Desenvolupament d'un joystick retràctil motoritzat: 10 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:13

Aquest joystick retràctil motoritzat és una solució de baix cost per a usuaris de cadires de rodes elèctriques que tenen dificultats per utilitzar muntures manuals de joystick. És una iteració de disseny d’un projecte de joystick retràctil anterior.

El projecte es compon de dues parts: una part mecànica (disseny de muntatge, muntatge, etc.) i una part elèctrica (circuits, codi Arduino, etc.).

El mòdul de joystick retràctil motoritzat pot ser fabricat i reproduït per qualsevol persona seguint les instruccions que es proporcionen aquí. No cal cap coneixement previ sobre circuits ni Arduino ni Solidworks. En aquest projecte hi ha molt poca soldadura i es poden trobar instruccions de soldadura aquí. Serà necessari l'accés a operacions bàsiques de perforació / mecanitzat. Les explicacions detallades del disseny es tracten a la part mecànica i la part elèctrica.

Pas 1: contingut

1. Continguts

2. Característiques i funcionalitat

   • Mecanisme de retracció i ampliació motoritzada
   • Mode esquerra / dreta
   • Modularitat
   • Velocitat de rotació ajustable

3. Preparació

   • Programari

     Arduino

   • Maquinari

     • Resum de totes les peces i eines necessàries
     • Arduino Nano (Rev 3.0)
     • Xip de controlador de motor: L293D
     • Resistències desplegables
     • Botons i commutadors
     • Selecció del motor

   • Alimentació des de cadires de rodes elèctriques

     Mitjançant un port USB

4. Part mecànica
   • Fabricació
   • Adjunt de commutador de límit
   • Muntatge / desmuntatge
   • Substitució del motor
   • Electrodomèstics
5. Part elèctrica

   • Circuits

     • Esquemes
     • Disseny de taulers de pa
   • Codi Arduino

6. Instruccions pas a pas

   Descarregueu el fitxer PDF de les instruccions

7. Resolució de problemes
8. Documentació de vídeo
9. Referències

Pas 2: funcions i funcionalitat

Mecanisme de retracció i ampliació motoritzada

Aquest muntatge de joystick retràctil motoritzat permetrà als usuaris de cadires de rodes poder retractar o estendre el seu joystick automàticament. Els usuaris tenen l'opció de prémer dos botons (un per retractar-se i un per ampliar) o un botó (un sol botó per retractar-se i ampliar-lo) en funció de les seves preferències. La col·locació dels botons és flexible i pot canviar per atendre els diferents requisits de l'usuari. Els botons s’uneixen al circuit mitjançant preses de botons universals, de manera que els botons que s’utilitzen en aquesta demostració es poden substituir per qualsevol botó universal.

Mode esquerra / dreta

Aquest producte és adequat tant per a usuaris esquerrans com per a drets. El tècnic que instal·la el sistema motoritzat a la cadira de rodes elèctrica del client pot canviar el mode fàcilment canviant un interruptor a la caixa electrònica. No cal fer cap modificació al codi.

Modularitat

El producte és a prova de fallades. Si el mecanisme automatitzat és per defecte o si el sistema s'està reparant, el mecanisme de desplaçament manual no es veurà afectat. A les instruccions s’inclou una descripció detallada del procés senzill de muntatge i desmuntatge.

Velocitat de rotació ajustable

La velocitat de rotació del mecanisme automatitzat es pot ajustar modificant el codi Arduino (les instruccions es proporcionen a les seccions posteriors). Com a precaució de seguretat, la velocitat de rotació no ha de ser massa ràpida, ja que el sistema no pot percebre el que podria estar en el camí, cosa que podria provocar lesions lleus.

Pas 3: Preparació

Programari

En aquest projecte s’utilitza Arduino, de manera que haureu de tenir instal·lat l’IDE Arduino al vostre ordinador. L’enllaç per descarregar l’aplicació és aquí. El codi Arduino utilitzat per a aquest producte està disponible en una secció posterior.

Maquinari

Resum de totes les peces i eines necessàries

Aquesta taula següent conté totes les parts i eines necessàries per a aquest projecte.

