Opracowanie zmotoryzowanego wysuwanego joysticka: 10 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

Ten zmotoryzowany wysuwany joystick to niedrogie rozwiązanie dla użytkowników wózków inwalidzkich, którzy mają trudności z ręcznym odchylaniem uchwytów joysticka. Jest to iteracja projektowa wcześniejszego projektu chowanego joysticka.

Projekt składa się z dwóch części: części mechanicznej (projekt mocowania, montaż itp.) oraz części elektrycznej (obwody, kod Arduino itp.).

Zmotoryzowany wysuwany moduł joysticka może być wykonany i replikowany przez każdego, postępując zgodnie z instrukcjami podanymi tutaj. Nie jest wymagana żadna wcześniejsza wiedza na temat obwodów, Arduino lub Solidworks. W tym projekcie jest bardzo mało lutowania, a instrukcje lutowania można znaleźć tutaj. Niezbędny będzie dostęp do podstawowych operacji wiercenia/obróbki. Szczegółowe objaśnienia projektu znajdują się w części mechanicznej i części elektrycznej.

Krok 1: Spis treści

1. Zawartość

2. Cechy i funkcjonalność

   • Zmotoryzowany mechanizm wycofywania i wysuwania
   • Tryb lewo/praworęczny
   • Modułowość
   • Regulowana prędkość obrotowa

3. Przygotowanie

   • Oprogramowanie

     Arduino

   • Sprzęt komputerowy

     • Podsumowanie wszystkich potrzebnych części i narzędzi
     • Arduino Nano (wersja 3.0)
     • Układ sterownika silnika: L293D
     • Rezystory ściągające
     • Przyciski i przełączniki
     • Wybór silnika

   • Zasilanie z elektrycznych wózków inwalidzkich

     Korzystanie z portu USB

4. Część mechaniczna
   • Produkcja
   • Przystawka wyłącznika krańcowego
   • Montaż/Demontaż
   • Wymiana silnika
   • Obudowa elektroniki
5. Część elektryczna

   • Obwody

     • Schematy
     • Układ tabliczki do krojenia chleba
   • Kod Arduino

6. Instrukcje krok po kroku

   Pobierz plik PDF z instrukcjami

7. Rozwiązywanie problemów
8. Dokumentacja wideo
9. Bibliografia

Krok 2: Funkcje i funkcjonalność

Zmotoryzowany mechanizm chowania i wysuwania

Ten zmotoryzowany chowany uchwyt joysticka umożliwia użytkownikom wózków inwalidzkich automatyczne chowanie lub wysuwanie joysticka. Użytkownicy mają możliwość naciśnięcia dwóch przycisków (jeden do cofania i jeden do wysuwania) lub jednego przycisku (pojedynczy przycisk do cofania i wysuwania) w zależności od swoich preferencji. Rozmieszczenie przycisków jest elastyczne i może się zmieniać w zależności od wymagań użytkownika. Przyciski są podłączone do obwodu za pomocą uniwersalnych gniazd przycisków, więc przyciski używane w tym demie można zastąpić dowolnym przyciskiem uniwersalnym.

Tryb lewo/praworęczny

Ten produkt jest odpowiedni zarówno dla użytkowników leworęcznych, jak i praworęcznych. Technik instalujący system zmotoryzowany na wózku inwalidzkim klienta może łatwo zmienić tryb, przełączając przełącznik w skrzynce z elektroniką. W kodzie nie trzeba dokonywać żadnych modyfikacji.

Modułowość

Produkt jest odporny na awarie. Jeśli automatyczny mechanizm ulegnie awarii lub jeśli system jest naprawiany, ręczny mechanizm odchylania nie zostanie naruszony. Szczegółowy opis prostego procesu montażu i demontażu znajduje się w dalszej części instrukcji.

