Разработка моторизованного выдвижного джойстика: 10 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Этот выдвижной джойстик с электроприводом - недорогое решение для инвалидов-колясочников, которые испытывают трудности при использовании ручных откидных держателей джойстика. Это итерация дизайна предыдущего проекта выдвижного джойстика.

Проект состоит из двух частей: механической части (конструкция крепления, сборка и т. Д.) И электрической части (схемы, код Arduino и т. Д.).

Моторизованный выдвижной модуль джойстика может быть изготовлен и воспроизведен кем угодно, следуя приведенным здесь инструкциям. Никаких предварительных знаний о схемах, Arduino или Solidworks не требуется. В этом проекте очень мало пайки, и инструкции по пайке можно найти здесь. Потребуется доступ к основным операциям сверления / механической обработки. Подробные объяснения конструкции приведены в разделах «Механическая часть» и «Электрическая часть».

Шаг 1: содержание

1. СОДЕРЖАНИЕ

2. Особенности и функциональность

   • Моторизованный механизм втягивания и выдвижения
   • Левый / Правый режим
   • Модульность
   • Регулируемая скорость вращения

3. Подготовка

   • Программное обеспечение

     Ардуино

   • Аппаратное обеспечение

     • Сводка всех необходимых деталей и инструментов
     • Arduino Nano (версия 3.0)
     • Чип драйвера двигателя: L293D
     • Понижающие резисторы
     • Кнопки и переключатели
     • Выбор двигателя

   • Питание от инвалидных колясок с электроприводом

     Использование порта USB

4. Механическая часть

   • Производство
   • Крепление концевого выключателя
   • Сборка / Разборка
   • Замена двигателя
   • Корпус для электроники

5. Электрическая часть

   • Схемы

     • Схемы
     • Макет макета
   • Код Arduino

6. Пошаговая инструкция

   Загрузите PDF-файл с инструкциями

7. Исправление проблем
8. Видео Документация
9. использованная литература

Шаг 2: особенности и функциональность

Моторизованный механизм втягивания и выдвижения

Это моторизованное выдвижное крепление для джойстика позволит инвалидам-инвалидам автоматически задвигать или выдвигать джойстик. Пользователи могут нажать две кнопки (одну для втягивания и одну для выдвижения) или одну кнопку (одна кнопка для втягивания и выдвижения) в зависимости от своих предпочтений. Расположение кнопок гибкое и может меняться в зависимости от требований пользователя. Кнопки подключаются к схеме через универсальные гнезда для кнопок, поэтому кнопки, используемые в этой демонстрации, могут быть заменены любой универсальной кнопкой.

Левый / Правый режим

Этот продукт подходит как для левшей, так и для правшей. Техник, устанавливающий моторизованную систему на кресло-коляску клиента, может легко изменить режим, переключив переключатель в блоке электроники. В код не нужно вносить никаких изменений.

Модульность

Изделие безотказно. Если автоматический механизм не работает по умолчанию или если система ремонтируется, ручной механизм поворота не будет затронут. Подробное описание простого процесса сборки и разборки включено далее в инструкции.

Регулируемая скорость вращения

Скорость вращения автоматизированного механизма можно отрегулировать, изменив код Arduino (инструкции приведены в следующих разделах). В качестве меры предосторожности скорость вращения не должна быть слишком высокой, поскольку система не может определить, что может быть на пути, что может вызвать легкую травму.

Шаг 3: подготовка

Программное обеспечение

В этом проекте используется Arduino, поэтому на вашем компьютере должна быть установлена Arduino IDE. Ссылка для скачивания приложения находится здесь. Код Arduino, используемый для этого продукта, доступен в следующем разделе.

Аппаратное обеспечение

Сводка всех необходимых деталей и инструментов

Следующая таблица содержит все части и инструменты, необходимые для этого проекта.