Arduino Nano (Rev 3.0)

En aquest producte s’utilitza Arduino Nano (Rev 3.0). Tot i això, podeu substituir aquesta placa per altres plaques Arduino que continguin pins PWM. Els pins PWM són necessaris en aquest projecte, ja que utilitzarem Arduino (imatge) per controlar un xip de controlador de motor (L293D), i el xip ha de ser controlat per entrades PWM. Els pins PWM d’Arduino Nano (Rev 3.0) inclouen: pin D3 (pin 6), pin D5 (pin 8), pin D6 (pin 9), pin D9 (pin 12), pin D10 (pin 13), pin D11 (Pin 14). Si us interessa obtenir més detalls sobre Arduino Nano, la seva disposició de pins i els esquemes es poden consultar aquí.

Xip de controlador de motor: L293D

L293D és un potent xip de controlador de motor de CC que permet que el motor de CC giri tant en sentit horari com en sentit antihorari.

Els pins que s’utilitzen en aquest projecte inclouen: Enable1, 2 pins (pin 1), entrada 1 (pin 2), sortida 1 (pin 3), GND (pin 4), sortida 2 (pin 6), entrada 2 (pin) 7), Vcc 1 (Pin 8), Vcc 2 (Pin 16).

• Enable1, 2 pins (Pin 1): controla la velocitat del motor
• Entrada 1 (Pin 2): controla la direcció del motor
• Sortida 1 (Pin 3): connecteu-vos al motor, la polaritat no importa
• GND (Pin 4): connecteu-vos a terra
• Sortida 2 (Pin 6): connecteu-vos al motor, la polaritat no importa
• Entrada 2 (Pin 7): controla la direcció del motor
• Vcc 1 (Pin 8): alimentar el circuit intern del xip, connectar-lo a 5 V.
• Vcc 2 (Pin 16): alimenta el motor de CC, varia segons el requisit del motor. El motor utilitzat per a aquest projecte es pot alimentar a 5 V.

Si us interessa obtenir més detalls sobre el L293D, podeu accedir al seu full de dades aquí i aquí.

Resistències desplegables

Cada botó / interruptor està emparellat amb una resistència desplegable. Hi ha resistències desplegables per assegurar-vos que l’Arduino llegirà un valor constant del pin. Si no emparelleu els nostres botons / interruptor amb una resistència, el valor que llegeix Arduino des del pin corresponent flotarà entre 0 i 1. En aquest cas, els botons / interruptor no funcionaran com s’esperava. Com que fem servir resistències desplegables, les resistències es connectaran entre el pin digital corresponent i el sòl, de manera que els botons / commutador es connectaran entre el pin d'alimentació (+ 5V) i el pin digital de l'Arduino Nano. Quan es prem el botó, l'Arduino llegirà 1 del pin corresponent. En aquest projecte s’utilitzen tres resistències de 270 Ω.

Botons / commutador

En aquest projecte, implementem jack (s) de botó de 3,5 mm a la placa per facilitar la substitució del botó. Un commutador de dos pins (per canviar el mode de mà esquerra / dreta) es connecta directament a la placa, ja que la majoria dels usuaris de cadires de rodes no necessitaran interactuar amb l’interruptor i l’interruptor està dissenyat per a la persona que ajuda a instal·lar tot el mecanisme.

Selecció del motor

Hem obtingut alguns suports retractables manualment de diferents cadires de rodes elèctriques de The Boston Home Inc. Es va provar i calcular la quantitat de força i parell necessari per retractar totes aquestes mostres. Després de comprovar les especificacions del motor, es va triar un motor reductor de corrent continu per al suport del joystick mostrat anteriorment com a demostració de les instruccions, ja que el suport del joystick requeria el màxim parell entre les 4 mostres que teníem. Voleu provar la força i el parell necessari per al braç del joystick + el pes del mateix conjunt del joystick per assegurar-vos que s’adapti a les especificacions.

Alimentació des de cadires de rodes elèctriques

La majoria de les cadires de rodes elèctriques estan equipades amb una font d’alimentació de 24 V. Aquest producte de joystick retràctil automatitzat requereix una entrada de 5V. Atès que el producte està dissenyat per rebre energia de la font d'alimentació de la cadira de rodes, no es necessita cap font d'alimentació externa.

Mitjançant un port USB

Es pot demanar un mòdul convertidor de corrent continu DC-DC de 24V a 5V (per convertir el voltatge en un convertidor de corrent). Amb un port USB es pot demanar en línia (el que hem utilitzat es va demanar aquí). Connecteu l'entrada del convertidor Buck a la font d'alimentació de 24 V (port d'alimentació a port d'alimentació i port de terra a port de terra) i la placa Arduino Nano es pot connectar al mòdul convertidor de buck a través del port USB.

