahrnutá v výkrese CAD pre 3D tlač).

LOŽISKO VÁLCE A ROLE

Valec je spojený s 2 stranami škatule. Na jednej strane je pripojený k servomotoru, ktorý indukuje rotačný pohyb, keď musí tabletka vypadnúť. Na druhej strane, to

SPODNÝ PRIESTOR A SENZOR

Snímanie je dôležitou činnosťou pri výdaji piluliek. Musíme byť schopní získať potvrdenie, že pacientka užila pridelenú pilulku vo vhodnom čase. Na získanie tejto funkcie je dôležité zvážiť rôzne kroky návrhu.

Výber správnych detekčných komponentov:

Od chvíle, keď bol projekt validovaný, sme museli hľadať a zodpovedajúci komponent, ktorý potvrdí prechod pilulky z krabice. Vedieť, že senzory môžu byť pre túto akciu užitočné, hlavnou výzvou bolo poznať typ, ktorý bude kompatibilný s dizajnom. Prvým komponentom, ktorý sme našli, bol fotointeruptor pozostávajúci z IR žiariča a IR fototranzistorovej diódy. 25/64 “slot PCB HS 810 fotointeruptor bol riešením kvôli jeho kompatibilite, vďaka ktorému sme sa vyhli možnému problému konfigurácie uhla. Rozhodli sme sa to nepoužiť kvôli jeho geometrii, bude ťažké ho začleniť do dýzy. Z nejakého príbuzného projektu sme videli, že ako snímač je možné použiť IR žiarič s infračerveným detektorom s menším počtom ďalších komponentov. Tieto IR komponenty je možné nájsť v rôznych tvaroch.

3D tlač na pilulku, ktorá otvára senzor

Aby bolo možné vyriešiť hlavný komponent, ktorý sa má použiť ako senzor, bolo načase skontrolovať, ako budú na dýze umiestnené. Dýza má vnútorný priemer 10 mm na voľný priechod pilulky z rotujúceho valca. V dátovom liste snímacích prvkov sme si uvedomili, že zavedenie otvorov okolo povrchu dýzy zodpovedajúcich rozmerom súčiastky bude ďalšou výhodou. Mali by byť tieto otvory umiestnené na ľubovoľnom mieste pozdĺž povrchu? nie, pretože na dosiahnutie maximálnej detekcie je potrebné vyhodnotiť uhlovosť. Vytlačili sme prototyp na základe vyššie uvedených špecifikácií a skontrolovali sme zistiteľnosť.

Vyhodnotenie možného uhla lúča a detekčného uhla

Z údajového listu komponentov snímača má lúč a detekčný uhol 20 stupňov, čo znamená, že emitujúce svetlo aj detektor majú široké rozpätie 20 stupňov. Aj keď ide o špecifikácie výrobcov, je stále dôležité testovať a potvrdzovať. To sa uskutočnilo jednoduchým pohraním sa s komponentmi predstavujúcimi zdroj DC spolu s diódou LED. Dospelo sa k záveru, že ich umiestnime oproti sebe.

zhromaždenie

3D dizajn tubusu s rúrkou má dosku spojenú so 4 otvormi. Tieto otvory sa používajú na pripojenie trubice k vnútornému puzdru pomocou skrutiek.

Krok 4: Vnútorný mechanizmus elektroniky

Dávkovací mechanizmus:

Dávkovací mechanizmus sa dosahuje použitím malého servomotora na otáčanie veľkého valca.

Hnací kolík servomotora „Reely Micro-servo 9g“je pripojený priamo k mikrokontroléru. Mikrokontrolér Arduino Uno možno ľahko použiť na ovládanie servomotora. Dôvodom je existencia vstavanej knižnice pre servomotorické akcie. Napríklad pomocou príkazu „zápis“je možné dosiahnuť požadované uhly 0 ° a 120 °. (Vykonáva sa to v kóde projektu pomocou príkazov 'servo.write (0)' a 'servo.write (120)').

Vibrátor:

Malý bezkartáčový jednosmerný motor s nevyvážením

Táto nerovnováha je dosiahnutá kusom plastu, ktorý spája os motora pomocou malej skrutky a matice.

Motor je poháňaný malým tranzistorom, pretože digitálny kolík nemôže dodávať vyššie prúdy ako 40,0 mA. Poskytnutím prúdu z kolíka Vin mikrokontroléra Arduino Uno je možné dosiahnuť prúdy až 200,0 mA. To stačí na napájanie malého jednosmerného motora.

