Sviluppo di un joystick retrattile motorizzato: 10 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Questo joystick retrattile motorizzato è una soluzione a basso costo per gli utenti di carrozzine elettriche che hanno difficoltà a utilizzare i supporti per joystick a rotazione manuale. È un'iterazione del design su un precedente progetto di joystick retrattile.

Il progetto è composto da due parti: una parte meccanica (progettazione della montatura, assemblaggio ecc.) e una parte elettrica (circuiti, codice Arduino ecc.).

Il modulo joystick retrattile motorizzato può essere realizzato e replicato da chiunque seguendo le istruzioni qui fornite. Non è necessaria alcuna conoscenza preliminare di circuiti o Arduino o Solidworks. In questo progetto è coinvolta pochissima saldatura e le istruzioni per la saldatura possono essere trovate qui. Sarà necessario l'accesso alle operazioni di foratura/lavorazione di base. Spiegazioni dettagliate del progetto sono trattate nella parte meccanica e nella parte elettrica.

Passaggio 1: Contenuti

1. Contenuti

2. Caratteristiche e funzionalità

   • Meccanismo motorizzato di retrazione ed estensione
   • Modalità sinistra/destra
   • Modularità
   • Velocità di rotazione regolabile

3. Preparazione

   • Software

     Arduino

   • Hardware

     • Riepilogo di tutte le parti e gli strumenti necessari
     • Arduino Nano (Rev 3.0)
     • Chip driver motore: L293D
     • Resistenze pull-down
     • Pulsanti e interruttori
     • Selezione del motore

   • Alimentazione da carrozzine elettroniche

     Utilizzo di una porta USB

4. Parte meccanica
   • Produzione
   • Attacco interruttore di finecorsa
   • Montaggio/Smontaggio
   • Sostituzione del motore
   • Alloggiamento dell'elettronica
5. Parte elettrica

   • circuiti

     • Schematico
     • Layout tagliere
   • Codice Arduino

6. Istruzioni passo passo

   Scarica il file PDF delle Istruzioni

7. Risoluzione dei problemi
8. Documentazione video
9. Riferimenti

Passaggio 2: caratteristiche e funzionalità

Meccanismo motorizzato di retrazione ed estensione

Questo supporto per joystick retrattile motorizzato consentirà agli utenti di sedie a rotelle elettriche di ritrarre o estendere automaticamente il proprio joystick. Gli utenti hanno la possibilità di premere due pulsanti (uno per la retrazione e uno per l'estensione) o un pulsante (un solo pulsante sia per la retrazione che per l'estensione) a seconda delle proprie preferenze. Il posizionamento dei pulsanti è flessibile e può cambiare per soddisfare le diverse esigenze dell'utente. I pulsanti sono collegati al circuito tramite jack per pulsanti universali, quindi i pulsanti utilizzati in questa demo possono essere sostituiti da qualsiasi pulsante universale.

Modalità sinistra/destra

Questo prodotto è adatto sia per utenti mancini che destrimani. Il tecnico che installa il sistema motorizzato sulla carrozzina elettrica del cliente può facilmente cambiare la modalità attivando un interruttore nella scatola dell'elettronica. Non è necessario apportare modifiche al codice.

Modularità

Il prodotto è a prova di guasto. Se il meccanismo automatico va in default o se il sistema è in riparazione, il meccanismo di rotazione manuale non sarà interessato. Una descrizione dettagliata del semplice processo di montaggio e smontaggio è inclusa più avanti nelle istruzioni.

Velocità di rotazione regolabile

La velocità di rotazione dell'automatismo può essere regolata modificando il codice Arduino (le istruzioni sono fornite nelle sezioni successive). Come precauzione di sicurezza, la velocità di rotazione non dovrebbe essere troppo elevata, poiché il sistema non è in grado di rilevare ciò che potrebbe essere d'intralcio, il che potrebbe causare lesioni minori.

Passaggio 3: preparazione

Software

In questo progetto viene utilizzato Arduino, quindi dovrai avere l'IDE Arduino installato sul tuo computer. Il link per scaricare l'applicazione è qui. Il codice Arduino utilizzato per questo prodotto è disponibile in una sezione successiva.

Hardware

Riepilogo di tutte le parti e gli strumenti necessari

La seguente tabella contiene tutte le parti e gli strumenti necessari per questo progetto.

