Utveckla en motoriserad infällbar joystick: 10 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

Denna motoriserade infällbara joystick är en billig lösning för elrullstolsanvändare som har svårt att använda manuella svängbara joystickfästen. Det är en design iteration på ett tidigare infällbart joystick -projekt.

Projektet består av två delar: en mekanisk del (monteringsdesign, montering etc.) och en elektrisk del (kretsar, Arduino -kod etc).

Den motoriserade infällbara joystickmodulen kan tillverkas och replikeras av vem som helst genom att följa instruktionerna här. Inga förkunskaper om kretsar eller Arduino eller Solidworks behövs. Mycket lite lödning är involverad i detta projekt, och instruktioner för lödning finns här. Tillgång till grundläggande borr-/bearbetningsoperationer kommer att vara nödvändig. Detaljerade förklaringar av konstruktionen behandlas i mekanisk del och elektrisk del.

Steg 1: Innehåll

1. Innehåll

2. Funktioner och funktionalitet

   • Motoriserad infällnings- och förlängningsmekanism
   • Vänster/högerläge
   • Modularitet
   • Justerbar rotationshastighet

3. Förberedelse

   • programvara

     Arduino

   • Hårdvara
     • Sammanfattning av alla delar och verktyg som behövs
     • Arduino Nano (Rev 3.0)
     • Motorförarchip: L293D
     • Neddragbara motstånd
     • Knappar och omkopplare
     • Motorval

   • Drivs från elrullstolar

     Med en USB -port

4. Mekanisk del

   • Tillverkning
   • Gränslägesbrytare
   • Montering/demontering
   • Motorbyte
   • Elektronikhus

5. Elektrisk del

   • Kretsar

     • Scheman
     • Brödbräda Layout
   • Arduino -kod

6. Steg-för-steg-instruktioner

   Ladda ner PDF -filen med instruktioner

7. Felsökning
8. Videodokumentation
9. Referenser

Steg 2: Funktioner och funktionalitet

Motoriserad infällnings- och förlängningsmekanism

Detta motoriserade infällbara joystickfäste gör att rullstolsanvändare kan dra eller förlänga sin joystick automatiskt. Användare har möjlighet att antingen trycka på två knappar (en för att dra tillbaka och en för att förlänga) eller en knapp (en knapp för både att dra tillbaka och förlänga) beroende på deras preferenser. Knapparnas placering är flexibel och kan ändras för att tillgodose olika användarkrav. Knapparna är anslutna till kretsen genom universella knapputtag, så knapparna som används i denna demo kan ersättas med valfri universalknapp.

Vänster/högerläge

Denna produkt är lämplig för både vänster- och högerhänta användare. Teknikern som installerar det motoriserade systemet till klientens elrullstol kan enkelt ändra läge genom att växla en omkopplare i elektronikboxen. Inga ändringar behöver göras i koden.

Modularitet

Produkten är felsäker. Om den automatiska mekanismen standardiseras eller om systemet repareras påverkas inte den manuella svängningsmekanismen. En detaljerad beskrivning av den enkla monterings- och demonteringsprocessen finns senare i instruktionerna.

Justerbar rotationshastighet

Rotationshastigheten för den automatiska mekanismen kan justeras genom att ändra Arduino -koden (instruktioner finns i senare avsnitt). Som en säkerhetsåtgärd bör rotationshastigheten inte vara för snabb, eftersom systemet inte känner av vad som kan vara i vägen, vilket kan orsaka mindre personskada.

Steg 3: Förberedelse

programvara

I detta projekt används Arduino, så du måste ha Arduino IDE installerat på din dator. Länken för att ladda ner programmet finns här. Arduino -koden som används för denna produkt är tillgänglig i ett senare avsnitt.

Hårdvara

Sammanfattning av alla delar och verktyg som behövs

Följande tabell innehåller alla delar och verktyg som behövs för detta projekt.