Arduino Nano (версия 3.0)

В этом продукте используется Arduino Nano (Rev 3.0). Однако вы можете заменить эту плату другими платами Arduino, содержащими контакты PWM. В этом проекте требуются контакты PWM, поскольку мы будем использовать Arduino (рисунок) для управления микросхемой драйвера двигателя (L293D), и микросхема должна управляться входами PWM. Контакты PWM Arduino Nano (Rev 3.0) включают в себя: контакт D3 (контакт 6), контакт D5 (контакт 8), контакт D6 (контакт 9), контакт D9 (контакт 12), контакт D10 (контакт 13), контакт D11 (Пин 14). Если вас интересуют более подробные сведения об Arduino Nano, его расположении контактов и схемах, можно сослаться здесь.

Чип драйвера двигателя: L293D

L293D - это мощный драйвер двигателя постоянного тока, который позволяет двигателю постоянного тока вращаться как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки.

В этом проекте используются следующие выводы: Enable1, 2 pin (Pin 1), Input 1 (Pin 2), Output 1 (Pin 3), GND (Pin 4), Output 2 (Pin 6), Input 2 (Pin 2). 7), Vcc 1 (контакт 8), Vcc 2 (контакт 16).

• Enable1, 2 pin (Pin 1): управление скоростью двигателя
• Вход 1 (контакт 2): управление направлением двигателя
• Выход 1 (контакт 3): подключите к двигателю, полярность не имеет значения.
• GND (контакт 4): подключить к земле
• Выход 2 (контакт 6): подключите к двигателю, полярность не имеет значения.
• Вход 2 (контакт 7): управление направлением двигателя
• Vcc 1 (контакт 8): запитать внутреннюю схему микросхемы, подключить к 5 В
• Vcc 2 (контакт 16): питание двигателя постоянного тока, зависит от требований двигателя. Двигатель, используемый в этом проекте, может питаться от 5 В.

Если вас интересует более подробная информация о L293D, его техническое описание можно найти здесь и здесь.

Понижающие резисторы

Каждая кнопка / переключатель сопряжен с понижающим резистором. Понижающие резисторы здесь, чтобы помочь убедиться, что Arduino будет считывать постоянное значение с вывода. Если вы не соедините наши кнопки / переключатель с резистором, значение, которое Arduino считывает с соответствующего вывода, будет плавать между 0 и 1. В этом случае кнопки / переключатель не будут работать должным образом. Поскольку мы используем понижающие резисторы, резисторы будут подключены между соответствующим цифровым выводом и землей, поэтому кнопки / переключатель будут подключены между выводом питания (+ 5 В) и цифровым выводом на Arduino Nano. Когда кнопка нажата, Arduino будет читать 1 с соответствующего вывода. В этом проекте используются три резистора на 270 Ом.

Кнопки / Переключатель

В этом проекте мы реализуем 3,5-миллиметровые кнопочные разъемы на макетной плате для легкой замены кнопок. Двухконтактный переключатель (для переключения режимов работы левой / правой рукой) подключается непосредственно к макетной плате, поскольку большинству пользователей инвалидных колясок не нужно взаимодействовать с переключателем, а переключатель предназначен для человека, который помогает установить весь механизм.

Выбор двигателя

Мы получили несколько ручных выдвижных опор для инвалидных колясок с электроприводом от The Boston Home Inc. Были протестированы и рассчитаны величина силы и крутящего момента, необходимые для втягивания всех этих образцов. После проверки технических характеристик двигателя был выбран мотор-редуктор постоянного тока для крепления подставки для джойстика, показанной ранее, в качестве демонстрации инструкций, поскольку для крепления подставки для джойстика требовался наибольший крутящий момент среди 4 образцов, которые у нас были. Вам нужно будет проверить количество силы и крутящего момента, необходимые для вашего рычага джойстика + вес самого джойстика в сборе, чтобы убедиться, что он соответствует спецификации.

Питание от инвалидных колясок с электроприводом

Большинство инвалидных колясок оснащены блоком питания 24 В. Для этого автоматизированного выдвижного джойстика требуется вход 5 В. Поскольку устройство рассчитано на питание от источника питания для кресла-коляски, внешний источник питания не требуется.

Использование порта USB

Понижающий преобразователь постоянного тока 24 В в – 5 В (понижающий преобразователь используется для понижения напряжения). Модуль с портом USB можно заказать онлайн (тот, который мы использовали, был заказан здесь). Подключите вход понижающего преобразователя к источнику питания 24 В (порт питания к порту питания и порт заземления к порту заземления), а затем плату Arduino Nano можно подключить к модулю понижающего преобразователя через порт USB.