Arduino Nano (Rev 3.0)

Arduino Nano (Rev 3.0) è utilizzato in questo prodotto. Tuttavia, puoi sostituire questa scheda con altre schede Arduino contenenti pin PWM. I pin PWM sono necessari in questo progetto, poiché utilizzeremo Arduino (immagine) per controllare un chip del driver del motore (L293D) e il chip deve essere controllato dagli ingressi PWM. I pin PWM di Arduino Nano (Rev 3.0) includono: pin D3 (pin 6), pin D5 (pin 8), pin D6 (pin 9), pin D9 (pin 12), pin D10 (pin 13), pin D11 (Perno 14). Se sei interessato a maggiori dettagli su Arduino Nano, il suo layout dei pin e gli schemi possono essere consultati qui.

Chip driver motore: L293D

L293D è un potente chip driver del motore CC che consente al motore CC di ruotare sia in senso orario che antiorario.

I pin utilizzati in questo progetto includono: 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): controlla la velocità del motore
• Ingresso 1 (Pin 2): controlla la direzione del motore
• Uscita 1 (Pin 3): collegare al motore, la polarità non ha importanza
• GND (Pin 4): collegare a terra
• Uscita 2 (Pin 6): collegare al motore, la polarità non ha importanza
• Ingresso 2 (Pin 7): controlla la direzione del motore
• Vcc 1 (Pin 8): alimentare il circuito interno del chip, collegare a 5 V
• Vcc 2 (Pin 16): alimenta il motore DC, varia in base alla richiesta del motore. Il motore utilizzato per questo progetto può essere alimentato a 5 V.

Se sei interessato a maggiori dettagli sulla L293D, puoi accedere alla sua scheda tecnica qui e qui.

Resistenze pull-down

Ogni pulsante/interruttore è accoppiato con un resistore pull-down. I resistori pull-down sono qui per assicurarsi che Arduino legga un valore costante dal pin. Se non accoppi i nostri pulsanti/interruttore con un resistore, il valore che Arduino legge dal pin corrispondente fluttua tra 0 e 1. In questo caso, i pulsanti/interruttore non funzioneranno come previsto. Poiché stiamo utilizzando resistori pull-down, i resistori saranno collegati tra il pin digitale corrispondente e la terra, quindi i pulsanti/interruttore saranno collegati tra il pin di alimentazione (+5V) e il pin digitale sull'Arduino Nano. Quando si preme il pulsante, Arduino leggerà 1 dal pin corrispondente. In questo progetto vengono utilizzati tre resistori da 270.

Pulsanti/Interruttore

In questo progetto, implementiamo jack per pulsanti da 3,5 mm sulla breadboard per una facile sostituzione dei pulsanti. Un interruttore a due pin (per cambiare la modalità per mancini/destrimani) è cablato direttamente sulla breadboard poiché la maggior parte degli utenti di carrozzine elettroniche non avrà bisogno di interagire con l'interruttore e l'interruttore è progettato per la persona che aiuta a installare l'intero meccanismo.

Selezione del motore

Abbiamo ottenuto alcuni supporti per cavalletto retrattili manualmente da diverse carrozzine elettriche da The Boston Home Inc. La quantità di forza e coppia necessarie per ritrarre tutti questi campioni è stata testata e calcolata. Dopo aver verificato le specifiche del motore, è stato scelto un motoriduttore DC per il supporto del supporto del joystick mostrato prima come demo per le istruzioni, poiché quel supporto del supporto del joystick richiedeva la coppia maggiore tra i 4 campioni che avevamo. Dovrai testare la quantità di forza e coppia necessarie per il braccio del tuo joystick + il peso del gruppo del joystick stesso per assicurarti che rientri nelle specifiche.

Alimentazione da carrozzine elettroniche

La maggior parte delle carrozzine elettroniche è dotata di alimentazione a 24 V. Questo prodotto con joystick retrattile automatizzato richiede un ingresso 5V. Poiché il prodotto è progettato per ricevere alimentazione dall'alimentatore della carrozzina, non è necessaria alcuna alimentazione esterna.

Utilizzo di una porta USB

È possibile ordinare online un convertitore buck DC-DC da 24 V a 5 V (un convertitore buck viene utilizzato per ridurre la tensione) con una porta USB (quello che abbiamo utilizzato è stato ordinato da qui). Collegare l'ingresso del convertitore buck all'alimentazione a 24 V (porta di alimentazione a porta di alimentazione e porta di terra a porta di terra) e la scheda Arduino Nano può quindi essere collegata al modulo del convertitore buck tramite la porta USB.

