Udvikling af et motoriseret, indtrækkeligt joystick: 10 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

Dette motoriserede, indtrækbare joystick er en billig løsning for kørestolsbrugere, der oplever problemer med at bruge manuelle svingbare joystickbeslag. Det er en design iteration på et tidligere indtrækbart joystick -projekt.

Projektet består af to dele: en mekanisk del (monteringsdesign, samling osv.) Og en elektrisk del (kredsløb, Arduino -kode osv.).

Det motoriserede, indtrækbare joystick -modul kan laves og replikeres af enhver ved at følge instruktionerne her. Ingen forudgående viden om kredsløb eller Arduino eller Solidworks er nødvendig. Meget lidt lodning er involveret i dette projekt, og instruktioner til lodning kan findes her. Adgang til grundlæggende bore-/bearbejdningsoperationer vil være nødvendig. Detaljerede forklaringer på designet er behandlet i Mekanisk del og Elektrisk del.

Trin 1: Indhold

1. Indhold

2. Funktioner og funktionalitet

   • Motoriseret tilbagetræknings- og forlængelsesmekanisme
   • Venstre/højre håndstilstand
   • Modularitet
   • Justerbar rotationshastighed

3. Forberedelse

   • Software

     Arduino

   • Hardware

     • Oversigt over alle nødvendige dele og værktøjer
     • Arduino Nano (Rev 3.0)
     • Motorchip: L293D
     • Pull-down modstande
     • Knapper og kontakter
     • Motorvalg

   • Drives fra elektriske kørestole

     Brug af en USB -port

4. Mekanisk del

   • Fremstilling
   • Tilslutning af grænsekontakt
   • Montering/demontering
   • Motor udskiftning
   • Elektronik boliger

5. Elektrisk del

   • Kredsløb

     • Skemaer
     • Brødbræt Layout
   • Arduino kode

6. Trin-for-trin instruktioner

   Download PDF -filen med instruktioner

7. Fejlfinding
8. Videodokumentation
9. Referencer

Trin 2: Funktioner og funktionalitet

Motoriseret tilbagetræknings- og forlængelsesmekanisme

Dette motoriserede, udtrækkelige joystick -beslag vil gøre det muligt for kørestolsbrugere at trække deres joystick tilbage eller forlænge dem automatisk. Brugere har mulighed for enten at trykke på to knapper (en til tilbagetrækning og en til forlængelse) eller en knap (en enkelt knap til både tilbagetrækning og forlængelse) afhængigt af deres præferencer. Knappernes placering er fleksibel og kan ændres for at imødekomme forskellige brugerkrav. Knapperne er fastgjort til kredsløbet via universelle knapstik, så knapperne, der bruges i denne demo, kan udskiftes med en hvilken som helst universel knap.

Venstre/højre håndstilstand

Dette produkt er velegnet til både venstre- og højrehåndede brugere. Teknikeren, der installerer det motoriserede system til klientens elektriske kørestol, kan let ændre tilstanden ved at skifte en kontakt i elektronikboksen. Der skal ikke foretages ændringer i koden.

Modularitet

Produktet er fejlsikkert. Hvis den automatiske mekanisme er standard, eller hvis systemet repareres, påvirkes den manuelle svingningsmekanisme ikke. En detaljeret beskrivelse af den enkle montering og demontering er inkluderet senere i vejledningen.

Justerbar rotationshastighed

Rotationshastigheden for den automatiserede mekanisme kan justeres ved at ændre Arduino -koden (instruktioner findes i senere afsnit). Som en sikkerhedsforanstaltning bør rotationshastigheden ikke være for hurtig, da systemet ikke kan mærke, hvad der kan være i vejen, hvilket kan forårsage mindre personskade.

Trin 3: Forberedelse

Software

I dette projekt bruges Arduino, så du skal have Arduino IDE installeret på din computer. Linket til download af applikationen er her. Arduino -koden, der bruges til dette produkt, er tilgængelig i et senere afsnit.

