Utvikling av en motorisert uttrekkbar joystick: 10 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

Denne motoriserte uttrekkbare joysticken er en rimelig løsning for rullestolbrukere som har problemer med å bruke manuelle svingbare joystickfester. Det er en design iterasjon på et tidligere uttrekkbart joystick -prosjekt.

Prosjektet består av to deler: en mekanisk del (monteringsdesign, montering etc.) og en elektrisk del (kretser, Arduino -kode osv.).

Den motoriserte, uttrekkbare joystick -modulen kan lages og replikeres av hvem som helst ved å følge instruksjonene som er gitt her. Ingen forkunnskaper om kretser eller Arduino eller Solidworks er nødvendig. Svært lite lodding er involvert i dette prosjektet, og instruksjoner for lodding finner du her. Tilgang til grunnleggende boring/maskinering vil være nødvendig. Detaljerte forklaringer på designet er behandlet i mekanisk del og elektrisk del.

Trinn 1: Innhold

1. Innhold

2. Funksjoner og funksjonalitet

   • Motorisert tilbaketrekkings- og forlengelsesmekanisme
   • Venstre/høyrehåndsmodus
   • Modularitet
   • Justerbar rotasjonshastighet

3. Forberedelse

   • Programvare

     Arduino

   • Maskinvare

     • Sammendrag av alle deler og verktøy som trengs
     • Arduino Nano (Rev 3.0)
     • Motordriverbrikke: L293D
     • Nedtrekkbare motstander
     • Knapper og brytere
     • Motorvalg

   • Drives fra elektriske rullestoler

     Bruke en USB -port

4. Mekanisk del

   • Produksjon
   • Grensebryterfeste
   • Montering/demontering
   • Motorbytte
   • Elektronikkboliger

5. Elektrisk del

   • Kretser

     • Skjemaer
     • Brødbrettoppsett
   • Arduino -koden

6. Trinn-for-trinn instruksjoner

   Last ned PDF -filen med instruksjoner

7. Feilsøking
8. Videodokumentasjon
9. Referanser

Trinn 2: Funksjoner og funksjonalitet

Motorisert tilbaketrekkings- og forlengelsesmekanisme

Dette motoriserte, uttrekkbare joystickfeste vil gjøre det mulig for rullestolbrukere å trekke inn eller forlenge joysticken automatisk. Brukere har muligheten til enten å trykke på to knapper (en for tilbaketrekning og én for forlengelse) eller én knapp (én knapp for både tilbaketrekning og forlengelse) avhengig av preferansene deres. Plasseringen av knappene er fleksibel og kan endres for å imøtekomme forskjellige brukerkrav. Knappene er festet til kretsen gjennom universelle knappekontakter, så knappene som brukes i denne demoen kan erstattes av en hvilken som helst universell knapp.

Venstre/Høyrehåndsmodus

Dette produktet er egnet for både venstre- og høyrehendte brukere. Teknikeren som installerer det motoriserte systemet til klientens elektriske rullestol kan enkelt endre modus ved å veksle en bryter i elektronikkboksen. Ingen endringer må gjøres i koden.

Modularitet

Produktet er feilsikkert. Hvis den automatiske mekanismen er standard eller hvis systemet repareres, påvirkes ikke den manuelle svingmekanismen. En detaljert beskrivelse av den enkle monterings- og demonteringsprosessen er inkludert senere i instruksjonene.

Justerbar rotasjonshastighet

Rotasjonshastigheten til den automatiserte mekanismen kan justeres ved å endre Arduino -koden (instruksjoner er gitt i senere seksjoner). Som en sikkerhetsforanstaltning bør rotasjonshastigheten ikke være for høy, ettersom systemet ikke kan oppdage hva som kan være i veien, noe som kan forårsake lettere skader.

Trinn 3: Forberedelse

Programvare

I dette prosjektet brukes Arduino, så du må ha Arduino IDE installert på datamaskinen din. Lenken for å laste ned programmet er her. Arduino -koden som ble brukt for dette produktet, er tilgjengelig i en senere seksjon.

Maskinvare

Sammendrag av alle nødvendige deler og verktøy

Denne tabellen inneholder alle deler og verktøy som trengs for dette prosjektet.