Шаг 4: Механическая часть

Все измерения и размеры были сделаны для конкретного рычага джойстика, который мы использовали для этого проекта. Они могут отличаться в зависимости от руки, и мы отметим важные области вариабельности.

Производство

Для воссоздания механической части необходимо изготовить три дополнительные детали (см. Рисунки). Внешний рычаг рычага джойстика также требует модификации, чтобы прикрепить механические компоненты к креплению джойстика.

1. Верхний кронштейн
2. Нижняя скоба
3. Блок муфты крутящего момента
4. Внешняя рука

Используя алюминиевый L-образный угловой приклад (верхний и нижний кронштейны), алюминиевый квадратный стержень (блок муфты крутящего момента) и существующий рычаг джойстика (внешний рычаг), следуйте чертежам деталей и / или файлам 3D STL.

Крепление концевого выключателя Перед установкой провода должны быть припаяны к концевому выключателю. Позиционирование концевого выключателя является гибким до тех пор, пока переключатель закрыт, когда рычаг втянут, и открыт, когда джойстик находится в нормальном положении. Подробности см. В шаге 8 сборки и в файлах "outer_arm", ссылки на которые приведены выше.

Метод сборки

См. Рисунки для каждого шага.

1. Прикрепите двигатель к кронштейну двигателя, совместив отверстия и вкрутив 6 винтов M-3 с плоской головкой (не все 6 понадобятся, чтобы удерживать двигатель на месте, но ввинтите как можно больше для максимальной надежности; обязательно используйте винты правильной длины в соответствии с толщиной кронштейна, чтобы предотвратить повреждение двигателя).
2. Выровняйте соединительную деталь под внешней штангой и закрепите винтом с плоской головкой ½”# 8-32. Возможно, вам потребуется просверлить отверстие 8-32 и врезаться в него, чтобы соединить соединительную деталь с рычагом. * В этом случае рука поворачивается против часовой стрелки, поэтому внешняя перекладина (с точки зрения пользователя кресла-коляски) находится слева. Для правшей это будет наоборот.
3. Прикрепите верхний кронштейн к выдвижному рычагу винтом M-6 (свободно).
4. Переведите выдвижной рычаг в выдвинутое положение.
5. Присоедините узел кронштейна двигатель-двигатель к выдвижному рычагу, вставив вал двигателя в соответствующее отверстие на соединительной детали. Деталь кронштейна должна находиться между кронштейном и верхним кронштейном, совмещая отверстия.
6. Используйте винт ¼-20 и контргайку, чтобы скрепить два кронштейна вместе. Затем затяните винт M6 на верхнем кронштейне.
7. Убедившись, что опора находится в выдвинутом положении, закрепите двигатель на муфте с помощью установочного винта 10-32 / с.
8. Прикрутите концевой выключатель 2 винтами № 2-56 (убедитесь, что концевой выключатель будет закрыт в полностью открытом положении - в нашем случае болт с буртиком прижимает его к закрытию).

* Примечание по установке установочных винтов: установочные винты должны соприкасаться с плоской стороной D-образного вала. Чтобы отрегулировать направление вала, подключите двигатель к источнику питания, пока плоская сторона не окажется в желаемом положении. В качестве альтернативы, настройте схему, как описано в разделе 4.1 «Электрические цепи» ниже, и измените время в строке 52 кода, как указано в разделе 4.2 «Код электрической части Arduino», до тех пор, пока она не окажется в желаемом положении. Не забудьте вернуть его после сборки!

Разборка

Выполните процедуру сборки в обратном направлении. См. Ниже, если ваш двигатель перегорел и нуждается в замене.

Замена мотора

1. Снимите установочный винт, которым вал крепится к муфте.
2. Выкрутите крепеж кронштейна ¼-20 и контргайку.
3. Вытяните узел кронштейна мотор-мотор и открутите мотор для замены.
4. Прикрепите новый двигатель к кронштейну винтами.
5. Вставьте новый вал двигателя в отверстие в соединительной детали, вставив скобу на место (при необходимости ослабьте верхний винт M6).
6. Вверните винт ¼-20 и контргайку, чтобы снова закрепить кронштейны (при необходимости затяните верхний винт M6).
7. Наконец, закрепите вал на муфте с помощью установочного винта.