Arduino Nano (Rev 3.0)

Arduino Nano (Rev 3.0) används i denna produkt. Du kan dock ersätta detta kort med andra Arduino -kort som innehåller PWM -stift. PWM -stift krävs i detta projekt, eftersom vi kommer att använda Arduino (bild) för att styra ett motorförarchip (L293D), och chipet måste styras av PWM -ingångar. PWM -stiften på Arduino Nano (Rev 3.0) inkluderar: D3 -stift (stift 6), D5 -stift (stift 8), D6 -stift (stift 9), D9 -stift (stift 12), D10 -stift (stift 13), D11 -stift (Stift 14). Om du är intresserad av mer information om Arduino Nano, kan dess pin -layout och scheman refereras här.

Motorförarchip: L293D

L293D är ett kraftfullt DC -drivrutinschip som gör det möjligt för DC -motorn att rotera både medurs och moturs.

Stiften som används i detta projekt inkluderar: 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): styra motorns varvtal
• Ingång 1 (stift 2): styr motorns riktning
• Utgång 1 (stift 3): anslut till motorn, polariteten spelar ingen roll
• GND (stift 4): anslut till jord
• Utgång 2 (stift 6): anslut till motorn, polariteten spelar ingen roll
• Ingång 2 (stift 7): styr motorns riktning
• Vcc 1 (stift 8): mata chipets interna krets, anslut till 5 V
• Vcc 2 (Pin 16): driv DC -motorn, varierar med motorbehov. Motorn som används för detta projekt kan drivas med 5 V.

Om du är intresserad av mer information om L293D kan dess datablad nås här och här.

Neddragbara motstånd

Varje knapp/omkopplare är ihopkopplad med ett neddragbart motstånd. Neddragningsmotstånd är här för att se till att Arduino kommer att läsa ett konstant värde från stiftet. Om du inte kopplar ihop våra knappar/omkopplare med ett motstånd, kommer värdet som Arduino läser från motsvarande stift att flyta mellan 0 och 1. I det här fallet fungerar knapparna/omkopplaren inte som förväntat. Eftersom vi använder neddragningsmotstånd kommer motstånden att kopplas mellan motsvarande digitala stift och marken, så knapparna/omkopplaren kopplas mellan strömstiften (+5V) och det digitala stiftet på Arduino Nano. När du trycker på knappen läser Arduino 1 från motsvarande stift. Tre 270 Ω motstånd används i detta projekt.

Knappar/omkopplare

I detta projekt implementerar vi 3,5 mm knapputtag på brödbrädan för enkel byte av knappar. En två-stifts omkopplare (för att växla vänster-/högerhänt läge) är ansluten direkt på brödbrädan eftersom de flesta elrullstolsanvändare inte behöver interagera med omkopplaren och omkopplaren är utformad för den som hjälper till att installera hela mekanismen.

Motorval

Vi fick några manuellt infällbara stativfästen från olika elrullstolar från The Boston Home Inc. Mängden kraft och vridmoment som behövs för att dra tillbaka alla dessa prover testades och beräknades. Efter att ha kontrollerat motorspecifikationerna valdes en DC -växelmotor för joystickfästet som visades tidigare som en demo för instruktionerna, eftersom det för joystickstället krävde mest vridmoment bland de 4 prover vi hade. Du kommer att vilja testa mängden kraft och vridmoment som behövs för din joystickarm + vikten på själva joystickaggregatet för att se till att det passar inom specifikationen.

Drivs från elrullstolar

De flesta elrullstolar är utrustade med 24V strömförsörjning. Denna automatiska infällbara joystickprodukt kräver en 5V ingång. Eftersom produkten är konstruerad för att ta emot ström från rullstolens strömförsörjning behövs ingen extern strömförsörjning.

Med en USB -port

En DC-DC 24V-till-5V buck-omvandlare (En buck-omvandlare används för att få ner spänningen.) Modul med en USB-port kan beställas online (den vi använde beställdes härifrån). Anslut ingången till buck -omvandlaren till 24V -strömförsörjningen (strömport till strömport och jordport till jordport), och Arduino Nano -kortet kan sedan anslutas till buck -omvandlarmodulen via USB -porten.