Arduino Nano (Rev 3.0)

Arduino Nano (Rev 3.0) brukes i dette produktet. Du kan imidlertid erstatte dette kortet med andre Arduino -kort som inneholder PWM -pinner. PWM -pinner er påkrevd i dette prosjektet, ettersom vi vil bruke Arduino (bilde) til å kontrollere en motordriverbrikke (L293D), og brikken må styres av PWM -innganger. PWM -pinnene til Arduino Nano (Rev 3.0) inkluderer: D3 pin (Pin 6), D5 pin (Pin 8), D6 pin (Pin 9), D9 pin (Pin 12), D10 pin (Pin 13), D11 pin (Pin 14). Hvis du er interessert i flere detaljer om Arduino Nano, kan pinnelayoutet og skjemaene vises til her.

Motordriverbrikke: L293D

L293D er en kraftig DC -motordriver som gjør at DC -motoren kan rotere både med urviseren og mot klokken.

Pinnene som brukes i dette prosjektet inkluderer: 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 (Pin 8), Vcc 2 (Pin 16).

• Enable1, 2 pin (Pin 1): kontroller motorens turtall
• Inngang 1 (pin 2): kontroller motorens retning
• Utgang 1 (pin 3): koble til motoren, polariteten spiller ingen rolle
• GND (Pin 4): koble til bakken
• Utgang 2 (pin 6): koble til motoren, polariteten spiller ingen rolle
• Inngang 2 (pin 7): kontroller motorens retning
• Vcc 1 (Pin 8): strøm den interne kretsen til brikken, koble til 5 V.
• Vcc 2 (Pin 16): drev likestrømsmotoren, varierer med motorbehov. Motoren som ble brukt til dette prosjektet kan drives på 5 V.

Hvis du er interessert i flere detaljer om L293D, kan du få tilgang til databladet her og her.

Nedtrekkbare motstander

Hver knapp/bryter er sammenkoblet med en nedtrekksmotstand. Nedtrekksmotstander er her for å sikre at Arduino vil lese en konstant verdi fra pinnen. Hvis du ikke parer knappene/bryteren med en motstand, vil verdien som Arduino leser fra den tilhørende pinnen flyte mellom 0 og 1. I dette tilfellet vil knappene/bryteren ikke fungere som forventet. Siden vi bruker nedtrekksmotstander, blir motstandene koblet mellom den tilsvarende digitale pinnen og bakken, så knappene/bryteren vil være koblet mellom strømpinnen (+5V) og den digitale pinnen på Arduino Nano. Når du trykker på knappen, vil Arduino lese 1 fra den tilhørende pinnen. Tre 270 Ω motstander brukes i dette prosjektet.

Knapper/bryter

I dette prosjektet implementerer vi 3,5 mm knappekontakt (er) på brødbrettet for enkel bytte av knapper. En to-pinners bryter (for å bytte venstre-/høyrehendt modus) er koblet direkte til brødbrettet siden de fleste rullestolbrukere ikke trenger å samhandle med bryteren, og bryteren er designet for personen som hjelper til med å installere hele mekanismen.

Motorvalg

Vi fikk noen manuelt uttrekkbare stativfester fra forskjellige rullestoler fra The Boston Home Inc. Mengden kraft og dreiemoment som trengs for å trekke tilbake alle disse prøvene ble testet og beregnet. Etter å ha sjekket motorspesifikasjonene, ble en DC -giret motor valgt for joystick -stativfeste som vist tidligere som en demo for instruksjonene, siden det for joystick -stativfeste krevde mest dreiemoment blant de 4 prøvene vi hadde. Du vil teste mengden kraft og dreiemoment som trengs for joystickarmen din + vekten på selve joystick -enheten for å sikre at den passer innenfor spesifikasjonen.

Drives fra elektriske rullestoler

De fleste elektriske rullestoler er utstyrt med en 24V strømforsyning. Dette automatiserte uttrekkbare joystick -produktet krever en 5V -inngang. Siden produktet er designet for å motta strøm fra rullestolens strømforsyning, er det ikke nødvendig med ekstern strømforsyning.