Passaggio 4: parte meccanica

Tutte le misure e le dimensioni sono state effettuate in riferimento al braccio joystick specifico che abbiamo utilizzato per questo progetto. Questi possono variare a seconda del braccio e noteremo importanti aree di variabilità.

Produzione

Ci sono tre parti aggiuntive che devono essere fabbricate per ricreare la parte meccanica (vedi figure). Anche il braccio esterno del braccio del joystick richiede modifiche per fissare i componenti meccanici al supporto del joystick.

1. Staffa superiore
2. Movimento Centrale
3. Blocco accoppiatore di coppia
4. Braccio esterno

Utilizzando il supporto angolare in alluminio a forma di L (staffa superiore e inferiore), il supporto a barra quadrata in alluminio (blocco di accoppiamento di coppia) e il braccio del joystick esistente (braccio esterno), seguire i disegni delle parti e/o i file STL 3D.

Collegamento dell'interruttore di fine corsa I fili devono essere saldati sull'interruttore di fine corsa prima del collegamento. Il posizionamento dell'interruttore di fine corsa è flessibile fintanto che l'interruttore è chiuso quando il braccio è retratto e aperto quando il joystick è nella sua posizione normale. Vedere il passaggio 8 dell'assemblaggio e i file "outer_arm" collegati sopra per i dettagli.

Metodo di assemblaggio

Vedere le figure per ogni passaggio.

1. Fissare il motore alla staffa del motore allineando i fori e avvitando 6 viti a testa piatta M-3 (non tutte e 6 saranno necessarie per mantenere il motore in posizione ma avvitarne il maggior numero possibile per la massima sicurezza; assicurarsi di utilizzare le viti del lunghezza corretta in funzione dello spessore della staffa per evitare danni al motore).
2. Allineare il pezzo di accoppiamento sotto la barra esterna e avvitare in posizione con una vite a testa piatta da ½” #8-32. Potrebbe essere necessario praticare un foro 8-32 nel braccio per collegare il pezzo di accoppiamento al braccio. *In questo caso, il braccio oscilla in senso antiorario, quindi la barra esterna (dal punto di vista dell'utente della carrozzina elettrica) è a sinistra. Per gli utenti destrimani, questo sarà invertito.
3. Fissare la staffa superiore al braccio retrattile con la vite M-6 (allentata).
4. Portare il braccio retrattile in posizione estesa.
5. Fissare il sottogruppo della staffa motore-motore al braccio retrattile inserendo l'albero del motore nel foro corrispondente sul pezzo di accoppiamento. La parte della staffa dovrebbe inserirsi tra il braccio e la staffa superiore, allineando i fori.
6. Utilizzare la vite ¼-20 e un controdado per fissare insieme le due staffe. Quindi, serrare la vite M6 sulla staffa superiore.
7. Assicurandosi che il supporto sia in posizione estesa, fissare il motore all'accoppiamento con la/e vite/i 10-32.
8. Avvitare il finecorsa con 2 viti #2-56 (assicurarsi che il finecorsa sia chiuso nella posizione completamente esterna - nel nostro caso, il bullone a spalla lo preme per chiuderlo).

*Nota sul fissaggio delle viti di fissaggio: le viti di fissaggio devono interfacciarsi con il lato piatto dell'albero a D. Per regolare la direzione dell'albero, collegare il motore all'alimentazione finché il lato piatto non si trova nella posizione desiderata. In alternativa, impostare il circuito come descritto in 4.1 Circuiti della parte elettrica di seguito e modificare i tempi nella riga 52 del codice come indicato in 4.2 Codice Arduino della parte elettrica fino a quando non si trova nella posizione desiderata. Ricordati di cambiarlo di nuovo dopo il montaggio!

Smontaggio

Seguire la procedura di montaggio in senso inverso. Vedi sotto se il tuo motore si brucia e deve essere sostituito.

Sostituzione del motore

1. Rimuovere la vite di fissaggio che fissa l'albero al pezzo di accoppiamento.
2. Svitare il fissaggio della staffa ¼-20 e il controdado.
3. Estrarre il sottogruppo della staffa motore-motore e svitare il motore per la sostituzione.
4. Fissare il nuovo motore alla staffa con le viti.
5. Inserire il nuovo albero motore nel foro nel pezzo di accoppiamento, inserendo la staffa in posizione (allentare la vite M6 superiore se necessario).
6. Avvitare la vite ¼-20 e il controdado per fissare nuovamente le staffe (se necessario serrare la vite M6 superiore).
7. Infine, fissare l'albero al giunto con il grano.

