Entwicklung eines motorisierten einziehbaren Joysticks - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:18

Dieser motorisierte einziehbare Joystick ist eine kostengünstige Lösung für Benutzer von Elektrorollstühlen, die Schwierigkeiten bei der Verwendung manuell wegschwenkbarer Joystickhalterungen haben. Es ist eine Design-Iteration eines früheren Projekts mit einziehbarem Joystick.

Das Projekt besteht aus zwei Teilen: einem mechanischen Teil (Montagedesign, Montage usw.) und einem elektrischen Teil (Schaltung, Arduino-Code usw.).

Das motorisierte einziehbare Joystick-Modul kann von jedermann hergestellt und repliziert werden, indem die hier bereitgestellten Anweisungen befolgt werden. Es sind keine Vorkenntnisse über Schaltungen oder Arduino oder Solidworks erforderlich. Bei diesem Projekt wird nur sehr wenig gelötet, und Anweisungen zum Löten finden Sie hier. Zugang zu grundlegenden Bohr-/Bearbeitungsvorgängen ist erforderlich. Detaillierte Erläuterungen zum Design finden Sie in Mechanischer Teil und Elektrischer Teil.

Schritt 1: Inhalt

1. Inhalt

2. Eigenschaften und Funktionalität

   • Motorisierter Ein- und Ausfahrmechanismus
   • Links-/Rechtshand-Modus
   • Modularität
   • Einstellbare Rotationsgeschwindigkeit

3. Vorbereitung

   • Software

     Arduino

   • Hardware

     • Zusammenfassung aller benötigten Teile und Werkzeuge
     • Arduino Nano (Rev 3.0)
     • Motortreiberchip: L293D
     • Pull-down-Widerstände
     • Tasten und Schalter
     • Motorauswahl

   • Stromversorgung über Elektrorollstühle

     Verwenden eines USB-Anschlusses

4. Mechanisches Teil

   • Herstellung
   • Endschalteranbau
   • Montage/Demontage
   • Motoraustausch
   • Elektronikgehäuse

5. Elektrischer Teil

   • Schaltungen

     • Schema
     • Steckbrett-Layout
   • Arduino-Code

6. Schritt für Schritt Anweisungen

   Laden Sie die PDF-Datei mit der Anleitung herunter

7. Fehlerbehebung
8. Videodokumentation
9. Verweise

Schritt 2: Merkmale und Funktionalität

Motorisierter Ein- und Ausfahrmechanismus

Mit dieser motorisierten, einziehbaren Joystickhalterung können Elektrorollstuhlbenutzer ihren Joystick automatisch ein- oder ausfahren. Benutzer haben die Möglichkeit, je nach Vorliebe entweder zwei Tasten (eine zum Ein- und eine zum Ausfahren) oder eine Taste (eine einzige Taste zum Ein- und Ausfahren) zu drücken. Die Platzierung der Schaltflächen ist flexibel und kann an unterschiedliche Benutzeranforderungen angepasst werden. Die Tasten werden über universelle Tastenbuchsen an die Schaltung angeschlossen, sodass die in dieser Demo verwendeten Tasten durch jede beliebige Universaltaste ersetzt werden können.

Links-/Rechtshand-Modus

Dieses Produkt ist sowohl für Links- als auch für Rechtshänder geeignet. Der Techniker, der das motorisierte System am Elektrorollstuhl des Kunden installiert, kann den Modus einfach ändern, indem er einen Schalter in der Elektronikbox umlegt. Es müssen keine Änderungen am Code vorgenommen werden.

Modularität

Das Produkt ist ausfallsicher. Wenn der Automatikmechanismus ausfällt oder das System repariert wird, ist der manuelle Ausschwenkmechanismus nicht betroffen. Eine detaillierte Beschreibung des einfachen Montage- und Demontagevorgangs finden Sie später in der Anleitung.

Einstellbare Rotationsgeschwindigkeit

Die Rotationsgeschwindigkeit des automatisierten Mechanismus kann durch Ändern des Arduino-Codes angepasst werden (Anweisungen finden Sie in späteren Abschnitten). Aus Sicherheitsgründen sollte die Rotationsgeschwindigkeit nicht zu hoch sein, da das System eventuelle Hindernisse nicht erkennen kann, was zu leichten Verletzungen führen kann.