Bruke en USB -port

En DC-DC 24V-til-5V buck-omformer (En buck-converter brukes til å få spenningen ned.) Modul med en USB-port kan bestilles online (den vi brukte ble bestilt herfra). Koble inngangen til bukkomformeren til 24V strømforsyning (strømport til strømport og bakkeport til bakkeport), og Arduino Nano -kortet kan deretter kobles til bukkomformermodulen via USB -porten.

Trinn 4: Mekanisk del

Alle mål og dimensjoner ble gjort med henvisning til den spesifikke joystickarmen vi brukte til dette prosjektet. Disse kan variere avhengig av armen, og vi vil merke viktige variabilitetsområder.

Produksjon

Det er tre ekstra deler som må produseres for å gjenopprette den mekaniske delen (se figurer). Den ytre armen på joystickarmen krever også modifikasjon for å feste de mekaniske komponentene til joystickfeste.

1. Toppbrakett
2. Bunnbrakett
3. Dreiemomentkoblingsblokk
4. Ytre arm

Ved bruk av L-formet vinkellager i aluminium (øvre og nedre brakett), firkantstang i aluminium (momentblokker) og den eksisterende joystickarmen (ytre arm) følger du deltegninger og/eller 3D STL-filer.

Limit Switch AttachmentWires bør loddes på grensebryteren før festing. Grensebryterens posisjonering er fleksibel så lenge bryteren er lukket når armen er trukket inn og åpen når styrespaken er i normal posisjon. Se Monteringstrinn 8 og "ytre_arm" -filene som er koblet ovenfor for detaljer.

Monteringsmetode

Se figurer for hvert trinn.

1. Fest motoren til motorbraketten ved å justere hullene og skru inn 6 M-3 flathodeskruer (ikke alle 6 vil være nødvendige for å holde motoren på plass, men skru inn så mange som mulig for maksimal sikkerhet; sørg for å bruke skruer på riktig lengde i henhold til tykkelsen på braketten for å forhindre skade på motoren).
2. Juster koplingsstykket under den ytre stangen og skru på plass med en ½” #8-32 flatskrue. Du må kanskje bore og trykke et 8-32 hull i armen for å koble koblingsstykket til armen. *I dette tilfellet svinger armen ut mot klokken, slik at den ytre stangen (sett fra den elektriske rullestolbrukerens perspektiv) er til venstre. For høyrehendte brukere vil dette bli reversert.
3. Fest toppbraketten til den uttrekkbare armen med M-6-skruen (løst).
4. Ta den uttrekkbare armen til utvidet posisjon.
5. Fest motorenheten til motorbraketten til den uttrekkbare armen ved å sette motorakselen inn i det tilsvarende hullet på koplingsstykket. Brakettdelen skal plassere mellom armen og den øverste braketten, slik at hullene justeres.
6. Bruk skruen 20-20 og en låsemutter for å feste de to brakettene sammen. Trekk deretter til M6 -skruen på toppbraketten.
7. Sørg for at festet er i forlenget posisjon, og fest motoren til koblingen med seteskruen/-ene 10-32.
8. Skru på grensebryteren med 2 #2-56 skruer (sørg for at grensebryteren vil være lukket i fullstendig utadrettet posisjon - i vårt tilfelle trykker skulderbolten den stengt).

*Merknad om festeskruer: settskruer må grensesnittet mot flat side av D-akselen. For å justere akselretningen må motoren kobles til strømforsyningen til den flate siden er i ønsket posisjon. Alternativt kan du sette opp kretsen som beskrevet i 4.1 Elektriske delkretser nedenfor og endre timingen på linje 52 i koden som angitt i 4.2 Elektrisk del Arduino -kode til den er i ønsket posisjon. Husk å bytte den tilbake etter montering!

Demontering

Følg monteringsprosedyren i motsatt retning. Se nedenfor om motoren brenner ut og må skiftes ut.

Motorbytte

1. Fjern seteskruen som holder akselen til koplingsstykket.
2. Skru løs ¼-20 brakettfeste og låsemutter.
3. Trekk ut motor-motorbrakettundersamlingen og skru av motoren for utskifting.
4. Fest den nye motoren til braketten med skruer.
5. Sett den nye motorakselen inn i hullet i koplingsstykket, og fest braketten på plass (løs den øvre M6 -skruen om nødvendig).
6. Skru skruen 20-20 og låsemutteren for å feste brakettene igjen (stram den øvre M6-skruen om nødvendig).
7. Fest til slutt akselen til koplingen med seteskruen.