Alloggiamento dell'elettronica

1. Posizionare il circuito breadboard assemblato nella parte elettrica nella scatola dell'alloggiamento dell'elettronica come mostrato nell'immagine.
2. Utilizzando una fresa e/o un trapano, creare slot e fori per i connettori (porta USB Arduino, jack per pulsanti e interruttore a levetta).
3. Vedere la figura sopra per un esempio. Le posizioni degli slot e dei fori dipenderanno dai componenti e dal circuito.

Passaggio 5: parte elettrica

circuiti

Schematico

Lo schema del circuito è mostrato in Figura 1 in questa sezione ed è disponibile anche su Github. Una potenza di 5 V verrà fornita dalla carrozzina elettrica alla scheda Arduino Nano. La scheda Arduino Nano è codificata in modo da controllare il comportamento dell'interruttore e il movimento del motore CC. Il design e il cablaggio del circuito sono spiegati nella sezione Hardware (collegamento ipertestuale alla sezione hardware), se sei interessato.

Layout tagliere

Un'immagine del cablaggio della breadboard di Fritzing o del circuito è mostrata nella Figura 2 in questa sezione e l'immagine della breadboard finale è mostrata nella Figura 3.

Codice Arduino

Il codice utilizzato per questo prodotto è mostrato a lato, e puoi scaricarlo qui.

Per caricare il codice su arduino, scarica l'IDE Arduino sul computer. Usa il codice "Rhonda_v4_onebutton.ino" che hai scaricato.

Ogni riga di codice ha la sua spiegazione riga per riga all'interno del file di codice.

Carica il codice su Arduino tramite (l'interfaccia è mostrata qui):

1. Collega l'Arduino al computer tramite il connettore USB

2. Dalla scheda Strumenti sull'interfaccia Arduino:

   • Imposta la scheda su "Arduino Nano"
   • Imposta la porta sulla porta USB
3. Premi il pulsante di caricamento (→)
4. Attendi finché l'interfaccia non legge "caricamento completato".

La velocità corrente è impostata al massimo 255 nella riga 25 "analogWrite(motorPin, 255)" per ruotare il motore e al minimo 0 nella riga 36 "analogWrite(motorPin, 0)" per arrestare il motore. L'intervallo di velocità può essere impostato tra 0 e 255 come previsto per la velocità del motore.

Il tempo di rotazione corrente è cronometrato per lo specifico supporto per joystick che abbiamo scelto, ma puoi semplicemente modificare il codice (riga 52) per cambiare il tempo di rotazione e adattarlo allo specifico braccio del joystick che hai. Il tempo è in microsecondi in Arduino. Ad esempio, se vogliamo che il tempo di rotazione sia di 5 secondi, allora dovresti impostare il tempo su "5000" in Arduino.

Passaggio 6: download delle istruzioni passo passo

Passaggio 7: risoluzione dei problemi (aggiornato il 12/12/17)

1. Il motore non sta retraendo il braccio.

   • Assicurati che l'interruttore sia impostato nella direzione desiderata
   • Verificare che le viti di fissaggio siano serrate
   • Controllare eventuali inceppamenti meccanici
   • Controllare i collegamenti tra motore e circuito
   • Controllare i collegamenti del circuito (circuito di prova con solo motore, staccato dall'assieme)
   • Supporta il joystick con una certa forza: se il braccio ora si ritrae con il supporto, il tuo motore non è abbastanza potente! Controlla se il pulsante che hai usato è funzionante

2. Il braccio si sta spostando troppo o non abbastanza.

   Modificare i tempi nel codice Arduino come indicato in Codice Arduino Leggimi

Passaggio 8: documentazione video

Passaggio 9: riferimenti

1. Impara e crea il tuo driver per motore L293D economico (una guida completa per L293D) https://just4electronics.wordpress.com/2015/08/28/learn-make-your-own-cheap-l293d-motor-drivera- guida-completa-per-l293d/

Passaggio 10: AGGIORNAMENTO 14/05/18

• Nuove barre del braccio lavorate in acciaio (rispetto all'alluminio originale) con un'altezza maggiore per evitare il caricamento della flessione del raggio
• Passato a motore a coppia più elevata (1497 oz-in)
• Codice aggiornato che non si compilava
• Dispositivo revisionato testato sulla sedia a rotelle del cliente