Schritt 3: Vorbereitung

Software

In diesem Projekt wird Arduino verwendet, daher müssen Sie die Arduino IDE auf Ihrem Computer installiert haben. Den Link zum Herunterladen der Anwendung finden Sie hier. Der für dieses Produkt verwendete Arduino-Code ist in einem späteren Abschnitt verfügbar.

Hardware

Zusammenfassung aller benötigten Teile und Werkzeuge

Diese folgende Tabelle enthält alle Teile und Werkzeuge, die für dieses Projekt benötigt werden.

Arduino Nano (Rev 3.0)

In diesem Produkt wird Arduino Nano (Rev 3.0) verwendet. Sie können dieses Board jedoch durch andere Arduino-Boards mit PWM-Pins ersetzen. In diesem Projekt werden PWM-Pins benötigt, da wir Arduino (Bild) zur Steuerung eines Motortreiberchips (L293D) verwenden und der Chip von PWM-Eingängen gesteuert werden muss. Die PWM-Pins von Arduino Nano (Rev 3.0) umfassen: D3-Pin (Pin 6), D5-Pin (Pin 8), D6-Pin (Pin 9), D9-Pin (Pin 12), D10-Pin (Pin 13), D11-Pin (Stift 14). Wenn Sie an weiteren Details zu Arduino Nano, seinem Pin-Layout und den Schaltplänen interessiert sind, können Sie hier nachlesen.

Motortreiberchip: L293D

L293D ist ein leistungsstarker DC-Motortreiberchip, der es dem DC-Motor ermöglicht, sich sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn zu drehen.

Die Pins, die in diesem Projekt verwendet werden, sind: 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): Steuert die Geschwindigkeit des Motors
• Eingang 1 (Pin 2): Steuert die Drehrichtung des Motors
• Ausgang 1 (Pin 3): an den Motor anschließen, Polarität spielt keine Rolle
• GND (Pin 4): mit Masse verbinden
• Ausgang 2 (Pin 6): an den Motor anschließen, Polarität spielt keine Rolle
• Eingang 2 (Pin 7): Steuert die Drehrichtung des Motors
• Vcc 1 (Pin 8): Versorgen Sie den internen Schaltkreis des Chips, verbinden Sie ihn mit 5 V
• Vcc 2 (Pin 16): Stromversorgung des Gleichstrommotors, variiert je nach Motoranforderung. Der für dieses Projekt verwendete Motor kann mit 5 V betrieben werden.

Wenn Sie an weiteren Details zum L293D interessiert sind, können Sie das Datenblatt hier und hier abrufen.

Pulldown-Widerstände

Jeder Taster/Schalter ist mit einem Pull-Down-Widerstand gepaart. Pull-Down-Widerstände sind hier, um sicherzustellen, dass das Arduino einen konstanten Wert vom Pin liest. Wenn Sie unsere Tasten / Schalter nicht mit einem Widerstand koppeln, würde der Wert, den Arduino vom entsprechenden Pin liest, zwischen 0 und 1 schweben. In diesem Fall funktionieren die Tasten / Schalter nicht wie erwartet. Da wir Pull-Down-Widerstände verwenden, werden die Widerstände zwischen dem entsprechenden digitalen Pin und Masse verdrahtet, so dass die Tasten / Schalter zwischen dem Power-Pin (+5V) und dem digitalen Pin des Arduino Nano verdrahtet werden. Wenn die Taste gedrückt wird, liest der Arduino 1 vom entsprechenden Pin. In diesem Projekt werden drei 270--Widerstände verwendet.

Tasten/Schalter

In diesem Projekt implementieren wir 3,5-mm-Tastenbuchsen auf dem Steckbrett für einen einfachen Tastenaustausch. Ein zweipoliger Schalter (zum Umschalten des Links-/Rechtshandmodus) ist direkt auf dem Steckbrett verdrahtet, da die meisten Elektrorollstuhlbenutzer nicht mit dem Schalter interagieren müssen und der Schalter für die Person konzipiert ist, die bei der Installation des gesamten Mechanismus hilft.