Hardware

Oversigt over alle nødvendige dele og værktøjer

Denne tabel indeholder alle nødvendige dele og værktøjer til dette projekt.

Arduino Nano (Rev 3.0)

Arduino Nano (Rev 3.0) bruges i dette produkt. Du kan dog udskifte dette bord med andre Arduino -plader, der indeholder PWM -ben. PWM -ben er påkrævet i dette projekt, da vi vil bruge Arduino (billede) til at styre en motordriverchip (L293D), og chippen skal styres af PWM -indgange. PWM -benene på 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 interesseret i flere detaljer om Arduino Nano, kan dets pin -layout og skemaerne refereres her.

Motorchip: L293D

L293D er en kraftig DC -motordriverchip, der gør det muligt for DC -motoren at rotere både med uret og mod uret.

De ben, der bruges i dette projekt, omfatter: Aktiver1, 2 ben (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): reguler motorens hastighed
• Indgang 1 (ben 2): styr motorens retning
• Output 1 (Pin 3): tilslut til motoren, polariteten er ligegyldig
• GND (Pin 4): forbindes til jorden
• Output 2 (Pin 6): tilslut til motoren, polariteten er ligegyldig
• Indgang 2 (pin 7): styr motorens retning
• Vcc 1 (Pin 8): strøm til chipets interne kredsløb, tilslut til 5 V
• Vcc 2 (Pin 16): strøm til DC -motoren, varierer med motorbehov. Motoren, der bruges til dette projekt, kan drives ved 5 V.

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

Pull-down modstande

Hver knap/switch er parret med en pull-down modstand. Pull-down modstande er her for at hjælpe med at sikre, at Arduino læser en konstant værdi fra stiften. Hvis du ikke parrer vores knapper/switch med en modstand, vil den værdi, Arduino læser fra den tilsvarende pin, flyde mellem 0 og 1. I dette tilfælde fungerer knapperne/kontakten ikke som forventet. Da vi bruger pull-down modstande, vil modstandene blive forbundet mellem den tilsvarende digitale pin og jorden, så knapperne/kontakten vil blive forbundet mellem strømstiften (+5V) og den digitale pin på Arduino Nano. Når der trykkes på knappen, læser Arduino 1 fra den tilsvarende pin. Tre 270 Ω modstande bruges i dette projekt.

Knapper/switch

I dette projekt implementerer vi 3,5 mm knapstik (er) på brødbrættet for nem udskiftning af knapper. En to-benet kontakt (for at skifte venstre-/højrehåndet tilstand) er forbundet direkte på brødbrættet, da de fleste kørestolsbrugere ikke behøver at interagere med kontakten, og kontakten er designet til den person, der hjælper med at installere hele mekanismen.

Motorvalg

Vi fik nogle manuelt indtrækbare stativmonteringer fra forskellige el -kørestole fra The Boston Home Inc. Mængden af kraft og drejningsmoment, der er nødvendig for at trække alle disse prøver tilbage, blev testet og beregnet. Efter at have kontrolleret motorspecifikationerne blev en DC -gearet motor valgt til joystick -stativmonteringen vist før som en demo for instruktionerne, da joystick -stativmonteringen krævede mest drejningsmoment blandt de 4 prøver, vi havde. Du vil teste mængden af kraft og drejningsmoment, der er nødvendig for din joystickarm + vægten af selve joystick -enheden for at sikre, at den passer ind i specifikationen.

Drives fra elektriske kørestole

De fleste el -kørestole er udstyret med en 24V strømforsyning. Dette automatiserede indtrækbare joystick -produkt kræver en 5V -indgang. Da produktet er designet til at modtage strøm fra kørestolens strømforsyning, er der ingen ekstern strømforsyning nødvendig.

Brug af en USB -port

En DC-DC 24V-til-5V buck converter (en buck converter bruges til at bringe spændingen ned.) Modul med en USB-port kan bestilles online (den vi brugte blev bestilt herfra). Tilslut indgangen på bukkomformeren til 24V -strømforsyningen (strømport til strømport og jordport til jordport), og Arduino Nano -kortet kan derefter tilsluttes bukkomformermodulet via USB -porten.