Pas 4: part mecànica

Totes les mesures i dimensions es van fer en referència al braç de joystick específic que vam utilitzar per a aquest projecte. Aquests poden variar en funció del braç i observarem àrees importants de variabilitat.

Fabricació

Hi ha tres parts addicionals que cal fabricar per recrear la part mecànica (vegeu les figures). El braç exterior del braç del joystick també requereix modificacions per fixar els components mecànics al muntatge del joystick.

1. Suport superior
2. Suport inferior
3. Bloc d'acoblament de parell
4. Braç exterior

Utilitzant el suport d’angle en forma d’L d’alumini (suports superior i inferior), el suport de barra quadrada d’alumini (bloc d’acoblament de parell) i el braç de palanca de control existent (braç exterior), seguiu els dibuixos de peces i / o fitxers STL 3D.

Fixació del commutador de límit Els cables s’han de soldar al interruptor de límit abans de connectar-lo. El posicionament del commutador de límit és flexible sempre que l’interruptor estigui tancat quan el braç estigui retret i obert quan el joystick estigui en la seva posició normal. Consulteu els passos de muntatge 8 i fitxers "outer_arm" enllaçats anteriorment per obtenir més informació.

Mètode de muntatge

Vegeu les xifres de cada pas.

1. Connecteu el motor al suport del motor alineant els forats i cargolant-hi 6 cargols de capçal pla M-3 (no seran necessaris tots els 6 per mantenir el motor al seu lloc, però carregueu-ne tants com sigui possible per obtenir la màxima seguretat; assegureu-vos d’utilitzar els cargols de longitud correcta segons el gruix del suport per evitar danys al motor).
2. Alineeu la peça d'acoblament per sota de la barra exterior i enrosqueu-la al seu lloc amb un cargol pla de ½ "# 8-32. És possible que hagueu de perforar i punxar un forat de 8-32 al braç per connectar la peça d’acoblament al braç. * En aquest cas, el braç gira en sentit antihorari, de manera que la barra exterior (des de la perspectiva de l'usuari de la cadira de rodes elèctrica) es troba a l'esquerra. Per als usuaris dretans, es revertirà.
3. Col·loqueu el suport superior al braç retràctil amb el cargol M-6 (fluix).
4. Porteu el braç retràctil a la posició estesa.
5. Connecteu el subconjunt del suport del motor-motor al braç retràctil inserint l'eix del motor al forat corresponent de la peça d'acoblament. La part del suport hauria d’estar ranurada entre el braç i el suport superior, alineant els forats.
6. Utilitzeu el cargol ¼-20 i una rosca de fixació per subjectar els dos suports junts. A continuació, premeu el cargol M6 al suport superior.
7. Assegureu-vos que el muntatge es troba en la posició estesa, fixeu el motor a l'acoblament amb el cargol / s de fixació 10-32.
8. Enrosqueu el límit final amb 2 cargols # 2-56 (assegureu-vos que el límit final estigui tancat en la seva posició totalment cap a l'exterior; en el nostre cas, el cargol d'espatlla el prem per tancar).

* Nota sobre la fixació dels cargols de fixació: els cargols de fixació han de relacionar-se amb el costat pla de l'eix D. Per tal d'ajustar la direcció de l'eix, fixeu el motor a la font d'alimentació fins que el costat pla estigui a la posició desitjada. Alternativament, configureu el circuit tal com s’indica a 4.1 Circuits de peces elèctriques a continuació i canvieu el temps a la línia 52 del codi tal com s’indica a 4.2 Elèctric Arduino Code fins que estigui a la posició desitjada. Recordeu canviar-lo després del muntatge.

Desmuntatge

Seguiu el procediment de muntatge en sentit invers. Vegeu a continuació si el motor es crema i cal substituir-lo.

Substitució del motor

1. Traieu el cargol de fixació que subjecta l'eix a la peça d'acoblament.
2. Descargoleu el fixador del suport and-20 i la rosca de bloqueig.
3. Traieu el subconjunt del suport del motor-motor i descargoleu el motor per substituir-lo.
4. Connecteu el motor nou al suport amb cargols.
5. Introduïu un nou eix del motor al forat de la peça d'acoblament, introduint el suport al seu lloc (afluixeu el cargol M6 superior si cal).
6. Cargoleu el cargol ¼-20 i la rosca de fixació per tornar a fixar els suports (estrenyiu el cargol M6 superior si cal).
7. Finalment, fixeu l’eix a l’acoblament amb el cargol de fixació.