Motorauswahl

Wir haben einige manuell einziehbare Ständerhalterungen von verschiedenen Elektrorollstühlen von The Boston Home Inc. erhalten. Die Kraft und das Drehmoment, die zum Zurückziehen all dieser Proben erforderlich sind, wurden getestet und berechnet. Nach Überprüfung der Motorspezifikationen wurde ein DC-Getriebemotor für die zuvor gezeigte Joystick-Stativhalterung als Demo für die Anleitung ausgewählt, da diese Joystick-Stativhalterung das meiste Drehmoment von den 4 Mustern benötigte, die wir hatten. Sie sollten die für Ihren Joystickarm erforderliche Kraft und das erforderliche Drehmoment + das Gewicht der Joystickbaugruppe selbst testen, um sicherzustellen, dass sie in die Spezifikation passt.

Stromversorgung über Elektrorollstühle

Die meisten Elektrorollstühle sind mit einer 24V-Stromversorgung ausgestattet. Dieses automatisierte einziehbare Joystick-Produkt erfordert einen 5-V-Eingang. Da das Produkt für die Stromversorgung des Rollstuhls ausgelegt ist, ist keine externe Stromversorgung erforderlich.

Verwenden eines USB-Anschlusses

Ein DC-DC 24V-zu-5V Abwärtswandler (Ein Abwärtswandler wird verwendet, um die Spannung zu senken.) Modul mit einem USB-Anschluss kann online bestellt werden (der von uns verwendete wurde hier bestellt). Verbinden Sie den Eingang des Abwärtswandlers mit der 24-V-Stromversorgung (Stromanschluss an Stromanschluss und Masseanschluss an Masseanschluss), und das Arduino Nano Board kann dann über den USB-Anschluss mit dem Abwärtswandlermodul verbunden werden.

Schritt 4: Mechanischer Teil

Alle Maße und Abmessungen wurden in Bezug auf den spezifischen Joystick-Arm gemacht, den wir für dieses Projekt verwendet haben. Diese können je nach Arm variieren und wir werden wichtige Bereiche der Variabilität beachten.

Herstellung

Es müssen drei zusätzliche Teile hergestellt werden, um das mechanische Teil neu zu erstellen (siehe Abbildungen). Der äußere Arm des Joystick-Arms erfordert auch eine Modifikation, um die mechanischen Komponenten an der Joystick-Halterung zu befestigen.

1. Obere Halterung
2. Innenlager
3. Drehmomentkupplungsblock
4. Äußerer Arm

Befolgen Sie die Teilezeichnungen und/oder 3D-STL-Dateien, wenn Sie L-förmiges Winkellager aus Aluminium (Ober- und Innenlager), Aluminium-Vierkantstangenlager (Drehmomentkupplungsblock) und den vorhandenen Joystick-Arm (äußerer Arm) verwenden.

Endschalter-BefestigungDrähte sollten vor dem Anbringen an den Endschalter angelötet werden. Die Positionierung des Endschalters ist flexibel, solange der Schalter geschlossen ist, wenn der Arm eingefahren ist und geöffnet ist, wenn sich der Joystick in seiner normalen Position befindet. Weitere Informationen finden Sie unter Assembly Step 8 und den oben verlinkten "outer_arm"-Dateien.

Montagemethode

Siehe Abbildungen für jeden Schritt.