Корпус для электроники

1. Поместите макетную плату, собранную в электрической части, в корпус электронного блока, как показано на рисунке.
2. Используя фрезу и / или дрель, сделайте прорези и отверстия для разъемов (USB-порт Arduino, кнопочный разъем и тумблер).
3. См. Пример на рисунке выше. Расположение пазов и отверстий будет зависеть от ваших компонентов и схемы.

Шаг 5: электрическая часть

Схемы

Схемы

Схема схемы показана на рисунке 1 в этом разделе, и она также доступна на Github. Питание 5 В будет подаваться от кресла-коляски к плате Arduino Nano. Плата Arduino Nano закодирована так, что она будет контролировать поведение переключателя и движение двигателя постоянного тока. Конструкция и подключение схемы объяснены в разделе «Аппаратное обеспечение» (гиперссылка на раздел «Аппаратное обеспечение»), если вам интересно.

Макет макета

Изображение разводки макета от Fritzing или схема показаны на рисунке 2 в этом разделе, а изображение окончательного макета показано на рисунке 3.

Код Arduino

Код, используемый для этого продукта, показан сбоку, и вы можете скачать его здесь.

Чтобы загрузить код в Arduino, загрузите Arduino IDE на компьютер. Используйте код «Rhonda_v4_onebutton.ino», который вы скачали.

Каждая строка кода имеет свое построчное объяснение внутри файла кода.

Загрузите код в Arduino (интерфейс показан здесь):

1. Подключите Arduino к компьютеру через USB-разъем.

2. На вкладке «Инструменты» интерфейса Arduino:

   • Установите плату на «Arduino Nano».
   • Установите порт на порт USB.
3. Нажмите кнопку загрузки (→)
4. Подождите, пока в интерфейсе не появится сообщение «загрузка завершена».

Текущая скорость устанавливается на максимальное значение 255 в строке 25 «analogWrite (motorPin, 255)» для вращения двигателя и минимальное значение 0 в строке 36 «analogWrite (motorPin, 0)» для остановки двигателя. Диапазон скорости может быть установлен от 0 до 255 в зависимости от скорости двигателя.

Текущее время вращения рассчитано для конкретного крепления подставки для джойстика, которое мы выбрали, но вы можете просто изменить код (строка 52), чтобы изменить время вращения и адаптироваться к конкретному рычагу джойстика, который у вас есть. В Arduino время указывается в микросекундах. Например, если мы хотим, чтобы время вращения составляло 5 секунд, вы должны установить время на «5000» в Arduino.

Шаг 6. Загрузка пошаговых инструкций

Шаг 7. Устранение неполадок (Обновлено 12.12.17)

1. Мотор не втягивает рычаг.

   • Убедитесь, что переключатель установлен в желаемое направление
   • Убедитесь, что установочные винты затянуты.
   • Проверьте, нет ли механических замятий.
   • Проверьте соединения между двигателем и цепью.
   • Проверить соединения цепи (испытательная цепь только с двигателем, не подключенная к сборке)
   • Поддерживайте джойстик с некоторой силой: если теперь рука убирается с опорой, ваш двигатель недостаточно мощный! Проверьте, работает ли использованная вами кнопка

2. Рука движется слишком далеко или недостаточно далеко.

   Измените время в коде Arduino, как описано в Arduino Code Read Me

Шаг 8: видео-документация

Шаг 9: ссылки

1. Изучите и сделайте свой собственный дешевый драйвер двигателя L293D (Полное руководство для L293D) https://just4electronics.wordpress.com/2015/08/28/learn-make-your-own-cheap-l293d-motor-drivera- полное руководство для l293d /

Шаг 10: ОБНОВЛЕНИЕ 14.05.18

• Обработанные новые штанги из стали (по сравнению с оригинальным алюминием) с большей высотой для предотвращения прогиба балки от нагрузки
• Переключен на двигатель с более высоким крутящим моментом (1497 унций на дюйм)
• Обновленный код, который не компилировался
• Протестировано модернизированное устройство на инвалидной коляске клиента