Regulowana prędkość obrotowa

Prędkość obrotową zautomatyzowanego mechanizmu można regulować, modyfikując kod Arduino (instrukcje znajdują się w dalszych rozdziałach). Ze względów bezpieczeństwa prędkość obrotowa nie powinna być zbyt duża, ponieważ system nie może wykryć, co może przeszkadzać, co może spowodować drobne obrażenia.

Krok 3: Przygotowanie

Oprogramowanie

W tym projekcie używane jest Arduino, więc musisz mieć zainstalowane Arduino IDE na swoim komputerze. Link do pobrania aplikacji znajduje się tutaj. Kod Arduino użyty dla tego produktu jest dostępny w dalszej części.

Sprzęt komputerowy

Podsumowanie wszystkich potrzebnych części i narzędzi

Poniższa tabela zawiera wszystkie części i narzędzia potrzebne do tego projektu.

Arduino Nano (wersja 3.0)

W tym produkcie zastosowano Arduino Nano (Rev 3.0). Możesz jednak zastąpić tę płytkę innymi płytkami Arduino zawierającymi piny PWM. Piny PWM są wymagane w tym projekcie, ponieważ użyjemy Arduino (zdjęcie) do sterowania układem sterownika silnika (L293D), a układ musi być sterowany przez wejścia PWM. Piny PWM Arduino Nano (Rev 3.0) obejmują: pin D3 (Pin 6), pin D5 (Pin 8), pin D6 (Pin 9), pin D9 (Pin 12), pin D10 (Pin 13), pin D11 (Pin 14). Jeśli interesuje Cię więcej szczegółów na temat Arduino Nano, jego układ pinów i schematy można znaleźć tutaj.

Układ sterownika silnika: L293D

L293D to potężny układ sterownika silnika prądu stałego, który umożliwia obracanie silnika prądu stałego zarówno w kierunku zgodnym, jak i przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Piny używane w tym projekcie to: Enable1, 2 pin (Pin 1), Wejście 1 (Pin 2), Wyjście 1 (Pin 3), GND (Pin 4), Wyjście 2 (Pin 6), Wejście 2 (Pin 7), Vcc 1 (styk 8), Vcc 2 (styk 16).

• Enable1, 2 pin (Pin 1): kontroluj prędkość silnika;
• Wejście 1 (Pin 2): kontroluj kierunek silnika
• Wyjście 1 (Pin 3): podłącz do silnika, polaryzacja nie ma znaczenia!
• GND (Pin 4): podłącz do uziemienia
• Wyjście 2 (Pin 6): podłącz do silnika, polaryzacja nie ma znaczenia
• Wejście 2 (Pin 7): kontroluj kierunek silnika
• Vcc 1 (Pin 8): zasilaj wewnętrzny obwód chipa, podłącz do 5 V
• Vcc 2 (pin 16): zasilanie silnika prądu stałego, zależy od wymagań silnika. Silnik użyty do tego projektu może być zasilany napięciem 5 V.

Jeśli interesuje Cię więcej szczegółów na temat L293D, jego arkusz danych jest dostępny tutaj i tutaj.

Rezystory ściągające

Każdy przycisk/przełącznik jest sparowany z rezystorem pull-down. Rezystory pull-down są tutaj, aby upewnić się, że Arduino odczyta stałą wartość z pinu. Jeśli nie sparujesz naszych przycisków/przełącznika z rezystorem, wartość odczytana przez Arduino z odpowiedniego pinu będzie się wahać między 0 a 1. W takim przypadku przyciski/przełącznik nie będą działać zgodnie z oczekiwaniami. Ponieważ używamy rezystorów pull-down, rezystory zostaną podłączone między odpowiednim pinem cyfrowym a uziemieniem, więc przyciski/przełącznik będą podłączone między pinem zasilania (+5 V) a pinem cyfrowym w Arduino Nano. Po naciśnięciu przycisku Arduino odczyta 1 z odpowiedniego pinu. W tym projekcie zastosowano trzy rezystory 270 Ω.