Electrònica Habitatge

1. Col·loqueu el circuit de la placa de pa muntat a la part elèctrica a la caixa de la carcassa de l’electrònica, tal com es mostra a la imatge.
2. Mitjançant un molí i / o un trepant, creeu ranures i forats per als connectors (port USB Arduino, presa de botó i commutador alternatiu).
3. Vegeu la figura superior per obtenir un exemple. La posició de ranura i forat dependrà dels components i del circuit.

Pas 5: part elèctrica

Circuits

Esquemes

Els esquemes del circuit es mostren a la figura 1 d’aquesta secció i també estan disponibles a Github. Es subministrarà una alimentació de 5 V des de la cadira de rodes elèctrica a la placa Arduino Nano. La placa Arduino Nano està codificada de manera que controlarà el comportament del commutador i el moviment del motor de corrent continu. El disseny i el cablejat del circuit s’expliquen a la secció Hardware (hiperenllaç a la secció hardware), si us interessa.

Disseny de taulers de pa

A la Figura 2 d'aquesta secció es mostra una imatge de cablejat de taulers de pantalla de Fritzing o del circuit, i la imatge de la tauleta de pa final es mostra a la Figura 3.

Codi Arduino

El codi utilitzat per a aquest producte es mostra al lateral i el podeu descarregar aquí.

Per carregar el codi a l'arduino, descarregueu l'IDE Arduino a l'ordinador. Utilitzeu el codi "Rhonda_v4_onebutton.ino" que heu descarregat.

Cada línia de codi té la seva explicació línia per línia dins del fitxer de codi.

Pengeu el codi a Arduino per (la interfície es mostra aquí):

1. Connecteu l'Arduino a l'ordinador mitjançant el connector USB

2. Des de la pestanya Eines de la interfície Arduino:

   • Estableix el tauler a "Arduino Nano"
   • Configureu el port al port USB
3. Premeu el botó de càrrega (→)
4. Espereu fins que la interfície digui "S'ha completat la càrrega".

La velocitat actual s'estableix com a màxim 255 en línia 25 "analogWrite (motorPin, 255)" per girar el motor i mínim 0 en línia 36 "analogWrite (motorPin, 0)" per aturar el motor. El rang de velocitat es pot establir entre 0 i 255 segons s’adapti a la velocitat del motor.

El temps de rotació actual està programat per al muntatge específic del suport del joystick que hem triat, però només podeu modificar el codi (línia 52) per canviar el temps de rotació i adaptar-lo al braç del joystick específic que tingueu. El temps és en microsegons a Arduino. Per exemple, si volem que el temps de rotació sigui de 5 segons, hauríeu d'establir el temps a "5000" a Arduino.

Pas 6: descarregar instruccions pas a pas

Pas 7: resolució de problemes (actualitzat el 12/12/17)

1. El motor no es retrau del braç.

   • Assegureu-vos que el commutador estigui configurat a la direcció desitjada
   • Comproveu que els cargols de fixació estiguin ben ajustats
   • Comproveu si hi ha embussos mecànics
   • Comproveu les connexions entre el motor i el circuit
   • Comprovar les connexions del circuit (circuit de prova amb només motor, sense connectar al muntatge)
   • Suporti el joystick amb força: si ara el braç es retira amb suport, el motor no és prou potent. Comproveu si el botó que heu utilitzat és funcional

2. El braç es mou massa o no prou.

   Canvieu el temps del codi Arduino tal com es descriu a Arduino Code Read Me

Pas 8: documentació de vídeo

Pas 9: referències

1. Apreneu i feu el vostre propi controlador de motor barat L293D (una guia completa per a L293D) https://just4electronics.wordpress.com/2015/08/28/learn-make-your-own-cheap-l293d-motor-drivera- guia-completa-per-l293d /

Pas 10: ACTUALITZA el 14/05/18

• Noves barres de braç mecanitzades d’acer (en comparació amb l’alumini original) amb una alçada més gran per evitar que es carregui la deflexió de la biga
• Canviat a motor de parell superior (1497 oz-in)
• S'ha actualitzat el codi que no s'estava compilant
• S'ha provat el dispositiu revisat a la cadira de rodes del client