Keď sa napájanie motora náhle zastaví, dosiahnete špičkový prúd v dôsledku vlastnej indukčnosti motora. Na spoje motora je teda umiestnená dióda, aby sa zabránilo týmto spätným tokom prúdu, ktoré môžu poškodiť mikrokontrolér.

senzorový systém:

Použitie infračervenej diódy (LTE-4208) a infračervenej detekčnej diódy (LTR-320 8) pripojenej k mikrokontroléru Arduino Uno na potvrdenie prechodu pilulky. Akonáhle pilulka spadne, v krátkom čase zatieni svetlo infračervenej diódy. Tieto informácie by sme získali pomocou analogového kolíka arduina.

na detekciu:

analogRead (A0)

Krok 5: Vonkajší obal

• Rozmer: 200 x 110 x 210 mm

• Materiál: drevovláknitá doska strednej hustoty

  Hrúbka plechu: 3 mm 6 mm

• Spôsob spracovania: rezanie laserom

Pre vonkajší prípad sme použili rôzne druhy hrúbok kvôli chybám pri rezaní laserom. Vybrali sme 3 mm a 6 mm, aby sme zaistili tesné spojenie všetkých listov.

Pokiaľ ide o veľkosť, vzhľadom na priestor pre vnútorné puzdro a elektronické zariadenia, šírka a výška vonkajšieho puzdra je väčšia ako vnútorná. Dĺžka je oveľa väčšia, aby poskytol priestor pre elektronické zariadenia. Navyše, aby sme zaistili, že pilulky môžu ľahko vypadnúť z krabice, držali sme vnútorné a vonkajšie puzdro veľmi blízko.

Krok 6: Vonkajšia elektronika

V prípade externej elektroniky sme museli nechať nášho robota komunikovať s ľuďmi. Aby sme to dosiahli, vybrali sme si ako komponenty LCD, bzučiak, LED a 5 tlačidiel. Táto časť dávkovača piluliek funguje ako budík. Ak nie je vhodný čas na užitie piluliek, na displeji LCD sa zobrazí iba čas a dátum. Keď si pacient musí vziať tabletku, LED dióda sa rozsvieti, bzučiak prehrá hudbu a na LCD displeji sa zobrazí „Prajem vám zdravie a šťastie“. Na zmenu času alebo dátumu môžeme použiť aj spodnú časť obrazovky.

Povoliť LCD

Na pripojenie priamo k mikrokontroléru sme použili LCD-1602 a na povolenie LCD sme použili funkciu: LiquidCrystal lcd.

Bzučiak

Vybrali sme pasívny bzučiak, ktorý dokáže prehrávať zvuky rôznych frekvencií.

Aby mohol bzučiak hrať piesne „City of the Sky“a „Happy Acura“, definovali sme štyri polia. Dve z nich majú názov „tune“, v ktorých sú uložené informácie o notách týchto dvoch skladieb. Dve ďalšie polia dostali názov „Duration“. Tieto polia uchovávajú rytmus.

Potom vytvoríme slučku, ktorá prehráva hudbu, čo môžete vidieť v zdrojovom kóde.

Načasovanie

Napísali sme sériu funkcií na druhú, minútu, hodinu, dátum, mesiac, týždeň a rok.

Na výpočet času sme použili funkciu: millis ().

Čas je možné zmeniť pomocou troch tlačidiel „vybrať“, „plus“a „mínus“.

Ako všetci vieme, ak chceme ovládať nejaký komponent, musíme použiť arduino kolíky.

Piny, ktoré sme použili, boli nasledujúce:

LCD: kolíky 8, 13, 9, 4, 5, 6, 7

Bruzzer: Kolík 10

Servomotor: kolík 11

Motor pre vibrácie: Pin12

Senzor: A0

Tlačidlá 1: A1

Tlačidlo 2 (plus): A2

Tlačidlo 3 (mínus): A3

Button4 (vezmite si pilulky): A4

LED dióda: A5

Krok 7: Kompletná montáž

Nakoniec dostaneme celkovú zostavu ako na obrázku vyššie. Na niektorých miestach sme použili lepidlo, aby sme sa presvedčili, že je dostatočne tesné. Na niektorých miestach vo vnútri stroja sme použili aj pásku a skrutky, aby bol stroj dostatočne pevný. Súbor. STEP našich výkresov CAD nájdete v spodnej časti tohto kroku.

Krok 8: Odovzdanie kódu

Krok 9: epilóg

Stroj je schopný varovať užívateľa, aby si vzal liek a doručí správne množstvo piluliek. Po diskusii s kvalifikovaným a skúseným lekárnikom je však potrebné urobiť niekoľko poznámok. Prvým problémom je kontaminácia piluliek, ktoré sú dlhší čas vystavené vzduchu v nádobe, a preto sa zníži kvalita a účinnosť. Tablety by mali byť obvykle obsiahnuté v dobre uzavretej hliníkovej tablete. Aj keď používateľ vydá počas určitého časového obdobia pilulku A a potom potrebuje vydať pilulku B, je čistenie zariadenia veľmi zložité, aby sa zabezpečilo, že nie sú žiadne častice pilulky kontaminujúcej pilulku A.

Tieto pozorovania poskytujú kritický pohľad na riešenie, ktoré tento stroj ponúka. Na odstránenie týchto nedostatkov je teda potrebný ďalší výskum…

Krok 10: Referencie

[1]

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