Trin 4: Mekanisk del

Alle mål og dimensioner blev foretaget under henvisning til den specifikke joystickarm, vi brugte til dette projekt. Disse kan variere afhængigt af armen, og vi vil notere vigtige variationer.

Fremstilling

Der er tre ekstra dele, der skal fremstilles for at genskabe den mekaniske del (se figurer). Joystickarmens ydre arm kræver også ændringer for at fastgøre de mekaniske komponenter til joystick -holderen.

1. Topbeslag
2. Bundbeslag
3. Momentkoblingsblok
4. Yderarm

Brug del L-formet vinkelstamme (øverste og nederste beslag), kvadratstang i aluminium (momentkoblingsblok) og den eksisterende joystickarm (yderarm), følg deltegninger og/eller 3D STL-filer.

Tilslutning af grænsekontakt Trådene skal loddes på endestopkontakten før vedhæftning. Grænsekontaktens placering er fleksibel, så længe kontakten er lukket, når armen er trukket tilbage og åben, når joysticket er i sin normale position. Se Samlingstrin 8 og "ydre_arm" -filer, der er linket ovenfor, for at få flere oplysninger.

Monteringsmetode

Se figurer for hvert trin.

1. Fastgør motoren til motorbeslaget ved at justere hullerne og skrue i 6 M-3 flade skruer (ikke alle 6 er nødvendige for at holde motoren på plads, men skru så mange ind som muligt for maksimal sikkerhed; sørg for at bruge skruer på korrekt længde i forhold til beslagets tykkelse for at forhindre skader på motoren).
2. Ret koblingsstykket ind under yderstangen, og skru det på plads med en ½” #8-32 fladskrue. Du skal muligvis bore og trykke et 8-32 hul i armen for at forbinde koblingsstykket til armen. *I dette tilfælde svinger armen ud mod uret, så den ydre stang (set fra kørestolsbrugerens perspektiv) er til venstre. For højrehåndede brugere vil dette blive vendt.
3. Fastgør topbeslaget til den udtrækkelige arm med M-6-skruen (løst).
4. Bring den udtrækkelige arm i forlænget position.
5. Fastgør motor-motorbeslagets undersamling til den udtrækkelige arm ved at indsætte motorakslen i det tilsvarende hul på koblingsstykket. Beslagdelen skal spænde ind mellem armen og det øverste beslag, så hullerne flugter.
6. Brug skruen 20-20 og en låsemøtrik til at fastgøre de to beslag sammen. Stram derefter M6 -skruen på topbeslaget.
7. Sørg for, at monteringen er i udvidet position, og fastgør motoren til koblingen med 10-32 sætskruen/-erne.
8. Skru endestopkontakten på med 2 #2-56 skruer (sørg for at grænsekontakten lukkes helt udad - i vores tilfælde trykker skulderbolten den ned).

*Bemærk om fastgørelse af sætskruer: sætskruer skal være i kontakt med den flade side af D-akslen. For at justere akselretningen skal motoren tilsluttes strømforsyningen, indtil den flade side er i den ønskede position. Alternativt kan du oprette kredsløbet som beskrevet i 4.1 Elektriske delkredsløb nedenfor og ændre timingen i linje 52 i koden som angivet i 4.2 Elektrisk del Arduino -kode, indtil den er i den ønskede position. Husk at skifte den igen efter montering!

Demontering

Følg monteringsproceduren i omvendt retning. Se nedenfor, om din motor brænder ud og skal udskiftes.

Motor udskiftning

1. Fjern sætskruen, der holder akslen til koblingsstykket.
2. Skru ¼-20 beslag og låsemøtrik af.
3. Træk motor-motorbeslagets undersamling ud, og skru motoren ud for udskiftning.
4. Fastgør den nye motor til beslaget med skruer.
5. Sæt den nye motoraksel i hullet i koblingsstykket, og skru beslaget på plads (løs den øverste M6 -skrue, hvis det er nødvendigt).
6. Skru skruen 20-20 og låsemøtrikken for at fastgøre beslagene igen (stram den øverste M6-skrue, hvis det er nødvendigt).
7. Til sidst fastgøres akslen til koblingen med sætskruen.