Przyciski/przełącznik

W tym projekcie wprowadziliśmy na płytce prototypowej 3,5 mm gniazdo przycisku w celu łatwej wymiany przycisku. Przełącznik dwupinowy (do przełączania trybu lewo/prawo) jest podłączony bezpośrednio do płytki stykowej, ponieważ większość użytkowników wózków inwalidzkich nie będzie musiała wchodzić w interakcje z przełącznikiem, a przełącznik jest przeznaczony dla osoby, która pomaga zainstalować cały mechanizm.

Wybór silnika

Otrzymaliśmy od The Boston Home Inc kilka ręcznie wysuwanych podstawek stojakowych z różnych elektrycznych wózków inwalidzkich. Przetestowano i obliczono ilość siły i momentu obrotowego potrzebnego do wycofania wszystkich tych próbek. Po sprawdzeniu specyfikacji silnika wybrano motoreduktor na prąd stały do pokazanego wcześniej mocowania stojaka na joystick, ponieważ ten uchwyt stojaka na joystick wymagał największego momentu obrotowego spośród 4 próbek, które mieliśmy. Będziesz chciał przetestować ilość siły i momentu obrotowego potrzebnego dla twojego ramienia joysticka + ciężar samego zespołu joysticka, aby upewnić się, że będzie pasował do specyfikacji.

Zasilanie z elektrycznych wózków inwalidzkich

Większość elektrycznych wózków inwalidzkich jest wyposażona w zasilanie 24V. Ten zautomatyzowany wysuwany joystick wymaga wejścia 5 V. Ponieważ produkt jest przeznaczony do zasilania z zasilacza wózka inwalidzkiego, nie jest potrzebne zewnętrzne źródło zasilania.

Korzystanie z portu USB

Moduł konwertera DC-DC 24V na 5V buck (przetwornica buck służy do obniżania napięcia.) Moduł z portem USB można zamówić online (ten, którego użyliśmy, został zamówiony tutaj). Podłącz wejście konwertera buck do zasilacza 24 V (port zasilania do portu zasilania i port uziemienia do portu uziemienia), a płytkę Arduino Nano można następnie podłączyć do modułu konwertera buck przez port USB.

Krok 4: Część mechaniczna

Wszystkie wymiary i wymiary zostały wykonane w odniesieniu do konkretnego ramienia joysticka, którego użyliśmy do tego projektu. Mogą się one różnić w zależności od ramienia i odnotujemy ważne obszary zmienności.

Produkcja

Istnieją trzy dodatkowe części, które należy wyprodukować, aby odtworzyć część mechaniczną (patrz rysunki). Zewnętrzne ramię ramienia joysticka również wymaga modyfikacji, aby przymocować elementy mechaniczne do mocowania joysticka.

1. Wspornik górny
2. Dolny nawias
3. Blok sprzęgła momentu obrotowego
4. Ramię zewnętrzne

Używając aluminiowej kolby kątowej w kształcie litery L (górny i dolny wspornik), aluminiowej kolby kwadratowej (blok sprzęgła momentu obrotowego) i istniejącego ramienia joysticka (ramię zewnętrzne), postępuj zgodnie z rysunkami części i/lub plikami 3D STL.

Przewody mocujące wyłącznika krańcowego należy przylutować do wyłącznika krańcowego przed zamocowaniem. Pozycjonowanie wyłącznika krańcowego jest elastyczne, o ile wyłącznik jest zamknięty, gdy ramię jest cofnięte i otwarty, gdy joystick znajduje się w normalnym położeniu. Patrz Montaż Krok 8 i pliki "outer_arm" połączone powyżej, aby uzyskać szczegółowe informacje.

Metoda montażu

Zobacz liczby dla każdego kroku.