Steg 4: Mekanisk del

Alla mått och dimensioner gjordes med hänvisning till den specifika joystickarmen vi använde för detta projekt. Dessa kan variera beroende på armen och vi kommer att notera viktiga områden med variabilitet.

Tillverkning

Det finns ytterligare tre delar som måste tillverkas för att återskapa den mekaniska delen (se figurer). Den yttre armen på joystickarmen kräver också modifiering för att fästa de mekaniska komponenterna på joystickfästet.

1. Toppfäste
2. Bottenfäste
3. Momentkopplingsblock
4. Ytterarm

Använd L-formad vinkelstam i aluminium (topp- och bottenfästen), fyrkantstång i aluminium (vridmomentkopplingsblock) och befintlig joystickarm (ytterarm), följ delritningar och/eller 3D STL-filer.

Gränslägesbrytare Anslutning Trådarna bör lödas på gränslägesbrytaren innan de sätts på. Gränslägesbrytarens positionering är flexibel så länge omkopplaren är stängd när armen dras tillbaka och öppen när joysticken är i sitt normala läge. Se Monteringssteg 8 och "yttre_arm" -filer länkade ovan för mer information.

Monteringsmetod

Se figurer för varje steg.

1. Fäst motorn på motorfästet genom att rikta in hålen och skruva i 6 M-3 plattskruvar (inte alla 6 behövs för att hålla motorn på plats men skruva in så många som möjligt för maximal säkerhet. Se till att använda skruvarna på rätt längd beroende på tjockleken på fästet för att förhindra skador på motorn).
2. Rikta in kopplingsstycket under ytterstången och skruva på plats med en ½” #8-32 plattskruv. Du kan behöva borra och knacka ett 8-32 hål i armen för att ansluta kopplingsstycket till armen. *I det här fallet svänger armen ut moturs, så den yttre stången (ur rullstolsanvändarens perspektiv) är till vänster. För högerhänta användare kommer detta att vändas.
3. Fäst toppfästet på den infällbara armen med M-6-skruven (löst).
4. För den utdragbara armen till utdraget läge.
5. Fäst motor-motorfäste-underdelen på den utfällbara armen genom att sätta in motoraxeln i motsvarande hål på kopplingsstycket. Fästdelen ska fästas mellan armen och toppfästet, så att hålen är inriktade.
6. Använd skruven 20-20 och en låsmutter för att fästa de två fästena. Dra sedan åt M6 -skruven på toppfästet.
7. Se till att fästet är i utdraget läge, fäst motorn på kopplingen med 10-32 inställningsskruven/s.
8. Skruva på gränslägesbrytaren med 2 #2-56 skruvar (se till att gränslägesbrytaren kommer att stängas helt utåt - i vårt fall trycker axelbulten den stängd).

*Anmärkning om fästskruvar: inställningsskruvar måste anslutas till platt sida av D-axeln. För att justera axelriktningen, anslut motorn till strömförsörjningen tills den plana sidan är i önskat läge. Alternativt kan du ställa in kretsen enligt beskrivningen i 4.1 Elektriska delkretsar nedan och ändra tidpunkten i rad 52 i koden som anges i 4.2 Elektrisk del Arduino -kod tills den är i önskat läge. Kom ihåg att byta tillbaka det efter montering!

Demontering

Följ monteringsproceduren i omvänd riktning. Se nedan om din motor brinner ut och behöver bytas ut.

Motorbyte

1. Ta bort ställskruven som håller axeln i kopplingsstycket.
2. Skruva loss ¼-20 fäste och låsmutter.
3. Dra ut motor-motorfästets underdel och skruva loss motorn för byte.
4. Fäst den nya motorn på fästet med skruvar.
5. Sätt in den nya motoraxeln i hålet i kopplingsstycket, fäst fästet på plats (lossa den övre M6 -skruven om det behövs).
6. Skruva på skruven 20-20 och låsmuttern för att fästa fästena igen (dra åt den övre M6-skruven om det behövs).
7. Slutligen fäst axeln på kopplingen med inställningsskruven.