Elektronik boliger

1. Læg brødbrætskredsløbet samlet i elektrisk del i elektronikhusboksen som vist på billedet.
2. Brug en mølle og/eller bor til at oprette slots og huller til stik (Arduino USB -port, knapstik og vippekontakt).
3. Se eksemplet ovenfor for et eksempel. Slot- og hulpositioner afhænger af dine komponenter og kredsløb.

Trin 5: Elektrisk del

Kredsløb

Skemaer

Skemaerne for kredsløbet er vist i figur 1 i dette afsnit, og det er også tilgængeligt på Github. En 5V strøm vil blive leveret fra el -kørestolen til Arduino Nano -kortet. Arduino Nano -kortet er kodet, så det styrer switchens adfærd og DC -motorens bevægelse. Kredsløbets design og ledninger forklares i afsnittet Hardware (hyperlink til hardwareafsnittet), hvis du er interesseret.

Brødbræt Layout

Et billedbræt med ledninger fra Fritzing eller kredsløbet er vist i figur 2 i dette afsnit, og billedet af det sidste brødbræt er vist i figur 3.

Arduino kode

Koden, der bruges til dette produkt, vises på siden, og du kan downloade den her.

For at uploade koden til arduinoen skal du downloade Arduino IDE på computeren. Brug koden "Rhonda_v4_onebutton.ino", som du har downloadet.

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

Upload koden til Arduino ved (grænsefladen er vist her):

1. Slut Arduino til computeren ved hjælp af USB -stikket

2. Fra fanen Værktøjer på Arduino -grænsefladen:

   • Indstil tavlen til "Arduino Nano"
   • Indstil porten til USB -porten
3. Tryk på upload -knappen (→)
4. Vent, indtil grænsefladen læser "upload fuldført".

Den aktuelle hastighed er indstillet til maksimum 255 i linje 25 "analogWrite (motorPin, 255)" for at rotere motoren, og minimum 0 i linje 36 "analogWrite (motorPin, 0)" for at stoppe motoren. Hastighedsområdet kan indstilles til mellem 0 og 255 efter behov.

Den aktuelle rotationstid er tidsbestemt for det specifikke joystick -stativmontering, vi valgte, men du kan ganske enkelt ændre koden (linje 52) for at ændre rotationstiden og tilpasse sig den specifikke joystick -arm, du har. Tiden er i mikrosekunder i Arduino. For eksempel, hvis vi vil have rotationstiden til at være 5 sekunder, skal du indstille tiden til at være "5000" i Arduino.

Trin 6: Download trin-for-trin instruktioner

Trin 7: Fejlfinding (opdateret 12/12/17)

1. Motoren er ikke tilbagetrækningsarm.

   • Sørg for, at kontakten er indstillet til den ønskede retning
   • Kontroller, om sætskruerne er spændt
   • Kontroller, om der er mekanisk papirstop
   • Kontroller forbindelserne mellem motor og kredsløb
   • Kontroller kredsløbstilslutninger (testkredsløb med bare motor, ikke fastgjort til samling)
   • Støtte joystick med en vis kraft: hvis armen nu trækker sig tilbage med støtte, er din motor ikke kraftig nok! Kontroller, om den knap, du brugte, er funktionel

2. Armen bevæger sig for langt eller ikke langt nok.

   Skift timingen i Arduino -kode som beskrevet i Arduino Code Read Me

Trin 8: Videodokumentation

Trin 9: Referencer

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

Trin 10: UPDATE 5/14/18

• Bearbejdede nye armstænger i stål (sammenlignet med originalt aluminium) med en større højde for at forhindre, at bjælkeudbøjning læsses
• Skiftet til motor med større drejningsmoment (1497 oz-in)
• Opdateret kode, som ikke kompilerede
• Testet revideret enhed på klientens kørestol