1. Przymocuj silnik do wspornika silnika, dopasowując otwory i wkręcając 6 śrub z płaskim łbem M-3 (nie wszystkie 6 będą potrzebne do utrzymania silnika na miejscu, ale wkręć jak najwięcej, aby zapewnić maksymalne bezpieczeństwo; upewnij się, że używasz śrub odpowiednią długość w zależności od grubości wspornika, aby zapobiec uszkodzeniu silnika).
2. Wyrównaj element łączący poniżej pręta zewnętrznego i wkręć na miejsce za pomocą śruby z płaskim łbem ½” #8-32. Może być konieczne wywiercenie i nagwintowanie otworu 8-32 w ramieniu w celu połączenia elementu łączącego z ramieniem. *W tym przypadku ramię wychyla się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, więc drążek zewnętrzny (z perspektywy użytkownika wózka elektrycznego) znajduje się po lewej stronie. W przypadku użytkowników praworęcznych zostanie to odwrócone.
3. Przymocuj górny wspornik do wysuwanego ramienia za pomocą śruby M-6 (luźno).
4. Przenieś chowane ramię do pozycji wysuniętej.
5. Przymocuj podzespół wspornika silnik-silnik do wysuwanego ramienia, wkładając wał silnika do odpowiedniego otworu w złączce. Część wspornika powinna wsunąć się między ramię a wspornik górny, wyrównując otwory.
6. Użyj śruby ¼-20 i przeciwnakrętki, aby połączyć ze sobą dwa wsporniki. Następnie dokręć śrubę M6 na górnym wsporniku.
7. Upewniając się, że mocowanie jest w pozycji wysuniętej, przymocuj silnik do sprzęgła za pomocą wkrętów ustalających 10-32.
8. Przykręć wyłącznik krańcowy 2 śrubami #2-56 (upewnij się, że wyłącznik krańcowy będzie zamknięty w pozycji całkowicie zewnętrznej - w naszym przypadku dociska go śruba pasowana).

*Uwaga dotycząca mocowania wkrętów dociskowych: wkręty dociskowe muszą stykać się z płaską stroną wału D. Aby wyregulować kierunek wału, podłącz silnik do zasilacza, aż płaska strona znajdzie się w żądanej pozycji. Alternatywnie, skonfiguruj obwód zgodnie z opisem w 4.1 Obwody części elektrycznej poniżej i zmień taktowanie w wierszu 52 kodu, jak wskazano w 4.2 Kod części elektrycznej Arduino, aż znajdzie się w żądanej pozycji. Pamiętaj, aby zmienić go z powrotem po montażu!

Demontaż

Postępuj zgodnie z procedurą montażu w odwrotnym kierunku. Zobacz poniżej, czy silnik się przepala i wymaga wymiany.

Wymiana silnika

1. Wykręcić śrubę ustalającą, która mocuje wał do elementu sprzęgającego.
2. Odkręć mocowanie wspornika ¼-20 i przeciwnakrętkę.
3. Wyciągnij podzespół wspornika silnika i silnika i odkręć silnik w celu wymiany.
4. Przymocuj nowy silnik do wspornika za pomocą śrub.
5. Włóż nowy wał silnika do otworu w złączce, wsuwając wspornik na miejsce (w razie potrzeby poluzuj górną śrubę M6).
6. Wkręć śrubę ¼-20 i przeciwnakrętkę, aby ponownie przymocować wsporniki (w razie potrzeby dokręć górną śrubę M6).
7. Na koniec przymocuj wał do sprzęgła za pomocą śruby ustalającej.

Obudowa elektroniki

1. Umieść obwód płytki stykowej zmontowany w części elektrycznej w pudełku obudowy elektroniki, jak pokazano na rysunku.
2. Za pomocą frezu i/lub wiertarki utwórz gniazda i otwory na złącza (port Arduino USB, gniazdo przycisku i przełącznik dwustabilny).
3. Zobacz przykład na powyższym rysunku. Pozycje gniazd i otworów będą zależeć od komponentów i obwodu.