1. Befestigen Sie den Motor an der Motorhalterung, indem Sie die Löcher ausrichten und 6 M-3-Senkkopfschrauben eindrehen (nicht alle 6 werden benötigt, um den Motor an Ort und Stelle zu halten, aber schrauben Sie so viele wie möglich für maximale Sicherheit ein; verwenden Sie unbedingt Schrauben der richtige Länge entsprechend der Dicke der Halterung, um Motorschäden zu vermeiden).
2. Richten Sie das Kupplungsstück unter der äußeren Stange aus und schrauben Sie es mit einer ½” #8-32 Flachkopfschraube fest. Möglicherweise müssen Sie ein 8-32-Loch in den Arm bohren und klopfen, um das Kupplungsstück mit dem Arm zu verbinden. *In diesem Fall schwenkt der Arm entgegen dem Uhrzeigersinn aus, so dass sich die äußere Stange (aus Sicht des Elektrorollstuhlfahrers) links befindet. Für Rechtshänder wird dies umgekehrt.
3. Befestigen Sie die obere Halterung mit der M-6-Schraube (locker) am einziehbaren Arm.
4. Bringen Sie den einziehbaren Arm in die ausgefahrene Position.
5. Befestigen Sie die Motor-Motorhalterungs-Unterbaugruppe am einziehbaren Arm, indem Sie die Motorwelle in das entsprechende Loch am Kupplungsstück einführen. Das Halterungsteil sollte zwischen dem Arm und der oberen Halterung einrasten und die Löcher ausrichten.
6. Verwenden Sie die ¼-20 Schraube und eine Kontermutter, um die beiden Halterungen aneinander zu befestigen. Ziehen Sie dann die M6-Schraube an der oberen Halterung fest.
7. Stellen Sie sicher, dass sich die Halterung in der ausgefahrenen Position befindet, und sichern Sie den Motor mit der 10-32-Gewindeschraube/s an der Kupplung.
8. Endschalter mit 2 #2-56 Schrauben anschrauben (achten Sie darauf, dass der Endschalter ganz nach außen geschlossen ist - in unserem Fall drückt die Schulterschraube ihn zu).

*Hinweis zum Anbringen der Gewindestifte: Gewindestifte müssen an der flachen Seite der D-Welle anliegen. Um die Wellenrichtung einzustellen, befestigen Sie den Motor an der Stromversorgung, bis sich die flache Seite in der gewünschten Position befindet. Alternativ können Sie die Schaltung wie in 4.1 Elektrische Teilschaltungen unten beschrieben einrichten und das Timing in Zeile 52 des Codes ändern, wie in 4.2 Elektrischer Teil Arduino-Code angegeben, bis sie sich in der gewünschten Position befindet. Denken Sie daran, es nach der Montage wieder zu ändern!

Demontage

Befolgen Sie das Montageverfahren in umgekehrter Richtung. Siehe unten, wenn Ihr Motor durchbrennt und ersetzt werden muss.

Motoraustausch

1. Gewindestift entfernen, der die Welle am Kupplungsstück hält.
2. ¼-20 Halterungsbefestigung und Kontermutter abschrauben.
3. Ziehen Sie die Baugruppe Motor-Motor-Halterung heraus und schrauben Sie den Motor zum Austausch ab.
4. Befestigen Sie den neuen Motor mit Schrauben an der Halterung.
5. Neue Motorwelle in das Loch im Kupplungsstück einführen, dabei die Halterung einrasten (bei Bedarf obere M6-Schraube lösen).
6. Schrauben Sie die ¼-20-Schraube und die Kontermutter fest, um die Halterungen wieder zu befestigen (bei Bedarf die obere M6-Schraube festziehen).
7. Sichern Sie abschließend die Welle mit der Stellschraube an der Kupplung.

Elektronikgehäuse

1. Platzieren Sie die im elektrischen Teil montierte Steckplatinenschaltung wie in der Abbildung gezeigt in die Elektronikgehäusebox.
2. Erstellen Sie mit einer Fräse und/oder einem Bohrer Schlitze und Löcher für Anschlüsse (Arduino-USB-Anschluss, Tastenbuchse und Kippschalter).
3. Siehe Abbildung oben für ein Beispiel. Schlitz- und Lochpositionen hängen von Ihren Komponenten und Ihrer Schaltung ab.

Schritt 5: Elektrischer Teil

Schaltungen

Schema

Der Schaltplan der Schaltung ist in Abbildung 1 in diesem Abschnitt dargestellt und auch auf Github verfügbar. Das Arduino Nano Board wird vom Elektrorollstuhl mit 5V Strom versorgt. Das Arduino Nano Board ist so codiert, dass es das Schaltverhalten und die Bewegung des Gleichstrommotors steuert. Der Aufbau und die Verdrahtung der Schaltung wird bei Interesse im Abschnitt Hardware (Hyperlink zum Abschnitt Hardware) erklärt.