Elektronikkboliger

1. Plasser brødbrettskretsen montert i elektrisk del i boksen til elektronikkhuset som vist på bildet.
2. Bruk en kvern og/eller bor til å lage spor og hull for kontakter (Arduino USB -port, knappekontakt og vippebryter).
3. Se figuren ovenfor for et eksempel. Spor- og hullposisjoner vil avhenge av komponentene og kretsen.

Trinn 5: Elektrisk del

Kretser

Skjemaer

Skjematikken til kretsen er vist i figur 1 i denne seksjonen, og den er også tilgjengelig på Github. En 5V strøm vil bli levert fra den elektriske rullestolen til Arduino Nano -kortet. Arduino Nano -kortet er kodet slik at det vil kontrollere bryteratferden og bevegelsen til likestrømsmotoren. Utformingen og ledningen til kretsen er forklart i Maskinvare -delen (hyperkobling til maskinvaredelen), hvis du er interessert.

Brødbrettoppsett

Et ledningsbilde fra brødbrettet fra Fritzing eller kretsen er vist i figur 2 i denne seksjonen, og bildet av det siste brødbrettet er vist i figur 3.

Arduino -koden

Koden som brukes for dette produktet er vist på siden, og du kan laste den ned her.

For å laste opp koden til arduino, last ned Arduino IDE på datamaskinen. Bruk koden "Rhonda_v4_onebutton.ino" som du har lastet ned.

Hver kodelinje har sin linje-for-linje-forklaring inne i kodefilen.

Last opp koden til Arduino med (grensesnittet er vist her):

1. Koble Arduino til datamaskinen ved hjelp av USB -kontakten

2. Fra Verktøy -fanen på Arduino -grensesnittet:

   • Sett styret til "Arduino Nano"
   • Sett porten til USB -porten
3. Trykk på opplastingsknappen (→)
4. Vent til grensesnittet leser "opplasting fullført".

Den nåværende hastigheten er satt til maksimum 255 i linje 25 "analogWrite (motorPin, 255)" for å rotere motoren, og minimum 0 i linje 36 "analogWrite (motorPin, 0)" for å stoppe motoren. Hastighetsområdet kan settes mellom 0 og 255 som passer for motorhastigheten.

Den nåværende rotasjonstiden er tidsbestemt for den spesifikke joystick -stativmonteringen vi valgte, men du kan ganske enkelt endre koden (linje 52) for å endre rotasjonstiden og tilpasse seg den spesifikke joystick -armen du har. Tiden er i mikrosekunder i Arduino. For eksempel, hvis vi vil at rotasjonstiden skal være 5 sekunder, bør du angi tiden til "5000" i Arduino.

Trinn 6: Last ned trinnvise instruksjoner

Trinn 7: Feilsøking (Oppdatert 12/12/17)

1. Motoren trekker ikke inn armen.

   • Sørg for at bryteren er satt til ønsket retning
   • Kontroller at skruene er strammet til
   • Se etter mekanisk papirstopp
   • Kontroller forbindelsene mellom motor og krets
   • Kontroller kretsforbindelsene (testkrets med bare motor, uten tilkobling)
   • Støtt joysticken med litt kraft: hvis armen nå trekker seg tilbake med støtte, er motoren din ikke kraftig nok! Sjekk om knappen du brukte er funksjonell

2. Armen beveger seg for langt eller ikke langt nok.

   Endre timingen i Arduino -koden som beskrevet i Arduino Code Read Me

Trinn 8: Videodokumentasjon

Trinn 9: Referanser

1. Lær og lag din egen billige L293D-motordriver (en komplett guide for L293D) https://just4electronics.wordpress.com/2015/08/28/learn-make-your-own-cheap-l293d-motor-drivera- complete-guide-for-l293d/

Trinn 10: OPPDATERING 5/14/18

• Maskinbearbeidede nye armstenger av stål (sammenlignet med original aluminium) med større høyde for å forhindre nedbøyning av bjelke
• Byttet til motor med høyere dreiemoment (1497 oz-in)
• Oppdatert kode som ikke kompilerte
• Testet revidert enhet på klientens rullestol