Krok 5: Część elektryczna

Obwody

Schematy

Schemat obwodu pokazano na rysunku 1 w tej sekcji i jest on również dostępny na Github. Zasilanie 5V będzie dostarczane z elektrycznego wózka inwalidzkiego do płytki Arduino Nano. Płytka Arduino Nano jest zakodowana tak, aby sterowała zachowaniem przełącznika i ruchem silnika prądu stałego. Projekt i okablowanie obwodu są wyjaśnione w sekcji Sprzęt (hiperłącze do sekcji sprzętu), jeśli jesteś zainteresowany.

Układ tabliczki do krojenia chleba

Obraz okablowania płytki stykowej firmy Fritzing lub obwodu pokazano na rysunku 2 w tej sekcji, a obraz ostatniej płytki stykowej pokazano na rysunku 3.

Kod Arduino

Kod użyty do tego produktu znajduje się z boku i można go pobrać tutaj.

Aby wgrać kod do arduino należy pobrać Arduino IDE na komputer. Użyj pobranego kodu „Rhonda_v4_onebutton.ino”.

Każdy wiersz kodu ma swoje objaśnienie wiersz po wierszu w pliku kodu.

Prześlij kod do Arduino przez (tutaj pokazano interfejs):

1. Podłącz Arduino do komputera za pomocą złącza USB

2. Z zakładki Narzędzia w interfejsie Arduino:

   • Ustaw płytkę na „Arduino Nano”
   • Ustaw port na port USB
3. Naciśnij przycisk przesyłania (→)
4. Poczekaj, aż interfejs wyświetli komunikat „przesyłanie zakończone”.

Aktualna prędkość jest ustawiona na maksimum 255 w linii 25 „analogWrite(motorPin, 255)” w celu obracania silnikiem i minimum 0 w linii 36 „analogWrite(motorPin, 0)” w celu zatrzymania silnika. Zakres prędkości można ustawić w zakresie od 0 do 255 zgodnie z dopasowaniem do prędkości silnika.

Aktualny czas rotacji zależy od wybranego przez nas uchwytu joysticka, ale możesz po prostu zmodyfikować kod (wiersz 52), aby zmienić czas rotacji i dostosować się do konkretnego ramienia joysticka, które posiadasz. Czas jest w mikrosekundach w Arduino. Na przykład, jeśli chcemy, aby czas rotacji wynosił 5 sekund, należy ustawić czas na „5000” w Arduino.

Krok 6: Pobieranie instrukcji krok po kroku

Krok 7: Rozwiązywanie problemów (aktualizacja 12.12.17)

1. Silnik nie cofa ramienia.

   • Upewnij się, że przełącznik jest ustawiony w żądanym kierunku
   • Sprawdź, czy śruby ustalające są dokręcone
   • Sprawdź, czy nie ma zacięć mechanicznych
   • Sprawdź połączenia między silnikiem a obwodem
   • Sprawdź połączenia obwodów (obwód testowy z samym silnikiem, niepodłączony do zespołu)
   • Podtrzymuj joystick z pewną siłą: jeśli ramię cofa się teraz ze wsparciem, silnik nie jest wystarczająco mocny! Sprawdź, czy użyty przycisk działa

2. Ramię porusza się za daleko lub za daleko.

   Zmień czas w kodzie Arduino, jak opisano w Arduino Code Read Me

Krok 8: Dokumentacja wideo

Krok 9: Referencje

1. Naucz się i stwórz własny tani sterownik silnika L293D (kompletny przewodnik dla L293D) https://just4electronics.wordpress.com/2015/08/28/learn-make-your-own-cheap-l293d-motor-drivera- kompletny-prowadnica-dla-l293d/

Krok 10: AKTUALIZACJA 14.05.18

• Obrabiane maszynowo nowe ramiona ze stali (w porównaniu do oryginalnego aluminium) o większej wysokości, aby zapobiec ugięciu belki podczas ładowania
• Przełączono na silnik o wyższym momencie obrotowym (1497 oz-in)
• Zaktualizowany kod, który się nie kompilował
• Testowane zmienione urządzenie na wózku klienta