Steckbrett-Layout

Ein Bild der Steckbrettverdrahtung von Fritzing oder der Schaltung ist in Abbildung 2 in diesem Abschnitt gezeigt, und das Bild des endgültigen Steckbretts ist in Abbildung 3 gezeigt.

Arduino-Code

Der für dieses Produkt verwendete Code wird auf der Seite angezeigt und kann hier heruntergeladen werden.

Um den Code auf das Arduino hochzuladen, laden Sie die Arduino-IDE auf den Computer herunter. Verwenden Sie den heruntergeladenen Code "Rhonda_v4_onebutton.ino".

Jede Codezeile hat ihre zeilenweise Erklärung in der Codedatei.

Laden Sie den Code auf den Arduino hoch (die Schnittstelle wird hier angezeigt):

1. Verbinden Sie den Arduino über den USB-Anschluss mit dem Computer

2. Von der Registerkarte Tools auf der Arduino-Schnittstelle:

   • Stellen Sie das Board auf "Arduino Nano" ein
   • Stellen Sie den Port auf den USB-Port ein
3. Drücken Sie die Upload-Taste (→)
4. Warten Sie, bis die Schnittstelle "Hochladen abgeschlossen" anzeigt.

Die aktuelle Drehzahl wird in Zeile 25 "analogWrite(motorPin, 255)" auf maximal 255 gesetzt, um den Motor zu drehen, und auf minimal 0 in Zeile 36 "analogWrite(motorPin, 0)", um den Motor zu stoppen. Der Drehzahlbereich kann je nach Motordrehzahl zwischen 0 und 255 eingestellt werden.

Die aktuelle Rotationszeit ist für die von uns ausgewählte Joystick-Stativhalterung zeitgesteuert, aber Sie können einfach den Code (Zeile 52) ändern, um die Rotationszeit zu ändern und an den spezifischen Joystick-Arm anzupassen, den Sie haben. Die Zeit ist in Mikrosekunden in Arduino. Wenn wir beispielsweise möchten, dass die Rotationszeit 5 Sekunden beträgt, sollten Sie die Zeit in Arduino auf "5000" einstellen.

Schritt 6: Schritt-für-Schritt-Anleitung herunterladen

Schritt 7: Fehlerbehebung (Aktualisiert 12.12.17)

1. Der Motor zieht den Arm nicht ein.

   • Stellen Sie sicher, dass der Schalter auf die gewünschte Richtung eingestellt ist
   • Überprüfen Sie, ob die Stellschrauben festgezogen sind
   • Auf mechanische Staus prüfen
   • Verbindungen zwischen Motor und Stromkreis prüfen
   • Schaltungsanschlüsse prüfen (Prüfschaltung nur mit Motor, nicht an der Baugruppe befestigt)
   • Joystick mit etwas Kraft abstützen: Wenn der Arm jetzt mit Unterstützung einfährt, ist Ihr Motor nicht stark genug! Überprüfen Sie, ob die von Ihnen verwendete Taste funktioniert

2. Arm bewegt sich zu weit oder nicht weit genug.

   Ändern Sie das Timing im Arduino-Code, wie in Arduino Code Read Me beschrieben

Schritt 8: Videodokumentation

Schritt 9: Referenzen

1. Lernen und machen Sie Ihren eigenen günstigen L293D-Motortreiber (eine vollständige Anleitung für L293D) https://just4electronics.wordpress.com/2015/08/28/learn-make-your-own-cheap-l293d-motor-drivera- komplette-anleitung-für-l293d/

Schritt 10: AKTUALISIEREN 14.05.18

• Gefräste neue Armstangen aus Stahl (im Vergleich zu Original-Aluminium) mit einer größeren Höhe, um eine Durchbiegung des Balkens durch Belastung zu verhindern
• Auf Motor mit höherem Drehmoment umgeschaltet (1497 oz-in)
• Aktualisierter Code, der nicht kompiliert wurde
• Geprüftes überarbeitetes Gerät am Rollstuhl des Kunden