Elektronikhus

1. Placera brödbrädeskretsen monterad i elektrisk del i lådan för elektronikhus enligt bilden.
2. Använd en kvarn och/eller borr för att skapa öppningar och hål för kontakter (Arduino USB -port, knapputtag och omkopplare).
3. Se figuren ovan för ett exempel. Spår- och hålpositioner beror på dina komponenter och krets.

Steg 5: Elektrisk del

Kretsar

Scheman

Schemat för kretsen visas i figur 1 i detta avsnitt, och den är också tillgänglig på Github. En 5V ström kommer att levereras från elrullstolen till Arduino Nano -kortet. Arduino Nano -kortet är kodat så att det kommer att styra omkopplarens beteende och likströmsmotorns rörelse. Kretsens konstruktion och ledningar förklaras i avsnittet Hårdvara (hyperlänk till maskinvarusektionen), om du är intresserad.

Brödbräda Layout

En bild på en brödbräda från Fritzing eller kretsen visas i figur 2 i detta avsnitt, och bilden på den sista brödbrädan visas i figur 3.

Arduino -kod

Koden som används för denna produkt visas på sidan, och du kan ladda ner den här.

För att ladda upp koden till arduino, ladda ner Arduino IDE på datorn. Använd koden "Rhonda_v4_onebutton.ino" som du har laddat ner.

Varje kodrad har sin rad-för-rad-förklaring inuti kodfilen.

Ladda upp koden till Arduino med (gränssnittet visas här):

1. Anslut Arduino till datorn med USB -kontakten

2. Från fliken Verktyg på Arduino -gränssnittet:

   • Ställ in styrelsen på “Arduino Nano”
   • Ställ in porten på USB -porten
3. Tryck på uppladdningsknappen (→)
4. Vänta tills gränssnittet läser "uppladdning klar".

Den aktuella hastigheten är inställd på maximalt 255 i linje 25 "analogWrite (motorPin, 255)" för att rotera motorn och minst 0 i linje 36 "analogWrite (motorPin, 0)" för att stoppa motorn. Varvtalsområdet kan ställas in mellan 0 och 255 som passar motorvarvtalet.

Den aktuella rotationstiden är tidsinställd för det specifika joystickfästet som vi valde, men du kan helt enkelt ändra koden (rad 52) för att ändra rotationstiden och anpassa sig till den specifika joystickarm du har. Tiden är i mikrosekunder i Arduino. Om vi till exempel vill att rotationstiden ska vara 5 sekunder, bör du ställa in tiden till "5000" i Arduino.

Steg 6: Steg-för-steg-instruktioner Ladda ner

Steg 7: Felsökning (uppdaterad 12/12/17)

1. Motorn drar inte tillbaka armen.

   • Se till att omkopplaren är inställd på önskad riktning
   • Kontrollera att inställningsskruvarna är åtdragna
   • Kontrollera om det finns mekaniska papperstrassel
   • Kontrollera anslutningarna mellan motor och krets
   • Kontrollera kretsanslutningar (testkrets med bara motor, ej ansluten till montering)
   • Stöd joysticken med viss kraft: om armen nu dras tillbaka med stöd, är din motor inte tillräckligt kraftfull! Kontrollera om knappen du använde fungerar

2. Armen rör sig för långt eller inte tillräckligt långt.

   Ändra tidpunkten i Arduino -koden enligt beskrivningen i Arduino Code Read Me

Steg 8: Videodokumentation

Steg 9: Referenser

1. Lär dig och gör din egen billiga L293D-motordrivrutin (en komplett guide för L293D) https://just4electronics.wordpress.com/2015/08/28/learn-make-your-own-cheap-l293d-motor-drivera- komplett-guide-för-l293d/

Steg 10: UPPDATERA 5/14/18

• Bearbetade nya armstänger av stål (jämfört med originalaluminium) med en större höjd för att förhindra att balkböjning laddas
• Bytt till motor med högre vridmoment (1497 oz-in)
• Uppdaterad kod som inte kompilerades
• Testad reviderad enhet på kundens rullstol